不同含水率疏浚淤泥真空预压下的淤堵行为

李水江，黄永基，苏 键

（广州环保投资有限公司，广东 广州 510330）

0 引 言

吹填疏浚淤泥具有含水率高（高达 80%～200%）[1-4]、压缩性高、承载能力低等特点，需对其进行预处理才能满足后续工程建设需要。真空预压联合排水板法（PVDs）作为一种软土地基处理方式，由于其经济、环保及性价比高等优点，近年来已经被越来越多地运用于高含水率疏浚淤泥地基的加固处理中[5-7]。但在使用真空预压加固地基过程中，排水板四周区域会形成隆起的以排水板为中心的压密层，称为“土柱”现象，阻碍真空度的传递，降低固结速率[8]。近年来，有许多专家学者对排水板的淤堵现象进行了研究。鲍树峰等[9]采用3种竖向排水体进行了室内真空固结单井模型试验，得出新近吹填淤泥中黏粒含量过高、竖向排水体反滤层的等效孔径过小、真空加载速度过快是竖向排水体出现较严重淤堵现象的主要原因。刘景锦等[10]进行了不同颗粒组成和不同真空度条件下的室内试验，发现低真空度作用下形成的淤堵层厚度要大于高真空度下形成的淤堵层厚度。唐彤芝等[11]通过现场试验研究了真空预压作用下吹填淤泥土的沉降和强度变化特性，指出吹填淤泥土颗粒细、结构性强度低、含水率高、流动性大是形成淤泥抱团的主要原因，提出了解决设想。

但上述的研究均未考虑过不同含水率对排水板淤堵行为的影响。为研究不同含水率对排水板淤堵的影响，本文进行了吹填疏浚淤泥真空预压的室内模型对照试验，对比了不同含水率土样土体固结度、孔隙水压力变化和土体出水速率等指标，探讨了含水率对疏浚淤泥固结及排水板淤堵的影响。

1 模型试验

1.1 模型试验

试验土样取自广州南沙地区某工地。经室内试验得到土样的基本物理力学性质，见表1，颗粒级配曲线如图1所示。

表1 土的基本物理力学指标Table 1 Physical and mechanical parameters of soil

图1 土样颗粒级配曲线Fig. 1 Particle distribution curve of soil sample

1.2 试验装置

整个试验装置可分为模型箱、水汽分离装置、抽真空装置及监测系统4个部分，如图2所示。本试验采用自主设计的模型桶，尺寸为50 cm×60 cm（直径×高度），由1.5 cm厚的透明有机玻璃加工而成，桶壁一侧标有量程为60 cm的土体沉降观测尺。模型桶采用侧壁开孔的方式抽真空和穿引传感器数据线，能够较好地避免传统模型桶顶部管线出膜所造成的漏气问题。等效孔径为75 μm的塑料排水板由特制不锈钢支架固定在模型桶中央，防止其在土样填注过程及抽真空过程中发生变形。模型桶顶部设有密封系统。水汽分离装置由水汽分离瓶、橡胶塞和橡胶软管组成，收集土体出水。抽真空装置主要由真空泵、真空管组成。量测系统主要包括微型孔隙水压力传感器、LVDT位移传感器、真空测头、真空表、压力表全自动记录电子秤等。所有管线均采用硬质塑料管、密封转换接头以及卡箍连接，保证整个试验装置在试验过程中具有良好的气密性。

图2 试验装置示意图Fig. 2 Schematic diagram of test apparatus

1.3 试验过程

本试验共进行了两组试验，每组试验采取两个模型桶并行的方式，每组试验60 d。第一组试验土样的初始含水率为80%（桶A）、120%（桶B）；第二组试验土样的初始含水率为100%（桶A）、140%（桶B）。试验步骤具体如下：（1）用不锈钢架子在模型桶中央固定PVD；（2）安装微型孔隙水压力传感器和真空探头布置在排水板一侧，具体位置如图3所示，与排水板及桶底之间的距离见图2；（3）将制备好的试验土样填注入到模型桶中，初始高度为0.56 m；（4）将土工布和足够面积的密封膜铺设在土浆顶部，防止抽真空过程中出现拉扯漏气现象；（5）密封模型桶，两个 LVDT位移传感器对称布置在模型桶顶部密封膜上；（6）通过采集卡将传感器连接到计算机上，检查各连接接口及连接点；（7）土样自重固结24 h后，打开真空泵施加85 kPa的真空压力，开始试验。在试验过程中，计算机通过数据表记录沉降和孔隙压力数据。

