分级真空预压联合增压处理疏浚淤泥实验研究★

刘义华，谢建强

(1.赣州建工集团有限公司，江西 赣州 341000;2.赣州城市开发投资控股有限责任公司，江西 赣州 341000)

我国各大城市对海洋、河流、湖泊等生态环保问题愈发重视，水环境治理，近海、河流、湖泊疏浚等工程迅猛发展，每年疏浚量约70亿m3，形成了大规模的疏浚淤泥地基。疏浚淤泥具有黏粒含量高、含水量高、压缩性高、强度低等不利的工程特性[1-2]。在早期，传统的真空预压法具有明显的优点，在软土地基加固和复垦工程中得到了广泛的应用[3]。然而，随着常规真空预压的持续进行加上疏浚淤泥中多由细颗粒组成，绝大多数粒径小于100 μm，细颗粒会逐渐进入预制竖向排水板(PVD)滤膜造成堵塞。为解决常规真空方法处理排水板容易淤堵的问题，金亚伟等[4]提出了增压式真空预压法，通过增压方式来提高土体内的水平压力差，从而对土体产生裂缝，加强对吹填淤泥的加固效果。丁海龙等[5]进行了常规真空预压与增压下的对比实验，实验表明增压下软土中的孔隙水可以更快速地排出，地表沉降量大幅增加，地基处理效果更好。

近年来，增压真空预压法得到快速的发展，然而目前对于地下深层土体的加固是有限和不足的。王军等[6]进行了新型防淤堵排水板对深层土体进行加固，得到了更好的加固效果。曾芳金[7]采用深层增压式真空预压法对软土进行处理，发现深层增压方法能缓解淤堵的形成，验证了增压式对防淤堵的有效性。其他学者[8-9]进行了分级真空预压室内模型，发现分级下的真空压力能减缓排水板的淤堵，对内部土体加固效果更佳。雷华阳等[10]通过研究分级真空预压和传统真空预压的淤堵形成时间，验证了分级真空预压法对防淤堵的有效性。

综上可知，为克服常规真空预压存在的缺陷，学者们展开了许多的研究，先前很少有人研究分级真空预压与增压的结合处理疏浚淤泥的效果。本研究充分考虑分级真空预压与增压的各自特性，提出了在分级真空下进行增压的处理。进行了4组大型试验模型试验，期间监测了各组的排水量、土壤表面沉降和孔隙水压力。在不同点测量含水量和叶片剪切强度，为工程实际提出依据[11-15]。

1 试验方法

1.1 试验材料

本研究土样取自中国东南沿海主要城市温州市瓯飞围垦工程，其基本物理性质通过标准实验室测试确定。黏土的塑性极限为23.5%，液体极限为50.2%，土壤颗粒比重为2.72，土样的基本物理指标见表1。图1是使用英国生产的Marvin系列激光粒度仪所得到的淤泥的粒度分布曲线，其中粒径小于0.041 6 mm的颗粒含量(质量分数)占到了90%，说明该土样主要由细颗粒黏土组成。

表1 试验土体的基本物理性质指标

1.2 试验装置

试验装置由模型箱、真空加载、增压系统和监测系统组成，示意图如图2所示。模型桶由一个由聚甲基丙烯酸甲酯制成的模型试验筒。模型试验筒的厚度为2 cm，内径为56 cm，高度为90 cm。增压系统使用空气压缩机作为增压装置，提供空气增压。真空系统选用功率输出为0.18 kW、抽速为20 L/min、稳定真空压力为80 kPa的循环水真空泵，真空微调阀用于调节真空压力的大小。排出水通过汽水分离瓶收集，孔隙水压力计和叶片剪切装置用于收集数据。

1.3 试验方案及步骤

为了研究分级真空压力与增压结合的处理疏浚淤泥的改良效果，实验方案设计如表2所示，4组实验均在实验装置图中进行。T1先对PVD施加80 kPa的真空压力，随后使用增压管进行增压。T2～T4分别采用各自的分级真空预压对其进行处理后，再对其进行增压处理。先对其进行真空处理后再进行增压，有利于孔道的形成，从而使土体整体处理效果更好。

表2 试验方案

试验步骤将分成如下几步进行：

1)将疏浚淤泥搅拌均匀分层装入模型桶中，装填到一定高度后，按如图2所示位置，在距桶底面 300 mm安放孔压计与增压管，装填完毕后的泥面高度约700 mm。

2)在土样上铺设土工膜，并将土工膜连接起来，通过密封胶对其进行密封。将PVD通过手形接头与气密管相连，并通过接头完成到水汽分离瓶连接。

3)在连接PVD的真空软管上安装可微调的真空阀门控制试验过程中的真空压力，随后用软管连接水汽分离瓶与真空泵。

4)每天向土壤注入增压空气5 min，直至测试实验结束。

5)当日排水量小于0.2 kg/d，平均沉降小于2 mm/d时停止试验。

2 试验结果与分析

2.1 真空压力

真空压力由安装在排水板的真空探头连接真空表上直接收集，图3为实验过程中的真空压力的变化情况，在没有进行增压的时候真空压力几乎稳定在80 kPa左右，随着时间有着很小的波动，当增压泵开始工作时，真空压力急剧下降，在运行过程中保持稳定的变化。一旦增压泵停止工作，真空压力随之急剧的上升，而且上升速度大致以相同的速率急剧上升。

