王 山，梁广雪，陈先勇，宋苗苗，姚 达
（1.江苏禹衡工程质量检测有限公司，江苏 盐城 224000；
2.江苏省盐城水利建设有限公司，江苏 盐城 224014；
3.盐城工学院土木工程学院，江苏 盐城 224051；
4.江苏省工程勘测研究院有限责任公司，江苏 扬州 225000）
为保证水质及通航能力，港口、河道等每年都要进行疏浚清淤，从而产生数亿方的高含水率疏浚泥［1］。和天然沉积土不同，疏浚泥通常呈流动状态，其含水率可高达300%，工程性质极差，基本无承载力，故难以直接利用而需进行处理［2］。
对疏浚泥进行处理和资源化利用前，通常需先采取一定的工程措施以降低其含水率。其中，真空预压处理法具有造价低、快捷、加固效果良好等特点，是目前常用的疏浚泥加固措施［3-5］。采用真空预压法处理高含水率疏浚泥时，塑料排水板常被作为竖向排水通道，以加快疏浚泥中水分的快速排出，达到工程所需的性能要求。真空预压法处理高含水率疏浚泥后，疏浚泥固结沉降量可达到甚至超过1 m，使得排水板多呈弯曲状态，这一现象已被实际工程所证实［6］。国内外学者基于理论分析、室内小模型试验和现场观测，探讨了排水板弯曲对真空预压处理效果的影响，并取得了一些有价值的研究成果［6-11］。如王婧等［7］通过人为将塑料排水板弯曲，分析了排水板弯曲对通水量的影响，指出排水板芯板、滤膜及弯折形式是影响排水板通水量的主要因素；
孙立强等［8］通过室内试验发现，塑料排水板的裙曲和折断变形将使其失去排水通道。需要注意的是，由于室内试验模型的尺寸远小于实际工程规模，故较难全面反映实际工程中塑料排水板弯曲对真空预压加固疏浚泥效果的影响。而现场实测中，由于场地环境复杂、施工等因素的影响，较难对排水板的弯曲进行详细的观测。
室内足尺大模型试验，不仅可避免因模型尺寸缩小引起的偏差，同时，和现场测试相比，可更好控制试验条件，减少外界环境因素对试验结果的干扰。为了明确塑料排水板弯曲对真空预压处理高含水率疏浚泥效果的影响，本文对真空预压法处理高含水率疏浚泥开展了室内足尺大模型试验。基于试验结果，首先研究了真空预压过程中塑料排水板的弯曲形态，并对塑料排水板产生弯曲的原因进行了分析；
之后，结合塑料排水板中真空度分布、疏浚泥泥面沉降量以及处理后疏浚泥中的含水率分布，探讨了塑料排水板弯曲对真空预压处理高含水率疏浚泥效果的影响，以期为实际工程中高含水率疏浚泥的加固处理提供借鉴。
1.1 试验材料
本试验采用的液限为58.3%的疏浚泥，与宋苗苗等［12］研究中所用疏浚泥的基本物理性质相同，故在此不再一一详述。
试验所用塑料排水板为SPB-B型排水板，其基本性质如表1所示。由表1可知，塑料排水板性能满足国家标准的相应要求。
表1 塑料排水板基本特性
1.2 试验方案
实际工程中塑料排水板联合真空预压处理高含水率疏浚泥，其地基承载力与工后沉降主要受地表下3～4 m土层力学性质的影响［8］。已有实际工程的研究表明，采用真空预压法加固疏浚泥时常用的塑料排水板间距为0.7～1.2 m［13-17］，故本文研究将采用高度和直径分别为300 cm和120 cm的自制模型槽开展试验，以尽量与实际工程工况相符。试验时将塑料排水板底端固定在装置上，从而可保证泥浆加入过程中塑料排水板始终位于模型槽的中心位置。其中，塑料排水板的长度为295 cm。为了了解处理过程中，排水体中真空度的变化规律，在排水体内部沿排水体深度方向5 cm、50 cm、100 cm、150 cm、200 cm、250 cm共布置了6个真空度测试探头。为了了解处理过程中泥面的沉降规律，在疏浚泥表面中心位置及距中心30 cm的对称位置分别布置位移传感器。
