陈 雷，李治朋，安彦勇，王春亮，陈 宇，刘峥嵘
(1.交通运输部天津水运工程科学研究所，天津 300456；
2.天津水运工程勘察设计院有限公司，天津 300456；
3.河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，南京 210024；
4.河海大学 岩土工程科学研究所，南京 210024)
随着沿海水运设施土地用地资源短缺，港口航道的新建、拓宽和扩建等工程项目的开展，产生了大量的疏浚泥沙，其具有较高的初始含水率和高含盐量，同时表现出高孔隙比、强压缩性、级配不良以及流动性特点[1-2]。疏浚土吹填至纳泥区后，在沉积过程中发生时空分布效应[3]，大颗粒泥沙颗粒首先沉积于下层，细土颗粒絮凝滞留于上层，需经过长时间自然沉积才能进行后续施工处理。但目前疏浚淤泥的自然沉积规律尚不完善，从而无法对淤泥淤积量预测和后续吹填施工提供理论指导，因此对于疏浚淤泥的自然沉积规律有待于进一步研究。
沉降柱室内模拟试验是研究沉积淤泥形成与沉积固结过程最为有效的试验研究手段。对于疏浚淤泥沉积过程影响因素的研究，詹良通等[4]利用沉降柱试验探讨泥水混合物初始浓度、海水中阳离子类型及离子浓度对淤泥自重沉积固结特性的影响；
TORFS等[5]通过室内沉降柱试验，得到不同含砂量情况下淤泥沉积层密度在沉积剖面上的分布及发展变化规律；
刘莹等[6]通过量筒沉积试验和沉降柱试验，研究吹填土在不同土水比及不同添加剂对沉降后淤泥的容重、孔隙比及含水量等物理指标的影响；
曹玉鹏等[7]通过室内自然沉积试验，研究疏浚淤泥在盐水和淡水沉积环境以及初始含水率对淤泥沉积速率和沉降量的影响。
对于沉积淤泥形成过程及淤泥沉积分布规律的研究，LAWRENCE等[8]进行不同粉细颗粒含量的淤泥沉降柱试验，研究淤泥悬浊液混合介质中不同粒径颗粒分选沉降过程；
MERCKELBACH等[9]应用沉降柱试验装置研究海相淤泥沉积过程中絮凝体分形维数、沉积层强度发展规律以及密度、超孔隙水压力变化规律。
疏浚淤泥沉积规律方面虽已开展一系列基础研究，主要以沉积过程的影响因素和物理力学指标分布发展规律为主，对淤泥沉积过程中状态转变及沉降阶段划分缺少深入系统的试验研究，尚未形成较为完善的疏浚土沉积固结理论。
基于以上淤泥沉积规律的研究现状，本文以波斯湾北端法奥港海相沉积土为研究对象，采用室内沉降柱模型试验，通过分析疏浚淤泥沉淤过程中沉积速率和沉降量的变化规律，对淤泥沉积阶段划分和各阶段沉积特点进行研究，进一步揭示疏浚淤泥在静海水环境下的沉积规律。
表1 试验用土的基本物理指标Tab.1 Physical indexes of dredged material
试验材料是使用抓斗取自拟疏浚开挖的航道底质，基本物理指标见表1，其中液塑限试验按照ASTM D4318-17标准使用碟式液限仪测得，颗粒分析试验按照ASTM D422-63标准进行，颗粒级配曲线见图1，根据ASTM D2487-17对土类定名为低液限黏土。
图1 试样颗粒级配曲线Fig.1 Particle distribution curve图2 沉降柱模型图Fig.2 Settling column test apparatus
在疏浚土吹填入纳泥区后，大量的细颗粒土悬浮滞留于上部，泥浆中的粗砂颗粒会迅速沉积到底部，本次研究仅对上层细颗粒土的沉积过程进行分析，所以需要筛除泥浆中的粗颗粒。将底质与取自勘测现场的海水在调配桶内充分混合，首先使用土壤筛(2 mm筛)将泥浆中的贝壳皮、粗砂等杂物去除，然后使用电动搅拌器进行混合搅拌，泥浆中的粗颗粒泥沙会在搅拌过程中沉积于桶底部，采用水力分离的方法，去掉泥浆底部的粗颗粒(>0.075 mm)，仅保留上层含有悬浮细颗粒土的泥浆。
表2 配置泥浆的基本物理指标Tab.2 Physical indexes of the prepared slurry
待去除泥浆中的粗颗粒后，使用比重瓶法测试泥浆密度，使用烘干法测试泥浆的初配浓度。然后通过加水稀释和静置去水的方法，分别配置浓度为50 g/L、100 g/L、150 g/L、200 g/L的泥浆试样。假定悬浮颗粒的土粒比重Gs为定值2.72，且为饱和状态，所用海水密度为1.024 g/cm3(泥浆试样上清液的盐度为35 ppt)，各泥浆试样的基本物理性质如表2所示。
