基于振动-负压排水法的泥浆加速脱水试验研究

卢星宇　储兆微　袁帅　孙红月

摘要：为探索高含水率泥浆经济有效的脱水方法，探讨了振动作用和负压效应加快泥浆脱水的可行性，并设计了室内模拟试验。试验过程中监测排水量随时间变化并取样测定排水含土量，通过施加不同频率的振动力、改变振动范围以及使用不同单位面积质量的土工织物滤层，对振动-负压排水法处理工程泥浆的效果开展了研究。试验结果表明：① 负压排水相较重力排水，能够形成真空并提升排水速率，加快排水进程，对负压排水施加振动力能够对泥浆形成扰动，加快自由水的排出，缓解土工织物淤堵，提高排水速率；② 扩大振动范围以及提高振动频率均能提高振动-负压法处理泥浆的排水速率，但过高的振动频率会使土工织物滤层失效、土颗粒大量流失；③ 振动-负压排水法处理泥浆时应当采用较低频率振动和较厚的土工织物，以保证土工织物滤层的有效性。

关 键 词：泥浆脱水； 负压排水； 振动频率； 振动范围； 土工织物

中图法分类号： TU411 文献标志码： ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.06.030

0 引 言

中国沿海广泛分布着软土地区，出于城市建设的需要，每年会产生大量的废弃工程泥浆［1-3］。软土具有高黏粒含量等特性，并且在钻孔桩基施工、泥水盾构施工等过程中由于加水冲击等作用会导致其产生的泥浆成分复杂、含水量较高、土颗粒粒径较小［4-5］。这种泥浆强度极低，处于流动状态，采用自然沉淀法进行分离的耗时较长，因而常常采用槽罐车将泥浆运送到郊外进行自然干化或填埋处理，这往往会导致运输过程中泥浆漏撒严重，污染道路交通，对城市形象造成负面影响。同时由于沿海城市周边土地资源愈发紧张，可提供处理泥浆的场地也较为有限，对此，学者们开始探索有效和实用的泥浆脱水技术，以降低泥浆含水率。目前利用机械压滤来处理泥浆可以将泥浆含水率降至较低值［6］，化学絮凝法对工程泥浆进行处理也得到了较为广泛的研究［7-10］，电化学法也可用于泥浆脱水处理中［11］。此外，真空预压法广泛应用于软土地基、吹填淤泥地基处理工程中，对地基加固效果良好［12-13］，因此有学者采用抽真空设备对泥浆进行脱水处理，泥浆的含水率得到显著降低［14-16］。这些方法各具优点，但也存在缺陷：如机械设备造价高昂、特定成分化学药剂适用性不广泛、抽真空设备耗能较高等。因此，探究经济有效的泥浆脱水技术仍有较大的工程意义。

孙红月等［17］提出了一種全新的边坡排水方法——负压排水，通过隔离排水通道与大气环境使排水通道内部产生一定的负压从而提高边坡排水效率，具有施工简单、可实现无能源动力循环自启动排水等优点。韩旭等［18］通过室内圆筒物理模型试验，对粉土的负压排水规律进行了研究，验证了负压排水能够有效提升粉土中的排水速率。苗永红等［19］在室内模拟了饱和软土在振动荷载作用下的响应，得出了振动荷载用于软土固结排水中可以提高软土的排水速率的结论。

本文提出将负压排水技术和振动作用结合起来用于泥浆处理，利用负压效应增加土体中水的渗出速率，同时利用振动对含有大量细黏粒土的泥浆进行扰动，提高泥浆的排水速率。高分子聚合材料制成的土工织物具有孔隙小、透水性好、强度高等优点，但在排水过滤时，渗流携带的细小土颗粒可能会在土工织物滤层表面和内部滞留，当滞留的细小颗粒数量逐渐增多时，会造成排水速率的降低［20-22］。振动会使泥浆土体发生扰动，从而缓解泥浆在排水过程中的淤堵，该方法既考虑了泥浆的物理组成，也结合了土工织物本身的微观结构。本文设计不同振动频率以及振动范围，通过室内试验监测不同工况下泥浆排水量随时间的变化以及排出水含土量百分比，分析其变化规律，探究不同振动频率以及范围下负压排水的效率以及土工织物的保土性效果，对振动-负压排水法处理泥浆的可行性、有效性进行了研究，以为实际工程中利用振动作用和负压效应加快泥浆的排水速率提供指导。