对实际工程中所采用的真空预压系统进行简化，获得大模型试验所用的真空预压系统。其中，真空泵用来施加真空压力，最大可施加98 kPa的真空压力；
真空饱和缸用来分离土中水和气。该装置不仅可防止孔隙水进入真空泵，同时还可通过真空压力表实时获得施加的真空压力值。
采用水力疏浚产生的泥浆其含水率一般在1.5～3倍液限［2］，故本文大模型试验中采用的疏浚泥含水率为147%（2.5倍液限）。试验前将现场取回的疏浚泥搅拌均匀，测定其初始含水率，并根据目标含水率、初始含水率以及模型试验所需泥浆质量，计算需外加的蒸馏水质量，并在加入蒸馏水后再次将泥浆搅拌均匀；
之后，将满足质量要求的双层密封袋放入模型桶内，并将塑料排水板、测试元器件以及固定装置一起放入模型桶内；
最后，使用真空泵将搅拌均匀的泥浆抽入室内大模型槽中，并取不同泵送时刻的泥浆测定其含水率，即为试验泥浆的实际含水率。待泥浆达到设定高度后，将密封袋扎紧并用玻璃胶密封，以保证真空预压试验过程中疏浚泥处于密封状态。
此外，试验过程中对疏浚泥泥面沉降量和真空度分布进行监测，待泥面沉降量小于1 mm/d时停止试验。试验结束后，对处理后不同位置的疏浚泥含水率进行取样测试。具体取样位置为深度方向10 cm、30 cm、50 cm、100 cm、150 cm，水平方向距排水体5 cm、10 cm、30 cm、40 cm，共20个位置。
2.1 塑料排水板形态
图1为真空预压试验前后塑料排水板的形态。和试验前相比，真空预压试验后塑料排水板自上而下发生了明显的弯曲变形。根据弯曲程度的不同，将试验后塑料排水板的弯曲分为弯折型弯曲和非弯折型弯曲。其中，发生弯折型弯曲时塑料排水板在折角位置出现小面积的滤膜破损和排水通道破坏，但整体并未完全折断；
对于非弯折型弯曲，塑料排水板主要发生可恢复的弯曲变形，从外表未发现明显的滤膜和排水通道损坏。
同时，图1（b）中自上而下排水板的第一个弯折型弯曲出现在约80 cm处。这主要是由于浅层的疏浚泥排水路径相对较短，在真空预压处理前期将产生更大的固结沉降，和塑料排水板间产生较大的相对变形。此时塑料排水板露出疏浚泥表面，在摩阻力、密封膜密封等的作用下发生弯折型弯曲。随着真空预压处理的持续进行，深层疏浚泥的固结沉降量继续增加，同时真空预压固结将引起土体向内的变形，对塑料排水板施加侧向的土压力。二者共同作用下使塑料排水板在约150 cm和250 cm处又出现了第二个和第三个弯折型弯曲，且二者之间还出现多处的非弯折型弯曲（图1（e））。其中，第三个弯折型弯曲的出现可能还与塑料排水板底端在试验过程中始终固定在模型槽中心位置有关。此外，由图1（c）～（d）还可以发现，排水板在真空预压处理过程发生了一定程度的水平向偏移。造成这一现象的原因可能是真空负压作用下疏浚泥的表面沉降并不完全是均匀的，且疏浚泥在真空负压作用下在一定深度范围内还将产生一定量的水平位移。但整体而言，塑料排水板的弯曲变形沿疏浚泥在全深度都有分布，具体出现的弯曲变形类型则受疏浚泥固结沉降量、真空预压处理时间等因素的影响。
图1 排水板形态
2.2 真空度
真空预压处理过程中，真空度的分布对疏浚泥的加固效果具有重要的影响。图2为真空预压处理过程中排水板不同深度处的真空度。由图2可知，抽真空开始后排水板不同深度处的真空度很快上升到70 kPa以上，并保持一段时间的稳定，但沿深度发生了一定程度的衰减，即由5 cm处的86 kPa降低为250 cm处的约73 kPa。这主要是由于真空预压过程中排水板的弯折、井阻效应及堵塞等均会影响真空负压沿排水板深度的传递，这一现象已被室内试验、现场试验等所证实［8，17，19］。但整体上真空度的降低幅度约为5 kPa/m，这和刘志中等［19］通过理论分析建议的设计计算值相一致。由此可见，本研究的大模型试验结果可较好地反映实际工程。
