高含水率疏浚泥自重沉积过程中颗粒分选规律

徐桂中，丁建文，殷 杰，别学清

(1.河海大学岩土工程研究所，江苏南京210098;2.盐城工学院土木工程学院，江苏盐城224051;3.东南大学交通学院，江苏南京210096;4.江苏大学土木工程与力学学院，江苏镇江212013;5.江苏省工程勘测研究院，江苏扬州225002)

为了改善湖泊、河流的水质，提高河道、湖泊等水域的通航、泄洪能力，需要对水下底泥进行疏浚，从而产生大量的疏浚淤泥.由于国内以绞吸式疏浚为主，所以产生的疏浚泥的含水率极高，在吹入堆场的过程中发生水力分选现象，导致堆场中疏浚泥的粒径分布不均，从而引起堆场中不同位置的疏浚泥的物理力学性状差异［1-3］.欲了解疏浚泥在堆场中的物理力学性状的分布规律，首先需要了解疏浚泥沉积、固结过程中的颗粒分选规律.许多学者通过沉降柱自重沉积试验研究高含水率疏浚泥自重沉积过程中的颗粒分选规律.K.Been等［4］运用特制的沉降柱开展自重沉积试验，结果显示:当泥浆容重为10.2，10.7 kN·m-3时，自重沉积过程中，泥浆发生了明显的分选，当泥浆容重为11.2 kN·m-3时，泥浆未发生明显的颗粒分选，这是因为疏浚泥的分选现象与土颗粒的絮凝相关.T.S.Tan等［5］对BNR3 clay开展自重沉积试验，结果表明:当初始含水率为300%时，泥浆没有发生明显的分选;当初始含水率为400%，800%时，泥浆发生了明显颗粒分选现象;沉积结束后，粗颗粒质量分数沿深度逐渐增加.A.Sridharan等［6-7］对红色黏土、高岭土、褐色黏土等3种土样开展的室内自重沉积试验结果显示:初始含水率是影响疏浚泥自重沉积过程中颗粒分选的重要因素;另外还探讨了自重沉积过程中土颗粒分选对疏浚泥压缩特性的影响.国内学者在开展高含水率疏浚泥自重沉积试验时，也发现了颗粒分选现象［8-10］.

本研究对不同疏浚泥开展自重沉积试验，以进一步明确疏浚泥自重沉积过程中颗粒分选规律，探讨初始含水率、土性等对颗粒分选规律的影响，了解分选后疏浚泥粒径分布曲线沿深度的变化规律.

1 试验

1.1 试验土样

本次试验共采用3种疏浚泥，分别取自江苏淮安白马湖、江苏淮安楚州、江苏连云港等地区，所以分别称为白马湖土样、楚州土样、连云港土样.白马湖土样和楚州土样均从堆场中人工挖取，连云港土样采用大直径PVC管(内径30 cm，高30 cm)取自深度2.5 m处.表1为白马湖土样、楚州土样及连云港土样的基本物理指标.其中，液限采用碟式液限仪测定，塑限采用搓条法测定，粒径分布采用密度计法确定.所有试验均参照ASTM(2002:D421-D422)规程.

图1为3种土样粒径分布曲线.由图1知，各土样中的黏粒质量分数在30% ～80%之间.图2显示了3种土样在塑性图中的位置.由图2可知:白马湖土样与连云港土样为高液限黏性土，楚州土样属于低液限黏性土.

表1 疏浚泥的物理力学性质

图1 粒径分布曲线

图2 塑性图

1.2 试验装置及方法

考虑到当沉降柱内径大于10 cm时，边界对沉积规律的影响可以忽略［11］.所以试验用沉降柱均由内径为12 cm的透明有机玻璃管制成.整个沉降柱由若干个高度约为5 cm的小沉降筒通过铁架压在一起，每个沉降筒两侧均设置凹槽，凹槽中放入O形密封圈，O形密封圈受力后可以确保试验中两沉降筒间不渗漏.自重沉积结束后，拆分铁架，就可以按顺序分层取出不同深度的疏浚泥.

