徐桂中, 吉 鋒, 翁佳興

(1. 河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院， 江蘇 南京 210098； 2. 東南大學(xué) 交通學(xué)院， 江蘇 南京 210096)

隨著港口、航道、海洋和海岸工程建設(shè)的飛速增多，我國每年都會開展大規(guī)模的清淤工程，因此會產(chǎn)生大量的疏浚淤泥。將疏浚出的淤泥吹填造地是目前處理疏浚淤泥最常用的方法，該方法不僅解決了疏浚淤泥處置難的問題，還為各種建設(shè)工程提供了大量的土源。由于國內(nèi)疏浚以絞吸式為主，產(chǎn)生的疏浚淤泥的含水率往往極高，呈流體狀態(tài)，在吹填場地中發(fā)生沉降。因此，了解吹填土的自然沉降規(guī)律對于合理進(jìn)行吹填工程十分重要。

一般認(rèn)為，沉降過程中，泥漿具有兩種狀態(tài)，即沉積狀態(tài)與固結(jié)狀態(tài)[1～7]。泥漿處于沉積狀態(tài)時，土顆粒相互分離，土顆粒在重力和水的阻力作用下沉降，土顆粒的沉降規(guī)律可通過沉積理論描述[1, 8～10]；泥漿處于固結(jié)狀態(tài)時，土顆粒相互接觸并傳遞有效應(yīng)力，土顆粒的下沉是由固結(jié)引起，土顆粒的下沉規(guī)律可運用大變形一維固結(jié)理論描述[11, 12]。有學(xué)者研究認(rèn)為，沉積狀態(tài)與固結(jié)狀態(tài)之間存在臨界含水率(濃度)，當(dāng)含水率高于該臨界含水率時，泥漿處于沉積狀態(tài)，當(dāng)含水率低于該臨界含水率時，泥漿處于固結(jié)狀態(tài)[13, 14]，該臨界含水率往往被稱為土形成含水率[15]。許多學(xué)者對土形成含水率開展了定量研究，Monnte 和Krizek認(rèn)為土形成含水率在土的5.0～7.0倍液限之間[15]，Carrier等則認(rèn)為土形成含水率為土的液限的7.0倍[16]，Stark等建立土形成孔隙比與塑性指數(shù)之間的關(guān)系[17]。

上述研究表明，泥漿的狀態(tài)與含水率及土樣的物理特性有關(guān)，然而，在疏浚工程中，泥漿的初始含水率卻往往因原狀土的特性及吹填機械的差異而變化，那么，泥漿的初始含水率的變化對自然沉積規(guī)律有何影響呢？此外，目前國內(nèi)外對于定量確定土形成含水率尚未達(dá)到共識。針對上述問題，本文對中國4個地區(qū)的吹填淤泥開展室內(nèi)自然沉降試驗，探討吹填淤泥的自然沉降規(guī)律及初始含水率、土的物理力學(xué)特性對自然沉降規(guī)律的影響。

1 土樣的物理力學(xué)性質(zhì)及試驗方法

1.1 土樣的物理力學(xué)性質(zhì)

試驗所用土樣分別取自江蘇淮安白馬湖、江蘇張家港、浙江溫州、福建可門港等地。溫州和可門港土樣均由我國東海海相沉積形成，白馬湖及張家港土樣由河流沉積形成。張家港土樣是用直徑和高均為30 cm的PVC圓筒取于地下2.5米深度處，其它3種土樣均為水力疏浚產(chǎn)生的疏浚淤泥。土樣的基本物理指標(biāo)見表1。其中，液限采用碟式液限儀測定，塑限采用搓條法測定，顆分采用密度計法測定，比重采用比重瓶法測定，試驗過程嚴(yán)格按照GBT 50123-1999《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》執(zhí)行。圖1顯示了4種土樣在塑性圖中的位置，圖中A線為IP=0.73(wL-20)，其中IP、wL分別為土樣的塑性指數(shù)和液限。由圖可知，張家港土樣位于A線之下，屬于粉質(zhì)土，另外3種土樣均位于A線以上，屬于高液限黏性土。

