高含水率有机质河道底泥压缩性状试验研究

黄烁菡，王婧，牟聪，丁建文

(东南大学 岩土工程研究所，南京 210096)

城市内河底泥是来源于生活、工业的污染物质经物理、化学和生物作用沉积于河床底部，形成富含有机质和营养盐的灰黑色淤泥[1-2]。通常人类活动越活跃的区域，河湖底泥中有机物质含量越高。这些有机物质的存在，致使河湖底泥性状呈现与非污染疏浚泥不同的物理-力学性状。近年来，许多学者针对河道底泥工程特性开展的一系列研究[3-5]表明，城市河道底泥组成复杂，底泥中有机质含量高，造成其具有高含水率、细颗粒成分高、低透水性的特点。

土中有机质常被视为对工程不利的物质成分，大量研究表明，有机质具有极强的持水性和吸水性[6]，同时，土中有机质含量升高会引起土体阳离子交换量增大、初始孔隙比上升等特性[1-2]，这些特性造成有机质土的天然含水率、液限含水率高，高含量的有机质通常造成土体的压缩性、蠕变性增大，强度减小，稳定性降低[7-9]。底泥中的有机质含量会直接影响底泥的排水性能，研究河道底泥的压缩性状，有助于了解底泥排水性能和潜在的压缩体积量，为工程应用中高含水率疏浚底泥的排水有效处理和填埋堆场库容有效利用提供直接指导[3]。已有研究主要通过人工添加研究有机质对土体物理-化学-力学性状的影响，针对河道污染底泥，开展有机质的影响规律研究较少。

笔者以福州晋安区3条河道底泥和扬州七里河河道底泥为研究对象，采用过氧化氢处理改变河道底泥中有机质含量，并制备初始含水率约为1.0、1.5和1.75倍液限wL的试样开展一维压缩试验，探索有机质含量和初始含水率对河道底泥压缩性状的影响规律。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料与方法

试验底泥取自福建省福州市和江苏省扬州市。其中，浦东河底泥、水上公园底泥和凤坂河底泥分别取自福建省福州市晋安区的浦东河、水上公园人工湖和凤坂河；七里河底泥取自江苏省扬州市七里河。试验底泥的基本物理性质如表1所示。由于底泥的孔隙液中含有可溶物质(溶解性有机质、营养盐、重金属离子等)，底泥烘干后，孔隙液中的可溶物质以固体形式存在于干土土粒中，按照常规方法计算含水率会产生误差，因此，采用Noorany[10]提出的含液率概念计算土样含水率。底泥的比重Gs采用标准比重瓶法测定[11]，测定过程中为了防止水与有机质产生反应，采用煤油代替水进行试验；有机质含量采用440 ℃高温灼烧测定底泥的烧失量(Loss On Ignition，LOI)[12]；液限wL和塑限wP分别采用碟式液限仪和搓条法测定[13]。

表1 河道底泥基本物理参数Table 1 Physical properties of river sediments

采用浓度为30%的过氧化氢溶液淋洗处理浦东河底泥。过氧化氢和底泥中有机物质发生氧化反应，使底泥中有机物质分解水和二氧化碳，在不引起底泥土颗粒矿物成分组成和含量变化的条件下，可有效降低底泥中的有机质含量[14-15]。故采用过氧化氢淋洗法，使浦东河底的有机质含量由9.5%降低到6.87%和3.67%，将淋洗后有机质含量为6.87%和3.67%的浦东河底泥分别称为浦东过氧化氢淋洗底泥1#和2#。表2是过氧化氢溶液淋洗前后浦东河底泥的基本物理性质。

表2 过氧化氢淋洗前后浦东河底泥的基本物理参数Table 2 Physical properties of Pudong river sediments with or without hydrogen peroxide treatment

1.2 固结试验方法

河道底泥由于沉积环境、疏浚技术等的影响，其天然含水率通常高于液限，呈流塑状态[16]。因此，为更好地符合实际情况，试验配置固结试样的初始含水率将普遍大于液限。通过向现场取回的底泥加入原位河水并搅拌均匀，调整成泥样初始含水率分别为0.96～0.99倍、1.48～1.5倍和1.72～1.75倍液限。根据泥样初始含水率和环刀体积(高4 cm、直径6.18 cm)，计算固结试样质量，保证放入环刀内泥样质量和计算值间误差小于2%。向固结盒内注入现场取回的原位河水，液面高于试样顶部，并静置24 h。

