堆場(chǎng)淤泥不排水強(qiáng)度特性研究

梅 嶺，朱 杰，王南江，孫運(yùn)良

(1.江蘇科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003； 2.淮委治淮工程建設(shè)管理局，安徽 蚌埠 233000；3.青島公安消防支隊(duì)黃島區(qū)大隊(duì)，山東 青島 266000)

河流清淤、航道擴(kuò)寬、港口建設(shè)、圍海造地等各種工程建設(shè)中都會(huì)產(chǎn)生大量的疏浚淤泥。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年產(chǎn)生的疏浚淤泥達(dá)數(shù)億立方米[1]。預(yù)計(jì)至2015年，長(zhǎng)江、黃河、海河、遼河、淮河等江河湖庫(kù)泥沙的淤積量會(huì)超過(guò)1.4×1011m3，沿海港口的疏浚量將在(5～7)×1010m3[2]。另一方面，隨著城市加速發(fā)展，高速公路、高鐵、港口、碼頭、市政等建設(shè)不斷增多，對(duì)土地資源需求急速增加，土地資源匱乏越來(lái)越成為限制城市發(fā)展的瓶頸。將疏浚淤泥作為填料進(jìn)行吹填造地，既能解決疏浚淤泥處置難的問(wèn)題，又能有效緩解城市建設(shè)中缺乏土地資源的問(wèn)題，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和應(yīng)用前景。

我國(guó)主要采用絞吸、耙吸等水力方式進(jìn)行疏浚，產(chǎn)生的吹填淤泥具有高含水率、滲透性差、低有效應(yīng)力等特點(diǎn)，這些新近吹填淤泥在堆場(chǎng)中通過(guò)自重沉積固結(jié)并處于低有效應(yīng)力狀態(tài)。目前已有相關(guān)學(xué)者對(duì)堆場(chǎng)淤泥完全重塑狀態(tài)下不排水強(qiáng)度特性做了大量研究[3-5]，但吹填淤泥在堆場(chǎng)中一般自重沉積時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，僅對(duì)完全重塑狀態(tài)下的淤泥不排水強(qiáng)度研究尚不足夠，且淤泥在堆場(chǎng)中沉積不同時(shí)間后的物理力學(xué)性狀皆有差異，對(duì)此尚不明確。

因此筆者基于室內(nèi)模型試驗(yàn)，模擬吹填淤泥在自然條件下沉積過(guò)程，研究了淤泥不排水剪切強(qiáng)度隨沉積時(shí)間、沉積高度、有效應(yīng)力及含水率的變化關(guān)系。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)選用鹽城某工程疏浚淤泥，對(duì)所選土樣進(jìn)行室內(nèi)基本土性試驗(yàn)，獲得其基本物理力學(xué)性質(zhì)特征(表1)，其中液塑限采用聯(lián)合液塑限儀測(cè)定，比重采用比重瓶法測(cè)得，淤泥顆粒級(jí)配采用密度計(jì)法測(cè)定，所得塑性分布曲線(xiàn)如圖1。

表1 土樣基本物理力學(xué)指標(biāo)Table 1 Basic physical and mechanical index of soil samples

圖1 塑性圖Fig. 1 Plastic diagram

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 沉降柱試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用3個(gè)直徑為12 mm，高度為50 cm的亞克力透明圓柱，沉降圓柱外側(cè)均貼有刻度尺，如圖2(a)。

圖2 試驗(yàn)儀器Fig. 2 Test instrument

實(shí)驗(yàn)所用淤泥土樣為4倍液限含水率，由于初始含水率很高，攪拌完成的淤泥土樣會(huì)很快發(fā)生沉降，這會(huì)導(dǎo)致不同沉降柱中淤泥土樣的含水率不一致，為避免這一情況，裝樣過(guò)程需持續(xù)進(jìn)行攪拌，同時(shí)盡可能在短時(shí)間內(nèi)完成裝樣。裝樣完成后記錄下液面初始刻度，每隔一段時(shí)間觀(guān)察泥面位置并記錄此時(shí)刻度，以此得到泥漿沉降規(guī)律。沉積時(shí)間設(shè)定為60、90、180 d，達(dá)到設(shè)定天數(shù)即開(kāi)始進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試。

1.2.2 強(qiáng)度試驗(yàn)

