初始含水率和掺砂量对吹填土沉降的影响

武亚军, 魏 星,唐 晶

随着吹填造陆工程的兴起,已有很多学者对吹填土自重沉降及固结进行了研究并取得了一定的成果.1954年,Richardson等[1]提出了经典的泥沙群体沉降的沉速公式.Been等[2]利用沉降柱进行了自重沉积试验.周华君等[3]研究了长江口黏性泥沙的沉降规律.刘莹等[4]进行了吹填土室内试验,得出了吹填土静水沉降的两个阶段.詹良通等[5]研究分析了不同因素对吹填土自重沉积固结的影响.杨爱武等[6]利用大型沉降柱模型试验,研究了吹填泥浆的沉积特性及超孔隙水压力的分布.何洪涛等[7]用分层抽取法研究了沉降过程中土体各参数的变化.张楠等[8]对吹填泥浆的沉降-固结规律进行了研究,进一步完善了淤泥沉降固结模式.在对吹填土自重沉降规律进行研究时,大多数学者采用的泥浆含水率较高,这与工程实际有较大差距.含水率较低的泥浆,其沉降过程与含水率较高的泥浆有很大不同,若仅采用含水率较高的泥浆进行比较,则无法完全反映不同含水率泥浆的沉降规律.

本工作通过室内模型试验,对初始含水率较低的吹填泥浆的沉降特性进行了研究,并与初始含水率较高的吹填泥浆的沉降过程进行了对比,对不同初始含水率影响泥浆沉降过程的作用机理进行了分析和解释.此外,就掺砂量对吹填泥浆沉降的影响进行了研究,分析了掺砂在各个沉降阶段的作用效果.通过本工作,进一步完善了初始含水率较低的吹填泥浆在沉降过程各阶段的规律和作用机理,比较分析了不同初始含水率和掺砂量对沉降各阶段的影响,得到的试验数据和规律与工程实际更为接近,为进一步研究吹填土的沉降模式和影响因素奠定了基础.

1 试验土样与过程

1.1 试验土样

试验土样取自上海市大宁国际广场正在开挖的基坑处,为上海地区第四层土,比重为2.74.根据《土工试验方法标准》[9]对试验土样进行颗粒分析试验,得到其颗粒组成,其中黏粒含量约为47%,粉粒含量约为51.8%,砂含量约为1.2%,颗粒分析曲线如图1所示.

图1 颗粒分析曲线Fig.1 Particle analysis curve

在测定土体的矿物组成时,通过X射线衍射法和相关的化学手段对试验土样进行了矿物组成分析,结果如表1所示.可以发现,土样中的伊利石含量高达22%.这使得吹填土具有较强的亲水性,但透水性相对较差、压缩性较好、抗剪强度较低.

表1 矿物组成分析Table 1 Mineralogical composition analysis

1.2 试验装置

沉降柱试验采用总高度为2 m的沉降柱,由4节高为50 cm,直径为12.99 cm的有机玻璃筒通过法兰盘连接而成,泥面的初始高度为1.85 m.量筒试验采用容积为1 000 mL,直径为6.62 cm的玻璃量筒,泥面的初始高度为30 cm.试验装置如图2所示.

图2 沉降试验装置Fig.2 Devices of the settlement experiment

1.3 试验过程

从现场取回的土样经自然风干后捣碎,并与一定量的水混合,用电机充分搅拌后,得到具有一定含水率的泥浆.按照目标初始含水率和掺砂比,分别向已配出的泥浆中加入水和砂,充分搅拌后,将其倒入沉降柱中.在沉降柱中再次将其上下搅拌均匀,然后开始计时,观察、记录其沉降量变化,并根据实际沉降情况对记录频率进行调整.通过泥浆的沉降量,可以推算出泥浆柱各时刻的孔隙比、沉积物含水率、密度等参数.

2 沉降柱试验的沉降特性

通过沉降柱试验来分析沉降过程,发现在不同初始含水率情况下吹填泥浆沉降柱的沉降特性基本相同.图3∼5是初始含水率为120%和200%的泥浆在10%掺砂比情况下的沉降量与沉降速率曲线.

