真空预压加固吹填软土地基的室内模型试验与淤堵机制

朱向阳，陈祥龙，江舜武，邓永锋，金亚伟

（1.连云港港口集团，江苏 连云港 222000；2.东南大学交通学院，江苏 南京 210096；3.中交第二航务工程局有限公司技术中心，湖北 武汉 430040；4.江苏新苏港投资发展有限公司，江苏 连云港，222042；5.江苏鑫泰岩土科技有限公司，江苏 宜兴 214267）

0 引言

吹填土是典型的通过水力吹填形成的一种新近欠固结软土，是在整治和疏通江、海、河、湖水域时，采用挖泥船和泥浆泵，把淤积泥砂以泥浆形式吹填到岸边或施工场地内，逐步沉积形成的土体[1]。我国沿海城市地区经济发达，人口众多，人均土地面积较少，通过人工吹填滩涂淤泥进行围垦造陆能有效解决沿海地区土地资源紧缺的问题[2-5]。

排水固结法常用来处理人工吹填超软土[6-8]，然而在工程实践中，排水体系的淤堵是该加固方法进一步推广的主要技术障碍。为了解决疏浚淤泥地基真空预压工程实践中的淤堵问题，国内外学者从不同方面进行了研究，其中高效滤水性能的土工织物是一个研究热点[9-12]。

在采用新型防淤堵真空预压法处理吹填淤泥现场试验中，其高效滤水性能的土工织物在克服滤水通道的淤堵问题上效果明显[1，5]，但现场试验依然出现“土柱”现象。本研究工作将胶体化学知识引入到该项研究中，开展了室内模型、微观压汞和胶体测定试验，探究其板周土体淤堵机制，为解决吹填土地基真空预压淤堵问题提供参考数据。

1 室内模型试验装置与方案

新型防淤堵真空预压室内模型试验土样来自恒大海南海花岛现场试验场地淤泥。在2015年9—12月期间，作者参与了恒大海南海花岛新型防淤堵真空预压试验现场，熟悉新型防淤堵真空预压的施工工艺以及施工流程和监测试验数据。现场试验之后，发现虽然在使用了新型防淤堵排水板，改进施工工艺之后，工程中的“土柱”现象得到了改善，但是排水板附近土体淤堵并没有得到实质性的解决，本文旨在发现并明确其淤堵的作用机理，而设计了室内模型试验。

室内模型试验的试验装置是在直排式真空预压模型试验基础上改装后形成的。主要把普通的B型排水板改为新型防淤堵排水板，PVC真空膜代替原有试验所用的普通塑料袋，防堵真空预压滤水管采用准25 mmPVC钢丝软管代替普通的PVC管。新型防淤堵真空预压在直排式真空预压的基础上进行了演变，不仅用新型防淤堵排水板取代了传统排水板，改善了竖直排水路径；而且采用了无孔钢丝软管取代了水平波纹管，避免了水平波纹管在抽真空过程中因地基不均匀沉降而拉裂；连接方式也从包扎捆绑改进成了三通密封接头，枪钉固定，解决了竖直排水路径与水平排水路径接头处易堵的问题，形成了一个密闭贯通的独立排水系统。

模型试验沉降柱剖面图见图1。

图1 沉降柱剖面图Fig.1 Section diagram of settling column

本文把恒压抽真空时间作为参数变量，分别测定15 d、22 d、29 d、36 d、43 d和50 d 6组室内模型试验数据结果。

1）真空预压抽真空过程中：淤每天定时读取沉降量；于一定间隔时间读取真空表的读数；盂从饱和缸中抽出尾水，测得饱和缸中的尾水质量，选取其中部分用于烘干，观察烘干后现象。

2）抽真空结束泵停之后：淤对真空预压抽出的尾水宏观上开展了丁达尔效应试验，微观上用Zeta电位测试与Malvern的Nano-ZS激光粒度测试，明确胶体的形态；于含水率：水平方向取0~1 cm、1~2 cm、2~3 cm、3~4 cm、4~5 cm、5~6 cm、6~7 cm、7~8 cm、8~9 cm、9~10 cm、10~11 cm、11~12 cm和12~13 cm的泥土试样，并分别取距离沉降柱底部10 cm、20 cm、30 cm为竖直取样，然后联合测含水率；盂不排水十字板剪切强度：竖直方向取距离沉降柱底部10 cm、20 cm和30 cm和水平方向1 cm、2 cm、3 cm、4 cm、5 cm、6 cm、7 cm、8 cm、9 cm、10 cm、11 cm、12 cm和13 cm联合测定对应点的十字板剪切强度，把13组测定点分布在4个方向，这样可以更好地控制试验相互之间的扰动影响。