表1 土樣的基本物理力學(xué)指標(biāo)

1.2 試驗方法

試驗所用的沉降容器為直徑6.5 cm的1000 ml量筒，量筒外壁上附有精度為1 mm的刻度線，通過刻度線可以讀取量筒中泥漿的高度。試驗前，配置不同初始含水率的泥漿，并將配置好的泥漿緩慢注入量筒中，當(dāng)泥面達(dá)到30 cm即停止注漿，并記錄泥漿的初始高度。試驗過程中，讀取不同時刻泥面的高度；當(dāng)泥漿沉積基本穩(wěn)定后，終止試驗，泥漿的初始含水率見表2。

圖1 塑性圖

白馬湖土樣編號初始含水率%溫州土樣編號初始含水率%可門港土樣編號初始含水率%張家港土樣編號初始含水率%B1391W1325K1255Z163.1B2623W2671K2358Z280.8B3824W3738K3499Z398.0B4894W4843K4561Z4179.5B5960W5890K5781Z5242.2B61063W61095K61296Z6455.5B71280W71291K71751B81291W81679K82120B91997W91921

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 泥面沉降規(guī)律

由于試驗初期的泥面變化較大，所以為了能夠清楚了解試驗初期的泥面沉降規(guī)律，圖2中給出了4種土樣自然沉降開始后1500 min(約1 d)內(nèi)的沉降曲線。由圖2可知，泥面的沉降規(guī)律受到初始含水率的影響，當(dāng)初始含水率較低時，泥面沉降緩慢，如圖2中B1、B2、B3、W1、W2、K1、K2、K3、Z1、Z2、Z3； 當(dāng)初始含水率較高時，如除B1、B2、B3、W1、W2、K1、K2、K3、Z1、Z2、Z3之外的其他曲線,沉降曲線明顯可分為3個階段，泥面在短時間內(nèi)保持基本平衡后快速沉降，沉降速率相等，而后泥面的沉降速率又迅速降低至初始含水率較低時的沉降速率。

圖2 試驗初期的沉降曲線

圖3 整個試驗期間的沉降曲線

圖3為在半對數(shù)坐標(biāo)系中泥面的沉降曲線，通過該圖可以了解整個試驗期間，泥面的沉降規(guī)律。圖中顯示，當(dāng)初始含水率較高時，沉降曲線的曲率發(fā)生了顯著的突變，而當(dāng)初始含水率較低時，曲線形狀與常規(guī)壓縮試驗中s-lgt曲線相似，呈明顯的反“S”形。

圖4 沉降曲線分類

上述現(xiàn)象表明，隨著初始含水率的變化，泥漿的沉降曲線可分為如圖4所示的I、II兩種類型。分析認(rèn)為，I、II之間的差別是由泥漿的初始狀態(tài)不同引起。曲線I的形狀與常規(guī)壓縮試驗中s-lgt曲線相似， I發(fā)生的條件為泥漿的初始狀態(tài)為固結(jié)狀態(tài)。

圖5 試驗初期泥面沉降速率隨初始含水率的變化規(guī)律

圖5為試驗初期，泥面的沉降速率隨初始含水率的變化關(guān)系，對于I型曲線為1500分鐘內(nèi)的平均沉降速率，II型的為泥面等速率下沉?xí)r的斜率。圖中顯示，II型發(fā)生時，泥漿的沉降速率顯著大于I型，并且沉降速率隨初始含水率的增大呈雙折線型增大，表明隨著沉降類型由I向II轉(zhuǎn)變時，泥面沉降速率隨初始含水率的變化規(guī)律也發(fā)生了變化。由此也可以推斷，II發(fā)生的條件為泥漿的初始狀態(tài)為沉積狀態(tài)。為了敘述方便，分別將I、II兩種沉降類型稱為沉積沉降與固結(jié)沉降。

