间歇式真空预压处理高含水率疏浚泥模型试验_韩启元.pdf

收稿日期：；修回日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）；江苏南水北调科技项目（）作者简介：韩启元（），男，江苏盐城人，硕士研究生，主要从事软弱地基处理等研究。：通信作者：徐桂中（），男，江苏盐城人，副教授，博士，主要从事疏浚泥处置及资源化利用等研究。：，（）：间歇式真空预压处理高含水率疏浚泥模型试验韩启元，徐桂中，李明东，翁佳兴（东华理工大学 土木与建筑工程学院，南昌；盐城工学院 土木工程学院，江苏 盐城；江苏鸿基水源科技股份有限公司，江苏 扬州）摘 要：为明确间歇式真空加载方式对真空预压处理高含水率疏浚泥加固效果的影响，对不同真空加载方式下的疏浚泥开展室内模型试验，研究了不同真空间歇时长下疏浚泥的处理效果，并探讨了间歇式真空引起疏浚泥处理效果改变的机理。结果表明：与传统恒定真空加载方式相比，采用间歇式真空可降低土颗粒的迁移，提高真空在土中的传递效率，从而改善真空预压处理后疏浚泥的加固效果。对本研究所用疏浚泥，采用间歇 的真空加载方式处理效果最佳。相比传统真空预压方式，疏浚泥的累计出水量提升，十字板剪切强度提高，土体含水率降低，间歇式真空预压法处理高含水率疏浚泥效果更佳。关键词：疏浚淤泥；间歇式真空预压；模型试验；出水量；排水板淤堵中图分类号：文献标志码：文章编号：（）开放科学（资源服务）标识码（）：，（，；，；，）：，：；研究背景近年来，随着我国港口建设、航道清淤等的大力开展，每年都将产生数亿方的疏浚淤泥。由于采用了水力冲挖的施工方式，使得产生的疏浚淤泥具有含水率高、承载力低等特点，一般无法直接用于工程建设，需要进行处理。目前，真空预压法由于简易高效、成本低廉，被广泛应用在处理高含水率疏浚泥的工程实践中。第 卷 第 期长 江 科 学 院 院 报 年 月 采用真空预压法处理高含水率疏浚泥时，淤泥中的细颗粒在真空负压作用下将随孔隙水向排水板附近聚集，造成排水板淤堵，从而影响真空预压加固效果。为此，一些学者提出对传统真空预压法进行改进，以改善真空预压处理效果。武亚军等对不同初始真空加载方式下淤泥的真空加固效果进行研究，发现采用的初始真空荷载越大，颗粒迁移越明显，且初始真空荷载较低（）的加载方式对土体的加固效果更好；等在电渗法联合真空预压法的基础上，进一步探究间歇通电对土体加固效果的影响。结果表明，合理的通电周期和通断电时间比可显著提升土体加固效果，且通断电时间比在 范围内较好。雷华阳等研究了无膜真空预压过程中土颗粒的运动规律，建议采用分级加载方式改善排水板的淤堵情况。王攀铭等对间歇式真空预压法进行初步探索，其研究结果表明总试验时长相同的条件下，间歇式真空的总沉降量明显增加。由此可见，采用真空预压法处理疏浚泥时，真空荷载的施加方式对最终加固效果具有重要的影响。需要注意的是，已有研究主要对比间歇式真空预压与传统真空预压法的加固效果，对间歇时长与真空处理疏浚泥的效果之间的关系研究相对较少。为进一步明确间歇式真空加载方式对真空预压法处理疏浚泥加固效果的影响，在课题组已有研究的基础上，对不同真空间歇时长处理的高含水率疏浚淤泥开展了室内模型试验。基于试验结果，研究了不同真空间歇时长下土中真空度、出水量及处理后淤泥的含水率等的变化规律，明确了真空间歇时长对疏浚淤泥加固效果的影响。之后，结合排水板滤布形态变化及试验后疏浚泥中的颗粒粒径分布，分析了间歇式真空加载引起疏浚泥加固效果改变的原因。室内模型试验 试验材料试验所用疏浚泥取自安徽五河某淤泥堆场，根据土工试验方法标准（）测定淤泥的基本物理性质指标，结果见表。其中液限和塑限通过液塑限联合测定法获得；相对密度采用比重瓶法测定；颗粒粒径级配采用密度计法测定。由表 中土体的液限和塑限可知，试验所用疏浚泥为高液限黏土。试验装置模型试验装置如图（）所示，主要由模型槽、真空系统和监测系统组成。模型槽为直径 和表 土样基本物理性质指标 液限塑限塑性指数相对密度不同粒径颗粒含量 黏粒（）粉粒（，）砂粒（，）高 的高强 桶；真空系统由真空泵、排水板及密封膜组成。