同时，还可以发现，随着真空预压时间的增加，排水板不同深度的真空度出现了两次较大幅度的降低。在真空预压处理30 d时，不同深度处的真空度开始出现了降低，并在真空预压50～60 d重新稳定。其中，150 cm、200 cm和250 cm处的真空度下降幅度大于浅部（5 cm，50 cm，100 cm）。结合图4中排水板的形态，可推知造成这一现象的原因可能是由于真空预压早期浅层土体的固结较快，相应的固结沉降量也较大。随着浅层土体不断沉降和发生向内的水平位移，使排水板在约80 cm处产生弯折型弯曲（图1（b）），真空度向土层深处的传递受阻。由于位于浅层土体内的排水板主要发生非弯折型弯曲（图1（c）和（d）），故浅层排水板中的真空度降低幅度较小。之后，随着土体真空预压固结的继续发展，在100 d左右排水板深处（100 cm，200 cm）的真空度发生了第二次降低，下降了约6 kPa。这可能是由于在真空预压后期，疏浚泥产生大量的固结沉降，从而使排水板发生了严重的弯曲变形，进而导致真空传递不畅。此外，在排水板200 cm和250 cm深度处真空度降低到约50 kPa，降低幅度达到30%。这与夏玉斌和陈允进［18］等通过现场试验测定的结果相一致。由此可见，采用真空预压处理高含水率疏浚泥时，排水板弯曲引起的真空度衰减不可忽略。
2.2 真空度
真空预压处理过程中，真空度的分布对疏浚泥的加固效果具有重要的影响。图2为真空预压处理过程中排水板不同深度处的真空度。由图可知，抽真空开始后排水板不同深度处的真空度很快上升到70 kPa以上并保持一段时间的稳定，但沿深度发生了一定程度的衰减，即由5 cm处的86 kPa降低为250 cm处的约73 kPa。这主要是由于真空预压过程中排水板的弯折、井阻效应及堵塞等均会影响真空负压沿排水板深度的传递，这一现象已被室内试验、现场试验等所证实［8，17，19］。但整体上真空度的降低幅度约为5 kPa/m，这和刘志中等［19］通过理论分析建议的设计计算值相一致。由此可见，本研究的大模型试验结果可较好地反映实际工程。
图2 排水板不同深度处真空度
同时，还可以发现随着真空预压时间的增加，排水板不同深度的真空度出现了两次较大幅度的降低。在真空预压处理30 d时，不同深度处的真空度开始出现了降低，并在真空预压50～60 d左右重新稳定。其中，150 cm、200 cm和250 cm处的真空度下降幅度大于浅部（5 cm，50 cm，100 cm）。结合图4中排水板的形态，可推知造成这一现象的原因可能是真空预压早期浅层土体的固结较快，相应的固结沉降量也较大。随着浅层土体不断沉降和发生向内的水平位移，使排水板在约80 cm处产生弯折型弯曲（图1（b）），真空度向土层深处的传递受阻。由于位于浅层土体内的排水板主要发生非弯折型弯曲（图1（c）和（d）），故浅层排水板中的真空度降低幅度较小。之后，随着土体真空预压固结的继续发展，在100 d左右排水板深处（100 cm，200 cm）的真空度发生了第二次降低，下降了约6 kPa。这可能是由于在真空预压后期，疏浚泥产生大量的固结沉降，从而使排水板发生了严重的弯曲变形，进而导致真空传递不畅。此外，在排水板200 cm和250 cm深度处真空度降低到约50 kPa，降低幅度达到30%。这与夏玉斌等［20］等通过现场试验测定的结果相一致。由此可见，采用真空预压处理高含水率疏浚泥时，排水板弯曲引起的真空度衰减不可忽略。
2.3 泥面沉降量
图3为泥面沉降量随真空预压时间的变化曲线。在真空预压初期，疏浚泥的渗透系数和疏浚泥中的真空压力相对都较大，且排水板中的真空度沿深度衰减幅度较小，故在这一阶段疏浚泥的泥面沉降量随真空预压时间快速发展。该阶段持续到真空预压约60 d，产生了约75 cm的固结沉降量。这与图1和图2中第一个弯折型弯曲出现的位置和真空预压时间基本一致，由此可见前述对第一个弯折型弯曲产生原因的分析是合理的。
