李水江，黃永基，蘇 鍵

（廣州環(huán)保投資有限公司，廣東 廣州 510330）

0 引 言

吹填疏浚淤泥具有含水率高（高達(dá) 80%～200%）[1-4]、壓縮性高、承載能力低等特點(diǎn)，需對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理才能滿足后續(xù)工程建設(shè)需要。真空預(yù)壓聯(lián)合排水板法（PVDs）作為一種軟土地基處理方式，由于其經(jīng)濟(jì)、環(huán)保及性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)已經(jīng)被越來(lái)越多地運(yùn)用于高含水率疏浚淤泥地基的加固處理中[5-7]。但在使用真空預(yù)壓加固地基過程中，排水板四周區(qū)域會(huì)形成隆起的以排水板為中心的壓密層，稱為“土柱”現(xiàn)象，阻礙真空度的傳遞，降低固結(jié)速率[8]。近年來(lái)，有許多專家學(xué)者對(duì)排水板的淤堵現(xiàn)象進(jìn)行了研究。鮑樹峰等[9]采用3種豎向排水體進(jìn)行了室內(nèi)真空固結(jié)單井模型試驗(yàn)，得出新近吹填淤泥中黏粒含量過高、豎向排水體反濾層的等效孔徑過小、真空加載速度過快是豎向排水體出現(xiàn)較嚴(yán)重淤堵現(xiàn)象的主要原因。劉景錦等[10]進(jìn)行了不同顆粒組成和不同真空度條件下的室內(nèi)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)低真空度作用下形成的淤堵層厚度要大于高真空度下形成的淤堵層厚度。唐彤芝等[11]通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究了真空預(yù)壓作用下吹填淤泥土的沉降和強(qiáng)度變化特性，指出吹填淤泥土顆粒細(xì)、結(jié)構(gòu)性強(qiáng)度低、含水率高、流動(dòng)性大是形成淤泥抱團(tuán)的主要原因，提出了解決設(shè)想。

但上述的研究均未考慮過不同含水率對(duì)排水板淤堵行為的影響。為研究不同含水率對(duì)排水板淤堵的影響，本文進(jìn)行了吹填疏浚淤泥真空預(yù)壓的室內(nèi)模型對(duì)照試驗(yàn)，對(duì)比了不同含水率土樣土體固結(jié)度、孔隙水壓力變化和土體出水速率等指標(biāo)，探討了含水率對(duì)疏浚淤泥固結(jié)及排水板淤堵的影響。

1 模型試驗(yàn)

1.1 模型試驗(yàn)

試驗(yàn)土樣取自廣州南沙地區(qū)某工地。經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)得到土樣的基本物理力學(xué)性質(zhì)，見表1，顆粒級(jí)配曲線如圖1所示。

表1 土的基本物理力學(xué)指標(biāo)Table 1 Physical and mechanical parameters of soil

圖1 土樣顆粒級(jí)配曲線Fig. 1 Particle distribution curve of soil sample

1.2 試驗(yàn)裝置

整個(gè)試驗(yàn)裝置可分為模型箱、水汽分離裝置、抽真空裝置及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)4個(gè)部分，如圖2所示。本試驗(yàn)采用自主設(shè)計(jì)的模型桶，尺寸為50 cm×60 cm（直徑×高度），由1.5 cm厚的透明有機(jī)玻璃加工而成，桶壁一側(cè)標(biāo)有量程為60 cm的土體沉降觀測(cè)尺。模型桶采用側(cè)壁開孔的方式抽真空和穿引傳感器數(shù)據(jù)線，能夠較好地避免傳統(tǒng)模型桶頂部管線出膜所造成的漏氣問題。等效孔徑為75 μm的塑料排水板由特制不銹鋼支架固定在模型桶中央，防止其在土樣填注過程及抽真空過程中發(fā)生變形。模型桶頂部設(shè)有密封系統(tǒng)。水汽分離裝置由水汽分離瓶、橡膠塞和橡膠軟管組成，收集土體出水。抽真空裝置主要由真空泵、真空管組成。量測(cè)系統(tǒng)主要包括微型孔隙水壓力傳感器、LVDT位移傳感器、真空測(cè)頭、真空表、壓力表全自動(dòng)記錄電子秤等。所有管線均采用硬質(zhì)塑料管、密封轉(zhuǎn)換接頭以及卡箍連接，保證整個(gè)試驗(yàn)裝置在試驗(yàn)過程中具有良好的氣密性。

