徐 鍇，范明橋，林生法，付冠杰，魏雁冰，

（1.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029；2.河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210098）

浙江玉環(huán)漩門三期吹填淤泥的工程特性

徐 鍇1，范明橋1，林生法1，付冠杰2，魏雁冰1，2

（1.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029；2.河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210098）

圍墾工程中各個(gè)區(qū)域吹填淤泥的成因、成分、物理力學(xué)特性相差較大。通過室內(nèi)土工試驗(yàn)對吹填淤泥的物理性質(zhì)進(jìn)行研究，采用量筒沉積試驗(yàn)研究吹填淤泥的沉積規(guī)律，利用室內(nèi)試驗(yàn)探索淤泥強(qiáng)度和滲透性隨含水率和孔隙比變化的規(guī)律，采用現(xiàn)場試驗(yàn)對淤泥含水率和強(qiáng)度沿深度分布規(guī)律進(jìn)行研究。結(jié)果表明：沉積試驗(yàn)中，初期（t＜118 h）淤泥沉降速度較快，以土顆粒自重沉積為主，沉降量、密度、含水率與孔隙比變化明顯，海水吹填泥漿的沉積要快于淡水泥漿沉積，通過添加分散劑或絮凝劑來加快泥漿沉積速率效果不明顯。采用半對數(shù)坐標(biāo)表示淤泥強(qiáng)度或滲透性與淤泥含水率或孔隙比關(guān)系具有較好的相關(guān)性。含水率沿深度方向遞減，而強(qiáng)度則沿深度方向遞增。在不同自重固結(jié)歷時(shí)下，吹填淤泥淺層含水率和強(qiáng)度變幅較小，深層變化較明顯。

吹填淤泥；工程特性；沉積規(guī)律；強(qiáng)度；滲透性；含水率

徐鍇，范明橋，林生法，等.浙江玉環(huán)漩門三期吹填淤泥的工程特性［J］.水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)，2015（1）：89－95.（XU Kai，F(xiàn)AN Ming?qiao，LIN Sheng?fa，etal.A study of engineering characteristics of hydraulic filledmud from Xuanmen third stage construction in Yuhuan of Zhejiang Province［J］.Hydro?Science and Engineering，2015（1）：89－95.）

沿海城市是我國輕重工業(yè)和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)密集地，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口密度大、用地緊張。全國沿海城市正在進(jìn)行大規(guī)模圍海造陸，以期解決土地資源緊缺的問題。我國地域遼闊、海岸線較長、各個(gè)區(qū)域土的成因、成分、物理力學(xué)特性相差較大。因此有必要對每個(gè)區(qū)域的吹填土工程特性進(jìn)行研究，以期對本區(qū)域內(nèi)相關(guān)吹填工程提供必要的理論數(shù)據(jù)支撐。