2.2 沉積沉降

當(dāng)泥漿的初始狀態(tài)為沉積狀態(tài)時，泥漿發(fā)生沉積沉降，下面對沉積沉降的過程進(jìn)行簡述。水中的土顆粒受到自重及水的阻力的影響，當(dāng)土顆粒受到的重力小于水的阻力時，土顆粒懸浮運動，否則，土顆粒下沉。由于細(xì)顆粒土具有絮凝作用，所以在土顆粒做懸浮運動的同時，相互絮凝成絮團(tuán)，絮團(tuán)又相互絮凝成更大的絮團(tuán)，重量增加。當(dāng)絮團(tuán)的重量小于水的阻力時，絮團(tuán)仍懸浮在水中，當(dāng)絮團(tuán)的重量大于水的阻力時，絮團(tuán)下沉，泥面開始沉降。由此可見，沉積沉降時，泥面保持短暫的穩(wěn)定，與土顆粒的絮凝相關(guān)[2]。將泥面保持穩(wěn)定的時間稱為絮凝時間，圖6為絮凝時間隨初始含水率的變化關(guān)系，由圖可知，白馬湖土樣與溫州土樣的絮凝時間隨初始含水率的增加而非線性降低。可門港土樣與張家港土樣中絮凝時間為0，表明沉降曲線中沒有明顯的絮凝現(xiàn)象。由此可見，泥漿的絮凝與初始含水率及土性相關(guān)，對于液限較高的土樣，絮凝時間隨含水率的增大而降低，液限較低的土樣，絮凝現(xiàn)象不明顯。

圖6 絮凝時間隨初始含水率的變化規(guī)律

在泥漿沉積過程中，泥面等速率沉降的現(xiàn)象已被許多學(xué)者通過實驗所證實，這是由于沉積過程中土顆粒(絮團(tuán))相互影響，羈絆群體下沉引起，這種沉降形式被稱為阻礙沉降(Hinder settling)[1, 2, 9]。研究表明，阻礙沉降發(fā)生時，土的初始骨架尚未形成，泥漿處于流態(tài)，土顆粒相互分離，由于土顆粒間的相互影響，土顆粒在自重的作用下相互羈絆下沉，泥面表現(xiàn)為等速率沉降，由此可見，沉積沉降中發(fā)生等速率下沉的原因在于泥漿發(fā)生了阻礙沉降。結(jié)合圖5可知，泥漿發(fā)生阻礙沉降時，沉降速率隨初始含水率的增大而增大；相同初始含水率時，沉降速率由大到小依次為張家港土樣、白馬湖土樣、溫州土樣、可門港土樣，表明相同含水率時，粉質(zhì)土的阻礙沉降速率大于黏性土；對于黏性土，相同初始含水率時，阻礙沉降速率隨土樣液限的增加而增加。

泥漿發(fā)生阻礙沉降的同時，下沉至底部的土顆粒相互堆積，形成松散的土，此時土顆粒相互接觸并可以傳遞有效應(yīng)力；由于自重的影響，土體內(nèi)產(chǎn)生超孔壓，隨著超孔壓的消散，有效應(yīng)力增加，土體固結(jié)下沉。在此期間，整個泥漿被分為上下兩個區(qū)域，上部泥漿仍發(fā)生阻礙沉降，下部泥漿則進(jìn)入固結(jié)狀態(tài)。為描述方便，將上述兩個區(qū)域間的界面稱為土形成面。隨著泥漿中土顆粒的不斷下沉，泥面不斷下降，土形成面不斷上升，當(dāng)所有土顆粒在底部堆積時，泥漿完全進(jìn)入固結(jié)階段，泥面的沉降速率迅速降低，并在自重固結(jié)作用下沉降。顯然，沉積沉降時，泥面等速沉降段和慢速沉降段分別由泥漿的阻礙沉降和自重固結(jié)引起。由此可見，泥漿的沉積過程可分為3個階段，即絮凝階段、阻礙沉降階段、自重固結(jié)階段，如圖7所示。