本试验共配置17组不同初始含水率及初始高度的泥浆样，初始含水率为4～17倍液限，初始高度为130 cm.表2为泥浆的初始条件及沉积稳定后的高度.其中，w0为初始含水率，w0/wL为相对含水率，h0为初始高度，hc为沉积稳定后的高度.

G.Imai［12］认为:沉降曲线(泥面沉降量随时间对数的变化曲线)趋于水平，泥浆中的超静孔压消散完毕，泥浆自重固结完成.在本研究所进行的自重沉积试验中，以泥面沉降曲线趋于水平作为试验结束标志，自重沉积试验结束后泥浆厚度为hc，具体判断方法如图3所示.其中，t为时间，min;tc表示自重沉积试验中，沉积完成时所经历的时间.完成自重沉积试验后，按顺序对泥浆进行分层取样，并对每层土样进行颗粒分析试验.

表2 泥浆的初始条件及沉积稳定后的高度

图3 自重沉积试验结束的判定方法

2 结果与分析

2.1 疏浚泥的粒径分布曲线

图4为泥浆自重沉积后不同深度泥浆的粒径分布曲线.图4显示的为取样平均深度，并分别用顶部、中部、底部表示取样位置.

由图4知:连云港土样和楚州土样的初始含水率分别小于等于490.7%和161.9%时，不同深度粒径分布曲线基本重合，说明沉积过程中没有发生颗粒分选.

图4 自重沉积后不同深度泥浆粒径分布曲线

但是当初始含水率分别大于等于646.5%和244.1%时，不同深度泥浆的粒径分布曲线存在差异，上部泥浆的粒径分布曲线位于下部曲线的上方.由此可知，泥浆在自重沉积过程中发生了颗粒分选.但对于白马湖土样，当初始含水率高达1 010.6%及1 528.6%时，不同深度的泥浆粒径分布曲线基本重合，说明在自重沉积过程中仍没有发生颗粒分选.上述现象表明:疏浚泥在自重沉积过程中的颗粒分选规律与初始含水率和土性相关.

2.2 疏浚泥分选程度定量化分析

为进一步定量分析初始含水率及土性对颗粒分选规律的影响，需要提出定量化参数.由上述可知，泥浆发生分选后，顶部泥浆的粒度最细，底部泥浆的粒度最粗，所以顶部与底部泥浆粒径分布曲线之间的差异反映了泥浆自重沉积过程中疏浚泥的分选程度.细粒土土样中黏粒质量分数是影响物理力学性状的重要因素，因此将自重沉积试验结束后，顶部与底部泥浆中黏粒质量分数的差值称为分选度，用F表示，其表达式为

式中:wtop和wlow分别为顶部与底部泥浆中的黏粒质量分数.对于自重沉积过程中未发生分选的泥浆，F=0;发生分选的泥浆，F＞0;F越大，分选程度越高，F最大值为100.

图5为分选度随初始含水率的变化曲线.由图5可知:楚州和连云港土样的分选度均随初始含水率的增加发生了显著的变化.当两种土样的初始含水率分别小于等于 199.2%，391.7% 时，F=0，表明泥浆没有发生分选;当泥浆初始含水率增加时，F由0迅速增加，表明泥浆开始发生分选;当两种土样的初始含水率分别大于332.4%，646.5%时，F随初始含水率的增加迅速趋于稳定;在此之后，F不再随初始含水率变化.白马湖土样与楚州和连云港的不同，当含水率为1 528.6%时，F=0，没有明显分选现象.

图5 分选度随初始含水率的变化曲线

图6为3种土样F随初始含水率与液限的比值w0/wL的变化曲线.由图6可知:对于楚州土样和连云港土样，初始含水率分别约小于5倍和7倍液限时，分选度为0，表明泥浆没有发生分选，当初始含水率分别大于8倍和12倍液限时，分选度不再随初始含水率变化，保持基本稳定，当初始含水率分别介于5～8倍和7～12倍液限间时，分选度F随初始含水率迅速增大.对于白马湖土样，初始含水率达到17倍液限时，分选度仍为0，没有发生分选.