由于吹填淤泥的土顆粒沉積會(huì)影響晾曬時(shí)間的長短，所以土顆粒沉積與自重固結(jié)過程的物理力學(xué)性質(zhì)變化直接影響設(shè)計(jì)方案和施工方案。國內(nèi)外學(xué)者針對吹填淤泥的沉積規(guī)律和自重固結(jié)下吹填淤泥物理參數(shù)的變化規(guī)律開展了一些理論和試驗(yàn)研究。宋志剛［1］通過對吹填土固結(jié)速度影響因素的分析，認(rèn)識到主固結(jié)速度的影響因素主要有雙電層厚度、吹填土滲透性、電位勢、土水勢和粒間作用力。詹良通等［2－4］分別研究了吹填淤泥自重沉積固結(jié)特性、自重沉積規(guī)律與物理力學(xué)性質(zhì)變化特征。曹玉鵬等［5］研究了疏浚淤泥在靜水條件下的沉積規(guī)律，探討了模型尺寸、鹽水和淡水兩種沉積環(huán)境以及初始含水率對沉積速率和沉積量的影響，分析了疏浚淤泥自然沉積穩(wěn)定后的含水率變化范圍。洪鵬云等［6］通過量筒沉積試驗(yàn)和大筒沉積試驗(yàn)，模擬了現(xiàn)場高含水量吹填淤泥的自重沉積，測定吹填淤泥在不同初始含水量、不同大小試驗(yàn)容器條件下沉積后的重度。龔鐳等［7］研究了新吹填淤泥的工程性質(zhì)變化特性。尹聰?shù)龋?］利用沉降柱試驗(yàn)研究了吹填泥漿自然沉降下的分層規(guī)律。楊瑞敏等［9］研究了吹填時(shí)疏浚淤泥顆粒在堆場內(nèi)運(yùn)移及分選規(guī)律。汪順才等［10］對堆場疏浚淤泥含水率分布規(guī)律進(jìn)行了調(diào)查研究。K.Been等［11］利用沉積柱試驗(yàn)研究了粉質(zhì)黏土（黏粒含量為30%）自重沉積固結(jié)特性，測得不同初始密度泥水混合物在自重沉積過程中各時(shí)刻的密度剖面、超孔隙水壓力剖面以及土顆粒離析分布特征。G.Imai［12］將疏浚淤泥的自然沉積分為分散、絮凝、區(qū)域和固結(jié)4種沉降類型。R.Bürger［13］等采用數(shù)值模擬方法對兩種粒徑圓粒的沉積規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。R.L.Montgomery等［14］認(rèn)為泥漿初始顆粒濃度和顆粒絮凝特性是控制疏浚淤泥顆粒沉積行為的主要因素。

本文依托浙江玉環(huán)漩門三期圍海造陸工程，通過現(xiàn)場和室內(nèi)試驗(yàn)對玉環(huán)漩門三期吹填淤泥的基本物理特性、沉積規(guī)律、淤泥強(qiáng)度和滲透性隨著含水率與孔隙比的變化規(guī)律、不同自重固結(jié)時(shí)間下的吹填淤泥的含水率和強(qiáng)度沿深度分布規(guī)律進(jìn)行研究，為本區(qū)域內(nèi)的相關(guān)吹填工程設(shè)計(jì)與施工提供理論數(shù)據(jù)支撐與參考。

1 物理試驗(yàn)

為探究浙江玉環(huán)漩門三期吹填淤泥工程性質(zhì)的變化規(guī)律，在本地區(qū)圍區(qū)現(xiàn)場取吹填泥漿進(jìn)行了物理、力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)、室內(nèi)沉積試驗(yàn)。

經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)分析統(tǒng)計(jì)本地區(qū)吹填淤泥液限為45.8%，塑限為21.1%，塑性指數(shù)為24.7，顆粒分布為細(xì)砂（粒徑0.25～0.075 mm）6.1%，粉粒（粒徑0.075～0.005 mm）63.6%，黏粒（粒徑小于0.005 mm）30.3%，顆粒密度為2.74 g／cm3。從顆粒粒徑含量指標(biāo)來看，粉粒占優(yōu)，小于2μm的膠粒占16.3%。

對取自圍區(qū)場地中的3組初始泥漿，均勻攪拌后，分別倒入500 ml玻璃量筒進(jìn)行吹填土的密度測量，得出平均密度為1.178 g／cm3，平均含水量為320%。

2 沉積試驗(yàn)

2.1 自重沉積試驗(yàn)

吹填土的沉積主要分為3個(gè)階段：初始階段（含水率大于130%），即土顆粒自然沉積階段，土顆粒絮凝、團(tuán)聚、下沉；中間階段（含水率在90%～130%），即自重固結(jié)壓密階段；尾部階段（含水率80%以下），即固結(jié)與次固結(jié)階段。初始階段自然沉積，所需時(shí)間較短，主要以重力形式水、土分離。自重固結(jié)壓密階段，所需時(shí)間有長有短，處于比較復(fù)雜的狀態(tài)，在重力場、阻力場、分子吸附與反吸附作用、化學(xué)作用、離子作用等共同作用下形成土體骨架，適合大變形固結(jié)理論的分析。尾部階段，時(shí)間漫長，是一個(gè)土體骨架與液體平衡調(diào)整的過程，這一階段土體才能形成一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