圖7 沉積沉降時泥漿沉降過程示意簡圖

2.3 定量確定土形成含水率

泥漿進(jìn)入固結(jié)狀態(tài)時的含水率即為土形成含水率，用w*表示。據(jù)上所述，當(dāng)初始含水率大于土形成含水率時，土樣發(fā)生沉積沉降，否則，泥漿發(fā)生固結(jié)沉降。由此可見，土形成含水率必然介于泥漿發(fā)生沉積沉降和固結(jié)沉降的初始含水率之間，即可以通過泥漿的沉降類型定量判斷土形成含水率。方便起見，將初始含水率與土樣液限的比值稱為相對初始含水率。圖8中顯示了各組試驗的相對含水率，圖中空心圓表示發(fā)生了沉積沉降，實心圓表示發(fā)生了固結(jié)沉降。因為土形成含水率必然位于空心圓與實心圓的交匯處，所以根據(jù)圖8可以粗略定量了解4種土樣的土形成含水率。由圖8可知，對于白馬湖土樣、溫州土樣、可門港土樣3種黏性土，土形成含水率約為液限的9倍，圖8中實線所示，而張家港土樣的土形成含水率約為液限的3倍，在圖8中，位于實線的下方。

圖8 本次試驗4種土樣的相對初始含水率

Carrier對美國地區(qū)疏浚淤泥堆場進(jìn)行調(diào)查后，認(rèn)為土進(jìn)入自重固結(jié)時的臨界含水率為液限的7倍[16]，該結(jié)論明顯小于本文中的9倍液限，見圖8。分析認(rèn)為，這是由確定泥漿進(jìn)入固結(jié)狀態(tài)的臨界含水率的方法不同引起。Carrier是在沉積穩(wěn)定后，測定泥漿表面的含水率來確定泥漿進(jìn)入固結(jié)狀態(tài)的臨界含水率的，然而這種方法必然需要取一定重量的表面泥漿，所以無法避免取樣的泥漿已經(jīng)在沉積過程中發(fā)生了自重固結(jié)，導(dǎo)致測定的臨界含水率低于實際的臨界含水率，本文的方法不存在上述問題。

2.4 自然沉降穩(wěn)定時間

一般認(rèn)為，在s-lgt坐標(biāo)系中，沉降曲線趨于水平時，泥漿內(nèi)超孔壓消散完畢，泥漿自重固結(jié)完成，標(biāo)志自然沉降結(jié)束[8]，將自然沉降結(jié)束所需的時間稱為沉降穩(wěn)定時間，并用Tc表示。在吹填工程中，吹填土的沉降穩(wěn)定時間是堆場容積設(shè)計的重要參考指標(biāo)。圖9為Tc與相對初始含水率的關(guān)系，圖中顯示，4種土樣，Tc均隨相對初始含水率的增加呈非線性降低趨勢。相同相對初始含水率時，白馬湖、溫州、可門港3種黏性土樣的Tc相互接近，并且均符合式(1)所示的關(guān)系，由式(1)可知，Tc隨土樣的液限的增加而增加。然而，張家港土樣的Tc則位于式(1)所示關(guān)系的下方，表明粉質(zhì)土的沉降穩(wěn)定時間顯著小于黏性土。分析認(rèn)為，上述現(xiàn)象與各土樣的滲透性相互差異相關(guān)，土樣的滲透性越好，自然沉降穩(wěn)定所需的時間越小。相對初始含水率越高，土樣的孔隙比越大，滲透性越高，所以沉降穩(wěn)定時間越小。對于黏性土，液限越高，滲透性越低，所以Tc隨液限的增加而增加，而粉土的滲透性顯著優(yōu)于黏性土，所以張家港土樣的Tc顯著低于其它3種黏性土。

圖9 Tc隨相對初始含水率的變化關(guān)系

(1)

3 結(jié) 論

(1)當(dāng)泥漿的初始含水率大于土形成含水率時，泥漿在試驗的初始時刻處于沉積狀態(tài)，泥漿發(fā)生沉積沉降；當(dāng)泥漿的初始含水率小于土形成含水率時，泥漿在試驗的初始時刻處于固結(jié)狀態(tài)，泥漿發(fā)生固結(jié)沉降。

