高含水率有機(jī)質(zhì)河道底泥壓縮性狀試驗(yàn)研究

黃爍菡，王婧，牟聰，丁建文

(東南大學(xué) 巖土工程研究所，南京 210096)

城市內(nèi)河底泥是來(lái)源于生活、工業(yè)的污染物質(zhì)經(jīng)物理、化學(xué)和生物作用沉積于河床底部，形成富含有機(jī)質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)鹽的灰黑色淤泥[1-2]。通常人類活動(dòng)越活躍的區(qū)域，河湖底泥中有機(jī)物質(zhì)含量越高。這些有機(jī)物質(zhì)的存在，致使河湖底泥性狀呈現(xiàn)與非污染疏浚泥不同的物理-力學(xué)性狀。近年來(lái)，許多學(xué)者針對(duì)河道底泥工程特性開展的一系列研究[3-5]表明，城市河道底泥組成復(fù)雜，底泥中有機(jī)質(zhì)含量高，造成其具有高含水率、細(xì)顆粒成分高、低透水性的特點(diǎn)。

土中有機(jī)質(zhì)常被視為對(duì)工程不利的物質(zhì)成分，大量研究表明，有機(jī)質(zhì)具有極強(qiáng)的持水性和吸水性[6]，同時(shí)，土中有機(jī)質(zhì)含量升高會(huì)引起土體陽(yáng)離子交換量增大、初始孔隙比上升等特性[1-2]，這些特性造成有機(jī)質(zhì)土的天然含水率、液限含水率高，高含量的有機(jī)質(zhì)通常造成土體的壓縮性、蠕變性增大，強(qiáng)度減小，穩(wěn)定性降低[7-9]。底泥中的有機(jī)質(zhì)含量會(huì)直接影響底泥的排水性能，研究河道底泥的壓縮性狀，有助于了解底泥排水性能和潛在的壓縮體積量，為工程應(yīng)用中高含水率疏浚底泥的排水有效處理和填埋堆場(chǎng)庫(kù)容有效利用提供直接指導(dǎo)[3]。已有研究主要通過(guò)人工添加研究有機(jī)質(zhì)對(duì)土體物理-化學(xué)-力學(xué)性狀的影響，針對(duì)河道污染底泥，開展有機(jī)質(zhì)的影響規(guī)律研究較少。

筆者以福州晉安區(qū)3條河道底泥和揚(yáng)州七里河河道底泥為研究對(duì)象，采用過(guò)氧化氫處理改變河道底泥中有機(jī)質(zhì)含量，并制備初始含水率約為1.0、1.5和1.75倍液限wL的試樣開展一維壓縮試驗(yàn)，探索有機(jī)質(zhì)含量和初始含水率對(duì)河道底泥壓縮性狀的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)底泥取自福建省福州市和江蘇省揚(yáng)州市。其中，浦東河底泥、水上公園底泥和鳳坂河底泥分別取自福建省福州市晉安區(qū)的浦東河、水上公園人工湖和鳳坂河；七里河底泥取自江蘇省揚(yáng)州市七里河。試驗(yàn)底泥的基本物理性質(zhì)如表1所示。由于底泥的孔隙液中含有可溶物質(zhì)(溶解性有機(jī)質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)鹽、重金屬離子等)，底泥烘干后，孔隙液中的可溶物質(zhì)以固體形式存在于干土土粒中，按照常規(guī)方法計(jì)算含水率會(huì)產(chǎn)生誤差，因此，采用Noorany[10]提出的含液率概念計(jì)算土樣含水率。底泥的比重Gs采用標(biāo)準(zhǔn)比重瓶法測(cè)定[11]，測(cè)定過(guò)程中為了防止水與有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生反應(yīng)，采用煤油代替水進(jìn)行試驗(yàn)；有機(jī)質(zhì)含量采用440 ℃高溫灼燒測(cè)定底泥的燒失量(Loss On Ignition，LOI)[12]；液限wL和塑限wP分別采用碟式液限儀和搓條法測(cè)定[13]。