為進(jìn)一步探索本區(qū)域吹填泥漿沉積特性，進(jìn)行了室內(nèi)小型沉積試驗(yàn)。為模擬吹填泥漿實(shí)際狀況，在泥漿初始含水率約為300%（密度約為1.2 g／cm3）時(shí)將其注入直徑為63.86 mm的玻璃量筒（1 000 ml）中，用塑料薄膜密封后，放置陰涼處，觀察沉積柱中泥水混合物的沉積過程，按一定時(shí)間間隔測量并記錄土水界面的下降量。根據(jù)土水界面以下土柱高度，計(jì)算各時(shí)刻沉積物的密度和孔隙比。自重沉積固結(jié)完成后，排出上層積水，稱重，并取土樣測含水率，測沉積土柱的平均密度和平均孔隙比。

根據(jù)圖1～2可知，在約118 h時(shí)，沉降／沉降速率－時(shí)間過程曲線都出現(xiàn)較明顯的轉(zhuǎn)折，此時(shí)沉降量為107.86 mm，密度為1.366 g／cm3，含水率為137%，孔隙比為3.76。在之后的超過 400 h時(shí)間內(nèi)，沉降量為8.24 mm，密度增大0.026 g／cm3，含水率減小12%，孔隙比降低0.32。在沉降初期（t＜118 h），沉積初期速度較快，以土顆粒自重沉積為主，沉降量、密度、含水率與孔隙比變化明顯。之后沉積速度減慢，這是泥漿顆粒在重新凝聚。初始階段，沉降速率很大，但很快降低。土顆粒在自重下沉積完成后，沉降和沉降速率變化的非線性更為明顯。

圖1 沉降／沉降速率－時(shí)間過程曲線Fig.1 Relationship between settlement／sedimentation rate and time

本次試驗(yàn)總沉降量達(dá)116.1 mm，占泥漿初始高度的50.38%。在經(jīng)歷118 h的靜置后，如將泥漿沉積過程描述為自重固結(jié)，則這時(shí)泥漿自重固結(jié)度為U＝107.86／116.1＝92.9%。之后沉降速率已經(jīng)很慢，沉降量也很小。自重沉積固結(jié)完成后，排出上層積水，稱重，并取土樣測含水率、沉積土柱的平均密度和平均孔隙比，沉積前后平均含水率分別為289.83%和110.98%，平均孔隙比分別為7.94和3.04，平均密度分別為1.195和1.392。沉積泥漿的最終含水率約為111%，是液限（45.8%）的2.42倍。試驗(yàn)結(jié)果和曹玉鵬［5］等對福建海相淤泥進(jìn)行的泥漿沉積試驗(yàn)所得自然沉積完成時(shí)穩(wěn)定含水率在2.2～2.7倍液限的結(jié)論相符。

圖2 密度、含水率和孔隙比隨時(shí)間變化Fig.2 Relationships between density，water content，void ratio and time

泥漿沉積過程中時(shí)間和含水率減少幅度之比與時(shí)間呈如下關(guān)系：w＝w0－t／（a＋bt），w∞＝w0－1／b，其中：w為t時(shí)刻實(shí)測含水率；w0為初始含水率；t為沉積時(shí)間；w∞為最終含水率；a，b為回歸方程待定系數(shù)。

將圖2（b）含水率?時(shí)間曲線轉(zhuǎn)化為t／（w0－w）與時(shí)間t曲線關(guān)系來模擬，其結(jié)果如圖3。從圖3擬合結(jié)果來看，本次擬合結(jié)果具有較好的相關(guān)性。自重沉積下依雙曲線規(guī)律關(guān)系可知泥漿自重沉積含水率減小會(huì)有一個(gè)極限值。根據(jù)本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知在吹填土沉積時(shí)間約118 h時(shí)含水率約為137%，在吹填土沉積時(shí)間約527 h時(shí)含水率約為125%，已非常接近極限值。由于吹填土是完全飽和土，Sr＝1，故e＝wGs，即孔隙比與含水率成正比，所以泥漿孔隙比與時(shí)間變化規(guī)律和含水率與時(shí)間的關(guān)系是一致的。