真空泵的输出功率为，可提供不低于 的真空荷载；监测系统则包括真空表、真空探头和水汽分离瓶。本文所用真空探头（图（）通过截取一段 管，在其表面均匀打上小孔并用土工布包裹制备。已有研究表明，采用该方法制备的真空探头可较准确的测定模型试验过程中的真空度。水汽分离瓶则用于收集试验过程中排出的尾水。考虑到模型槽的尺寸较小，本文研究将不考虑深度的影响，主要在不同径向位置布设监测仪器。真空软管密封膜真空表真空泵4 0 06 0 05 0 5 05 05 0 5 0 5 0疏浚淤泥1 0 0 1 5 0 2 0 0模型桶排水体水汽分离瓶单位:m m含水率与十字板测点显微镜观测点真空监测点颗粒分析取样点(a)模型装置(b)真空探头2.5 c m1.5 c m图 模型装置示意图和真空探头 试验方案实际工程中，堆场疏浚泥自重沉积稳定后的含水率一般为倍液限（）左右，故本文室内模型试 验 所 用 疏 浚 泥 的 初 始 含 水 率 取，即。试验前，将现场取回的疏浚泥搅拌均匀并测定含水率。根据初始含水率计算需外加蒸馏水的质量，并将加水后的疏浚泥再次搅拌均匀；之后，将搅拌均匀的疏浚泥分批倒入模型桶内，并将塑料排水体固定在模型桶中间区域；最后，采用密封膜将模型密封好后，开始施加真空荷载。具体的试验方案如表 所示。其中，为采用传统的恒定真空加载方式，、和 则为采用间歇真空加载方式。此外，试验过程中为保证真空 长江科学院院报 年 荷载一致，使用同一真空泵加压。除真空间歇时长不同外，其他参数均保持一致。当 的沉降量 时，停止真空加载，其他模型试验的实际加载时间与 一致。真空预压试验结束后，根据图（）测定真空预压后不同位置土体的含水率、十字板强度和土颗粒粒径分布，并取排水体外层滤布开展微观测试。表 模型试验方案 试验编号真空荷载加载模式恒定真空（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）试验结果分析与讨论 真空度图 为不同真空加载方式下排水板内及土中真空度随试验时间的变化规律。其中，真空度为 的时段为间歇时的真空度。由图（）可知，不同真空加载方式下，排水板内的真空度均在 内增长至 左右并保持稳定。对于间歇式真空加载，随着真空泵的打开或关闭，排水板内的真空都可在较短时间内（）达到稳定或消散至。由此可见，排水板内真空度基本不受真空加载方式的影响。1 0 08 06 04 02 0/k P aT 1T 2T 3T 402 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0/h3 52 82 11 47/k P a01 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0/hT 1T 2T 3T 4(a)(b)图 排水板内和土中真空度随时间变化曲线 图（）为土中真空度随真空泵工作时长的变化曲线。需要注意的是，对于、和，真空泵工作时长为试验总时间减去真空泵关闭的时间。由图 可知，土中真空的出现存在一定的滞后。对于、和，分别在实际真空加载、后土中出现真空，即土中真空滞后时间随真空间歇时长的增加呈先减小后增大的变化趋势。这表明，合理的设计真空间歇时长可加快真空在土中的传递。与排水板中的真空度类似，土中的真空度随真空加载时长的增加，也呈先逐步上升再趋于稳定的变化趋势。其中，土中真空度最终稳定在 左右，、和 试验土中真空度则基本都稳定在 左右。此外，相同真空加载时间下，的土中真空度最大，而、的土中真空在前期低于，但在真空加载 后，、的土中真空变化曲线基本一致。图 为土中稳定后的真空度随水平距离（距排水板距离）变化曲线，其中，水平距离为 处的真空度为排水板内的真空度。随着距排水板水平距离增加，不同真空加载方式下土中真空度呈先急剧减小并逐渐趋于稳定的变化趋势。在距排水板 处，、，和 土中真空度较排水板中真空度衰减分别高达、和。而由距排水板 增加到 的范围内，土中真空度的平均衰减幅度均。同时，由图 还可以发现，相同水平距离处，土中的真空度均大于、和。由此可知，合理地设置真空间歇时长，可有效降低真空在土中衰减，并提高真空在土中的传递效果。