分級真空預壓聯(lián)合增壓處理疏浚淤泥實驗研究★

劉義華，謝建強

(1.贛州建工集團有限公司，江西 贛州 341000;2.贛州城市開發(fā)投資控股有限責任公司，江西 贛州 341000)

我國各大城市對海洋、河流、湖泊等生態(tài)環(huán)保問題愈發(fā)重視，水環(huán)境治理，近海、河流、湖泊疏浚等工程迅猛發(fā)展，每年疏浚量約70億m3，形成了大規(guī)模的疏浚淤泥地基。疏浚淤泥具有黏粒含量高、含水量高、壓縮性高、強度低等不利的工程特性[1-2]。在早期，傳統(tǒng)的真空預壓法具有明顯的優(yōu)點，在軟土地基加固和復墾工程中得到了廣泛的應用[3]。然而，隨著常規(guī)真空預壓的持續(xù)進行加上疏浚淤泥中多由細顆粒組成，絕大多數(shù)粒徑小于100 μm，細顆粒會逐漸進入預制豎向排水板(PVD)濾膜造成堵塞。為解決常規(guī)真空方法處理排水板容易淤堵的問題，金亞偉等[4]提出了增壓式真空預壓法，通過增壓方式來提高土體內的水平壓力差，從而對土體產(chǎn)生裂縫，加強對吹填淤泥的加固效果。丁海龍等[5]進行了常規(guī)真空預壓與增壓下的對比實驗，實驗表明增壓下軟土中的孔隙水可以更快速地排出，地表沉降量大幅增加，地基處理效果更好。

近年來，增壓真空預壓法得到快速的發(fā)展，然而目前對于地下深層土體的加固是有限和不足的。王軍等[6]進行了新型防淤堵排水板對深層土體進行加固，得到了更好的加固效果。曾芳金[7]采用深層增壓式真空預壓法對軟土進行處理，發(fā)現(xiàn)深層增壓方法能緩解淤堵的形成，驗證了增壓式對防淤堵的有效性。其他學者[8-9]進行了分級真空預壓室內模型，發(fā)現(xiàn)分級下的真空壓力能減緩排水板的淤堵，對內部土體加固效果更佳。雷華陽等[10]通過研究分級真空預壓和傳統(tǒng)真空預壓的淤堵形成時間，驗證了分級真空預壓法對防淤堵的有效性。

綜上可知，為克服常規(guī)真空預壓存在的缺陷，學者們展開了許多的研究，先前很少有人研究分級真空預壓與增壓的結合處理疏浚淤泥的效果。本研究充分考慮分級真空預壓與增壓的各自特性，提出了在分級真空下進行增壓的處理。進行了4組大型試驗模型試驗，期間監(jiān)測了各組的排水量、土壤表面沉降和孔隙水壓力。在不同點測量含水量和葉片剪切強度，為工程實際提出依據(jù)[11-15]。

1 試驗方法

1.1 試驗材料

本研究土樣取自中國東南沿海主要城市溫州市甌飛圍墾工程，其基本物理性質通過標準實驗室測試確定。黏土的塑性極限為23.5%，液體極限為50.2%，土壤顆粒比重為2.72，土樣的基本物理指標見表1。圖1是使用英國生產(chǎn)的Marvin系列激光粒度儀所得到的淤泥的粒度分布曲線，其中粒徑小于0.041 6 mm的顆粒含量(質量分數(shù))占到了90%，說明該土樣主要由細顆粒黏土組成。

表1 試驗土體的基本物理性質指標

1.2 試驗裝置

試驗裝置由模型箱、真空加載、增壓系統(tǒng)和監(jiān)測系統(tǒng)組成，示意圖如圖2所示。模型桶由一個由聚甲基丙烯酸甲酯制成的模型試驗筒。模型試驗筒的厚度為2 cm，內徑為56 cm，高度為90 cm。增壓系統(tǒng)使用空氣壓縮機作為增壓裝置，提供空氣增壓。真空系統(tǒng)選用功率輸出為0.18 kW、抽速為20 L/min、穩(wěn)定真空壓力為80 kPa的循環(huán)水真空泵，真空微調閥用于調節(jié)真空壓力的大小。排出水通過汽水分離瓶收集，孔隙水壓力計和葉片剪切裝置用于收集數(shù)據(jù)。