图3 传感器及真空测头的布置示意图Fig. 3 Layout of sensors and vacuum probe

2 试验结果分析与讨论

2.1 土体固结度

图4为 80%～140%含水率土样根据沉降量计算所得的固结度随真空预压试验天数的变化图（土体位移读数每隔24 h记录1次）。

图4 不同含水率土体的固结度曲线Fig. 4 Consolidation degree of soil with different water content

由图4可得，含水率为80%、100%、120%的这3组土样在真空预压的初期阶段（0～400 h），土体的固结速率随着土体含水率增加呈上升趋势。对比其他3个含水率土体，140%含水率土体中自由水会更多，因此会有更多的土体细颗粒处于悬浮状态。开启抽真空后，真空梯度使得土颗粒随渗流发生迁移，高含水率淤泥土体细颗粒随渗流发生迁移的情况比低含水率淤泥更明显，吸附在排水板表面和嵌在滤芯处，造成排水板滤膜或芯板处的淤堵，排水板通水能力减弱，土体固结速率下降。因此140%含水率土样的固结速率明显低于其他三者。

但试验土样在真空梯度作用下发生固结沉降的同时会伴随土体自重沉降，因此抽真空过程中存在“土液分层”现象。负压作用使得上层清液通过上部排水板（前期土体发生沉降，排水板上端会露出）大量排出。140%（3.75倍液限）含水率土体中所包含更多体积的自由水，分层显著。因此在400 h后期，土体出水量快速增加，土体沉降量快速增加，相应固结度增加。因此图4中会出现400～800 h时含水率为140%的土体固结速率明显大于其他3组土体。

当试验进入到末尾阶段，模型桶内土体表面沉降量不再发生改变。140%含水率疏浚淤泥由于含水率过高，在真空预压作用下，由于排水板四周的密实“土柱”导致排水板“淤堵”。试验进行到800 h后，土体中的水无法通过排水通道排出，此时沉降量已趋于稳定，提前结束固结。

2.2 孔隙水压力

图5、图6为4种不同含水率试验土各孔隙水压力传感器读数随真空预压天数的变化（孔隙水压力读数间隔24 h记录1次）。

图5 同一水平高度、不同水平距离的孔隙水压力变化图Fig.5 Variation of pore water pressures at the same heights and different horizontal distance

图6 同一水平距离、不同高度的孔隙水压力变化图Fig. 6 Variation of pore water pressures at the same horizontal distance and different heights

对比不同水平位置（图5）及不同高度位置处（图6）孔隙水压力传感器示数变化可得，试验结束后 80%、100%、120%含水率试验土样的孔隙水压力最终可消散到达-80 kPa（试验施加的真空荷载为-85 kPa）。而140%含水率试验土样在试验过程中孔压消散缓慢，消散曲线始终高于其他三者，最终消散孔压接近于 76 kPa。导致该现象的原因是，140%含水率试验土体在试验过程中淤堵现象较为严重，导致真空压力传递不均匀，径向传递受阻，导致最终消散孔压数值无法达到外部施加的真空荷载值。

2.3 土体出水速率

在进行地基处理过程中，土体排水量是衡量处理效果的重要观测指标。试验土样的初始含水率高，土体孔隙比大，最终排出的水也较多。因此本研究采用土体出水速率-时间曲线探究疏浚淤泥真空预压加固效果。由图7可得，在0～96 h内，各初始含水率土体的排水速率较快，且土体初始含水率越高，土体的排水速率越快。80%含水率土体在第24小时的排水速率为0.025 g/s，而140%含水率土体在第24小时的排水速率接近于0.036 g/s。随着固结进行，在24～96 h固结时间内，各初始含水率土体的排水板速率均出现大幅降低。80%含水率土体在第200小时的排水速率下降到0.012 g/s，下降幅度为 52.0%。而 140%在第200小时的排水速率则下降到 0.018 g/s。当土体固结时间大于 200 h后，土体排水速率-时间曲线下降趋势明显变缓，土体排水速率降低。高含水率土体的“分层”现象是导致 140%含水率土样出水速率在 200 h后出现波动的重要因素。土体排水速率-时间曲线出现突变，从侧面验证了土体初始含水率会影响真空预压加固效果，高含水率疏浚淤泥在真空预压加固过程更易出现淤堵现象，导致排水固结能力迅速下降，也进一步支持了上述其他土体参数的测试结果。

图7 各初始含水率试验组土体排水速率变化情况Fig. 7 Variation of effluent rate of soil in each initial water content test group

3 结 论

本文进行了多组室内试验，探究了真空预压条件下不同含水率对排水板附近土体变形特性的影响。对比土体固结度、孔隙水压力变化和土体出水速率等指标，得出以下结论：（1）土体初始含水率是影响疏浚淤泥真空预压处理效果的一个重要影响因素。土体初始含水率与真空预压加固效果呈负相关联系。（2）真空梯度作用下疏浚淤泥在排水板四周快速形成密实“土柱”进而形成淤堵，高初始含水率疏浚淤泥的淤堵现象更严重。淤堵效应会明显减缓土体排水固结速率以及土体孔压消散。