圖3 t／（w0－w）?t曲線關(guān)系Fig.3 Relationship between t／（w0－w）and time

2.2 添加劑作用下沉積規(guī)律

為比較泥漿在不同水體中的沉積速率，在泥漿中分

別加入了不同可溶物，其中六偏磷酸鈉屬于分散劑，可以將土顆粒相互分離，常用于細(xì)粒土粒徑分析試驗(yàn)；而絮凝劑則相反，可以將細(xì)小顆粒聚集。為模擬海水中泥漿的沉積，在量筒中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的100 ml鹽溶液，試驗(yàn)結(jié)果如圖4。

由圖4可知，4條曲線都是前面曲線部分泥漿體積變化較大，轉(zhuǎn)折點(diǎn)后變化速率變小且逐漸趨于穩(wěn)定。純泥漿、加六偏磷酸鈉和絮凝劑的泥漿在前4 d體積變化大，4 d后漸趨于穩(wěn)定。加了分散劑的和原泥漿沉積速度基本一致，主要是由于吹填泥漿結(jié)構(gòu)完全被破壞，處于高含水率狀態(tài)，顆粒與顆粒大部分無相互接觸。而加了絮凝劑沉積速度前期（t＜4 d）與純泥漿的變化規(guī)律一致；后期（t＞4 d）沉積速率稍慢于純泥漿，但變化規(guī)律跟純泥漿的一致。加氯化鈉鹽的泥漿沉積速度則有較大增加，說明海水吹填泥漿的沉積要快于淡水泥漿沉積，試圖通過添加分散劑或絮凝劑來加快泥漿沉積速率效果不明顯。

圖4 泥漿體積－時(shí)間曲線Fig.4 Relationships between volume and time

3 淤泥強(qiáng)度和滲透性變化規(guī)律

在真空預(yù)壓處理軟土過程中，隨著土的固結(jié)，土中水被排出，土體含水率降低，孔隙變小，土顆粒接觸變緊密，土體強(qiáng)度逐漸增長，結(jié)構(gòu)不斷發(fā)生變化。隨著土體結(jié)構(gòu)的變化，土體強(qiáng)度和滲透性也不斷變化。由于吹填泥漿含水率極高，完全無結(jié)構(gòu)性，土體基本難以成形，很難制成常規(guī)室內(nèi)土工試驗(yàn)所需的試樣。因此，較難研究遠(yuǎn)大于液限的土體的強(qiáng)度和滲透性隨含水率的變化規(guī)律。為了獲得玉環(huán)漩門三期吹填泥漿（含水率介于液塑限之間）的淤泥強(qiáng)度與滲透系數(shù)分別隨著土體含水率和土體孔隙的變化規(guī)律，采用取自該地區(qū)的吹填土制備5組含水率介于液限與塑限的試樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)。

采用半對數(shù)坐標(biāo)擬合本次淤泥強(qiáng)度隨土體含水率和孔隙比的變化規(guī)律試驗(yàn)結(jié)果見圖5。

圖5 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨含水率和孔隙比變化Fig.5 Changes of unconfined compression strength with water content and void ratio

由圖5可見，用半對數(shù)坐標(biāo)表示的淤泥無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和淤泥含水率、孔隙比有較好的線性關(guān)系，這與現(xiàn)有試驗(yàn)研究的重塑土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與含水率w存在雙對數(shù)關(guān)系的結(jié)論相一致，表達(dá)式為：lg qu＝nmx，其中：m，n分別為試驗(yàn)擬合參數(shù)；x代表w或e。

根據(jù)擬合結(jié)果可知，土體含水率越低，強(qiáng)度增長越快，孔隙比減小幅度增大。對于qu?w曲線關(guān)系，n＝3.782 2，m＝0.082 2；對于qu?e曲線關(guān)系，n＝3.782 2，m＝3.000 5。

