固化疏浚泥室内渗透试验研究

罗 丽，刘文白，王晓琳，张恩槐

（上海海事大学海洋科学与工程学院，上海 201306）



固化疏浚泥室内渗透试验研究

罗 丽，刘文白，王晓琳，张恩槐

（上海海事大学海洋科学与工程学院，上海 201306）

摘 要：为了研究固化疏浚泥的渗透特性，对不同养护条件、固化剂掺入量和龄期的固化疏浚泥进行了室内变水头渗透试验研究。结果表明：在养护条件一定时，固化疏浚泥的渗透系数随着固化剂掺入量和龄期的增大而减小；可用于工程防渗的最佳固化剂掺入量为6%～8%，而在固化剂中添加10%粉煤灰后的最佳固化剂掺入量为5%。试验结果对工程设计和施工具有重要的工程应用参考价值。

关键词：固化疏浚泥；渗透试验；固化剂掺量；渗透系数；渗透特性

1 研究背景

通过添加固化剂提高地基承载力是一种有效的疏浚泥资源化工程处理方法。疏浚泥固化后不仅可以为工程中软土地基的处理节省大量的时间［1］、提高地基的强度［2］，还可以为工程防渗带来良好的效果［3－4］。目前，研究者们关于固化土力学特性的研究主要集中于固化土的强度特性、应力－应变关系和渗透特性的关系方面。文献［5］通过室内渗透试验探讨了土的干密度、水泥掺量和龄期对水泥土渗透性的影响。缪志萍等［6］针对水泥掺入量、水灰比和龄期进行了固化土的渗透研究，结果显示，符合堤防工程渗透稳定的最佳水泥掺入量大于8%。文献［7］的试验结果为满足工程应用的最佳水泥掺入比为10%。文献［6－7］的试验结果为工程防渗提供了重要依据。研究固化疏浚泥的渗透特性，研究优化出满足防渗要求的固化材料掺入量，对相关土木和水利工程的设计和施工具有重要的工程应用价值。

由于疏浚泥形成的自然条件及其所含有机物成分的差异会对疏浚泥的固化产生不同的影响［8－9］，因此，对固化疏浚泥进行研究，固化材料的选择也至关重要。本文通过在疏浚泥中掺入自配的固化剂进行室内变水头渗透试验，专门针对上海市临港新城东南部疏浚泥的渗透特性进行了研究。

2 试验材料与方案

2．1 试验材料

取上海市临港新城东南部附近的疏浚泥为原状土，根据土的分类方法，该土定名为粉土，其基本物理力学性质指标如表1所示。固化材料由石灰、水泥、激发剂以及粉煤灰组成，自行配置2种固化剂。其中，固化剂I中不添加粉煤灰，固化剂Ⅱ中添加了占疏浚泥质量10%的粉煤灰。试验所用粉煤灰的等级为Ⅱ级，水为普通自来水。

表1　原状土物理力学性质指标Table 1 Physical and mechanical properties of undisturbed soil

图1　变水头TST－55型渗透仪Fig．1 Variable water⁃head instrument TST－55 for permeability test

2．2 试验方案

将取回的疏浚泥过孔径为2 mm的筛进行杂质颗粒去除，配置疏浚泥土样含水率为40%。选取固化剂I掺量为2%，6%，10%的固化疏浚泥试样，在养护箱内养护28 d，放入如图1所示的TST－55型变水头渗透仪中。所有试验选取相同的水力坡降进行前期渗透试验，并计算渗透系数。

表2　试验方案Table 2 Test schemes

方案1和方案2均选取固化剂掺入量为3%，4%，5%，6%，7%，8%的6组固化疏浚泥进行渗透试验。在方案1中，将掺入固化剂I的疏浚泥试样分别在标准养护和自然养护情况下进行3，7，14，28 d 共4个龄期的渗透试验；在方案2中，掺入固化剂Ⅱ的疏浚泥试样在标准养护条件下进行7，28 d共2个龄期下的渗透试验，并将试验结果与方案1在标准养护条件下7，28 d共2个龄期的渗透结果进行比对分析，以研究固化剂中加入粉煤灰对固化疏浚泥渗透性能的影响。

先将已过孔径为2 mm筛的土按照上述方案与固化剂混合均匀，与水一起放入搅拌机中搅拌。然后把搅拌均匀的固化疏浚泥分为4层或5层填入预先在内壁涂抹了凡士林的环刀（直径D×高度H＝61．8 mm×40．0 mm）进行塑样，每加入一层土人工捣实2～3 min，以排除试样中的气泡，再装入下一层，直至环刀装满，用刮土刀刮平试样。为确保试样的一致性，每个环刀土试样干密度控制在1．68 g／cm3。试验中，标准养护的疏浚泥试样在养护箱内养护至规定龄期后放入渗透仪进行渗透试验，然后计算渗透系数；自然养护的疏浚泥试样则直接放入渗透仪中在各个龄期进行渗透系数的测定。试验选用标准温度（20±2）℃，实际渗透系数kT用标准值k＝k20来代替。渗透系数取2组平行试验的平均值。