1 试验方法

1.1 试验材料

本文试验所用的泥浆使用舟山金塘码头施工开挖基坑内的疏浚淤泥进行制备，泥浆配制前所需的土料详细参数，如天然含水率和比重等，严格按照GB/T 50123-2019 《土工试验方法标准》［23］进行测定。配制时按一定土水体积比在搅拌泵中搅拌固定时间获得试验用泥浆。泥浆的颗分曲线如图 1 所示，泥浆中粉粒（0.005～0.075 mm）和黏粒（<0.005 mm）含量分别约为 39%，42%，最后制得试验用泥浆物理性质如表1所示。

1.2 试验装置

本文采用自主设计的试验装置如图 2 所示，有机玻璃模型箱尺寸为435 mm×315 mm×250 mm（长×宽×高），贮水空腔高度设置为65 mm，直流微型振动电机功率10 W、振动力3 kg、可调节频率为0～50 Hz。通过启动不同位置的振动电机，可以调节模型箱在排水过程中受到振动范围；通过调节振动电机的频率，可以调节模型箱在负压排水过程中的振动频率。

1.3 试验过程

① 试验开始前，将制备得到的泥浆自然静置1 d后，抽取上层清液；② 在排水钢板上侧铺设土工织物反滤层，并在模型箱中紧贴内壁与土工织物铺设塑料密封膜；③ 向模型箱内倒入厚度为100 mm的泥浆；④ 待泥浆稳定并渗流入贮水空腔后，打开排水管并开始排水，记录排出液体重量并进行取样。

使用单位面积质量400 g/m2、厚2.9 mm的土工织物进行10组试验。首先进行两组不启动振动电机的自然重力排水试验与负压排水试验，再进行启动单侧振动电机的10～40 Hz的4组负压排水试验以及启动双侧振动电机的10～40 Hz的4组负压排水试验。试验过程中，实时记录排水量并对排出水进行取样封装。试验结束后将排出水样烘干（24 h），以测定排出水的含土量。

试验过程中发现随着振动频率升高，排出水的含土量会大大增加，为分析土工织物反滤层的效果，在启动单侧振动电机的工况下，另外使用单位面积质量300 g/m2、厚2.3 mm以及单位面积质量200 g/m2、厚1.7 mm的土工织物进行4组负压排水试验，用于对照。试验中用到的不同单位面积质量（厚度）土工织物实物如图3所示，技术指标如表2所列。

2 试验结果

2.1 不同排水方法试验结果对比

为探究振动-负压排水的可行性与效果，分别进行了重力排水、负压排水、单侧振动（10 Hz）-负压排水试验。得到整个排水阶段排水量随时间变化如图4所示。

前10 min的试验数据表明，重力排水、负压排水的排水速率相差不大。10 min～1 h时，重力排水速率较低，负压排水速率开始降低，但仍然高于重力排水，说明随着排水过程的进行，土体颗粒会在重力和渗流作用下积累在土工织物滤层的表面以及内部，降低排水速率，而负压排水会使储水空腔内部形成一定的负压从而加快泥浆的排水速率。在1.5 h时，重力排水的排水量与负压排水的排水量相差不大，这是因为1.5 h时负压排水时储水空腔会形成真空，导致内部水排出有一定滞后。在前6 h内，负压排水与重力排水的排水量均随时间逐步增加；在1.5 h之后，负压排水速率明显高于重力排水，在6 h时的排水量甚至达到了重力排水的两倍，说明储水空腔内部形成了持续的负压，负压排水效果较好。