2 试验结果与分析

2.1 真空度传递

按照试验方案，分别记录了15 d、22d、29 d、36 d、43 d和50 d的真空度数据。由于真空度稳定后，其空间变化规律较为相近，文中仅选取50 d的典型数据，如图2所示。图2中可以发现，土体中有真空度的时间会延后，上涨速度快。在刚开始抽真空的时候，虽然饱和缸真空度显示的真空压力为100 kPa，但是沉降柱（图1）中距离排水板水平距离3 cm、7 cm、12 cm的真空表都没有真空度，随着排水板的距离越远，开始有真空度的时间也相对延长，离排水板距离最近的3 cm先有真空度。一但有了真空度之后，真空度的上涨速度就很快，而最先稳定下来的反而是离排水板距离最远的12 cm，达到了30 kPa。

图2 抽真空50 d真空度Fig.2 Vacuity of 50 d vacuum

图2 中最明显的规律就是离排水板距离越近，真空度越高，这与现有文献普遍认知的“真空度会在土工材料和淤泥传递中不断衰减”相吻合。但是，还有一个规律：在饱和缸真空度稳定在100 kPa，抽真空稳定以后20 d左右，距离排水板3 cm、7 cm、12 cm的真空度分别基本稳定在67 kPa，53 kPa，28 kPa。由固结机理可知，真空度越大，孔隙水越容易被排出，固结越快、越大，靠近排水板位置的土体塌陷幅度应该更大，而本文室内模型试验却形成“土柱”现象，表明真空预压过程中，土壤颗粒出现了移动。

2.2 含水率分布

按照试验方案，15 d、22 d、29 d、36 d、43 d和50 d 6组真空预压后，板周土含水率分布规律如图3和图4所示。

对比距离沉降柱底10 cm与30 cm的土体，43 d和50 d的含水率两者之间的差距非常小，靠近排水板位置的土体几乎没有区别，说明已经达到了有效抽真空的极限时间。此时，孔隙被堵塞，只有更大的真空负压力才能把水抽出，在真空负压力和淤堵作用此消彼长情况下，最终就会形成一个平衡，土中水就不再能被排出了。

图3 距离沉降柱底10 cm含水率Fig.3 Moisture content with 10 cm from the bottom of settling column

图4 距离沉降柱底30 cm含水率Fig.4 Moisture content with 30 cm from the bottom of settling column

图3 和图4也表明，距离排水板越近，含水率越低，同时，距离沉降柱底部越近，含水率越高，如抽真空50 d，距离沉降柱底10 cm、20 cm和30 cm，含水率分别为34%~38%、30%~36%、28%~35%，其他试验组也有相似规律。含水率分布规律符合真空预压抽真空的工作机理，即在抽真空时，排水板中的空气是最先被真空泵抽出，在排水板形成负压边界，而排水板附近土体排水路径最短，孔隙水最容易被排出。该现象也验证了真空度的传递规律，即在传递过程中真空度会随着传递路径（横向、竖向）的增加而逐渐衰弱，真空压力降低。图中可以发现靠近排水板1/3距离这段含水率的斜率上升非常快，而离排水板较远的含水率曲线则较为平缓，结合室内模型试验“土柱”现象与真空度的分布规律，同样表明土壤颗粒发生移动富集在排水板附近。

2.3 十字板剪切强度分布

图5 不排水十字板剪切强度试验结果Fig.5 Test result of undrained vane shear strength

室内模型试验抽真空完毕以后进行十字板试验。15 d、22 d、29 d、36 d、43 d和50 d 6组试验数据和距离沉降柱底部10 cm、20 cm、30 cm试验数据都有类似的典型数据规律：靠近沉降柱底部的土体不排水十字板强度比上部的要稍微低一点，而靠近排水板的土体不排水十字板强度远比远离排水板的高，如图5，表明了真空度在径向传递过程中有不同程度的衰减。同样，0~4 cm的不排水十字板剪切强度远大于距离排水板稍远的土体，0~4 cm土体也就是本文所说的“土柱”现象范围。由于小粒径的颗粒被不断负真空压力带动下聚集在了排水板附近，形成了致密的土体，导致了不排水十字板剪切强度很高。结合含水率分布规律，0~4 cm的土体含水率变化幅度很大。距离排水板径向越近，含水率越小，强度越大，土壤颗粒富集在排水板附近，在0~4 cm的“土柱”范围内尤其明显。6组真空预压抽真空的试验结果依次分别显示不排水十字板剪切强度在4.0~8.5 kPa，5.0~12.5 kPa，8.0~18.0 kPa，11.0~24.0 kPa，13.0~30.0 kPa，16.0~34.0 kPa，结果表明各组之间不管是最低强度还是最高强度都随着真空预压抽真空的时间增加而增加，15 d和22 d整体上升趋势不明显，29 d相对于15 d和22 d上升速度很快，后期36 d，43 d，50 d比较平稳。这与含水率在抽真空43 d，50 d的含水率变化幅度很小这一现象一致。