图3为初始含水率为120%和200%的泥浆在前24 h的沉降量与沉降速率曲线.从图3(a)中可以看出,两种初始含水率的泥浆在前12 h的沉降量变化均非常缓慢,12 h之后沉降量开始快速增加,变化近似线性.从图3(b)中可以看出,两种初始含水率的泥浆在初始阶段的沉降速率均有一个突变点,之后到12 h左右沉降速率基本不变,在12 h之后,沉降速率开始快速增大并产生小幅波动.

图4和5为初始含水率为120%和200%的泥浆整体沉降过程的沉降量和沉降速率曲线.从图4中可以看出,两种初始含水率的泥浆的沉降量在开始阶段都经历了短时间的小幅增加,3∼5 d时沉降量快速增加;之后出现沉降量拐点,沉降量非线性增加,沉降速率减缓;最后,沉降量平稳并缓慢增加,近似线性.从图5中可以看出,两种初始含水率的泥浆的沉降速率在前3 d左右的时间内经历了先增大后减小的过程,并在3 d之后快速衰减,在10 d之后趋于稳定.

图3 不同初始含水率的泥浆的沉降量和沉降速率曲线Fig.3 Amount of settlement and settlement rate curvesof dredger fi ll slurry with different initial water content

图4 初始含水率为120%和200%的泥浆的沉降量曲线Fig.4 Amount of settlement curves of dredger fi ll slurry with 120%and 200%initial water content

图5 初始含水率为120%和200%的泥浆的沉降速率曲线Fig.5 Settlement rate curves of dredger fi ll slurry with 120%and 200%initial water content

产生上述沉降变化是由于在沉降过程中,絮凝形成的团粒一直处于不断发育和不断破坏的过程中[10],而沉降速率的变化与团粒的形成有直接关系.沉降柱中的泥浆经充分搅拌后,土颗粒处于悬浮状态.由于细小颗粒的絮凝作用,泥水分界面会在一段时间之后出现,此时出现了沉降速率的一个突变点.在出现泥水分界面之后的10 h内,分界面的变化情况并不明显,沉降量增加缓慢,沉降速率基本没有变化.这是由于在初始阶段,细颗粒刚开始形成,团粒的絮凝发育与破坏近似平衡,絮凝形成的团粒还没有开始群体沉降.在这个阶段之后,沉降量开始近似线性地快速增加,沉降速率也较开始阶段迅速增大,但沉降速率大多集中在一个区间内,相对较为稳定.这个阶段的团粒发育速度已大于其破坏速度,由于絮凝形成的团粒使土颗粒的平均粒径有极大增长,所以沉降速率急速增大,沉降量也迅速增加.一段时间后,由于土颗粒沉降达到一定程度,部分土颗粒间开始产生有效应力,吹填土整体也开始由自重沉降向自重固结过渡,所以沉降量曲线出现拐点,且拐点附近的沉降量非线性增加,沉降速率快速减小.在这之后,吹填土的沉降进入相对平稳增加阶段,沉降速率也有较大幅度减小.在这个阶段,更多的土颗粒开始相互接触,颗粒之间的有效应力更加明显,底部泥浆浓度大大增加,土体整体基本进入自重固结阶段,孔隙水排出缓慢,沉降速率较小且稳定,沉降量缓慢增加.

通过以上分析,可以把吹填土的沉降变化过程大致分为3个阶段,即絮凝缓慢增长阶段、沉降加速阶段、沉降稳定阶段.整个沉降过程表现出变速沉降的特点,即开始时沉降经历了从缓慢到快速增加的过程,然后在拐点附近的沉降速率明显减小,最后沉降接近匀速,沉降量缓慢增加.

3 初始含水率和掺砂量的影响

3.1 量筒试验过程

在进行量筒试验时,将配好的泥浆倒入量筒中,将其上下搅拌均匀,并在取出搅拌器的同时开始计时.由于土颗粒的絮凝作用,细小颗粒形成较大的团粒,并开始下沉.经过一段时间后,泥浆柱开始出现泥水分界面.根据试验情况,在不同的时间节点,记录泥水分界面的沉降量,并根据沉降量计算出泥浆柱的孔隙比,按饱和土体计算出泥浆柱的含水率,绘制出沉降量、孔隙比、沉积物含水率随时间的变化曲线.