圖2 試驗(yàn)裝置示意圖Fig. 2 Schematic diagram of test apparatus

1.3 試驗(yàn)過程

本試驗(yàn)共進(jìn)行了兩組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)采取兩個(gè)模型桶并行的方式，每組試驗(yàn)60 d。第一組試驗(yàn)土樣的初始含水率為80%（桶A）、120%（桶B）；第二組試驗(yàn)土樣的初始含水率為100%（桶A）、140%（桶B）。試驗(yàn)步驟具體如下：（1）用不銹鋼架子在模型桶中央固定PVD；（2）安裝微型孔隙水壓力傳感器和真空探頭布置在排水板一側(cè)，具體位置如圖3所示，與排水板及桶底之間的距離見圖2；（3）將制備好的試驗(yàn)土樣填注入到模型桶中，初始高度為0.56 m；（4）將土工布和足夠面積的密封膜鋪設(shè)在土漿頂部，防止抽真空過程中出現(xiàn)拉扯漏氣現(xiàn)象；（5）密封模型桶，兩個(gè) LVDT位移傳感器對(duì)稱布置在模型桶頂部密封膜上；（6）通過采集卡將傳感器連接到計(jì)算機(jī)上，檢查各連接接口及連接點(diǎn)；（7）土樣自重固結(jié)24 h后，打開真空泵施加85 kPa的真空壓力，開始試驗(yàn)。在試驗(yàn)過程中，計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)表記錄沉降和孔隙壓力數(shù)據(jù)。

圖3 傳感器及真空測(cè)頭的布置示意圖Fig. 3 Layout of sensors and vacuum probe

2 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1 土體固結(jié)度

圖4為 80%～140%含水率土樣根據(jù)沉降量計(jì)算所得的固結(jié)度隨真空預(yù)壓試驗(yàn)天數(shù)的變化圖（土體位移讀數(shù)每隔24 h記錄1次）。

圖4 不同含水率土體的固結(jié)度曲線Fig. 4 Consolidation degree of soil with different water content

由圖4可得，含水率為80%、100%、120%的這3組土樣在真空預(yù)壓的初期階段（0～400 h），土體的固結(jié)速率隨著土體含水率增加呈上升趨勢(shì)。對(duì)比其他3個(gè)含水率土體，140%含水率土體中自由水會(huì)更多，因此會(huì)有更多的土體細(xì)顆粒處于懸浮狀態(tài)。開啟抽真空后，真空梯度使得土顆粒隨滲流發(fā)生遷移，高含水率淤泥土體細(xì)顆粒隨滲流發(fā)生遷移的情況比低含水率淤泥更明顯，吸附在排水板表面和嵌在濾芯處，造成排水板濾膜或芯板處的淤堵，排水板通水能力減弱，土體固結(jié)速率下降。因此140%含水率土樣的固結(jié)速率明顯低于其他三者。

但試驗(yàn)土樣在真空梯度作用下發(fā)生固結(jié)沉降的同時(shí)會(huì)伴隨土體自重沉降，因此抽真空過程中存在“土液分層”現(xiàn)象。負(fù)壓作用使得上層清液通過上部排水板（前期土體發(fā)生沉降，排水板上端會(huì)露出）大量排出。140%（3.75倍液限）含水率土體中所包含更多體積的自由水，分層顯著。因此在400 h后期，土體出水量快速增加，土體沉降量快速增加，相應(yīng)固結(jié)度增加。因此圖4中會(huì)出現(xiàn)400～800 h時(shí)含水率為140%的土體固結(jié)速率明顯大于其他3組土體。

當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)入到末尾階段，模型桶內(nèi)土體表面沉降量不再發(fā)生改變。140%含水率疏浚淤泥由于含水率過高，在真空預(yù)壓作用下，由于排水板四周的密實(shí)“土柱”導(dǎo)致排水板“淤堵”。試驗(yàn)進(jìn)行到800 h后，土體中的水無(wú)法通過排水通道排出，此時(shí)沉降量已趨于穩(wěn)定，提前結(jié)束固結(jié)。

