考虑絮凝剂影响的疏浚淤泥固结特性研究

徐洪群，徐桂中， 冯哲源， 刘 锋

(1.盐城市盐都区水务局秦南水务站， 江苏 盐城 224005； 2.盐城工学院土木工程学院， 江苏 盐城 224000；3.宿迁市楚诚置业有限公司， 江苏 宿迁 223800)

0 引 言

为了改善水质、保证航道正常的泄洪及通航能力，我国每年都要开展大规模的河道疏浚清淤工程，产生数亿以上的高含水率淤泥[1]。由于产生的淤泥细颗粒含量大，含水率高，需要长期征用大量土地搁置[2-3]。尤其在内陆，主要征用农田或鱼塘，不但征地成本高，而且会因征地而引发社会矛盾。将堆场中的吹填淤泥进行快速处理，降低其含水率，减小其体积，不但可以提高堆场的利用效率，减少征地，而且可以提高吹填淤泥的工程特性，增加土地资源，缓解我国土地资源紧缺问题[1,4]。

真空排水固结方法是目前处理疏浚淤泥的重要方法。由于排水固结法具有处理成本低、施工方法简单等特点，所以在土木、交通等工程建设中得到了广泛应用，如在高速公路中采用真空预压排水固结法解决桥头跳车的问题。但排水固结法处理高含水率疏浚淤泥时，常常会发生淤堵，导致处理效率低，处理效果差。

对于吹填淤泥真空排水中的淤堵问题，实践表明，相对于吹填淤泥颗粒粒径而言，现有塑排板滤膜的等效孔径相对较小，是导致滤膜发生淤堵的重要原因，排水板滤膜的等效孔径越小其淤堵情况越严重[3,5]。McIsaac 和Rowe 等的试验结果显示，无纺土工织物比有纺土工织物更容易造成淤堵[6]。其次，在排水体周围产生淤堵层(泥皮)，导致真空度向淤泥中径向传递时衰减严重[7-8]。为了解决真空排水过程中的淤堵问题，诸多研究者针对淤堵产生的机理提出了各种防淤堵技术[9-11]，其中，絮凝真空技术被认为行知有效。本文在已有研究成果的基础上，对泰州土进行一系列固结试验，进一步深入探讨了土体性质的变化，分析了絮凝剂种类、絮凝剂浓度、不同荷载下等因素对土体性质的影响，为后续的工程实践提供理论依据。

1 土样介绍与试验方法

1.1 土样介绍

本文所用的淤泥土样为泰州土样。土样取自泰州疏浚河道产生的淤泥。对土样进行常规的物理试验，获取泰州淤泥土样的基本物理力学特性指标，详细数据列于表1中。其中，土样的液塑限均采用联合液塑限仪进行测定，土的粒径分布情况采用密度计测量，比重通过比重瓶测定。

表1 土样的基本物理力学指标

1.2 试验方法

由于试验中淤泥的初始含水率为2.0倍液限，采用传统固结仪进行固结试验时，第1级固结压力相对较大(10～12.5 kPa),致使淤泥被挤出，导致试验数据失真，所以无法采用传统的固结装置进行本次试验。为了克服常规固结仪最小加载量偏大的缺点，本次试验采用Hong等所述的轻便固结仪。该固结仪为主要试验仪器，所用环刀面积为30 cm2,高为2 cm。制备相同初始含水率的土样，初始含水率为120%(2倍液限)。试验开始阶段，当荷载为0.3 kPa、1 kPa、2 kPa、4 kPa时，因为固结仪没有相应的荷载，故在透水石上加上相应的配重。然后对每一组的试样进行分级加载(每组12个试样，分别对应不同荷载)，当每一级荷载加载结束时，便卸去荷载将土样取出，用调土刀将土样表面的水刮去，测出其对应的含水率，利用饱和土孔隙比和含水率的关系，反算孔隙比。在计算固结系数的过程采用T90的方法。对某一级压力，以试样的变形为纵坐标，时间平方根为横坐标，绘制变形与时间平方根关系曲线，延长曲线开始的直线，交纵坐标与d0为理论零点，过d0作另一直线，令其横坐标为前一直线横坐标的1.15倍，则后一直线与d-√t曲线交点所对应的时间的平方根即为试验固结度达到90%所需的时间t90。如图1所示。该级压力下的固结系数应按式(1)计算。

Cv=0.848h2/t90

(1)

