改性固化淤泥的水力特性及水分迁移特征★

况彦西娜张俊峰谌柳明*戴小松徐顺平

(1.武汉理工大学土木工程与建筑学院，湖北武汉 430070; 2.武汉大学土木建筑工程学院，湖北武汉 430072; 3.中建三局投资发展有限公司，湖北武汉 430070)

改性固化淤泥的水力特性及水分迁移特征★

况彦1西娜2张俊峰2谌柳明2*戴小松3徐顺平3

(1.武汉理工大学土木工程与建筑学院，湖北武汉 430070; 2.武汉大学土木建筑工程学院，湖北武汉 430072; 3.中建三局投资发展有限公司，湖北武汉 430070)

东湖固化淤泥土不能直接用于路基填筑，因此使用水泥对其进行改性，形成了改性固化淤泥，通过对改性固化淤泥的水力特性试验，获得了其土水特征曲线和水力传导函数曲线，在此基础上，使用Richards方程作为控制方程的瞬态流理论进行了东湖改性固化淤泥路基在不同外部环境作用下水分迁移的数值模拟分析，得出了一些有意义的结论。

淤泥改性，路基，水力特征，水分迁移

0 引言

武汉东湖通道工程中，淤泥总处理量约为82.5万m3。为了达到不占用土地并资源化利用的目标，已对湖中疏浚淤泥采用固化剂和机械脱水方法进行了固化处理。但室内试验发现该固化淤泥并不适于直接作为路基填料。因此掺入水泥进行改性，所得到的土即为本文试验所用的“改性固化淤泥”。改性固化淤泥试样的水泥掺量为8%，压实度为96%，养护时间为28 d。重型击实试验得到的最大干密度为1.551 g/cm3，最优含水率为23.4%。

在道路运营过程中，路基绝大部分时间处于非饱和状态。由于蒸发、降雨、地下水位上升等外部环境因素的影响，路基土的含水率分布差异较大，对路基土的强度、变形的影响，如果不加处置，可能会引起多种路基病害，如:不均匀沉降、边坡失稳等。

因此，需要建立基于非饱和土理论的路基设计理论与方法，需要掌握不同环境因素作用下，非饱和土路基内部的水分运移规律。

大量试验研究结果表明，非饱和土的渗透系数、抗剪强度、体应变及持水特性等都与土水特征曲线(SWCC，Soil-Water Characteristic Curve)存在一定的关系［1］，因此，土水特征曲线在非饱和土研究中具有重要地位。

室内测定土水特征曲线的方法主要分为直接法和间接法，直接法包括轴平移法、盐溶液法、电位计法、滤纸法、张力计法［2-6］等。这些方法要求试样逐级增加吸力并达到平衡，因此试验时间较长、成本较高，间接法［7-9］测土水特征曲线通过测试样在达到吸力平衡状态过程中溢出水量，然后反算土水特征曲线，可以不需加载多级吸力，试验时间历时短，因此受到了广泛认可，本文利用基于Lu Ning［10］教授理论的TRIM测试系统，把整个测试过程作为一个初始/边界值问题，将陶土板和试样当做一个分层的系统，将溢出水量随时间的变化曲线作为限制条件，通过瞬态流理论反演得到水泥改性固化淤泥脱/吸湿土水特征曲线和渗透函数曲线。在此基础上，分析了水泥改性固化淤泥用作路基填料的水分迁移特征。

1 土水特征曲线和水力传导函数模型

目前常用的SWCC模型有Van Genuchten模型［11］、Fredlund-Xing模型［12］、Leong模型［13］等。本文采用的Van Genuchten模型形式简单易用，能够拟合较大吸力范围的土水特征曲线，其表达式如下:

式中:θ——体积含水率;

θr——残余体积含水率;

θs——饱和体积含水率;

ψ——基质吸力;

α，n，m——模型拟合参数，m=1-1/n。

非饱和土的渗透系数受到含水率和孔隙比影响较大，当土从饱和变为非饱和的过程中，空气替代水占据土中孔隙，致使水通过土的渗透通道减少，同时基质吸力的增加使水占有的孔隙体积进一步减小，渗透系数随含水率变化的范围很大，而孔隙比对渗透系数的影响则可能相对次要，因此渗透系数函数常常用含水率(或饱和度)或基质的单一函数。

水泥改性固化淤泥用作路堤填料的渗透函数模型采用了Van Genuchten和Mualem建立的模型［14］，如式(2)所示:

式中:ks——饱和渗透系数;