表1 河道底泥基本物理參數(shù)Table 1 Physical properties of river sediments

采用濃度為30%的過(guò)氧化氫溶液淋洗處理浦東河底泥。過(guò)氧化氫和底泥中有機(jī)物質(zhì)發(fā)生氧化反應(yīng)，使底泥中有機(jī)物質(zhì)分解水和二氧化碳，在不引起底泥土顆粒礦物成分組成和含量變化的條件下，可有效降低底泥中的有機(jī)質(zhì)含量[14-15]。故采用過(guò)氧化氫淋洗法，使浦東河底的有機(jī)質(zhì)含量由9.5%降低到6.87%和3.67%，將淋洗后有機(jī)質(zhì)含量為6.87%和3.67%的浦東河底泥分別稱為浦東過(guò)氧化氫淋洗底泥1#和2#。表2是過(guò)氧化氫溶液淋洗前后浦東河底泥的基本物理性質(zhì)。

表2 過(guò)氧化氫淋洗前后浦東河底泥的基本物理參數(shù)Table 2 Physical properties of Pudong river sediments with or without hydrogen peroxide treatment

1.2 固結(jié)試驗(yàn)方法

河道底泥由于沉積環(huán)境、疏浚技術(shù)等的影響，其天然含水率通常高于液限，呈流塑狀態(tài)[16]。因此，為更好地符合實(shí)際情況，試驗(yàn)配置固結(jié)試樣的初始含水率將普遍大于液限。通過(guò)向現(xiàn)場(chǎng)取回的底泥加入原位河水并攪拌均勻，調(diào)整成泥樣初始含水率分別為0.96～0.99倍、1.48～1.5倍和1.72～1.75倍液限。根據(jù)泥樣初始含水率和環(huán)刀體積(高4 cm、直徑6.18 cm)，計(jì)算固結(jié)試樣質(zhì)量，保證放入環(huán)刀內(nèi)泥樣質(zhì)量和計(jì)算值間誤差小于2%。向固結(jié)盒內(nèi)注入現(xiàn)場(chǎng)取回的原位河水，液面高于試樣頂部，并靜置24 h。

為避免高含水率泥樣從透水石側(cè)壁擠出，固結(jié)試驗(yàn)第1級(jí)荷載選用0.5 kPa，采用Hong等[17]研制的低應(yīng)力起始固結(jié)儀進(jìn)行加載，荷載施加順序?yàn)?.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，每級(jí)荷載下加載時(shí)間3 h，可保證試樣主固結(jié)的完成。試驗(yàn)過(guò)程中，固結(jié)盒內(nèi)注入現(xiàn)場(chǎng)取回的原位河水，保證試樣始終處于飽和狀態(tài)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 河道底泥原泥壓縮性狀

表3是4種河道底泥的一維固結(jié)試驗(yàn)方案，其中浦東河底泥固結(jié)試樣的初始含水率為0.99倍、1.50倍和1.72倍液限，水上公園固結(jié)試樣初始含水率為1.50倍液限，鳳坂河底泥固結(jié)試樣初始含水率為0.96倍、1.50倍液限，七里河底泥固結(jié)試樣初始含水率為0.99倍、1.48倍液限。

表3 底泥試樣固結(jié)試驗(yàn)方案Table 3 Programme of one-dimensional incremental load consolidation tests of river sediments

注：eL為對(duì)應(yīng)于液限的孔隙比；e0為固結(jié)試樣的初始孔隙比。

圖1(a)、(b)分別為浦東河底泥、水上公園底泥、七里河底泥和鳳坂河底泥e0/eL=1.48～1.50、0.96～0.99時(shí)的壓縮曲線e-lgσ′v。底泥的壓縮曲線與高初始含水率重塑土的壓縮曲線一致，呈倒“S”形。Hong等[17]將這一現(xiàn)象歸因于重塑土中存在類似于天然沉積黏土的屈服應(yīng)力σ′yr。當(dāng)豎向有效應(yīng)力σ′v小于屈服應(yīng)力σ′yr時(shí)，各壓縮曲線較為平緩；當(dāng)豎向有效應(yīng)力σ′v大于屈服應(yīng)力σ′yr時(shí)，土體的壓縮性增大，壓縮曲線陡然下降。