3.2 初始含水率的影响

量筒试验共进行了6组,各试验泥浆的初始孔隙比、试验结束时的孔隙比和含水率如表2所示.

表2 吹填泥浆量筒试验的参数Table 2 Parameters of dredger fi ll slurry in cylinder experiment

在试验开始阶段形成团粒的过程中,分别形成了稳定絮团和非稳定絮团[11],泥水分界面以下以稳定絮团为主,分界面以上以非稳定絮团为主.在进行量筒试验时,发现初始含水率越大,泥水分界面出现得越快.120%和200%两种初始含水率的试验泥浆的泥水分界面出现较慢,但其析出的上部清液较为清澈;400%初始含水率的试验泥浆很快就出现泥水分界面,且其分界面下沉的速度很快,但其上部析出的清液非常浑浊,其中含有很多小颗粒及非稳定絮团.这是由于120%和200%的初始含水率相对较低,泥浆的浓度较高,细颗粒更容易絮凝形成较为稳定的絮团.同时,由于泥浆浓度较高,细小颗粒絮凝形成团粒之后,团粒之间相互干扰与联系的程度较高,易于相互搭接,产生群体沉降作用,形成近似网状的结构[3,12],孔隙水向上排出较慢,导致群体沉降变慢.对于400%初始含水率的泥浆而言,细小颗粒形成较大团粒之后,由于含水率较高,浓度较低,团粒之间的干扰较小,其下沉的速率相对较快.同时,孔隙水向上排出较快,大部分细颗粒形成稳定絮团,进入泥水分界面以下后就开始快速下沉,而部分细颗粒在浓度较低的情况下形成非稳定絮团并悬浮在上清液中,所以400%初始含水率的泥浆在开始阶段的沉降速率较另外两种初始含水率的泥浆快很多,同时上部清液很浑浊.

图6为不同初始含水率泥浆量筒试验对应的沉降曲线.可以看出,400%初始含水率的泥浆的沉降速率明显大于另外两组,且初始含水率越高其前期的沉降速率就越大,沉降量拐点出现的时间也越早,即沉降量进入稳定增加阶段也越早;而对于初始含水率较低的泥浆,其沉降量拐点并不明显.

图6 10%掺砂比下不同初始含水率泥浆的沉降量曲线Fig.6 Amount of settlement curves of dredger fi ll slurry with different initial water content in 10%sand content

不同初始含水率量筒中混液面沉降之所以呈现上述现象,是由于在下沉过程中颗粒之间相互干扰并产生了群体沉降作用[13].当泥浆浓度增大时,群体沉降速率减小.由于泥浆的浓度越高,细颗粒越容易絮凝,但是当泥浆浓度高于一个限值[3]时,其沉降速率随浓度的增加而减小,在细颗粒由于絮凝作用形成团粒之后,土颗粒之间的接触较浓度低的泥浆更为紧密,相互干扰的作用更加明显.部分土颗粒之间甚至已经产生有效应力,土颗粒之间相互联系,形成近似网状结构,孔隙水向上排出更加困难,使得沉降变慢.此外,当泥浆的浓度较高时,上部土颗粒在自重沉降的同时,下部土颗粒之间产生有效应力,进入自重固结阶段,而沉积物整体也很快进入自重固结阶段[14].而初始含水率较高的泥浆,颗粒之间的相互干扰作用很小,开始时土颗粒近似悬浮,颗粒之间没有有效应力,在自重沉降达到一定程度之后,土颗粒之间才出现有效应力,进而开始自重固结.所以初始含水率较低的泥浆,前期沉降速率较小,没有明显的沉降量拐点,自重沉降和自重固结阶段没有明确的分界;而初始含水率较高的泥浆,其沉降量拐点非常明显,自重沉降和自重固结阶段区分明显.