1.3 試驗方案及步驟

為了研究分級真空壓力與增壓結合的處理疏浚淤泥的改良效果，實驗方案設計如表2所示，4組實驗均在實驗裝置圖中進行。T1先對PVD施加80 kPa的真空壓力，隨后使用增壓管進行增壓。T2～T4分別采用各自的分級真空預壓對其進行處理后，再對其進行增壓處理。先對其進行真空處理后再進行增壓，有利于孔道的形成，從而使土體整體處理效果更好。

表2 試驗方案

試驗步驟將分成如下幾步進行：

1)將疏浚淤泥攪拌均勻分層裝入模型桶中，裝填到一定高度后，按如圖2所示位置，在距桶底面 300 mm安放孔壓計與增壓管，裝填完畢后的泥面高度約700 mm。

2)在土樣上鋪設土工膜，并將土工膜連接起來，通過密封膠對其進行密封。將PVD通過手形接頭與氣密管相連，并通過接頭完成到水汽分離瓶連接。

3)在連接PVD的真空軟管上安裝可微調的真空閥門控制試驗過程中的真空壓力，隨后用軟管連接水汽分離瓶與真空泵。

4)每天向土壤注入增壓空氣5 min，直至測試實驗結束。

5)當日排水量小于0.2 kg/d，平均沉降小于2 mm/d時停止試驗。

2 試驗結果與分析

2.1 真空壓力

真空壓力由安裝在排水板的真空探頭連接真空表上直接收集，圖3為實驗過程中的真空壓力的變化情況，在沒有進行增壓的時候真空壓力幾乎穩(wěn)定在80 kPa左右，隨著時間有著很小的波動，當增壓泵開始工作時，真空壓力急劇下降，在運行過程中保持穩(wěn)定的變化。一旦增壓泵停止工作，真空壓力隨之急劇的上升，而且上升速度大致以相同的速率急劇上升。

2.2 排水量

圖4繪制了4個試驗在整個真空預壓和增壓階段的排水隨時間的變化圖，結果表明，采用分級后的AVP技術可以提高水的排放量。從圖4中可以看出，隨著時間的進行，實驗T1～T4最終的排水量分別為22.6 kg，23.3 kg，25.7 kg，27 kg，采用多級的真空壓力比直接采用更高的真空壓力可提高排水量3.09%，13.7%，19.46%，可以解釋為，在每施加下一級真空壓力時，較高的真空壓力使得土體發(fā)生重組現(xiàn)象，導致孔隙之間的擴大，隨后穩(wěn)定后，使其獲得新的滲流通道，加上增壓也使得土體增大遠端土體的裂隙。也表示為分級真空預壓的級數(shù)越多， 可減少細顆粒的遷移，因此也更有利于緩解排水板淤堵和增加土體排水量。

2.3 表面沉降

沉降是評估真空預壓處理后對土體影響的重要指標。在實驗過程中，利用自行設計的裝置記錄了兩個實驗表面的局部沉降，并獲得了平均沉降數(shù)據(jù)。本研究兩個觀測點的平均沉降與試驗時間的關系如圖5所示，在所有試驗過程中，疏浚土的表面沉降均隨時間增加而增加，每當開啟增壓泵進行增壓后，沉降速率發(fā)生明顯變化，地表沉降明顯增加。隨著時間的進行，各實驗組的最終沉降分別為：17.4 cm，17.9 cm，19 cm，21.7 cm?？梢越忉尀榉旨壖虞d能削減土體不均勻沉降，隨著分級梯度的增大，沉降變化也自增加。而當空壓機開關時，由于壓縮空氣的作用，聚集在PVD周圍的細顆粒土層被破壞，從而產(chǎn)生更多的微裂縫。這些裂縫緩解了PVD的堵塞，提高了PVD的排水能力,增大了沉降值。