文中淤泥土樣含水率較高，常規(guī)強(qiáng)度測(cè)試方法(如三軸儀試驗(yàn)、直剪實(shí)驗(yàn)、無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)等)并不適用[6-7]?；谶@一情況，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出多種可靠的試驗(yàn)方法用以測(cè)試淤泥強(qiáng)度，有旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)法、平板貫入法、新型落錐法、微型十字板法等。由于沉降柱中淤泥土樣需要分層進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試，上述方法中只有微型十字板法較為合適，其他方法對(duì)土樣擾動(dòng)較大，故筆者采用微型十字板剪切儀進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試。

本實(shí)驗(yàn)所用十字板剪切儀器如圖2(b)、(c)。該儀器主要由兩部分構(gòu)成，即控制器和剪切主機(jī)。其主要部件有步進(jìn)電機(jī)、十字板、扭矩傳感器、控制器等?？刂破魇菍?shí)驗(yàn)過(guò)程中用以控制十字板頭轉(zhuǎn)動(dòng)速率及實(shí)時(shí)輸出扭矩的裝置，試驗(yàn)過(guò)程中轉(zhuǎn)角和扭矩可通過(guò)控制器面板顯示器直接讀出。十字板直徑為40 mm，高度為80 mm，由厚度為2 mm的不銹鋼制作，十字板測(cè)桿直徑為4 mm。十字板剪切速率可在0.1～10(°)/s之間調(diào)整。本儀器試驗(yàn)過(guò)程中采用的剪切速率為60(°)/min。十字板剪切儀的剪切強(qiáng)度最小分度值為1Pa，最大剪切強(qiáng)度為6 kPa。

文中按高度將沉降柱中土樣分為4層進(jìn)行剪切，沉降柱最底端為起始高度零點(diǎn)。將十字板頭垂直插入土樣中并固定，通過(guò)調(diào)節(jié)螺母調(diào)整十字板頭在土樣中的高度，各層上下間距留1 cm以上以避免相互影響。設(shè)定剪切速率為1(°)/s，并將扭矩清零，啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)十字板旋轉(zhuǎn)，面板顯示屏顯示數(shù)字分別為十字板扭轉(zhuǎn)角度和實(shí)時(shí)扭矩，一般峰值強(qiáng)度保證在1 min內(nèi)出現(xiàn)為宜，顯示屏顯示扭矩讀數(shù)穩(wěn)定后即可停止試驗(yàn)。對(duì)每層土樣取2～3個(gè)位置進(jìn)行剪切，防止試驗(yàn)時(shí)人為因素導(dǎo)致剪切強(qiáng)度出現(xiàn)誤差。

需注意的是：剪切試驗(yàn)之前，用注射器將沉降柱中淤泥表層浮水抽干凈，以防剪切過(guò)程中水份隨剪切測(cè)桿流到所在剪切層，影響該層土樣含水率。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

各沉降柱中淤泥土樣s-lgt時(shí)程曲線(xiàn)如圖3。由圖3可看出：60、90、180 d這3條沉積曲線(xiàn)相互疊合。XU Guizhong等[8]通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：自重沉積曲線(xiàn)可分為兩類(lèi)，① 第1類(lèi)型：當(dāng)泥面下降速度很慢，看不到明顯變化，該類(lèi)型發(fā)生在初始含水率相對(duì)較低情況，土顆粒間相互接觸并傳遞有效應(yīng)力，直接進(jìn)入固結(jié)狀態(tài)，固結(jié)曲線(xiàn)呈反“S”型；② 第2類(lèi)型：當(dāng)初始含水率極高條件下，泥面由快速下降進(jìn)入到緩慢下降過(guò)程，土顆粒先經(jīng)過(guò)相互碰撞形成絮體，絮體之間再進(jìn)一步結(jié)合成大絮團(tuán)，并逐步傳遞有效應(yīng)力進(jìn)入固結(jié)狀態(tài)。

圖3中：沉積曲線(xiàn)呈反“S”型，且含水率相對(duì)較低，與XU Guizhong等[8]所提出的第1類(lèi)型一致，筆者即認(rèn)為這3組沉降柱試樣直接進(jìn)入了固結(jié)狀態(tài)。固結(jié)曲線(xiàn)被A、B兩個(gè)拐點(diǎn)分為3個(gè)階段：在初始階段沉降，曲線(xiàn)保持平穩(wěn)，下降速率較為緩慢且持續(xù)時(shí)間很短；在中間階段，淤泥土樣表面迅速下降，下降速率較大且恒定，s-lgt曲線(xiàn)近似一條直線(xiàn)；最后階段時(shí)，沉降曲線(xiàn)以較低平穩(wěn)速度繼續(xù)下降。根據(jù)時(shí)間對(duì)數(shù)法[9]可知，拐點(diǎn)B可當(dāng)作主固結(jié)完成的標(biāo)志。圖3中，60 d沉降曲線(xiàn)接近B拐點(diǎn)，即將完成固結(jié)；90、180 d沉降曲線(xiàn)則完全固結(jié)。

