考慮絮凝劑影響的疏浚淤泥固結(jié)特性研究

徐洪群，徐桂中， 馮哲源， 劉 鋒

(1.鹽城市鹽都區(qū)水務(wù)局秦南水務(wù)站， 江蘇 鹽城 224005； 2.鹽城工學(xué)院土木工程學(xué)院， 江蘇 鹽城 224000；3.宿遷市楚誠置業(yè)有限公司， 江蘇 宿遷 223800)

0 引 言

為了改善水質(zhì)、保證航道正常的泄洪及通航能力，我國每年都要開展大規(guī)模的河道疏浚清淤工程，產(chǎn)生數(shù)億以上的高含水率淤泥[1]。由于產(chǎn)生的淤泥細(xì)顆粒含量大，含水率高，需要長期征用大量土地?cái)R置[2-3]。尤其在內(nèi)陸，主要征用農(nóng)田或魚塘，不但征地成本高，而且會因征地而引發(fā)社會矛盾。將堆場中的吹填淤泥進(jìn)行快速處理，降低其含水率，減小其體積，不但可以提高堆場的利用效率，減少征地，而且可以提高吹填淤泥的工程特性，增加土地資源，緩解我國土地資源緊缺問題[1,4]。

真空排水固結(jié)方法是目前處理疏浚淤泥的重要方法。由于排水固結(jié)法具有處理成本低、施工方法簡單等特點(diǎn)，所以在土木、交通等工程建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用，如在高速公路中采用真空預(yù)壓排水固結(jié)法解決橋頭跳車的問題。但排水固結(jié)法處理高含水率疏浚淤泥時(shí)，常常會發(fā)生淤堵，導(dǎo)致處理效率低，處理效果差。

對于吹填淤泥真空排水中的淤堵問題，實(shí)踐表明，相對于吹填淤泥顆粒粒徑而言，現(xiàn)有塑排板濾膜的等效孔徑相對較小，是導(dǎo)致濾膜發(fā)生淤堵的重要原因，排水板濾膜的等效孔徑越小其淤堵情況越嚴(yán)重[3,5]。McIsaac 和Rowe 等的試驗(yàn)結(jié)果顯示，無紡?fù)凉た椢锉扔屑復(fù)凉た椢锔菀自斐捎俣耓6]。其次，在排水體周圍產(chǎn)生淤堵層(泥皮)，導(dǎo)致真空度向淤泥中徑向傳遞時(shí)衰減嚴(yán)重[7-8]。為了解決真空排水過程中的淤堵問題，諸多研究者針對淤堵產(chǎn)生的機(jī)理提出了各種防淤堵技術(shù)[9-11]，其中，絮凝真空技術(shù)被認(rèn)為行知有效。本文在已有研究成果的基礎(chǔ)上，對泰州土進(jìn)行一系列固結(jié)試驗(yàn)，進(jìn)一步深入探討了土體性質(zhì)的變化，分析了絮凝劑種類、絮凝劑濃度、不同荷載下等因素對土體性質(zhì)的影響，為后續(xù)的工程實(shí)踐提供理論依據(jù)。

1 土樣介紹與試驗(yàn)方法

1.1 土樣介紹

本文所用的淤泥土樣為泰州土樣。土樣取自泰州疏浚河道產(chǎn)生的淤泥。對土樣進(jìn)行常規(guī)的物理試驗(yàn)，獲取泰州淤泥土樣的基本物理力學(xué)特性指標(biāo)，詳細(xì)數(shù)據(jù)列于表1中。其中，土樣的液塑限均采用聯(lián)合液塑限儀進(jìn)行測定，土的粒徑分布情況采用密度計(jì)測量，比重通過比重瓶測定。