3 微观压汞试验

本文在距板芯0~4 cm处，即“土柱”现象最明显的位置，取样后开展压汞试验，观察真空预压36 d、43 d、50 d后板周土体的微观孔隙特征。采用 Micromeritics Autopore郁 Mercury Porosimeter全自动压汞仪。取样过程中尽量避免了扰动，铝盒中倒入液氮，直到淹没试样，随后放入冷冻干燥机中抽真空冷冻干燥48 h。冻干试样放入干燥皿中干燥24 h后，进行压汞试验。如图6，36 d、43 d、50 d真空预压曲线的累积总进汞量依次减小，即总孔隙率减小，试验土样的致密程度增高，这与十字板剪切强度分布规律一致。抽真空时间越长，试样的累计进汞量越低。随着抽真空时间越长，50 d真空预压试验土样曲线有明显的往左偏移，表明小孔隙的孔径在增多，而大孔隙的孔径在减少。如图7，真空预压抽真空36 d、43 d、50 d孔隙密度分布曲线均呈现出单峰，43 d的峰值小于但接近50 d的峰值，36 d的峰值类似。真空预压抽真空50 d和43 d的孔隙密度分布曲线的峰值均在300 nm左右，主要孔隙分布范围在100~600 nm，36 d的孔隙密度分布曲线的峰值在500 nm左右，主要孔隙分布范围在200~700 nm。可以发现36 d、43 d、50 d的孔隙密度分布曲线的峰值沿坐标轴往负方向偏移，表明36 d、43 d、50 d的孔隙粒径逐渐减小，即小孔隙粒径所占比例逐渐增大。

图6 累积孔隙进汞曲线Fig.6 Curves of cumulated pore mercury intrusion

图7 孔径分布密度Fig.7 Pore diameter distribution density

4 胶体试验

胶体是指直径在1~100 nm之间的颗粒，但是实际上土壤中直径小于1 000 nm的黏粒都具有胶体的性质，所以通常所说的土壤胶体实际上是指直径在1~1 000 nm之间的土壤颗粒，它是土壤中最细微的部分[13]。土壤中所有胶粒都是带电的，这是胶体的基本条件，是土壤产生离子吸附和交换、离子扩散、酸碱平衡、氧化还原反应以及胶体的分散和絮凝的根本原因。黏土矿物的结构单位是硅氧四面体和铝氧八面体，硅氧四面体的中心离子Si4+和铝氧八面体的中心离子Al3+能被其它离子所代替，从而使黏土矿物带上电荷。如果中心离子被低价阳离子所代替，黏土矿物带负电荷；黏土矿物胶体的中心离子若被高价阳离子取代则带正电荷。黏土矿物的中心离子主要被低价阳离子取代：常见有Si4+被Al3+和Al3+被Mg2+取代，故黏土矿物胶体以带负电荷为主[14-15]。

4.1 尾水特征

新型防淤堵真空预压抽真空过程中，水通过孔隙到排水板再排出到饱和缸，而胶体小颗粒则会和水一起被带到尾水饱和缸。抽真空前期尾水呈现黄色，尾水烘干之后呈现黄白色，其中白色物质应为Nacl晶体，黄色物质与恒大海南海花岛现场试验的土样颜色基本一致。随着抽真空过程持续进行，稍大的胶体颗粒会被堵在排水板附近，最终就形成了土体致密的“土柱”现象，孔隙越来越小，真空预压抽真空后期的尾水渐渐澄清，呈现为普通水的外观，但是烘干后，依然显示为稍淡的黄白色，并且后期的尾水量比前期要少很多。

4.2 丁达尔效应与胶体存在性初步判别

1869年，英国科学家丁达尔发现了丁达尔现象。丁达尔现象是胶体中分散质微粒对可见光（波长为400~700 nm）散射而形成的。它在实验室里可用于胶体与溶液的鉴别[16]。本文的新型防淤堵真空预压室内模型试验中，有大量的尾水从沉降柱中被真空负压力带到了饱和缸中，取不同时期尾水进行丁达尔试验，同时取纯净水丁达尔试验。早期与后期丁达尔试验发现尾水悬浮液中有一条明亮的通路，如图8，表明尾水具有丁达尔现象。