前6 h，单侧10 Hz振动-负压排水速率显著高于重力排水和负压排水，表明振动力的施加能够扰动泥浆内部土颗粒在土工织物上的沉积，从而加快排水速率；30～75 min、90 min～6 h这两段时间，单侧10 Hz振动-负压排水速率有一定降低，原因是储水空腔内负压形成，导致排水有一定滞后，总体排水效果良好。

整个排水阶段，重力排水、负压排水、单侧10 Hz振动-负压排水量随时间变化如图5所示。试验数据表明前期重力排水与负压排水的排水速率均较稳定，但在6 h之后排水速率均呈现逐渐降低的现象，此时泥浆已经排出一部分水，而在土工织物的内部，由于细小土颗粒的滞留以及土工织物表面土颗粒的累积，导致土工织物的渗透系数变小，逐渐发生淤堵。在最终排水量相差不大的情况下，负压排水总时长小于重力排水总时长。单侧10 Hz振动-负压排水在前15 h均能保持较高的排水速率，在15 h后排水速率逐渐降低，40 h时最终排水量与负压排水、重力排水的最终排水量持平，但排水时长相较负压排水缩短了33.5 h，说明通过施加振动力能够加快负压排水进程。

2.2 不同振动范围以及振动频率下负压排水试验结果对比

由图6可知：在振動范围相同的情况下，随着振动频率的增高，总体排水时间呈现逐渐缩短的趋势，说明排水效果变好；在振动频率相同的情况下，双侧振动排水时长均小于单侧振动。启动单侧振动时，10 Hz与20 Hz最终排水时间相同，但在启动双侧振动器时，20 Hz的排水时间比10 Hz缩短5 h，说明在低频率振动时，增大振动范围能够有效提升排水效果。而在30 Hz和40 Hz时，双侧振动与单侧振动最终排水时间近似，说明在高频率振动时，增大振动范围并不能有效提升排水效果。

由于在较高频率下（如40 Hz），出现了最终排水量大于9 000 g的情况，因此需要对其排水含土量进行进一步分析。对排出水样进行烘干称重分析，可得到不同频率下单或双侧振动-负压排水含土量随时间变化如图7所示，水样浑浊度结果如图8所示。

由图7可知：在振动范围相同的情况下，排水含土量随振动频率的增大而增大；在振动频率相同的情况下，双侧振动的排水含土量高于单侧振动的排水含土量。在低频振动（10，20 Hz）时，单双侧振动排水含土量较低，且振动范围对排水含土量影响较小。在高频振动（30，40 Hz）时，排水含土量较大，而且双侧振动对排水含土量增大的影响也较为明显。

综上可知：① 提高振动频率或者扩大振动范围均能加快排水速率，因为提高振动频率会增大对泥浆的扰动，使其渗透速率加快，振动范围的扩大则加大了对泥浆扰动的影响区域，两者均能促进泥浆中自由流体的运动，从而加快了泥浆的整体排水速率。② 在振动的作用下，泥浆会随着振动产生周期性的往复运动，但泥浆中水和土颗粒的密度差异导致各自产生的振动和加速度不同，二者会产生相对运动，土颗粒之间的束缚水会向自由水转化，使得泥浆中水排出更为容易。③ 过高的振动频率虽然能增大排水效果，但是会大大提高排出水的含土量，导致土工织物滤层的失效。原因在于靠近土工织物滤层表面以及进入土工织物内部的土颗粒会因为振动波的频率过大获得较大的能量，产生剧烈的扰动并在渗流的作用下穿过土工织物并流失。