图3 泥面沉降量随真空预压时间的变化曲线
之后，随着疏浚泥固结度的增加，其渗透系数逐渐减低［18，21］。同时疏浚泥浅层第一个弯折型弯曲的出现也使排水板中真空度的传递受阻，故疏浚泥的固结速率减慢，相应的泥面沉降量增加幅度减缓。但整体而言，第二和第三个弯折型弯曲的出现并未引起该阶段沉降速率的显著变化。且和快速沉降阶段相比，第二阶段土体的固结沉降量约为30 cm，为疏浚泥泥面总沉降量的30%左右。由此可见，当采用塑料排水板联合真空预压处理高含水率疏浚泥时，在快速沉降阶段抑制排水板弯折型弯曲的出现，将更有助于提升加固处理效果。
2.4 加固后疏浚泥含水率
含水率是评价土体固结程度的重要指标，为进一步明确排水板弯曲对疏浚泥真空预压加固效果的影响，在真空预预压结束后测定疏浚泥不同位置处的含水率，结果如图4所示。相同深度处，处理后疏浚泥的含水率随着距排水板水平距离的增加而逐渐增大，且增加幅度逐渐减小。这主要是由于距排水板越远，疏浚泥的排水路径越长，相同真空预压时间下土中自由水排出量也越小。同时，真空度在水平方向传递过程中也存在一定程度损失，二者共同作用使得距排水板越远处疏浚泥的含水率越高，加固效果相对较差。
图4 真空预压处理后疏浚泥中的含水率分布
在距排水板相同水平距离处，疏浚泥含水率随深度增加整体表现出增大的变化趋势。由于塑料排水板在越150 cm处出现弯折型弯曲，从而阻碍了排水板中真空向土层深处的传递，故疏浚泥含水率在约50 cm处出现了明显的增加。且随着疏浚泥距排水板的距离增加到40 cm，不同深度处疏浚泥含水率的差值可达到了27%。即当疏浚泥深度越深，距排水板距离越远时，真空度沿深度损失对疏浚泥加固效果削弱越明显。由此可见，当采用塑料排水板联合真空预压加固高含水率疏浚泥时，减少排水板的弯曲有助于提高有效加固深度。
本文通过室内足尺大模型试验，通过测定真空预压过程中排水板中的真空度分布、泥面沉降量，以及试验后排水板形态和疏浚泥的不排水抗剪强度，研究了塑料排水板联合真空预压处理高含水率疏浚泥的加固效果，并分析了塑料排水板弯曲对真空预压法处理疏浚泥效果的影响，得到结论如下：
（1）真空预压处理高含水率疏浚泥时，塑料排水板将产生弯折型弯曲和非弯折型弯曲，且弯折型弯曲出现的位置随真空预压时间的增加逐渐向塑料排水板下部移动。其中，弯折型弯曲处排水板的滤膜和排水通道将出现一定程度的损坏；
非弯折型弯曲沿疏浚泥在全深度都有分布，具体出现的弯曲变形类型则受疏浚泥固结沉降量、真空预压处理时间等因素的影响。
（2）真空预压初期，排水板中的真空度沿疏浚泥深度发生了一定程度的衰减，其降低幅度约为5 kPa/m。随着真空预压时间的进一步增加，排水板中弯折型弯曲的出现将引起排水板不同深度处真空度的较大幅度降低，且150 cm、200 cm和250 cm处的真空度下降幅度大于浅部（5 cm，50 cm，100 cm）。其中，排水板弯曲引起排水板在200 cm和250 cm深度处真空度的降低幅度可达到30%。此外，排水板中第一个弯折型弯曲的出现还将引起疏浚泥泥面沉降速率和泥面沉降量增加幅度的降低。
（3）相同深度处，真空预压处理后疏浚泥的含水率随距排水板水平距离的增加而逐渐增大，且增加幅度逐渐减小。同时，在距排水板相同水平距离处，疏浚泥含水率随深度增加整体表现出增大的变化趋势，且增加幅度在排水板第一个弯折型弯曲附近开始出现增大。
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