2.2 排水量

图4绘制了4个试验在整个真空预压和增压阶段的排水随时间的变化图，结果表明，采用分级后的AVP技术可以提高水的排放量。从图4中可以看出，随着时间的进行，实验T1～T4最终的排水量分别为22.6 kg，23.3 kg，25.7 kg，27 kg，采用多级的真空压力比直接采用更高的真空压力可提高排水量3.09%，13.7%，19.46%，可以解释为，在每施加下一级真空压力时，较高的真空压力使得土体发生重组现象，导致孔隙之间的扩大，随后稳定后，使其获得新的渗流通道，加上增压也使得土体增大远端土体的裂隙。也表示为分级真空预压的级数越多， 可减少细颗粒的迁移，因此也更有利于缓解排水板淤堵和增加土体排水量。

2.3 表面沉降

沉降是评估真空预压处理后对土体影响的重要指标。在实验过程中，利用自行设计的装置记录了两个实验表面的局部沉降，并获得了平均沉降数据。本研究两个观测点的平均沉降与试验时间的关系如图5所示，在所有试验过程中，疏浚土的表面沉降均随时间增加而增加，每当开启增压泵进行增压后，沉降速率发生明显变化，地表沉降明显增加。随着时间的进行，各实验组的最终沉降分别为：17.4 cm，17.9 cm，19 cm，21.7 cm。可以解释为分级加载能削减土体不均匀沉降，随着分级梯度的增大，沉降变化也自增加。而当空压机开关时，由于压缩空气的作用，聚集在PVD周围的细颗粒土层被破坏，从而产生更多的微裂缝。这些裂缝缓解了PVD的堵塞，提高了PVD的排水能力,增大了沉降值。

固结度是评判土体固结程度的重要指标，为了确定固结效果，王军等提出三点法计算固结度，根据最终沉降(S1)计算固结度Ut如下：

(1)

(2)

其中，Ut为t时刻所求的计算固结度；St为t时刻的土表沉降；S∞为最终的土表沉降；S1，S2，S3分别为任意三个时间点的沉降值，根据式(1),式(2)计算得到的T1～T4 的St分别为12.4 cm，13.3 cm,15.4 cm和18.2 cm，由此计算得到的最终的计算固结度T1～T4分别为71.2%，74.3%，81%和84.7%。根据计算固结度的结果可以得知，采用分级真空预压与增压结合下，分级越多，固结效果更好，强度更高。

2.4 孔隙水压力

孔隙水压力消散大小是评价土壤改良效果的关键参数，图6显示了四组实验的孔隙水压力消散情况变化，由图6可知，各组实验在试验结束后的孔压消散值分别为29.4 kPa,30.5 kPa,32.4 kPa,35 kPa。在启动增压设备时，土体中产生了新的排水通道，加快了土体的固结速度，因此孔压消散变化会发生一定突变，空气增压过程可以降低孔隙水压力。最终孔压消散大小顺序为T4>T3>T2>T1，与前面排水量的效果基本保持一致。在分级下的可以改变孔压在一定时间上的变化情况。当孔压变得稳定时，增大真空压力，使其孔压变化在一定程度上加剧。

2.5 含水率与十字板剪切强度

实验结束后，在径向的不同位置与不同深度取出土样，对其进行含水率和十字板剪切强度的测试，图7与图8显示了实验结束后平均含水率和平均十字板剪切强度沿两个方向的分布情况。从图7可以看出，随着距离表面深度的增大，含水率都有呈现增大的趋势。在纵向深度方向，因为在深度为200 mm处靠近增压管，表现出比表面和底层更低的含水率，T4在多级分级下与增压作用下，达到了更低的含水率，具有更好的加固效果。在径向方面，真空压力随着距离的增大，会沿着排水板的逐渐递减，导致远端的土体固结效果差，含水率增大。

如图8所示，十字板剪切强度与含水率表现出负相关的关系，中间土体表现出的十字板剪切强度略高于深层土体，现象与含水率保持一致，根据十字板剪切强度可以估算出土体的承载能力：

qu=(π+2)Cu

(3)

其中，Cu为土体的十字板剪切强度；qu为估算得出的土体承载能力，根据式(3)可得T1～T4的承载能力为123.36 kPa,133.64 kPa,138.78 kPa，149.06 kPa，T4的承载能力相对于T1～T3分别提高了17.2%，10.3%，6.89%,说明分级真空联合增压能促进排水，并显著提高土体的承载力。

3 结论

通过室内试验，进行了分级真空预压联合增压处理疏浚淤泥的室内试验。根据试验结果和测量结果分析，得出以下结论:1)采用分级梯度级数大的真空预压对疏浚淤泥的排水量及固结程度最佳，最终排水量比T1，T2，T3分别多了3.09%，13.7%，19.46%，根据沉降计算得到的计算固结度可达到84.7%，具有更好的加固效果。2)在合适的真空压力下，增压在改善疏浚土壤方面，可以表现出较好的性能。结合分级真空预压，会使得土体加固效果的问题得到解决。3)分级真空预压联合增压下采用分级施加真空压力方式，有效减少细颗粒的迁移，缓解淤堵状况，增加了真空预压阶段的排水效果。