图8 尾水的丁达尔效应Fig.8 Tyndal effect of tail water

4.3 尾水中胶体粒径

尾水胶体粒度分布如图9所示。尾水中的颗粒集中分布在80~300 nm之间，在真空时间相对较长的43 d、50 d的尾水中的颗粒相对于时间较短的更小，集中在80~100 nm附近。真空预压处理后板周土体孔径主要在300~500 nm之间，而测得尾水中胶体粒径主要处在100~300 nm之间，二者之间存在一定重叠，表明了更大粒径的胶体颗粒被淤积在板周土体内，不能随渗流过程排出。这也说明了真空荷载作用下吹填土中土壤胶体的运移可能是导致淤堵的一个重要原因。

图9 尾水中胶体粒径分布Fig.9 Particle size distribution of colloid in tail water

5 结语

本文将胶体化学知识引入岩土工程学科，通过室内模型试验，微观压汞试验，胶体测定试验等，探究了在人工吹填软土真空预压中，胶体颗粒的存在及移动形成淤堵机制。控制室内模型试验抽真空时间作为参数变量，分别抽真空15 d、22 d、29 d、36 d、43 d和50 d得到6组不同深度、径向不同位置的真空度试验结果分布规律、含水率试验结果分布规律和不排水十字板剪切强度试验结果分布规律，观察“土柱”微观压汞试验，结合尾水中胶体测定试验，明确“土柱”现象的内在原因。主要结论如下：

1）离排水板距离越近，真空度越高。在抽真空过程中，大颗粒的胶体不断的被较小的孔隙堵在排水板附近，形成室内模型试验“土柱”现象。含水率随着抽真空时间逐渐降低，距离排水板距离越近，含水率越低，同时，距离沉降柱底部越近，含水率越高。从微观的角度来讲，即胶体颗粒移动富集在排水板附近，对真空度的传递有阻碍作用，且堵住了排水路径，使淤泥中的水不能通过有效路径排出。靠近排水板0~4 cm距离土样含水率的变化非常快，而距离排水板较远则反之，结合室内模型试验“土柱”现象与真空度的分布规律，同样表明土壤颗粒发生移动富集在排水板附近。沉降柱底部土体的不排水十字板强度比上部的要稍低一点，而径向靠近排水板土体的不排水十字板强度远比远离排水板的高，即“土柱”现象范围的不排水十字板剪切强度远大于距离排水板稍远的土体。结合含水率分布规律，距离排水板径向越近，含水率变小，强度越大，土壤颗粒富集在排水板附近，在0~4 cm的“土柱”范围内尤其明显。

2）36 d、43 d、50 d真空预压抽真空曲线的累积总进汞量依次降低，即总孔隙率降低，试验土样的致密程度增高，致密程度直接影响土体的强度。抽真空时间越长，试样的累计进汞量越低。随着抽真空时间越长，50 d真空预压试验土样曲线有明显的往左偏移，表明小孔隙的孔径在增多，而大孔隙的孔径在减少；真空预压抽真空36 d、43 d、50 d孔隙密度分布曲线均呈现出单峰。可以发现36 d、43 d、50 d的孔隙密度分布曲线的峰值沿坐标轴往负方向偏移，表明36 d、43 d、50 d的孔隙粒径逐渐减小，即小孔隙粒径的所占比例逐渐增大。

3）对比烘干前后的尾水性质，开展不同时期尾水的丁达尔试验，发现真空预压尾水存在胶体颗粒；纳米粒度分析表明尾水中胶体粒径与板周土体孔径分布存在一定的重叠，可能是导致吹填土地基真空预压实践中发生淤堵的一个重要原因。

[1]陈祥龙.真空预压加固人工吹填软土地基的效果评价与淤堵机制[D].南京：东南大学，2017.CHEN Xiang-long.Improvement of vacuum preloading on soft clay foundation by hydraulic filling and its clogging mechanism[D].Nanjing:Southeast University,2017.

[2] 董志良，周琦，张功新，等.天津滨海新区浅层超软土加固技术现场对比试验[J].岩土力学，2012，33（5）：1 306-1 312.DONG Zhi-liang,ZHOU Qi,ZHANG Gong-xin,et al.Field com原parative test of reinforcement technology of shallow ultra-soft soil in Tianjin Binhai New Area[J].Rock and Soil Mechanics,2012,33(5):1 306-1 312.