表1 土樣的基本物理力學(xué)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法

由于試驗(yàn)中淤泥的初始含水率為2.0倍液限，采用傳統(tǒng)固結(jié)儀進(jìn)行固結(jié)試驗(yàn)時(shí)，第1級固結(jié)壓力相對較大(10～12.5 kPa),致使淤泥被擠出，導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)失真，所以無法采用傳統(tǒng)的固結(jié)裝置進(jìn)行本次試驗(yàn)。為了克服常規(guī)固結(jié)儀最小加載量偏大的缺點(diǎn)，本次試驗(yàn)采用Hong等所述的輕便固結(jié)儀。該固結(jié)儀為主要試驗(yàn)儀器，所用環(huán)刀面積為30 cm2,高為2 cm。制備相同初始含水率的土樣，初始含水率為120%(2倍液限)。試驗(yàn)開始階段，當(dāng)荷載為0.3 kPa、1 kPa、2 kPa、4 kPa時(shí)，因?yàn)楣探Y(jié)儀沒有相應(yīng)的荷載，故在透水石上加上相應(yīng)的配重。然后對每一組的試樣進(jìn)行分級加載(每組12個(gè)試樣，分別對應(yīng)不同荷載)，當(dāng)每一級荷載加載結(jié)束時(shí)，便卸去荷載將土樣取出，用調(diào)土刀將土樣表面的水刮去，測出其對應(yīng)的含水率，利用飽和土孔隙比和含水率的關(guān)系，反算孔隙比。在計(jì)算固結(jié)系數(shù)的過程采用T90的方法。對某一級壓力，以試樣的變形為縱坐標(biāo)，時(shí)間平方根為橫坐標(biāo)，繪制變形與時(shí)間平方根關(guān)系曲線，延長曲線開始的直線，交縱坐標(biāo)與d0為理論零點(diǎn)，過d0作另一直線，令其橫坐標(biāo)為前一直線橫坐標(biāo)的1.15倍，則后一直線與d-√t曲線交點(diǎn)所對應(yīng)的時(shí)間的平方根即為試驗(yàn)固結(jié)度達(dá)到90%所需的時(shí)間t90。如圖1所示。該級壓力下的固結(jié)系數(shù)應(yīng)按式(1)計(jì)算。

Cv=0.848h2/t90

(1)

式中：Cv為固結(jié)系數(shù)，cm2/s；h2為最大排水距離,等于某級壓力下試樣的初始和終了高度的平均值之半，cm。

圖1 時(shí)間平方根與累積沉降量的關(guān)系圖

2 結(jié)果與分析

2.1 壓縮曲線

圖2為加入不同絮凝劑的壓縮曲線，圖2中顯示隨著荷載增大，土體孔隙比的整體變化趨勢是減小。在小荷載下，絮凝劑改變土體結(jié)構(gòu)，然而隨著荷載的增大，當(dāng)荷載為8 kPa時(shí)被完全破壞。但是隨著荷載的增加，絮凝劑產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)被破壞，絮凝劑產(chǎn)生的影響下降。曲線隨著孔隙比的變化略微呈一個(gè)上凹形,整個(gè)曲線呈倒“S”型。在10 kPa之前，4個(gè)試樣有明顯的區(qū)別。其中三氯化鐵的孔隙比比原泥的小，APAM的孔隙比大于原泥的孔隙比，而氫氧化鈣的孔隙比大于APAM。在10 kPa之后氫氧化鈣出現(xiàn)了坍塌，其它3條曲線并不明顯。在60 kPa后4條曲線逐漸接近隨著荷載的增加，3個(gè)試樣的曲線區(qū)別不大，其中三氯化鐵在1000 kPa的孔隙比明顯的小于其他的試樣在此荷載下的孔隙比分析壓縮曲線，得出Ca(OH)2淤泥與APAM淤泥比原泥有明顯影響，而FeCl3淤泥與原泥接近，所以FeCl3淤泥對原泥的影響較小。