ψ——基质吸力;

α，n，m——模型参数，m=1-1/n。

2 试验仪器、步骤和结果

土水特征曲线和渗透函数曲线试验采用TRIM测试系统，如图1所示。

试验步骤如下:

1)制备土样:取重塑土样过2 mm筛，按照水泥质量与土样干重之比为8%计算水泥掺入量，根据控制含水率配制试验用土，静置24 h以保证土体含水率均匀;采用“击样法”制作预定压实度的试样。试样直径6.18 cm，高2.5 cm。试验土样和陶土板的水力特性指标如表1所示。

表1 土样和陶土板材料水力特性指标

2)饱和试样与测试仪器。将试样和陶土板采用真空饱和法进行饱和，通过调节仪器的阀门，使用蒸馏水冲刷仪器管路，排出其中的气泡。

3)安装试样。将陶土板安装到试验仪器底座，试样放在陶土板上并与之充分接触，在试样上安装多孔金属板和弹簧，然后密封仪器，再次通过蒸馏水冲刷陶土板下方气泡，并向气泡量测管注入水，记录量测管液面高度。

4)脱湿段t—q曲线测试。将天平连接数据采集软件，通过天平记录脱湿阶段试样所排出的水量，先对试样施加一较小吸力值(砂土约2 kPa，粉、粘土约8 kPa，该值应大于土体的进气值)，使之由饱和状态变为非饱和状态。达到平衡状态后，再对试样施加一较大的吸力值(相当于土体残余含水率对应的吸力大小，该值需小于陶土板的进气值)，直到达到平衡状态。这样就可以得到脱湿段溢出水随时间变化的t—q曲线。

5)吸湿段t—q曲线测试。由于试样脱湿期间，部分气泡可能溢出陶土板使陶土板底部水分排到盛水杯，使实测的溢出水量偏大。所以脱湿段结束后应该对陶土板底部进行冲刷，并记录冲刷后气泡量测管的读数，根据测得的溢出气泡的体积对试样溢出水量进行校正。然后卸载，使吸力降为零，天平上方盛水杯的水开始进入试样，直至天平示数稳定。这样就可以得到吸湿段溢出水随时间变化的t—q曲线。

图1 TRIM测试系统

图2 基质吸力和溢出水量随时间变化曲线

6)使用后处理软件得到土水特征曲线的V-G模型参数。图2为所施加的基质吸力和溢出水量随时间的变化曲线。运用HYDRUS-1D一维水分运移函数(HCF，Hydraulic Conductive Function)，得到改性固化淤泥土水特征曲线和水力传导函数曲线如图3所示。由图可见，东湖改性固化淤泥脱湿(如蒸发)路径下，在其最优含水率附近时的基质吸力超过1 000 kPa。

图3 土水特征曲线和水力传导函数曲线

3 水泥改性固化淤泥路基的水分运移特征

在上述测试得到SWCC基础上，从非饱和土的角度，使用Geo-studio软件对最优含水率下填筑的改性固化淤泥路基在降雨和蒸发环境作用下的含水率分布进行分析。具体边界条件设定如下:

1)在蒸发作用下经历一个月。蒸发强度为-3.96×10-8m/s。

2)持续降雨一周路堤内的含水率分布，降雨强度为28.8 mm/d，代表的降雨类型为中雨。由于该流量大于土的渗透系数，故采用水头边界。

算例的路基断面图如图4所示。路堤高度为2 m，坡率为1∶1.5，路基顶面宽度为9 m，路堤压实度为96%，路面边界流量为零，路基边坡以及坡底地面为降雨所造成的边界流量，左右竖直剖面为无限边界。

模拟所用改性固化淤泥的土水特征曲线见图3，其V-G模型参数如表2所示。

路基初始状态为最优含水率状态(质量含水率为24.4%，相对应的体积含水率为37.65%)，图5为填筑完毕后经历一个月的蒸发作用路基含水率状态分布等值线;图6为经历一周中雨后路基的含水率分布等值线图。图中箭头方向为水分的迁移方向，箭头长短代表着流量大小。

图4 计算模型（单位：m）

表2 改性固化淤泥的V-G模型参数

图5 路基填筑后蒸发作用下达到平衡时的体积含水率

图6 降雨一周后路基含水率分布云图

1)在蒸发作用下，路基边坡表土含水率会逐渐脱湿至10%，接近残余含水率(9.7%);2)降雨作用下，路基边坡表土含水率会明显增大至42%，接近饱和状态含水率(45%);3)由于路基土的渗透系数较小(见表1)，所以在上述预设的一个月蒸发和一周降雨的作用下，对路基含水率分布的影响深度均仅约为1.5 m。