(2)沉積沉降發(fā)生時，泥漿經(jīng)歷絮凝、阻礙沉降、自重固結(jié)3個階段，對于液限較低的土樣，沉積沉降曲線中沒有明顯的絮凝現(xiàn)象。泥漿發(fā)生阻礙沉降時，沉降速率隨初始含水率的增大而增加；相同含水率時，粉質(zhì)土的沉降速率大于黏性土的，對于黏性土，沉降速率隨土樣液限的增加而增加。

(3) 土形成含水率與土樣的液限相關(guān)，黏性土的約為液限的9倍，粉質(zhì)土的約為液限的3倍。

(4) 由于滲透性的差異，沉降穩(wěn)定時間隨相對初始含水率的增大非線性減小，隨液限的增大而增大，黏性土的沉降穩(wěn)定時間可以通過式(1)描述，并且顯著大于粉質(zhì)土的。

[1] Kynch G J. A theory of sedimentation[J]. Transactions of Faraday Society, 1952, 48: 166-176.

[2] Imai. Setting behabior of clay suspension[J]. Soil and Foundation, 1980, 20(2): 61-77.

[3] 吳正友. 連云港吹填泥漿沉積和固結(jié)性質(zhì)的現(xiàn)場觀測與分析[J]. 水運工程, 1990, (4): 1-6.

[4] 劉 瑩, 肖樹芳, 王 清. 吹填土室內(nèi)模擬試驗研究[J]. 巖土力學(xué), 2004, 25(4): 518-521.

[5] 劉 瑩, 王 清. 吹填土沉積后微觀結(jié)構(gòu)特征定量化研究[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì), 2006,(3): 124-127.

[6] 詹良通, 童 軍, 徐 潔. 吹填土自重沉積固結(jié)特性試驗研究[J]. 水利學(xué)報, 2008, 39(2): 201-205.

[7] 楊愛武, 杜東菊, 趙瑞斌, 等. 吹填泥漿沉積模擬試驗研究[J]. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2010, 29(4): 617-620.

[8] Imai. Experimental studies on sedimentation mechanism and sediment formation of clay materials[J]. Soils and Foundations, 1981, 21(1): 7-20.

[9] Been K, Sills G C. Self-weight consolidation of soft soils: an experimental and theoretical study[J]. Géotechnique, 1981, 31(4): 519-535.

[10] Tan T S, Yong K Y, Leong E C, et al. Sedimentation of clayey slurry[J]. Journal of Geotechnical Engineering，ASCE, 1990, 116(6): 885-898.

[11] Gibson R E, England G L, Hussey M J L. The theory of one-dimensional consolidation of saturated clays:Ⅰ. finite non-linear consolidation of thin homogeneous layers[J]. Geotechnique, 1967, 17: 261-273.

[12] Toorman E A. Sedimentation and self-weight consolidation: general unifying theory[J]. Geotechnique, 1996, 46(1): 103-113.

[13] Monte J L, Krizek R J. One-dimensional mathematical model for large-strain consolidation[J].Geotechnique, 1976, 26(3): 495-510.

[14] Sills G C.Time dependent processes in soil consolidation[C]// Proceedings of the international symposium on compression and consolidation of clayey soils, IS-Hiroshim.rotterdam: A A. Balkema. 1995: 875-890.

[15] Pane V, Schiffman L. The permeability of clay suspensions [J]. Géotechnique, 1997, 47(2): 273-288.

[16] Carrier W D III, Bromwel L G, Somogyi F. Design capacity of slurried mineral waste ponds[J]. ASCE J. Geotech Engng, 1983, 109(5): 699-761.

[17] Stark T D, Choi H, Schroeder P R. Settlement of dredged and contaminated material placement areas.II: Primary consolidation，secondary compression，and desiccation of dredged fillinput parameters[J]. Water Port Coastal Ocean Engng, 2005, 131(2): 52-61.