[3] 程万钊.吹填淤泥真空预压快速处理技术研究[D].南京：南京水利科学研究院，2010.CHENG Wan-zhao.Research on fast-processing vacuum preload原ing technology of hydraulic filled mud[D].Nanjing:Nanjing Hydraulic Research Institute,2010.

[4] 荀广辉.真空预压在围海造地地基处理中的应用[J].山西建筑，2011，37（13）：73-74.XUN Guang-hui.On application of vacuum preloading in founda原tion treatment for land reclamation[J].Shanxi Architecture,2011,37(13):73-74.

[5] 陈祥龙，江舜武，金亚伟，等.海南海花岛软基处理工程中真空预压法的改进与机理分析 [J].土木建筑与环境工程，2017，39（2）：75-83.CHEN Xiang-long,JIANG Shun-wu,JIN Ya-wei,et al.Amend原ment of vacuum preloading technique in the application at Hainan Sea Flower Island and its improvement mechanism[J].Journal of Civil,Architecture&Environmental Engineering,2017,39(2):75-83.

[6] 吉锋，邓东升，洪振舜，等.高含水率疏浚淤泥透气真空防淤堵模型[J].土木建筑与环境工程，2013，35（1）：26-31.JI Feng,DENG Dong-sheng,Hong Zhen-shun,et al.Anti-clogging model of dredged clays dewatering with ventilating vacuum method[J].Journal of Civil，Architectural&Environmental Engineering,2013,35(1):26-31.

[7] 王波，陈庚，陈永辉，等.处理超软土真空预压的新方法及室内试验研究[J].中国港湾建设，2015，35（4）：28-32.WANG Bo,CHEN Geng,CHEN Yong-hui,et al.A new method of vacuum preloading to treat soft soil and laboratory study[J].China Harbour Engineering,2015,35(4):28-32.

[8] 唐彤芝，黄家青，关云飞，等.真空预压加固吹填淤泥土现场试验研究[J].水运工程，2010（4）：115-122.TANG Tong-zhi,HUANG Jia-qing,GUAN Yun-fei,et al.Experi原mental study on dredger fill sludge improved by vacuum preloading[J].Port&Waterway Engineering,2010(4):115-122.

[9] 严驰，崔士平，郭伟峰.排水板滤膜加固软基效果模型试验研究[J].中国港湾建设，2015，35（3）：21-28.YAN Chi,CUI Shi-ping,GUO Wei-feng.Model test on filtration fabricsofdrainageboardimproving soft soil[J].China Harbour Engi原neering,2015,35(3):21-28.

[10]HUANG C C,LUO S Y.Dewatering of reservoir sediment slurry using woven geotextiles.Part I:Experimental results[J].Geosyn原thetics International,2007,14(5):253-263.

[11]崔中兴，王志刚.土工织物滤层的P-K与淤堵试验研究[J].西北水资源与水工程，1995（3）：36-39.CUI Zhong-xing,WANG Zhi-gang.Study on the P-K and clogging test of the filter layer of geotextiles[J].Northwest Water Resources and Water Engineering,1995(3):36-39.

[12]陈庚，洪秀敏，王波，等.真空预压载荷下塑料排水板滤膜淤堵试验研究[J].中国港湾建设，2016，36（1）：23-27.CHEN Geng,HONG Xiu-min,WANG Bo,et al.Laboratory test of plastic drain filter clogging under vacuum preloading[J].China Harbour Engineering,2016,36(1):23-27.

[13]杨德湧.中国土壤胶体研究——御.广东两对黄壤和红壤的粘粒矿物比较[J].土壤学报，1985，22（1）：36-46.YANG De-yong.Soil colloid researches御.Comparison of clay minerals in two pairs of yellow earths and red earths in Guangdong Province[J].Acta Pedologica Sinica,1985,22(1):36-46.

[14]姚莉莉.陶瓷用高岭土的改性研究[D].广州：华南理工大学，2011.YAO Li-li.Research on the modification of ceramic kaolin[D].Guangzhou:South China University of Technology,2011.

[15]吴伟民.复合柱撑蒙脱石的制备与表征及其对镉离子的吸附特性研究[D].广州：华南理工大学，2009.WU Wei-min.Preparation and characterization of composite pil原lared montmorillonite and its adsorption properties to cadmiumion[D].Guangzhou:South China University of Technology,2009.

[16]蒯世定，蒯隽.一组生活中的丁达尔效应实验[J].中学化学，2010（10）：21-22.KUAI Shi-ding,KUAI Juan.Tyndall effect experiment in a group of lives[J].Middle School Chemistry,2010(10):21-22.