圖1 相同e0/eL值的河道底泥壓縮曲線Fig.1 Compression curves of reconstituted river

這4種河道底泥有機(jī)質(zhì)含量、液限等參數(shù)指標(biāo)均不相同。從圖1中可以看出，eL值較大的底泥壓縮曲線始終在eL較小的底泥壓縮曲線上方。長(zhǎng)期以來(lái),針對(duì)重塑無(wú)機(jī)土壓縮性狀的研究結(jié)果表明，e0和eL是影響重塑土壓縮特性的兩個(gè)重要物理參數(shù)。Skempton[19]總結(jié)了20多組天然沉積土，發(fā)現(xiàn)液限不同土樣的壓縮性不同，各種深度天然土的含水率與液限的比例在0.6～1.5之間。Nagaraj等[20]提出用參數(shù)e0/eL歸一化壓縮曲線。Burland[21]認(rèn)為，相較于液限wL，液限孔隙比eL更加適合分析重塑土的壓縮性狀。這一試驗(yàn)證明，與無(wú)機(jī)質(zhì)土的壓縮曲線特性相同，液限孔隙比eL是影響底泥壓縮曲線的重要物理參數(shù)。

(1)

圖2是底泥的液限孔隙比eL與壓縮指數(shù)Cc的關(guān)系圖。從圖2可以看出，底泥的壓縮指數(shù)隨液限孔隙比eL的增大而增大，表明液限孔隙比eL高的底泥具有較高的壓縮性。

圖3(a)、(b)、(c)分別是不同初始含水率的浦東河底泥、鳳坂河底泥和七里河底泥的壓縮曲線e-lgσ′v。初始含水率值較高的底泥的壓縮曲線始終在初始含水率較低的壓縮曲線的上方，河道底泥壓縮性隨初始含水率的增加而增大。

圖2 底泥液限孔隙比eL與壓縮指數(shù)Cc關(guān)系圖Fig.2 Compression curves of reconstituted river sediments

圖3 不同初始含水率下底泥壓縮曲線Fig.3 Effect of initial water content on compression curves

重塑土的壓縮曲線中存在一個(gè)豎向有效應(yīng)力界限值，超過(guò)這一界限值，重塑土的壓縮性迅速增大，壓縮曲線陡降，這一豎向有效應(yīng)力的界限值即是重塑屈服應(yīng)力。重塑屈服應(yīng)力采用Butterfiled[22]提出的確定方法，壓縮曲線在ln(1+e)-lgσ′v雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下變換為兩條直線，這兩條直線的交點(diǎn)即為重塑屈服應(yīng)力。圖4是底泥重塑屈服壓力與e0/eL的關(guān)系圖，從圖4可以看出，隨著底泥初始含水率的增大，底泥的重塑屈服應(yīng)力減小。Hong等[17]指出，土的重塑屈服應(yīng)力與土體的初始孔隙比與液限孔隙比之間的比值e0/eL有關(guān)，并提出重塑屈服應(yīng)力預(yù)測(cè)公式σ′yr= 5.66/(e0/eL)2。

圖4 底泥重塑屈服壓力與e0/eL關(guān)系圖Fig.4 The e0/eL effects on remoulded yield

2.2 有機(jī)質(zhì)含量對(duì)河道底泥壓縮性狀的影響

土中有機(jī)質(zhì)含量變化通常會(huì)改變土體的比重以及液限值[7, 23-24]。土體的比重Gs和液限wL是直接影響土體液限孔隙比eL的兩個(gè)參數(shù)。圖5、圖6分別為浦東河底泥液限、比重與有機(jī)質(zhì)含量關(guān)系圖。結(jié)果表明，浦東河底泥有機(jī)質(zhì)含量升高引起底泥液限升高、比重降低。土體的液限孔隙比公式為

eL=Gs×wL

(2)

圖5 有機(jī)質(zhì)含量與底泥液限含水率關(guān)系圖Fig.5 Organic matter contents effects on

圖6 有機(jī)質(zhì)含量與底泥比重關(guān)系圖Fig.6 Organic matter contents effects on

圖7為浦東河底泥液限孔隙比eL與有機(jī)質(zhì)含量的關(guān)系圖，試驗(yàn)結(jié)果表明，有機(jī)質(zhì)含量升高會(huì)導(dǎo)致底泥的液限孔隙比增大。

圖7 有機(jī)質(zhì)含量與底泥液限孔隙比eL關(guān)系圖Fig.7 Organic matter contents effects on

表4為過(guò)氧化氫淋洗前后的浦東河底泥的一維固結(jié)試驗(yàn)方案，固結(jié)試樣的初始含水率為0.98～0.99倍、1.48～1.50倍和1.72～1.75倍液限范圍內(nèi)。

表4 不同有機(jī)質(zhì)含量浦東河底泥固結(jié)試驗(yàn)方案Table 4 Programme of one-dimensional incremetal loadconsolidation tests of Pudong river sediments with organic contents