3 试验结果及其分析

从固化剂的掺入量λ、龄期T和养护条件下分析固化疏浚泥的渗透特性，以渗透系数k为切入点，结合软弱土的渗透系数（见表3），对固化疏浚泥的渗透性能进行分析。

表3　软弱土的渗透系数Table 3 Permeability coefficients of soft soils

3．1 方案1结果及分析

方案1的室内渗透试验结果见表4。

表4　方案1固化疏浚泥的渗透系数试验结果Table 4 Test results of permeability coefficient of solidified dredged mud in scheme 1

3．1．1 固化剂I掺入量对渗透性能的影响

图2为标准养护和自然养护条件下的固化剂掺入量λ和渗透系数k的关系曲线。

图2　渗透系数与掺入量的关系（方案1）Fig．2 Relationship between permeability coefficient and blending ratio（scheme 1）

分析图2可以看出：不论是早期（3 d）的渗透系数，还是长期（28 d）的渗透系数，固化剂的掺入量λ均决定着渗透系数k值的大小。随着λ的增大，k值呈下降趋势，渗透性减小。由图2（a）可见，在相同的固化剂掺入量情况下，养护早期（3 d）的k⁃λ曲线明显高于养护龄期为7 d的k⁃λ曲线，k值降低明显；且7，14，28 d这3个养护龄期的k⁃λ曲线较为接近，k值下降比养护初期（3～7 d）缓慢。随着λ的增大，k⁃λ曲线在固化剂掺入量≥6%时下降明显变缓，且逐渐趋于稳定。由图2（b）可见，自然养护条件下固化疏浚泥的掺入量和渗透系数的关系也符合上述规律。

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这种现象可以从固化土的结构特性进行解释。当疏浚泥中添加了固化剂后，固化材料在水化过程中，产生的水化产物将土颗粒胶结起来形成骨架，堵塞渗流通道，引起疏浚泥的渗透性能降低，渗透系数减小；且固化剂的掺入量越大，土体胶结越密实，固化疏浚泥的整体结构性就越强，渗透性就越低。

对比文献［6］研究的水泥掺入量和水灰比对渗透系数的影响，本文研究固化剂掺入量对渗透系数的影响。两者得出的结论基本相同，即固化材料的掺入量对固化疏浚泥的渗透性能影响较大。

3．1．2 龄期对渗透性能的影响

图3为标准养护和自然养护条件下的龄期T和渗透系数k的关系曲线。

图3　渗透系数与龄期的关系（方案1）Fig．3 Relationship between permeability coefficient and curing age（scheme 1）

由图3可见，当固化剂掺入量确定时，固化疏浚泥的渗透系数随着龄期的推移而逐渐变小，说明固化疏浚泥的渗透性能随龄期的增长而降低。由图3（a）可知，在养护龄期为3～7 d时，k⁃T曲线下降趋势显著；随后k值随龄期的增长，在龄期为14～28 d时，渗透系数的下降速率逐渐变缓，且在龄期接近28 d时k⁃T曲线有趋于稳定的趋势。这与侯永峰等［7］研究所得出的水泥土在标准养护情况下，渗透系数的变化规律相同。当固化剂的掺入量λ为3%～5%时，k⁃T曲线间距较大，λ对k值的影响较大，k值减小较快；当养护龄期为28 d、λ从3%增加到5%时，固化疏浚泥土的渗透性能降低66%。当固化剂掺入量λ在6%～8%时，k⁃T曲线的间距较小，λ对k值的影响较小，k值的减小相对缓慢；当养护龄期为28 d、λ由6%增加到8%时，固化疏浚泥的渗透性能降低25%；而λ由5%增加到6%，渗透性能降低35%。参照前期对比试验，可得出：λ 从8%增加到10%时，渗透性能仅降低了6%。因此，从整体效果来看，当养护龄期为28 d时，λ在 6%～8%的固化疏浚泥渗透性能最稳定。

分析图3（b）可知，自然养护条件下的渗透系数和龄期的关系也符合上述规律。究其原因，在养护初期（3～7 d）阶段，疏浚泥中的水化反应速度较快，能够快速地填充土中的大孔隙，并将土颗粒迅速地胶结起来形成骨架，堵塞渗流通道，引起渗透系数大幅度下降。因此，在养护初期，渗透性能不稳定；然而，随着龄期的增长，化学反应不断进行，固化剂逐渐被消耗，疏浚泥中的孔隙不断被反应物质填充，导致后期固化反应速度减弱，渗透系数下降逐渐变缓，固化疏浚泥渗透性逐渐降低并趋于稳定。

3．1．3 养护条件对渗透系数的影响

在自然养护和标准养护条件下，固化疏浚泥的渗透系数与掺入量的关系见图4。

图4　不同养护条件下的渗透系数与掺入量的关系（方案1）Fig．4 Relationship between permeability coefficient and blending ratio under different curing conditions（scheme 1）