采用半對數(shù)坐標(biāo)擬合本次淤泥滲透系數(shù)隨土體含水率和孔隙比的變化規(guī)律試驗(yàn)結(jié)果見圖6。

圖6 滲透系數(shù)隨含水率和孔隙比的變化Fig.6 Changes of coefficient of permeability with water content and void ratio

由圖6可見，采用半對數(shù)坐標(biāo)表示的飽和淤泥滲透系數(shù)和淤泥含水率、孔隙比有較好的線性關(guān)系。大量試驗(yàn)結(jié)果表明，作為固結(jié)系數(shù)函數(shù)的滲透系數(shù)隨有效應(yīng)力的變化而變化，特別是在前期固結(jié)應(yīng)力變化的前后，其差別非常大［15－17］，因此，考慮滲透系數(shù)隨孔隙比的變化對真空預(yù)壓下軟土固結(jié)的影響更加符合實(shí)際。針對軟黏土孔隙比與滲透系數(shù)的非線性關(guān)系，國內(nèi)外學(xué)者已做了大量研究［18－24］，提出了多種非線性滲透關(guān)系。本文采用lg kv?x表示滲透系數(shù)與淤泥含水率和孔隙比關(guān)系，表達(dá)式為：lg kv＝Ax＋B，其中：A，B代表試驗(yàn)擬合參數(shù)；x代表w或e。

根據(jù)擬合結(jié)果可知，對于kv?w曲線關(guān)系，A＝0.169 9，B＝－4.675 1；對于kv?e曲線關(guān)系，A＝6.200 6，B＝－4.675 1。飽和淤泥滲透系數(shù)kv和含水率w呈對數(shù)關(guān)系，并且隨著含水率的減少（孔隙比相應(yīng)減小）滲透系數(shù)kv遞減速率非?？?，30%含水率淤泥的滲透系數(shù)與45%含水率淤泥相比低2個(gè)數(shù)量級，即相差100倍以上。滲透系數(shù)越小，排水固結(jié)效果越差，這也完全說明了淤泥排水固結(jié)過程中，隨時(shí)間增長含水率和孔隙比減少后，排水效果逐漸降低的現(xiàn)象。

4 含水率和強(qiáng)度沿深度分布規(guī)律

由于吹填淤泥顆粒的不均衡，在現(xiàn)場實(shí)際吹填淤泥自然落淤過程中，粗顆粒必然沉積得比細(xì)顆?？?，使得下面粗顆粒多、上面粗顆粒少，且吹填泥漿含水率極高，采用專門的薄壁取土器無法取得不同深度的泥漿。本文此次取土方法為把直徑略小于簡易易拉罐的PVC管插入易拉罐內(nèi)，易拉罐外綁牢鐵絲。結(jié)合本場地實(shí)際情況，取沉降歷時(shí)30 d和90 d的2個(gè)自然落淤與自重固結(jié)時(shí)間不同的位置，在不同點(diǎn)把PVC管連同易拉罐快速插入指定深度，而后緩慢拔出PVC管，等第2天再拉鐵絲把易拉罐取出。本次取土分0，0.5，1.0，1.5和2.0 m共5個(gè)深度，每個(gè)深度做2組平行試驗(yàn)，測定泥漿含水率。

采用便攜式高精度十字板剪切儀對土體進(jìn)行十字板剪切試驗(yàn)，其精度可達(dá)到0.01 kPa。本次十字板剪切試驗(yàn)深度為0.5，1.0，1.5和2.0 m。不同自然落淤與自重固結(jié)時(shí)間下，泥漿含水率與強(qiáng)度沿深度分布結(jié)果如圖7。

圖7 含水率和十字板抗剪強(qiáng)度隨深度變化Fig.7 Changes of water content and vane strength with depth