图7为3种初始含水率泥浆对应的孔隙比和沉积物含水率变化曲线.可以看出,400%初始含水率的泥浆,其孔隙比和沉积物含水率的前期变化最快,并很快进入稳定阶段,之后孔隙比和沉积物含水率的变化很小.这与其沉降量的变化情况相对应.由表2可以看出:在30 d左右,初始含水率为120%泥浆的孔隙比和沉积物含水率最低;400%初始含水率泥浆的孔隙比和沉积物含水率比200%初始含水率泥浆低.但从图7中可以发现,在30 d左右,200%初始含水率泥浆的孔隙比和沉积物含水率的变化速率大于400%初始含水率的泥浆.这是因为在进入沉降量稳定增加阶段后,含水率较高的泥浆由于前期沉降较快,沉积物中的土颗粒之间的孔隙水排出较为充分,土体的自重固结程度较高,在这个阶段其沉降量增加得较为缓慢.对于含水率较低的泥浆,由于从开始阶段便有部分土体进入自重固结阶段,孔隙水向上排出较困难,所以在后期相同的时间内,其沉降量要多于初始含水率高的泥浆.这也是200%初始含水率泥浆在30 d左右的孔隙比和沉积物含水率大于400%初始含水率泥浆,同时沉降量也较大的原因.而120%初始含水率泥浆的初始孔隙比相对很低,所以在30 d时,其孔隙比和沉积物含水率仍然较低.

图7 10%掺砂比下不同初始含水率泥浆的孔隙比和沉积物含水率变化曲线Fig.7 Void ratios and water content curves of dredger fi ll slurry with different initial water content in 10%sand content

3.3 掺砂量的影响

在研究掺砂量的影响时,分别对3种初始含水率泥浆进行了10%和20%两种掺砂比的量筒试验,得到如图8所示的不同掺砂比对应的沉降量曲线和孔隙比变化曲线.可以看出,在不同的掺砂比下,沉降过程仍然符合吹填土的沉降规律.对于同一种初始含水率泥浆,在掺砂比增加时,其在相同时间的沉降量也会随之增加,同时孔隙比也随之减小.在初始阶段,掺砂对吹填土的沉降影响不大.在两种掺砂比的情况下,同一种初始含水率泥浆的沉降量基本相同.在沉降稳定阶段,400%初始含水率泥浆在两种掺砂比下的沉降量基本相同,孔隙比也非常接近,而120%和200%初始含水率泥浆的沉降量均是在掺砂比较高的情况下较大,同时对应的孔隙比较小.

产生上述现象的原因是原泥浆在掺砂之后,改变了原有的颗粒组成.随着掺砂量的增加,无黏性的砂土颗粒所占比例明显增大,泥浆在掺砂之后,渗透性增加,孔隙水更容易向上排出,使得沉降量增加,沉降速率增大.在拐点出现之后,400%初始含水率泥浆由于进入沉降较快,前期孔隙水向上排出较多,在不同掺砂比的情况下土体的自重固结程度基本相同.而对于120%与200%初始含水率泥浆,自开始阶段就伴随着自重固结,且随着自重固结程度的增加,较高的掺砂比更有利于孔隙水的排出,因此在沉降后期,掺砂量的影响逐渐体现出来.

图8 不同掺砂比下吹填泥浆的沉降过程曲线Fig.8 Settlement process curves of dredger fi ll slurry with different sand content

4 结论

通过沉降柱试验和量筒试验,对比分析了初始含水率和掺砂量对吹填土沉降的影响,得到以下结论.

(1)吹填土的沉降过程大致分为絮凝缓慢增长、沉降加速、沉降稳定3个阶段,是一个变速的沉降过程.

(2)吹填土初始含水率较高时,前期沉降速率越大,沉降量拐点出现越早,沉降完成的程度就越高.

(3)初始含水率较低的吹填土在前期自重沉降的同时也开始自重固结,沉降量没有明确拐点,自重沉降和自重固结没有明确分界.

(4)掺砂量对吹填土前期沉降影响较小,对其自重固结影响较大;对初始含水率较低的吹填土的沉降影响不明显.