图6 F随w0/wL的变化曲线

根据图5，6，可将分选度随初始含水率的变化关系简化成图7模型.图7中，疏浚泥F随初始含水率的变化分为3个阶段:不分选阶段、分选度增长阶段和分选度稳定阶段.3个阶段间临界初始含水率分别用wn和wf表示.初始含水率低于wn时，泥浆处于不分选阶段，F=0，泥浆不发生分选;当初始含水率大于wf时，泥浆处于分选稳定阶段，此时F不随初始含水率变化;当初始含水率介于wn和wf之间时，F随初始含水率的增加而迅速增加.需要指出，白马湖土样虽然没有发生分选，F=0，但可以看作图7模型特例.由上可知:淮安土样的wn和wf分别约为液限的5倍和8倍，连云港土样的wn和wf约为液限的7倍和12倍，白马湖土样的wn和wf均超过土样液限的17倍.可见，wn和wf随土样液限的增加而增加.

因此，泥浆处于分选度稳定阶段的分选度不再随初始含水率变化，达到最大，称为最大分选度，用Fmax表示，Fmax确定方法见图 7.显然，Fmax同样可以反映疏浚泥的分选难易程度.

图7 分选度随初始含水率变化关系模型

图8为最大分选度随液限及黏粒质量分数的变化关系.由图8可知:Fmax随液限、黏粒质量分数的增大而减小，液限小于55%时，Fmax降低较快，液限大于55%时，Fmax降低较慢，Fmax随黏粒质量分数呈线性降低.当液限大于90%、黏粒质量分数大于80%时，Fmax=0，表明此时泥浆不会发生分选.由此可知，泥浆分选能力随液限及黏粒质量分数的增加而降低.

图8 Fmax随液限、黏粒质量分数的变化曲线

2.3 分选后黏粒质量分数沿深度的变化

由表2可知，不同初始含水率疏浚泥自重沉积稳定后的厚度不同.为了叙述方便，将疏浚泥某深度h与沉积稳定后泥浆厚度hc的比值称为相对深度，显然相对深度为0～1.图9为楚州土样发生分选时，黏粒质量分数随深度的变化关系.由图9可知:楚州土样中，当初始含水率大于332.4%，即泥浆处于分选稳定阶段时，在相对深度相同时，黏粒质量分数均基本一致，并不随初始含水率变化.同时，黏粒质量分数分别在相对深度为 0～0.6，0.6～0.8，0.8～1.0时，随深度增加呈分段线性降低.然而，当楚州土样为244.1%，即泥浆处于分选增长阶段时，除了顶部泥浆和底部泥浆中黏粒质量分数随深度略有变化外，其他部位泥浆中黏粒质量分数随相对深度变化，几乎没有发生显著变化.

图9 黏粒质量分数沿相对深度的分布规律

3 结论

1)初始含水率、土的液限是影响高含水率疏浚泥自重沉积过程中颗粒分选规律的重要因素.初始含水率越高，液限、黏粒质量分数越低，土样越容易发生分选.

2)导入分选度定量评价疏浚泥的分选程度，根据分选度的变化规律，建立分选度随初始含水率变化的模型，该模型中将土样随初始含水率由低至高分为不分选阶段、分选度增长段、分选度稳定段.

3)不分选段、分选度增长段、分选度稳定段3个阶段间的临界含水率随液限的增加而增加，不分选段与分选增长段间的临界含水率一般大于5倍液限，分选度增长段与分选段稳定段间的临界含水率一般大于8倍液限.

4)处于分选度稳定段的疏浚泥，其初始含水率不影响自重沉积后黏粒质量分数沿相对深度的分布规律，黏粒质量分数随深度增加而减小，并呈三段不同的线性分布.

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