由圖7可知，除了吹填泥漿表層受晾曬作用，含水率低于0.5 m處，其余不同自重固結(jié)時(shí)間下含水率都是自上而下減小，但減幅不大。自重固結(jié)下歷時(shí)90 d的含水率低于歷時(shí)30 d的，但兩者相差不大。不同自重固結(jié)時(shí)間下吹填淤泥強(qiáng)度沿深度呈遞增關(guān)系，自重固結(jié)下歷時(shí)90 d的強(qiáng)度高于歷時(shí)30 d的，淺層（深度小于1.5 m）強(qiáng)度沿深度在不同自重固結(jié)歷時(shí)變化幅度小，較深處（≥1.5 m）強(qiáng)度變化較明顯。

5 結(jié) 語

（1）在沉積試驗(yàn)中，在沉降初期（t＜118 h），速度較快，但很快降低，以土顆粒自重沉積為主，沉降量、密度、含水率與孔隙比變化明顯，之后速度減慢（泥漿顆粒在重新凝聚）。海水吹填泥漿的沉積要快于淡水泥漿的沉積，通過添加分散劑或絮凝劑來加快泥漿沉積速率效果不明顯。

（2）采用半對數(shù)坐標(biāo)表示淤泥強(qiáng)度或滲透性與淤泥含水率或孔隙比關(guān)系具有較好的線性相關(guān)，可以通過擬合公式推算淤泥含水率和孔隙比對應(yīng)的淤泥強(qiáng)度和滲透性。

（3）在歷時(shí)30 d和90 d不同自重沉積和固結(jié)作用下，場地吹填淤泥的含水率沿著深度方向遞減，強(qiáng)度沿著深度方向遞增。場地吹填淤泥淺層（＜1.5 m）含水率和強(qiáng)度沿著深度在不同自重固結(jié)歷時(shí)變化幅度小，較深處（≥1.5 m）含水率和強(qiáng)度隨深度在不同自重固結(jié)歷時(shí)變化比較明顯。

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A study of engineering characteristics of hydraulic filled mud from Xuanmen third stage construction in Yuhuan of Zhejiang Province

XU Kai1，F(xiàn)AN Ming?qiao1，LIN Sheng?fa1，F(xiàn)U Guan?jie2，WEIYan?bing1，2
（1．Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing 210029，China；2．College of Civil and Transportation Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China）

The causes，composition，physical and mechanical characteristics of the hydraulicly filledmud are quite different for reclamation projects in various regions.The physical characteristics of the hydraulicly filled mud are studied by soil tests in laboratory，and studies of the sedimentation behavior of the hydraulicly filledmud are carried out by cylinder deposition tests，and the change behavior of strength and permeability of the hydraulicly filled mud with differentwater contents and void ratios are studied by laboratory tests，and the distribution behavior of water content and strength of the hydraulicly filledmud with different depths are studied by field tests.The analysis results show that：in the sedimentation experiments，the settlement speed is fast in the early（t＜118 h）sedimentation due to the soil self?weight settlements，and the settlements，density，water content and void ratios change obviously. The hydraulicly filled mud in saline water settles faster than that in the fresh water，and the effect on accelerating settlement rate of the hydraulicly filled mud is not obvious by adding dispersant or flocculant.A good correlation relationship is obtained between mud strength or permeability and water contents or void ratios by semi?logarithmic ordinate representing mud strength and permeability.The water content decreases with depth，and the strength increaseswith depth.Change in water content and strength with depth is a little bit under different self?weight consolidation conditions in shallow layer，butmore significant in deep layer.

hydraulicly filled mud；engineering characteristics；sedimentary behavior；strength；permeability；water content

TU447

A

1009－640X（2015）01－0089－07

10.16198／j.cnki.1009－640X.2015.01.013

2014－08－26

水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目（201201015，201201006）

徐 鍇（1982?），男，江蘇靖江人，博士，主要從事軟基處理、淤泥固化和環(huán)境力學(xué)方面的研究。E?mail：kxu＠nhri.cn 通信作者：林生法（E?mail：sf_lin＠126.cn）