圖3 s-lg t時(shí)程曲線(xiàn)Fig. 3 s-lg t time history curves

2.1 不排水強(qiáng)度隨高度變化規(guī)律

圖4為沉積不同時(shí)間，不排水強(qiáng)度隨高度變化關(guān)系曲線(xiàn)。由圖4可看出：60、90、180 d不排水強(qiáng)度隨高度變化規(guī)律趨勢(shì)一致，在高度27～10 cm處，不排水強(qiáng)度隨高度減小而明顯增加，不排水強(qiáng)度增長(zhǎng)量均在100 Pa左右，同時(shí)60、90、180 d這3條曲線(xiàn)近似呈平行線(xiàn)關(guān)系。當(dāng)高度小于10 cm時(shí)，不排水強(qiáng)度隨高度變化不明顯，強(qiáng)度增長(zhǎng)量均小于100 Pa，這3條曲線(xiàn)仍近似呈相互平行關(guān)系。WANG Liang等[10]認(rèn)為，在孔隙水壓力完全消散之前，強(qiáng)度增長(zhǎng)速率較快，孔隙水壓力完全消散后，不排水強(qiáng)度增長(zhǎng)量很小。圖6中，以高度10 cm為拐點(diǎn)，沉降柱高度10 cm以上的土樣不排水強(qiáng)度增幅較大，高度10 cm以下的不排水強(qiáng)度隨高度變化不大，其原因可能是以10 cm為臨界點(diǎn)，10 cm以下土樣孔隙水壓力幾乎完全消散，而10 cm以上土樣孔隙水壓力仍較大。

圖4 不排水強(qiáng)度隨高度變化關(guān)系Fig. 4 Relationship between undrained strength and height

2.2 不排水強(qiáng)度隨沉積時(shí)間變化規(guī)律

圖5為沉降柱中不同高度處不排水強(qiáng)度隨自沉?xí)r間的變化關(guān)系。圖5中：各沉降柱同一高度處淤泥土樣的不排水強(qiáng)度隨時(shí)間增加而增大，沉降柱27、19 cm處，即沉降柱中上部淤泥土樣180 d不排水強(qiáng)度較60 d不排水強(qiáng)度增長(zhǎng)較多，不排水強(qiáng)度增長(zhǎng)量均超過(guò)50 Pa；而沉降柱中下部淤泥土樣的不排水強(qiáng)度增量則稍小，增長(zhǎng)量均未超過(guò)25 Pa。

筆者分析認(rèn)為，位于沉降柱內(nèi)下部淤泥土樣受到該層自身重力及上部淤泥土樣的重力，經(jīng)過(guò)60 d的自重沉積后，下部淤泥土樣顆粒間結(jié)合更為緊密；而上部土樣僅受到自身重力作用，土顆粒間接觸較為稀松，因此下部淤泥土樣沉積到60 d時(shí)不排水強(qiáng)度遠(yuǎn)大于沉降柱內(nèi)中上部60 d不排水強(qiáng)度。隨著沉積時(shí)間增長(zhǎng)，下部淤泥土樣土顆粒之間因已經(jīng)結(jié)合得較為緊密，在自重及上部土樣重力不變條件下，土顆粒間進(jìn)一步結(jié)合空間有限，使得不排水強(qiáng)度增加不明顯，而上部土樣土顆粒間孔隙在自重沉積60 d后仍較大，隨著時(shí)間增加，土顆粒間孔隙能進(jìn)一步壓縮。圖7中，沉降柱內(nèi)4、11 cm處土樣不排水強(qiáng)度遠(yuǎn)高于19、27 cm處，但不排水強(qiáng)度增幅小于19、27 cm處。

圖5 不排水強(qiáng)度隨沉積時(shí)間變化關(guān)系Fig. 5 Relationship between undrained strength and deposition time