由图4可见，相同条件的固化剂掺入量和龄期时，自然养护条件下的k值比标准养护下的k值大，说明标准养护条件下固化疏浚泥的渗透系数比实际工程现场的渗透系数偏小。结合表4，在龄期为28 d时，标准养护条件下固化疏浚泥的掺入量达到5%即可满足工程防渗要求，而自然养护条件下满足工程防渗要求的固化剂掺入量则需达到6%；当2种养护条件下的固化剂掺入量为3%，4%，5%，6%，7%，8%时，自然养护条件下的k值分别比标准养护条件下增加了13%，15%，22%，33%，32%，25%。结合软弱土的渗透系数（表3）和实际工程所需考虑的经济效益，可以得出：在自然养护条件下，当λ≤5%时，固化疏浚泥具有低渗透性；当λ≥6%时，固化疏浚泥有极低渗透性（k＜1．0×10－5cm／s），可较好地用于防渗工程，与单纯的以水泥作为固化材料［7］相比，固化剂I的掺入量减小了2%。

3．2 方案2结果及分析

粉煤灰作为常用辅助外掺剂，价格低廉。例如，I级和Ⅱ级粉煤灰价格约为水泥价格的1／4及生石灰价格的1／2。同时，粉煤灰还可以提高固化土的强度和抗渗性［10］。方案2的试验结果见表5，固化剂掺入量和渗透系数的关系对比见图5。

表5　方案2疏浚泥固化的渗透系数试验结果Table 5 Test results of permeability coefficient ofsolidified dredged mud in scheme 2

图5　标准养护条件下固化剂掺入量和渗透系数的关系对比（方案2）Fig．5 Relationship between permeability coefficient and blending ratio of curing agent under standard curing condition（scheme 2）

由图5可以看出，疏浚泥中掺入固化剂Ⅱ的k⁃λ曲线均在掺入固化剂I的k⁃λ曲线下方，且k⁃λ的下降趋势相同。结合表5，在养护龄期为28d、固化剂I和固化剂Ⅱ的掺入量均为3%，4%，5%，6%，7%，8%时，掺入固化剂Ⅱ的k值比掺入固化剂I的k值各自减小了9%，33%，37%，47%，59%，69%，这说明粉煤灰的添加对改善固化疏浚泥渗透性能的效果显著，可使固化疏浚泥的渗透系数减小，渗透性能降低。结合表4、表5可得出，在龄期为28 d的标准养护条件下，固化剂Ⅱ掺入量为5%时的k＝0．62× 10－5cm／s＜0．99×10－5cm／s＜1．0×10－5cm／s＜1．27× 10－5cm／s（固化剂I的标准养护条件下k＝0．99× 10－5cm／s，自然养护条件下k＝1．27×10－5cm／s），具有极低的渗透特性，可较好地用于防渗工程，同时这比文献［7］的固化材料掺入量减小了3%。

3 结 论

以上海市临港新城东南部的疏浚泥为研究对象，利用作者所配置的固化剂，进行了固化疏浚泥的渗透试验，研究表明：

（1）固化疏浚泥的渗透特性随着固化剂掺入量的增大而减小。在自然养护条件下，固化剂掺入量为6%～8%时，固化疏浚泥具有极低的渗透性，可较好地用于防渗工程。

（2）固化疏浚泥的渗透特性随着养护龄期的增大而减小，在养护初期3～7 d时，渗透系数减小最显著，渗透性能不稳定；在养护龄期为14～28 d时，渗透系数下降趋势变得平缓，渗透性能逐渐降低，且在龄期达到28 d后，渗透系数和渗透特性都逐渐趋于稳定。

（3）在标准养护条件下，于固化剂中添加10%的粉煤灰后，可以使固化疏浚泥的渗透效果减弱，且固化剂的最小掺入量为5%时，也可以较好地用于防渗工程。

本文主要从养护条件、固化剂掺入量和龄期方面，对固化疏浚泥的渗透特性进行了宏观的分析，得出了可用于防渗工程的最佳固化剂掺入量。而固化疏浚泥的渗透特性与强度之间的关系则需要进一步研究。

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（编辑：姜小兰）

Indoor Permeability Test for Solidified Dredged Mud

LUO Li，LIU Wen⁃bai，WANG Xiao⁃lin，ZHANG En⁃huai
（College of Ocean Science and Engineering，Shanghai Maritime University，Shanghai 201306，China）

Abstract：In order to study the permeability characteristics of solidified dredged mud，we carry out indoor experi⁃ment with variable water head．During the experiment，the effects of curing condition，blending ratio of curing agent and curing age are taken into consideration．The results show that under given curing condition，permeability coeffi⁃cient decreases with the increase of blending ratio of curing agent and curing age．Furthermore，the range of appro⁃priate blending ratio of curing agent for permeability prevention in actual projects varies from 6%to 8%，and appro⁃priate blending ratio of curing agent with 10%of fly ash is 5%．The test results offer reference for engineering de⁃sign and construction in similar projects．

Key words：solidified dredged mud；permeability test；blending ratio of curing agent；permeability coefficient；permeability characteristics

作者简介：罗 丽（1988－），女，陕西渭南人，博士研究生，主要从事水利工程方面的研究工作，（电话）17709897282（电子信箱）295539341＠qq．com。

收稿日期：2014－12－02；修回日期：2014－12－30

中图分类号：TU44

文献标志码：A

文章编号：1001－5485（2016）03－0089－04