对于本文研究所用疏浚泥，间歇 的加载方式真空传递效果最好。9 07 56 04 53 01 5/k P a05 1 0 1 5/c mT 1T 2T 3T 4图 土中真空度随水平距离变化曲线 出水量测定不同真空泵工作时长模型槽的出水速率和累计出水量，结果如图 所示。当真空泵工作时长较短（）时，不同真空加载方式下的出水速率和累计出水量基本相同，且均随着真空泵工作时间的增加而减小。之后，随着真空泵工作时长的进一步增加，出水速率和累计出水量随真空泵工作时长增加的减小幅度逐渐降低并趋于稳定。在该阶段，相同真空泵工作时长下，、和 的出水速率和累计出水量都高于。其中，试验结束后、和 的最终出水量分别为、。采用间歇式真空加载的、和 最终出水量比 分别提升、和，综上可知，间歇式真空加载方式在真空加载后期更有助于疏浚泥中孔隙水的排出。第 期韩启元 等 间歇式真空预压处理高含水率疏浚泥模型试验1 010.10.0 1/(k gd-1)T 1T 2T 3T 4T 1T 2T 3T 40 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0/h0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0/h3 52 82 11 47/k g(a)(b)图 模型槽出水速率和出水量随实际真空作用时长变化曲线 含水率和十字板强度图 为真空预压试验后距排水板不同水平距离处土体的含水率和十字板剪切强度。从图（）可知，靠近排水板的土体含水率均低于其他区域。和 相比，、和 试验组土体的平均含水率分别降低、。其中，的土体含水率分布在倍液限之间；的含水率在倍液限之间；的含水率在倍液限之间；的含水率在倍液限之间。这与图 中不同真空加载方式疏浚泥的最终累计出水量相一致。由此进一步表明，采用间歇式的真空加载方式具有更好的加固效果。7 57 06 56 05 55 0/%1 5 1 0 1 5/c mT 1T 2T 3T 4T 1T 2T 3T 42 52 01 51 05/k P a05 1 0 1 5/c m(a)(b)图 含水率和十字板剪切强度随水平距离变化曲线 由图（）可知，随着水平距离的增加，土体剪切强度逐渐减小。这主要是由于土体的含水率随水平距离增加而逐渐增大（图（）。同一深度下，、和 土体平均剪切强度较 分别提升、。而对于采用间歇式真空加载处理疏浚泥，间歇 （）时，处理后土体的强度高于间歇 （）和间歇 （）。结合试验过程疏浚泥的出水量、出水速率，及试验后的土体含水率和十字板剪切强度可知，采用间歇式真空预压处理高含水率疏浚泥时，存在某一最优的间歇时长。对于本研究所用疏浚泥，间歇 的真空加载方式获得的处理效果最佳。讨 论为探究采用间歇真空处理疏浚泥的作用机理及与传统真空预压法的区别，真空预压试验结束后取排水板附近土样进行颗粒分析，结果如图 所示。由图 可以发现，经真空预压处理后，排水板附近土中的黏粒（粒径）含量均高于原状土样（原土）。这表明采用真空预压处理时，疏浚泥中的颗粒确实出现了径向移动。这主要是由于真空荷载作用下土体黏粒更易随孔隙水向排水板附近聚集。但相比传统恒定真空（），、和 土中黏粒含量相对较小，即比 土中的黏粒含量分别低、。由此可见，采用间歇式真空可有效减缓土体黏土颗粒的径向迁移。9 07 56 04 53 01 50/%T 1 T 2 T 3 T 4图 不同加载方式下排水板处颗粒分布情况 图 为不同真空加载方式下排水板滤布与土体接触侧的微观照片。其中，白色块状物为滤布上的热轧熔点，为不透水材料。其余部分为实际透水部分，由纤维网组成。对比 组试验可以发现，滤布外层被细小的土颗粒填充，几乎观测不到排水通道，表明此时排水体已出现严重的淤堵。由此可见，细颗粒随孔隙水流出发生径向迁移时，将引起排水板滤布排水通道堵塞。而、和 试验所用排水体的滤布外侧仍保留许多排水通道，且 所用滤布中的排水通道数最多。这也进一步表明采用间歇式真空可有效减小排水板的淤堵程度。综上所述，与传统恒定真空相比，采用间歇式真空预压可有效降低排水板滤布排水通道的淤堵程度，从而获得更好的疏浚泥加固效果。