式中：Cv为固结系数，cm2/s；h2为最大排水距离,等于某级压力下试样的初始和终了高度的平均值之半，cm。

图1 时间平方根与累积沉降量的关系图

2 结果与分析

2.1 压缩曲线

图2为加入不同絮凝剂的压缩曲线，图2中显示随着荷载增大，土体孔隙比的整体变化趋势是减小。在小荷载下，絮凝剂改变土体结构，然而随着荷载的增大，当荷载为8 kPa时被完全破坏。但是随着荷载的增加，絮凝剂产生的结构被破坏，絮凝剂产生的影响下降。曲线随着孔隙比的变化略微呈一个上凹形,整个曲线呈倒“S”型。在10 kPa之前，4个试样有明显的区别。其中三氯化铁的孔隙比比原泥的小，APAM的孔隙比大于原泥的孔隙比，而氢氧化钙的孔隙比大于APAM。在10 kPa之后氢氧化钙出现了坍塌，其它3条曲线并不明显。在60 kPa后4条曲线逐渐接近随着荷载的增加，3个试样的曲线区别不大，其中三氯化铁在1000 kPa的孔隙比明显的小于其他的试样在此荷载下的孔隙比分析压缩曲线，得出Ca(OH)2淤泥与APAM淤泥比原泥有明显影响，而FeCl3淤泥与原泥接近，所以FeCl3淤泥对原泥的影响较小。

图2 孔隙比随荷载的变化关系

2.2 固结系数的变化规律

图3为不同絮凝剂下固结系数随荷载的变化关系。固结系数为试验土壤固结所需要的时间，某一时刻压缩量与最终压缩量之比。在小荷载作用下，曲线开始有小段的浮动；随着荷载的增加，土样的固结系数也随之变大；最后渐渐趋于稳定。其中氢氧化钙的固结系数曲线明显大于其它曲线。原泥和三氯化铁的固结系数比较接近，APAM相对于原泥和三氯化铁的固结系数在小荷载下差别不大；当荷载超过100 kPa，且随着荷载的增加时APAM与原泥和三氯化铁的固结系数之差也逐渐变大。曲线表明了：加入氢氧化钙的土样的固结系数显著增大，加入APAM的土样比起原泥在100 kPa以下的荷载下的固结系数区别不大，当超过100 kPa时加入APAM的土样比起原泥的固结系数有一定的提高，但是均小于氢氧化钙土样的固结系数。

图3 固结系数随应力的变化关系

2.3 渗透系数的变化规律

图4为不同絮凝剂下渗透系数随荷载的变化关系。在小荷载下，渗透系数迅速增加，氢氧化钙最为典型。随着荷载的增加，渗透系数开始变小。当荷载达到400 kPa以后，渗透系数趋于稳定。其中原泥和三氯化铁的渗透系数较接近。而加入氢氧化钙的土样的渗透系数在荷载为250 kPa前显著的大于原泥的渗透系数，当荷载在250～400 kPa之间渗透系数急剧减小，当荷载超过400 kPa时渗透系数趋于稳定。加入三氯化铁的土样渗透系数大小和原泥在400 kPa之前比较不是很大，在荷载超过400 kPa后的渗透系数比原泥略大。分析4条曲线，发现在小荷载下，氢氧化钙可以明显的改变土样的渗透系数，随着荷载的增大絮凝剂的效果不明显。

图4 渗透系数随应力的变化关系

2.4 渗透系数随孔隙比的变化关系

图5为渗透系数在对数坐标下随孔隙比的变化关系。图中显示随着孔隙比的增加渗透系数也逐渐增加，在孔隙比为1.4～1.6之间时，各土样的渗透系数达到最大，随后开始减小。其中氢氧化钙的土样比原泥的渗透系数略大。原泥和加入APAM和三氯化铁的土样变化不大。在孔隙比小于1.4时，渗透系数和孔隙比成线性变化。

图5 渗透系数随孔隙比的变化关系

3 结 论

通过对加入不同絮凝剂的土样开展固结试验，获得如下结论：

(1)压缩曲线中，在小压力下Ca(OH)2淤泥与APAM淤泥比原泥有明显影响，而FeCl3淤泥对原泥的影响较小。

(2)加入氢氧化钙的土样的固结系数比原泥显著增大，而加入APAM的土样的固结系数比原泥略有提高，加入三氯化铁的土样和原泥的固结系数很接近没有明显变化。

(3)可以得到在小的竖向应力下，氢氧化钙可以明显的改变土样的渗透系数，APAM的土样略为增加，三氯化铁和原泥的渗透系数很接近，然而随着竖向应力的增大，絮凝剂的效果不明显。

(4)渗透系数在对数坐标下随孔隙比的变化，氢氧化钙略为明显，而其他的土样之间差别不大。