为避免高含水率泥样从透水石侧壁挤出，固结试验第1级荷载选用0.5 kPa，采用Hong等[17]研制的低应力起始固结仪进行加载，荷载施加顺序为0.5 kPa→1.5 kPa→3.125 kPa→6.25 kPa→12.5 kPa→25 kPa→50 kPa→100 kPa→200 kPa→400 kPa→800 kPa→1 600 kPa。由Zeng等[18]的研究可知，每级荷载下加载时间3 h，可保证试样主固结的完成。试验过程中，固结盒内注入现场取回的原位河水，保证试样始终处于饱和状态。

2 试验结果

2.1 河道底泥原泥压缩性状

表3是4种河道底泥的一维固结试验方案，其中浦东河底泥固结试样的初始含水率为0.99倍、1.50倍和1.72倍液限，水上公园固结试样初始含水率为1.50倍液限，凤坂河底泥固结试样初始含水率为0.96倍、1.50倍液限，七里河底泥固结试样初始含水率为0.99倍、1.48倍液限。

表3 底泥试样固结试验方案Table 3 Programme of one-dimensional incremental load consolidation tests of river sediments

注：eL为对应于液限的孔隙比；e0为固结试样的初始孔隙比。

图1(a)、(b)分别为浦东河底泥、水上公园底泥、七里河底泥和凤坂河底泥e0/eL=1.48～1.50、0.96～0.99时的压缩曲线e-lgσ′v。底泥的压缩曲线与高初始含水率重塑土的压缩曲线一致，呈倒“S”形。Hong等[17]将这一现象归因于重塑土中存在类似于天然沉积黏土的屈服应力σ′yr。当竖向有效应力σ′v小于屈服应力σ′yr时，各压缩曲线较为平缓；当竖向有效应力σ′v大于屈服应力σ′yr时，土体的压缩性增大，压缩曲线陡然下降。

图1 相同e0/eL值的河道底泥压缩曲线Fig.1 Compression curves of reconstituted river

这4种河道底泥有机质含量、液限等参数指标均不相同。从图1中可以看出，eL值较大的底泥压缩曲线始终在eL较小的底泥压缩曲线上方。长期以来,针对重塑无机土压缩性状的研究结果表明，e0和eL是影响重塑土压缩特性的两个重要物理参数。Skempton[19]总结了20多组天然沉积土，发现液限不同土样的压缩性不同，各种深度天然土的含水率与液限的比例在0.6～1.5之间。Nagaraj等[20]提出用参数e0/eL归一化压缩曲线。Burland[21]认为，相较于液限wL，液限孔隙比eL更加适合分析重塑土的压缩性状。这一试验证明，与无机质土的压缩曲线特性相同，液限孔隙比eL是影响底泥压缩曲线的重要物理参数。

(1)

图2是底泥的液限孔隙比eL与压缩指数Cc的关系图。从图2可以看出，底泥的压缩指数随液限孔隙比eL的增大而增大，表明液限孔隙比eL高的底泥具有较高的压缩性。

图3(a)、(b)、(c)分别是不同初始含水率的浦东河底泥、凤坂河底泥和七里河底泥的压缩曲线e-lgσ′v。初始含水率值较高的底泥的压缩曲线始终在初始含水率较低的压缩曲线的上方，河道底泥压缩性随初始含水率的增加而增大。

图2 底泥液限孔隙比eL与压缩指数Cc关系图Fig.2 Compression curves of reconstituted river sediments

图3 不同初始含水率下底泥压缩曲线Fig.3 Effect of initial water content on compression curves

重塑土的压缩曲线中存在一个竖向有效应力界限值，超过这一界限值，重塑土的压缩性迅速增大，压缩曲线陡降，这一竖向有效应力的界限值即是重塑屈服应力。重塑屈服应力采用Butterfiled[22]提出的确定方法，压缩曲线在ln(1+e)-lgσ′v双对数坐标下变换为两条直线，这两条直线的交点即为重塑屈服应力。图4是底泥重塑屈服压力与e0/eL的关系图，从图4可以看出，随着底泥初始含水率的增大，底泥的重塑屈服应力减小。Hong等[17]指出，土的重塑屈服应力与土体的初始孔隙比与液限孔隙比之间的比值e0/eL有关，并提出重塑屈服应力预测公式σ′yr= 5.66/(e0/eL)2。