2.3 不排水強(qiáng)度隨有效應(yīng)力變化規(guī)律

已知90、180 d土樣已固結(jié)，為具體分析60 d沉降柱中淤泥土樣沉積情況，筆者繪制了圖6所示的固結(jié)度曲線(xiàn)(60 d時(shí)間平方根法求解t90固結(jié)試驗(yàn)曲線(xiàn))。

圖6 時(shí)間平方根法t90曲線(xiàn)Fig. 6 Time square root method of t90 curve

圖6中：當(dāng)淤泥土樣沉積到60 d時(shí)，其固結(jié)情況接近固結(jié)度的90%，對(duì)于精確度要求相對(duì)不高的工程而言，此時(shí)孔隙水壓力可認(rèn)為0，以計(jì)算有效應(yīng)力。

某一深度處有效應(yīng)力計(jì)算[11]如式(1)：

(1)

式中：γbi為浮容重；hi為第i層土樣厚度；有效應(yīng)力為該層上部各層有效應(yīng)力總和；此時(shí)孔隙水壓力按均按0計(jì)算。

式(1)中浮容重γbi可通過(guò)式(2)計(jì)算：

γbi=γw(G-1)/(1+Gw)

(2)

式中：G為鹽城土樣比重；γw為水的容重。

不同沉積時(shí)間，不排水強(qiáng)度隨有效應(yīng)力關(guān)系曲線(xiàn)如圖7。

圖7 不排水強(qiáng)度隨有效應(yīng)力變化關(guān)系Fig. 7 Relationship between undrained strength and effective stress

圖7中：不排水強(qiáng)度隨有效應(yīng)力增大而增加，在相同有效應(yīng)力條件下，剪切強(qiáng)度隨之增加。D.A.ZREIK等[12]認(rèn)為，在同一個(gè)沉積層內(nèi)，剪切強(qiáng)度主要受有效應(yīng)力影響，含水率影響只是次要因素，但含水率可直接測(cè)得。為驗(yàn)證其研究有效性，R.S.DIMITROVA等[13]做了相關(guān)試驗(yàn)并繪制了有效應(yīng)力-剪切強(qiáng)度、含水率-剪切強(qiáng)度曲線(xiàn)，通過(guò)對(duì)二階多項(xiàng)式曲線(xiàn)擬合發(fā)現(xiàn)，有效應(yīng)力與剪切強(qiáng)度相關(guān)性?xún)H為0.84，而含水率與有效應(yīng)力相關(guān)性達(dá)到0.97。

一般情況下認(rèn)為，有效應(yīng)力與不排水強(qiáng)度關(guān)系曲線(xiàn)呈一條直線(xiàn)。R.S.DIMITROVA等[13]通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到二階多項(xiàng)式為一條上凹下凸曲線(xiàn)，而筆者試驗(yàn)所繪制曲線(xiàn)為上凸下凹曲線(xiàn)。在有效應(yīng)力2 500 Pa左右時(shí)，不同沉積時(shí)間曲線(xiàn)均出現(xiàn)拐點(diǎn)；有效應(yīng)力低于2 500 Pa時(shí)，剪切強(qiáng)度增長(zhǎng)速度較快；有效應(yīng)力高于2 500 Pa時(shí)，剪切強(qiáng)度增長(zhǎng)量很小。WANG Liang等[10]試驗(yàn)所得結(jié)論與筆者類(lèi)似，當(dāng)初始含水率為6wL時(shí)，有效應(yīng)力-剪切強(qiáng)度不排水強(qiáng)度曲線(xiàn)也呈上凸下凹狀；當(dāng)初始含水率為12wL時(shí)，有效應(yīng)力-剪切強(qiáng)度曲線(xiàn)則呈一條斜直線(xiàn)。筆者認(rèn)為：造成這一現(xiàn)象原因可能是受初始含水率影響，初始含水率較高時(shí)，不排水強(qiáng)度-有效應(yīng)力曲線(xiàn)趨于一條直線(xiàn)；初始含水率較低時(shí)，不排水強(qiáng)度-有效應(yīng)力曲線(xiàn)為下凹二次項(xiàng)曲線(xiàn)。

2.4 不排水強(qiáng)度隨含水率變化規(guī)律

為進(jìn)一步研究含水率對(duì)于不排水剪強(qiáng)度影響，筆者以含水率為橫坐標(biāo)，不排水強(qiáng)度為縱坐標(biāo)繪制w-τ曲線(xiàn)，如圖8。

圖8 不排水強(qiáng)度隨含水率變化關(guān)系Fig. 8 Relationship between undrained strength and water content