圖8(a)、(b)、(c)分別為過(guò)氧化氫淋洗前后浦東河底泥固結(jié)土樣e0/eL=0.98～0.99、1.48～1.5和1.72～1.75時(shí)的壓縮曲線e-lgσ′v。不同有機(jī)質(zhì)含量底泥壓縮曲線層次上存在明顯差異，有機(jī)質(zhì)含量高的底泥的壓縮曲線位于有機(jī)質(zhì)含量低的底泥的壓縮曲線上方。隨著豎向有效應(yīng)力的增加，有機(jī)質(zhì)含量高的底泥展現(xiàn)了更高的壓縮性，各壓縮曲線之間的差距減小。李學(xué)等[25]通過(guò)研究固結(jié)過(guò)程中吹填土的微觀特征，并采用模擬試驗(yàn)定量分析有機(jī)質(zhì)對(duì)吹填土工程性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)在土體固結(jié)過(guò)程中，100 kPa和400 kPa是土體中有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的兩個(gè)特征值，在100 kPa豎向壓力下黏土顆粒和有機(jī)質(zhì)之間的團(tuán)聚體穩(wěn)定性遭到破壞，而在400 kPa豎向壓力下有機(jī)質(zhì)顆粒發(fā)生破壞。因此，在豎向壓

圖8 相同e0/eL值不同有機(jī)質(zhì)含量的浦東河底泥壓縮曲線Fig.8 Effect of organic matter contents on compression curves of Pudong clay at same

力較大時(shí)，不同有機(jī)質(zhì)含量的底泥壓縮曲線逐漸趨于一致。

Zeng等[26]通過(guò)人工添加腐殖酸的方式改變土體中有機(jī)質(zhì)含量，并進(jìn)行了26組的一維固結(jié)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，腐殖酸對(duì)土體壓縮性質(zhì)的影響主要是通過(guò)改變土體的初始孔隙比e0和液限孔隙比eL兩個(gè)物理參數(shù)。當(dāng)e0和eL相同時(shí)，無(wú)機(jī)土和有機(jī)質(zhì)土的e-lgσ′v壓縮曲線基本一致。

圖9為不同有機(jī)質(zhì)含量的浦東河底泥的重塑屈服應(yīng)力與e0/eL關(guān)系圖，隨著初始含水率增大，重塑屈服應(yīng)力呈減小趨勢(shì)。試樣的e0/eL比值相同時(shí)，底泥的重塑屈服應(yīng)力基本一致，這表明，有機(jī)質(zhì)含量主要通過(guò)改變底泥的初始孔隙比e0與液限孔隙比eL影響重塑屈服應(yīng)力σ′yr。

圖9 不同有機(jī)質(zhì)含量浦東河底泥屈服壓力與e0/eL關(guān)系圖Fig.9 e0/eL effects on remoulded yield stress of Pudong river sediments with different organic

圖10為浦東河底泥壓縮指數(shù)與有機(jī)質(zhì)含量關(guān)系圖。底泥的壓縮指數(shù)隨有機(jī)質(zhì)含量的增大而增大，表明底泥中的有機(jī)質(zhì)含量越高，底泥呈現(xiàn)出越高的壓縮性。林琳等[27]采用人工添加腐殖酸的方式研究有機(jī)質(zhì)對(duì)黑土壓縮特性的影響，也得出類似的結(jié)論。

圖10 底泥壓縮指數(shù)與有機(jī)質(zhì)含量關(guān)系圖Fig.10 Organic matter contents effects on

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)福州晉安區(qū)和揚(yáng)州七里河共4條河道底泥的系列壓縮試驗(yàn)研究，得出如下主要結(jié)論：

1)在e0/eL值相同的條件下，液限孔隙比eL較大的底泥的壓縮曲線始終在液限孔隙比eL較小的壓縮曲線上方，與無(wú)機(jī)土類似，初始孔隙比e0和液限孔隙比eL也是分析和評(píng)價(jià)河道底泥壓縮性狀的關(guān)鍵控制因素。

2)在eL值相同的條件下，河道底泥初始含水率增加，底泥重塑屈服應(yīng)力σ′yr減小，壓縮指數(shù)增大。

3)底泥有機(jī)質(zhì)含量上升，壓縮指數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，有機(jī)質(zhì)含量增加主要通過(guò)影響河道底泥的液限和比重，進(jìn)而導(dǎo)致河道底泥重塑屈服應(yīng)力σ′yr和壓縮性狀發(fā)生改變。