图4 底泥重塑屈服压力与e0/eL关系图Fig.4 The e0/eL effects on remoulded yield

2.2 有机质含量对河道底泥压缩性状的影响

土中有机质含量变化通常会改变土体的比重以及液限值[7, 23-24]。土体的比重Gs和液限wL是直接影响土体液限孔隙比eL的两个参数。图5、图6分别为浦东河底泥液限、比重与有机质含量关系图。结果表明，浦东河底泥有机质含量升高引起底泥液限升高、比重降低。土体的液限孔隙比公式为

eL=Gs×wL

(2)

图5 有机质含量与底泥液限含水率关系图Fig.5 Organic matter contents effects on

图6 有机质含量与底泥比重关系图Fig.6 Organic matter contents effects on

图7为浦东河底泥液限孔隙比eL与有机质含量的关系图，试验结果表明，有机质含量升高会导致底泥的液限孔隙比增大。

图7 有机质含量与底泥液限孔隙比eL关系图Fig.7 Organic matter contents effects on

表4为过氧化氢淋洗前后的浦东河底泥的一维固结试验方案，固结试样的初始含水率为0.98～0.99倍、1.48～1.50倍和1.72～1.75倍液限范围内。

表4 不同有机质含量浦东河底泥固结试验方案Table 4 Programme of one-dimensional incremetal loadconsolidation tests of Pudong river sediments with organic contents

图8(a)、(b)、(c)分别为过氧化氢淋洗前后浦东河底泥固结土样e0/eL=0.98～0.99、1.48～1.5和1.72～1.75时的压缩曲线e-lgσ′v。不同有机质含量底泥压缩曲线层次上存在明显差异，有机质含量高的底泥的压缩曲线位于有机质含量低的底泥的压缩曲线上方。随着竖向有效应力的增加，有机质含量高的底泥展现了更高的压缩性，各压缩曲线之间的差距减小。李学等[25]通过研究固结过程中吹填土的微观特征，并采用模拟试验定量分析有机质对吹填土工程性质的影响，发现在土体固结过程中，100 kPa和400 kPa是土体中有机质结构发生变化的两个特征值，在100 kPa竖向压力下黏土颗粒和有机质之间的团聚体稳定性遭到破坏，而在400 kPa竖向压力下有机质颗粒发生破坏。因此，在竖向压

图8 相同e0/eL值不同有机质含量的浦东河底泥压缩曲线Fig.8 Effect of organic matter contents on compression curves of Pudong clay at same

力较大时，不同有机质含量的底泥压缩曲线逐渐趋于一致。

Zeng等[26]通过人工添加腐殖酸的方式改变土体中有机质含量，并进行了26组的一维固结试验。试验结果表明，腐殖酸对土体压缩性质的影响主要是通过改变土体的初始孔隙比e0和液限孔隙比eL两个物理参数。当e0和eL相同时，无机土和有机质土的e-lgσ′v压缩曲线基本一致。

图9为不同有机质含量的浦东河底泥的重塑屈服应力与e0/eL关系图，随着初始含水率增大，重塑屈服应力呈减小趋势。试样的e0/eL比值相同时，底泥的重塑屈服应力基本一致，这表明，有机质含量主要通过改变底泥的初始孔隙比e0与液限孔隙比eL影响重塑屈服应力σ′yr。

图9 不同有机质含量浦东河底泥屈服压力与e0/eL关系图Fig.9 e0/eL effects on remoulded yield stress of Pudong river sediments with different organic

图10为浦东河底泥压缩指数与有机质含量关系图。底泥的压缩指数随有机质含量的增大而增大，表明底泥中的有机质含量越高，底泥呈现出越高的压缩性。林琳等[27]采用人工添加腐殖酸的方式研究有机质对黑土压缩特性的影响，也得出类似的结论。

图10 底泥压缩指数与有机质含量关系图Fig.10 Organic matter contents effects on

3 结论

通过对福州晋安区和扬州七里河共4条河道底泥的系列压缩试验研究，得出如下主要结论：

1)在e0/eL值相同的条件下，液限孔隙比eL较大的底泥的压缩曲线始终在液限孔隙比eL较小的压缩曲线上方，与无机土类似，初始孔隙比e0和液限孔隙比eL也是分析和评价河道底泥压缩性状的关键控制因素。

2)在eL值相同的条件下，河道底泥初始含水率增加，底泥重塑屈服应力σ′yr减小，压缩指数增大。

3)底泥有机质含量上升，压缩指数呈现上升趋势，有机质含量增加主要通过影响河道底泥的液限和比重，进而导致河道底泥重塑屈服应力σ′yr和压缩性状发生改变。