固結度是評判土體固結程度的重要指標，為了確定固結效果，王軍等提出三點法計算固結度，根據(jù)最終沉降(S1)計算固結度Ut如下：

(1)

(2)

其中，Ut為t時刻所求的計算固結度；St為t時刻的土表沉降；S∞為最終的土表沉降；S1，S2，S3分別為任意三個時間點的沉降值，根據(jù)式(1),式(2)計算得到的T1～T4 的St分別為12.4 cm，13.3 cm,15.4 cm和18.2 cm，由此計算得到的最終的計算固結度T1～T4分別為71.2%，74.3%，81%和84.7%。根據(jù)計算固結度的結果可以得知，采用分級真空預壓與增壓結合下，分級越多，固結效果更好，強度更高。

2.4 孔隙水壓力

孔隙水壓力消散大小是評價土壤改良效果的關鍵參數(shù)，圖6顯示了四組實驗的孔隙水壓力消散情況變化，由圖6可知，各組實驗在試驗結束后的孔壓消散值分別為29.4 kPa,30.5 kPa,32.4 kPa,35 kPa。在啟動增壓設備時，土體中產(chǎn)生了新的排水通道，加快了土體的固結速度，因此孔壓消散變化會發(fā)生一定突變，空氣增壓過程可以降低孔隙水壓力。最終孔壓消散大小順序為T4>T3>T2>T1，與前面排水量的效果基本保持一致。在分級下的可以改變孔壓在一定時間上的變化情況。當孔壓變得穩(wěn)定時，增大真空壓力，使其孔壓變化在一定程度上加劇。

2.5 含水率與十字板剪切強度

實驗結束后，在徑向的不同位置與不同深度取出土樣，對其進行含水率和十字板剪切強度的測試，圖7與圖8顯示了實驗結束后平均含水率和平均十字板剪切強度沿兩個方向的分布情況。從圖7可以看出，隨著距離表面深度的增大，含水率都有呈現(xiàn)增大的趨勢。在縱向深度方向，因為在深度為200 mm處靠近增壓管，表現(xiàn)出比表面和底層更低的含水率，T4在多級分級下與增壓作用下，達到了更低的含水率，具有更好的加固效果。在徑向方面，真空壓力隨著距離的增大，會沿著排水板的逐漸遞減，導致遠端的土體固結效果差，含水率增大。

如圖8所示，十字板剪切強度與含水率表現(xiàn)出負相關的關系，中間土體表現(xiàn)出的十字板剪切強度略高于深層土體，現(xiàn)象與含水率保持一致，根據(jù)十字板剪切強度可以估算出土體的承載能力：

qu=(π+2)Cu

(3)

其中，Cu為土體的十字板剪切強度；qu為估算得出的土體承載能力，根據(jù)式(3)可得T1～T4的承載能力為123.36 kPa,133.64 kPa,138.78 kPa，149.06 kPa，T4的承載能力相對于T1～T3分別提高了17.2%，10.3%，6.89%,說明分級真空聯(lián)合增壓能促進排水，并顯著提高土體的承載力。

3 結論

通過室內試驗，進行了分級真空預壓聯(lián)合增壓處理疏浚淤泥的室內試驗。根據(jù)試驗結果和測量結果分析，得出以下結論:1)采用分級梯度級數(shù)大的真空預壓對疏浚淤泥的排水量及固結程度最佳，最終排水量比T1，T2，T3分別多了3.09%，13.7%，19.46%，根據(jù)沉降計算得到的計算固結度可達到84.7%，具有更好的加固效果。2)在合適的真空壓力下，增壓在改善疏浚土壤方面，可以表現(xiàn)出較好的性能。結合分級真空預壓，會使得土體加固效果的問題得到解決。3)分級真空預壓聯(lián)合增壓下采用分級施加真空壓力方式，有效減少細顆粒的遷移，緩解淤堵狀況，增加了真空預壓階段的排水效果。