圖2 孔隙比隨荷載的變化關(guān)系

2.2 固結(jié)系數(shù)的變化規(guī)律

圖3為不同絮凝劑下固結(jié)系數(shù)隨荷載的變化關(guān)系。固結(jié)系數(shù)為試驗(yàn)土壤固結(jié)所需要的時(shí)間，某一時(shí)刻壓縮量與最終壓縮量之比。在小荷載作用下，曲線開始有小段的浮動(dòng)；隨著荷載的增加，土樣的固結(jié)系數(shù)也隨之變大；最后漸漸趨于穩(wěn)定。其中氫氧化鈣的固結(jié)系數(shù)曲線明顯大于其它曲線。原泥和三氯化鐵的固結(jié)系數(shù)比較接近，APAM相對于原泥和三氯化鐵的固結(jié)系數(shù)在小荷載下差別不大；當(dāng)荷載超過100 kPa，且隨著荷載的增加時(shí)APAM與原泥和三氯化鐵的固結(jié)系數(shù)之差也逐漸變大。曲線表明了：加入氫氧化鈣的土樣的固結(jié)系數(shù)顯著增大，加入APAM的土樣比起原泥在100 kPa以下的荷載下的固結(jié)系數(shù)區(qū)別不大，當(dāng)超過100 kPa時(shí)加入APAM的土樣比起原泥的固結(jié)系數(shù)有一定的提高，但是均小于氫氧化鈣土樣的固結(jié)系數(shù)。

圖3 固結(jié)系數(shù)隨應(yīng)力的變化關(guān)系

2.3 滲透系數(shù)的變化規(guī)律

圖4為不同絮凝劑下滲透系數(shù)隨荷載的變化關(guān)系。在小荷載下，滲透系數(shù)迅速增加，氫氧化鈣最為典型。隨著荷載的增加，滲透系數(shù)開始變小。當(dāng)荷載達(dá)到400 kPa以后，滲透系數(shù)趨于穩(wěn)定。其中原泥和三氯化鐵的滲透系數(shù)較接近。而加入氫氧化鈣的土樣的滲透系數(shù)在荷載為250 kPa前顯著的大于原泥的滲透系數(shù)，當(dāng)荷載在250～400 kPa之間滲透系數(shù)急劇減小，當(dāng)荷載超過400 kPa時(shí)滲透系數(shù)趨于穩(wěn)定。加入三氯化鐵的土樣滲透系數(shù)大小和原泥在400 kPa之前比較不是很大，在荷載超過400 kPa后的滲透系數(shù)比原泥略大。分析4條曲線，發(fā)現(xiàn)在小荷載下，氫氧化鈣可以明顯的改變土樣的滲透系數(shù)，隨著荷載的增大絮凝劑的效果不明顯。

圖4 滲透系數(shù)隨應(yīng)力的變化關(guān)系

2.4 滲透系數(shù)隨孔隙比的變化關(guān)系

圖5為滲透系數(shù)在對數(shù)坐標(biāo)下隨孔隙比的變化關(guān)系。圖中顯示隨著孔隙比的增加滲透系數(shù)也逐漸增加，在孔隙比為1.4～1.6之間時(shí)，各土樣的滲透系數(shù)達(dá)到最大，隨后開始減小。其中氫氧化鈣的土樣比原泥的滲透系數(shù)略大。原泥和加入APAM和三氯化鐵的土樣變化不大。在孔隙比小于1.4時(shí)，滲透系數(shù)和孔隙比成線性變化。

圖5 滲透系數(shù)隨孔隙比的變化關(guān)系

3 結(jié) 論

通過對加入不同絮凝劑的土樣開展固結(jié)試驗(yàn)，獲得如下結(jié)論：

(1)壓縮曲線中，在小壓力下Ca(OH)2淤泥與APAM淤泥比原泥有明顯影響，而FeCl3淤泥對原泥的影響較小。

(2)加入氫氧化鈣的土樣的固結(jié)系數(shù)比原泥顯著增大，而加入APAM的土樣的固結(jié)系數(shù)比原泥略有提高，加入三氯化鐵的土樣和原泥的固結(jié)系數(shù)很接近沒有明顯變化。

(3)可以得到在小的豎向應(yīng)力下，氫氧化鈣可以明顯的改變土樣的滲透系數(shù)，APAM的土樣略為增加，三氯化鐵和原泥的滲透系數(shù)很接近，然而隨著豎向應(yīng)力的增大，絮凝劑的效果不明顯。

(4)滲透系數(shù)在對數(shù)坐標(biāo)下隨孔隙比的變化，氫氧化鈣略為明顯，而其他的土樣之間差別不大。