2.2 孔隙水壓力

圖5、圖6為4種不同含水率試驗(yàn)土各孔隙水壓力傳感器讀數(shù)隨真空預(yù)壓天數(shù)的變化（孔隙水壓力讀數(shù)間隔24 h記錄1次）。

圖5 同一水平高度、不同水平距離的孔隙水壓力變化圖Fig.5 Variation of pore water pressures at the same heights and different horizontal distance

圖6 同一水平距離、不同高度的孔隙水壓力變化圖Fig. 6 Variation of pore water pressures at the same horizontal distance and different heights

對(duì)比不同水平位置（圖5）及不同高度位置處（圖6）孔隙水壓力傳感器示數(shù)變化可得，試驗(yàn)結(jié)束后 80%、100%、120%含水率試驗(yàn)土樣的孔隙水壓力最終可消散到達(dá)-80 kPa（試驗(yàn)施加的真空荷載為-85 kPa）。而140%含水率試驗(yàn)土樣在試驗(yàn)過程中孔壓消散緩慢，消散曲線始終高于其他三者，最終消散孔壓接近于 76 kPa。導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因是，140%含水率試驗(yàn)土體在試驗(yàn)過程中淤堵現(xiàn)象較為嚴(yán)重，導(dǎo)致真空壓力傳遞不均勻，徑向傳遞受阻，導(dǎo)致最終消散孔壓數(shù)值無(wú)法達(dá)到外部施加的真空荷載值。

2.3 土體出水速率

在進(jìn)行地基處理過程中，土體排水量是衡量處理效果的重要觀測(cè)指標(biāo)。試驗(yàn)土樣的初始含水率高，土體孔隙比大，最終排出的水也較多。因此本研究采用土體出水速率-時(shí)間曲線探究疏浚淤泥真空預(yù)壓加固效果。由圖7可得，在0～96 h內(nèi)，各初始含水率土體的排水速率較快，且土體初始含水率越高，土體的排水速率越快。80%含水率土體在第24小時(shí)的排水速率為0.025 g/s，而140%含水率土體在第24小時(shí)的排水速率接近于0.036 g/s。隨著固結(jié)進(jìn)行，在24～96 h固結(jié)時(shí)間內(nèi)，各初始含水率土體的排水板速率均出現(xiàn)大幅降低。80%含水率土體在第200小時(shí)的排水速率下降到0.012 g/s，下降幅度為 52.0%。而 140%在第200小時(shí)的排水速率則下降到 0.018 g/s。當(dāng)土體固結(jié)時(shí)間大于 200 h后，土體排水速率-時(shí)間曲線下降趨勢(shì)明顯變緩，土體排水速率降低。高含水率土體的“分層”現(xiàn)象是導(dǎo)致 140%含水率土樣出水速率在 200 h后出現(xiàn)波動(dòng)的重要因素。土體排水速率-時(shí)間曲線出現(xiàn)突變，從側(cè)面驗(yàn)證了土體初始含水率會(huì)影響真空預(yù)壓加固效果，高含水率疏浚淤泥在真空預(yù)壓加固過程更易出現(xiàn)淤堵現(xiàn)象，導(dǎo)致排水固結(jié)能力迅速下降，也進(jìn)一步支持了上述其他土體參數(shù)的測(cè)試結(jié)果。

圖7 各初始含水率試驗(yàn)組土體排水速率變化情況Fig. 7 Variation of effluent rate of soil in each initial water content test group

3 結(jié) 論

本文進(jìn)行了多組室內(nèi)試驗(yàn)，探究了真空預(yù)壓條件下不同含水率對(duì)排水板附近土體變形特性的影響。對(duì)比土體固結(jié)度、孔隙水壓力變化和土體出水速率等指標(biāo)，得出以下結(jié)論：（1）土體初始含水率是影響疏浚淤泥真空預(yù)壓處理效果的一個(gè)重要影響因素。土體初始含水率與真空預(yù)壓加固效果呈負(fù)相關(guān)聯(lián)系。（2）真空梯度作用下疏浚淤泥在排水板四周快速形成密實(shí)“土柱”進(jìn)而形成淤堵，高初始含水率疏浚淤泥的淤堵現(xiàn)象更嚴(yán)重。淤堵效應(yīng)會(huì)明顯減緩?fù)馏w排水固結(jié)速率以及土體孔壓消散。