由圖8知：淤泥土樣不排水強(qiáng)度隨著含水率減小而增加。當(dāng)含水率相同時(shí)，90 d沉積土樣不排水強(qiáng)度小于180 d，但大于60 d的不排水強(qiáng)度。相同含水率下，不排水強(qiáng)度隨著沉積時(shí)間增加而增大。一般而言，同種土樣含水率相同時(shí)不排水強(qiáng)度也相同，而圖8結(jié)果與此并不一致。分析認(rèn)為，這可能是由于隨著時(shí)間增加，黏土顆粒之間化學(xué)膠結(jié)作用加強(qiáng)，不排水強(qiáng)度增量來(lái)自于土顆粒之間膠結(jié)作用。

為獲得吹填淤泥不排水強(qiáng)度的預(yù)測(cè)方法，HONG Zhenshun等[14]收集了世界各地共115種吹填淤泥不排水強(qiáng)度數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通過(guò)平板貫入法、落錐法等多種試驗(yàn)方法獲得的，試驗(yàn)土樣液限范圍在25%～412%之間。通過(guò)分析后提出：以歸一化含水率(含水率與液限的比值)作為歸一化參數(shù)，對(duì)收集到的不排水強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，并分別獲得液限小于150%和大于150%吹填淤泥的不排水強(qiáng)度歸一化公式。吉峰等[15]和徐桂中[16]分別通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該公式可行性。

為此，將文中所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)[14]不排水強(qiáng)度預(yù)測(cè)公式進(jìn)行比較，如圖9。

圖9 試驗(yàn)值與現(xiàn)有預(yù)測(cè)公式比較Fig. 9 Comparison between experimental results and currentprediction formulas

經(jīng)過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，圖9中：筆者的試驗(yàn)值位于HONG Zhenshun等[14]預(yù)測(cè)公式的右上方，即在含水率相同條件下，文中試驗(yàn)所測(cè)得不排水強(qiáng)度遠(yuǎn)大于預(yù)測(cè)公式計(jì)算值。分析認(rèn)為，不同土性重塑土樣均能基于歸一化含水率進(jìn)行歸一，同時(shí)滿(mǎn)足文獻(xiàn)[14]所提出的不排水強(qiáng)度預(yù)測(cè)公式。其原因?yàn)椋和耆厮芡翗又型令w粒之間粘聚力遭到破壞，不排水強(qiáng)度主要來(lái)源于土顆粒之間摩擦力，且與含水率相關(guān)。而文中土樣經(jīng)過(guò)不同時(shí)間沉積后，首先存在有效應(yīng)力影響，其次淤泥土顆粒之間由于化學(xué)膠結(jié)作用存在粘聚力，此時(shí)不排水強(qiáng)度不光受多種因素影響。因此，對(duì)堆場(chǎng)中淤泥不排水強(qiáng)度研究不能僅基于室內(nèi)完全重塑土樣相關(guān)試驗(yàn)，還需與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況相結(jié)合。

3 結(jié) 論

沉積時(shí)間、有效應(yīng)力、沉積高度及含水率對(duì)淤泥不排水強(qiáng)度均有影響。不排水強(qiáng)度隨沉積時(shí)間、有效應(yīng)力增加而增長(zhǎng)，沉積時(shí)間越長(zhǎng)，有效應(yīng)力越大時(shí)，不排水強(qiáng)度增幅逐漸趨緩。不不排水強(qiáng)度隨沉積高度、含水率的增大而減小，沉積高度、含水率越低時(shí)，不排水強(qiáng)度增幅越小。

受初始含水率影響，文中試驗(yàn)所得不排水強(qiáng)度與有效應(yīng)力關(guān)系曲線(xiàn)為一條上凹下凸曲線(xiàn)，與一般情況下不排水強(qiáng)度-有效應(yīng)力線(xiàn)性關(guān)系不一致。

由于有效應(yīng)力及黏聚力存在，文中沉積試驗(yàn)數(shù)據(jù)值遠(yuǎn)大于相關(guān)學(xué)者提出的不排水強(qiáng)度計(jì)算值。當(dāng)含水率相同時(shí)，因化學(xué)膠結(jié)作用時(shí)間差異，產(chǎn)生黏聚力不同，化學(xué)膠結(jié)時(shí)間越久，黏聚力越大，導(dǎo)致180 d不排水強(qiáng)度大于90、60 d時(shí)的不排水強(qiáng)度值。

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