这主要是由于真空荷载作用下，土体内将形成一定范围的真空渗流场。当移除真空荷载后，土体将产生一定量的膨胀变形，从而在土体内部形成新的孔隙排水通道，宏观表现为具有相对较高的出水速率和出水量。另一方面，与传统恒定真空预压方式相比，间歇式真空预压处理疏浚泥的试验总时间更长。而已 长江科学院院报 年(a)T 1(b)T 2(c)T 3(d)T 4图 排水体滤布外侧显微镜照片 有研究表明，土体工程性质具有明显的时间效应，即时间效应影响下土体强度进一步提高，土体骨架强度增加，土颗粒运移减缓，抵抗真空固结变形的能力得到提高，宏观上表现为真空预压加固土体效果减弱。由此可推知，间歇式真空加载方式处理疏浚泥效果受两方面的共同作用。此外，冯军等、岑仰润、颜永国等研究表明真空预压法加固土体效果受淤泥土性影响。本次试验同样发现，不同间歇时长导致土颗粒的运移效果不同，由此推知，间歇式真空预压法处理效果受淤泥土性影响。本次试验中，采用真空加载 后间歇 的真空加载方式获得最优疏浚泥处理效果，实际工程中需要考虑疏浚淤泥土性等影响因素。结 论对高含水率疏浚泥开展不同真空加载方式下的真空预压室内模型试验，基于试验结果，探究了间歇式真空对高含水率疏浚泥处理效果的影响，主要结论如下：（）合理地设计真空间歇时长可加快真空在土中的传递，获得更高的稳定真空。最优间歇时长下的土中稳定真空较传统真空预压法提高。（）相较于传统真空预压法，间歇式真空预压的加固效果具有显著优势。试验结果显示，间歇式真空加载方式下的出水量较传统真空预压法提高，十字板剪切强度提高，加固后土体含水率降低 。采用间歇式真空加载方式能有效减缓土颗粒迁移现象，真空预压结束后，排水板滤布处仍有较多排水通道。因此，间歇式真空能减轻排水板淤堵现象。（）间歇式真空加载方式处理高含水率疏浚泥的效果与间歇时长相关。试验结果表明，真空过程中未间歇或间歇时间太长，真空预压法处理高含水率疏浚泥效果较差。本次试验中，采用真空加载 后间歇 的真空加载方式处理疏浚泥的效果最佳。参考文献：黄华梅，高杨，王银霞，等 疏浚泥用于滨海湿地生态工程现状及在我国应用潜力 生态学报，（）：马殿光，朱晨，姬凤玲 疏浚淤泥废弃泡沫塑料轻质土的力学特性研究 水道港口，（）：郭红燕 真空预压加固新吹填土地基排水板弯折对有效加固范围的影响 广州：华南理工大学，姬凤玲，朱伟，张春雷 疏浚淤泥的土工材料化处理技术的试验与探讨 岩土力学，（）：胡 挺，武亚军，徐方氢氧化钙与聚丙烯酰胺对高含水率泥浆固结的影响长江科学院院报，（）：吴松华 不同形式电渗加固吹填淤泥现场试验研究长江科学院院报，（）：王东星，唐弈锴，伍林峰 疏浚淤泥化学絮凝真空预压深度脱水效果评价 岩土力学，（）：宋晶，王清，张鹏，等 高黏性吹填土固结过程中细颗粒迁移规律研究 工程地质学报，（）：王 军，蔡袁强，符洪涛，等 新型防淤堵真空预压法室内与现场试验研究 岩石力学与工程学报，（）：浩 婷，王 曦，周 颜，等 真空负载方式对疏浚淤泥脱水过程中脱水规律的影响 岩土力学，（）：，（）：王柳江，刘斯宏，汪俊波，等 真空预压联合电渗法处理高含水率软土模型试验 河海大学学报（自然科学版），（）：，（）：武亚军，杨建波，张孟喜 真空加载方式对吹填流泥加固效果及土颗粒移动的影响研究 岩土力学，（）：第 期韩启元 等 间歇式真空预压处理高含水率疏浚泥模型试验 ，：，：雷华阳，刘英男，冯双喜，等 新型无膜真空预压法加固超软吹填土模型试验及数值模拟分析 岩土工程学报，（增刊）：王攀铭，杨俊杰间歇性真空预压加固软土地基的机理分析甘肃水利水电技术，（）：，（）：沈 杰高含水率疏浚泥真空预压室内模型试验研究南京：东南大学，孙立强，闫澍旺，李 伟，等 超软土真空预压室内模型试验研究 岩土力学，（）：，（）：蔡袁强 吹填淤泥真空预压固结机理与排水体防淤堵处理技术 岩土工程学报，（）：龚晓南，岑仰润 真空预压加固软土地基机理探讨哈尔滨建筑大学学报，（）：明经平，孙振远 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