4 结语

本文以武汉东湖水泥改性固化淤泥土作为路基填料为背景，在采用TRIM快速测试系统得到其土水特征曲线和水力传导函数曲线基础上，采用数值模拟方法对水泥改性固化淤泥路基在运营过程中，在降雨和蒸发条件下内部水分运移特征进行了探讨，得到以下结论:1)在蒸发作用下，路基边坡表土含水率会逐渐脱湿至接近残余含水率。2)降雨作用下，路基边坡表土含水率会明显增大至接近饱和状态含水率。3)由于路基土的渗透系数较小，本文预设的一个月蒸发和一周降雨作用下，对路基含水率分布的影响深度均仅约为1.5 m。

［1］ Fredlund，Rahardjo.非饱和土力学［M］.陈仲颐，译.北京:中国建筑工业出版社，1997:3-7.

［2］ Boeking K A，Fredlund D G.Limitations of the axis translation technique［J］.Proceedings of the 4th International Conference on，1980(8):26.

［3］ Agus SS，Leong CG，Rahardjo H R.Soil-water characteristic curves of singapore residual soils［J］.Geotechnical and Geological Engineering，2001(19):285-309.

［4］ Leong E C，Tripathy S，Rahardjo H.Total suction measurement of unsaturated soils with a device using the chilled-mirrordew-point technique［J］.Geotechnique，2003，52(2):173-182.

［5］ Houston SL，Houston W N，Wagner A.Laboratory filter paper suctionmeasurements［J］.Geotechnical Testing Journal，1994，17(2):185-194.

［6］ Stannard D I.Tensiometers-theory，construction and use［J］. Geotechnical Testing Journal，1992，15(1):48-58.

［7］ 刘建立，徐绍辉，刘 慧.估计土壤水分特征曲线的间接方法研究进展［J］.水利学报，2004(2):68-76.

［8］ 张 俊，徐绍辉.数值反演方法在确定土壤水力性质中的研究进展［J］.土壤，2003，35(3):211-215.

［9］ Gardner W R.Calculation of capillary conductivity from pressure plate outflow data［J］.Soil Science of America Proceeding，1956，20(3):317-320.

［10］ Wallace A，Lu N.A TransientWater Release and Imbibitions Method for Rapidly Measuring Wetting and Drying Soil Water Retention and Hydraulic Conductivity Functions［J］.Geotechnical Testing Journal，2010，35(1):1-15.

［11］ Van Genuchten M T.A Close-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils［J］.Soil Science Society of America Journal，1980(44):892-898.

［12］ Fredlund DG，Xing A.Equations for the soil-water characteristic curve［J］.Canadian Geotechnical Journal，1994，31(4): 521-532.

［13］ Leong E C，Rahardjo H.Review of soil-water characteristic curve equations［J］.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，1997，123(12):1106-1117.

［14］ Mualem Y.A new model for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated porous media［J］.Water Resources Research，1976(12):513-522.

Hydraulic characteristics and moisture m igration behavior of solidified sludgemodified by cement★

Kuang Yan1Belgibayeva Shynar2Zhang Junfeng2Chen Lium ing2* Dai Xiaosong3Xu Shunping3

(1．School of Civil Engineering and Architecture，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China; 2．College of Civil Engineering，Wuhan University，Wuhan 430072，China; 3．Investment Development Co．，Ltd，CCTEB，Wuhan 430070，China)

The solidified sludge of Donghu can’tbe directly used for subgrade.In this paper，cementwas adopted tomodify it.Tests of hydraulic characteristics of themodified solidified sludge was conducted to get the soil water characteristic curve and hydraulic conductivity function. The Richards equation was used as a control equation in the theory of transient flow.Numerical simulation was conducted to find the effects of different external environment on moisturemigration in the subgrade.

modified sludge，subgrade，hydraulic characteristics，moisturemigration

TU447

A

1009-6825(2015)29-0049-03

2015-08-09 ★:中建三局投资发展有限公司科技项目(项目编号:250000270)

况 彦(1991-)，男，在读硕士; 西 娜(1986-)，女，在读硕士; 张俊峰(1988-)，男，在读博士;戴小松(1974-)，男，教授级高级工程师; 徐顺平(1987-)，男，工程师

谌柳明(1990-)，男，在读硕士