2.3 不同单位面积质量的土工织物滤层对振动-负压排水试验结果影响

为进一步探究振动-负压排水情况下，不同单位面积质量的土工织物滤层的反滤作用与失效情况，使用单位面积质量300 g/m2、厚2.3 mm的土工织物进行10～30 Hz的3组单侧振动-负压排水试验，使用单位面积质量200 g/m2、厚1.7 mm的土工织物进行10 Hz下1组单侧振动-负压排水试验，得到不同振动频率与单位面积质量土工织物滤层的单侧振动-负压排水随时间变化如图9所示，排水含土量变化如图10所示。

由图9可以看出，在相同振动频率下，单位面积质量越低、厚度越薄的土工织物滤层排水效果越好。但图10则表明，在相同振动频率下，使用单位面积质量低、厚度薄的土工织物作为滤层更容易导致排水含土量升高，土工织物滤层失效。较厚土工织物滤层在低频振动时的反滤效果较好，在高频振动下才会失效。但即使在低频振动时土颗粒也很容易穿透较薄的土工织物滤层，使排水含土量大大提升，导致土工织物滤层失效。因此，为保证振动-负压排水系统的有效性，应该选择单位面积质量较大、厚度较厚的土工织物作为反滤层，同时不应当施加较高频率的振动。

3 结 论

（1） 在负压排水过程中，随着贮水空腔内部水的流出，气体扩张而形成的负压能够提高泥浆的排水速率；施加振动能够对泥浆中土颗粒形成扰动，缓解土工织物淤堵，促进泥浆中自由水的排出，并使得泥浆中颗粒间的束缚水向自由水转化，从而进一步加快负压排水速率。

（2） 提高振动频率能够加大对泥浆土体的扰动，提高其排水速率，但当振动频率过高时（>20 Hz），会出现土颗粒流失严重的现象，导致土工织物滤层失效；扩大振动范围能够加大对泥浆的扰动范围，提高泥浆的排水速率。

（3） 单位面积质量较低（<300 g/m2）、厚度较薄的土工织物在低频振动下也较容易产生土颗粒流失严重的现象，而单位面积质量较大（400 g/m2）、厚度较厚的土工织物在低频振动下排水效果良好，排水含土量也较低。因此，在进一步的振动-负压排水法处理泥浆的工程应用中，应当采用单位面积质量大且厚的土工织物作为滤层，同时使用双侧低频振动的方式，可以在提高排水速率同时使得土工织物滤层不容易失效。

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（编辑：胡旭东）

Experimental study on mud rapid dewatering based on vibration-negative pressure drainage method

LU Xingyu，CHU Zhaowei，YUAN Shuai，SUN Hongyue

（Ocean College，Zhejiang University，Zhoushan 316021，China）

Abstract： In order to explore an economical，effective and rapid dewatering method for high water content mud，the feasibility of combining vibration and negative pressure to accelerate mud dewatering was discussed，and an indoor simulation test was designed.During the test，the drainage volume was monitored over time，and the soil content in the drainage was measured.The effect of vibration-negative pressure drainage method on the treatment of engineering mud was studied by applying different frequency vibration force，changing vibration range and using geotextile filter layer with different mass per unit area.The test results showed that compared with gravity drainage，negative pressure drainage can generate vacuum and increase the drainage rate，and accelerate the drainage process.Applying vibration force to negative pressure drainage can disturb the mud，accelerate the discharge of free water，alleviate the clogging of geotextiles，and increase the drainage rate.Expanding the vibration range and increasing the vibration frequency can improve the drainage rate of the mud treated by the vibration-negative pressure method，but too high vibration frequency will cause the failure of the geotextile filter layer and the loss of soil particles.When using the vibration-negative pressure drainage method to treat the mud，lower frequency vibration and thicker geotextile should be used to ensure the effectiveness of the geotextile filter.

Key words： mud dewatering；negative pressure drainage；vibration frequency；vibration range；geotextile

收稿日期：2022-08-03

作者简介：卢星宇，男，硕士研究生，主要从事负压排水方法研究。E-mail：carry201314@zju.edu.cn

通信作者：孙红月，女，教授，博士，主要从事地质灾害防治研究。E-mail：shy@zju.edu.cn