待泥浆浓度调配测定之后，倒入标准容量为4 L的亚克力量筒(直径为8.4 cm)内，泥浆的初始高度为715 mm，见图2，试验所用的每个量筒上贴有透明塑料刻度尺(精度为1 mm)。经搅拌均匀后即可进行沉积试验，试验过程中记录泥浆浊液面的下沉深度。
2.1 沉降阶段划分
针对疏浚土沉降阶段的划分，郭帅杰等[10]将吹填土的沉积过程分为3个阶段：细颗粒絮凝下沉阶段，自重固结沉降阶段和次固结阶段；
刘莹等[6]认为吹填土泥浆在静水中的沉积过程，分为以细颗粒絮凝下沉为主的阶段和泥浆自重固结阶段；
GORO等[11]研究表明疏浚土的自然沉积分为分散沉降、絮凝沉降、区域沉降和压缩沉降4种类型，对沉降阶段未进行系统性划分。
综合国内外的研究成果和本次的观测资料，认为疏浚泥浆在静海水环境下的沉降过程，可分为三个阶段：区域沉降阶段、压缩沉降阶段和固结沉降阶段。以下对泥浆的各沉积阶段进行分析。
2.2 区域沉降阶段
将不同浓度的泥浆倒入沉降柱内之后，泥浆试样均在3～6 min内形成泥浆浊液面。根据EM1110-2-5027规定[12]，如果泥浆在初始沉降的数小时内形成泥浆浊液面，泥浆将发生区域沉降，在上清液中发生少量悬浮絮凝沉降，本次对上清液的絮凝沉降不做深入探讨。
我是来至中国石油工程建设公司的叶桦，毕业后一直从事EPC 工程的设计和咨询工作。众所周知，任何涉及到石油天然气行业的工程都是一项庞大而系统的工作，不可能由一个人或者几个人完成，其中涉及到繁多的工作界面划分与专业分工划分。因此，在设计工作中不仅要处理好技术性文件和图纸等，还会涉及到很多沟通，协调，统筹安排的工作。
以泥浆浊液面的出现作为区域沉降阶段的起点，在随后的2 h内对泥浆浊液面下降深度进行监测，见图3。由图可知，在区域沉降的初期，50 g/L泥浆在泥浆浊液面形成后，迅速呈现线性下降趋势，而另外三组泥浆初始沉降速率缓慢，在经历短暂的缓慢期后亦呈现线性下降趋势。在30 min之后，各试样泥浆浊液面下沉降速率之间拉开差距，浓度越大，沉降速率越慢。
图3 泥浆浊液面历时曲线(0～120 min)Fig.3 Depth to interface versus time(120 min)图4 泥浆浊液面历时曲线(0～900 min)Fig.4 Depth to interface versus time(900 min)
在随后的15 h内对泥浆浊液面下降深度进行记录，见图4。由图可见，沉降柱内泥浆在此期间(30～300 min内)，浊液面保持恒定匀速下沉，将这段自由沉降段称为区域沉降阶段。对这一时期泥浆浊液面下沉历时曲线进行线性拟合，拟合线的斜率即为此期间的沉降速率，50 g/L、100 g/L、150 g/L、200 g/L浓度泥浆试样的沉降速率分别为：81.3 mm/h，76.08 mm/h，61.5 mm/h，41.7 mm/h，可知，区域沉降速率随泥浆初始浓度增大而逐渐减小，且下降趋势逐渐增大。
在区域沉降阶段，在海水环境下沉积，水溶液含盐量较高，电解质浓度高，泥浆中细颗粒悬浮颗粒离子交换的能力较强，黏粒在静电力作用下更容易再絮凝成絮团，成为更大的粒团而匀速下沉，其沉积规律符合Stokes定律。在此期间，土颗粒絮凝呈团状，呈悬浮状态，孔隙比很大，团状絮凝体内土颗粒尚未相互接触，土体骨架尚未形成。在该阶段泥浆浊液面沉降量的大小基本上取决于泥浆的初始浓度，泥浆愈稀，黏粒絮凝效应发展最为充分，其沉降速率越大，沉降量也越大。
2.3 压缩沉降期
继续对沉降柱内泥浆浊液面下降深度进行监测(0～4 000 min)，见图5，由图可见泥浆浊液面历时曲线上有明显的拐点，在拐点前泥浆浊液面呈匀速快速下沉，在拐点后，沉降速率阻滞衰减，拐点前后泥浆的下沉速率具有显著差异。由图5中该阶段泥浆浊液面历时曲线的线性拟合直线斜率对比可知，在拐点发生后泥浆浊液面沉降速率基本相当，受泥浆的初始浓度影响不大。
图5 泥浆浊液面历时曲线(0～4 000 min)Fig.5 Depth to interface versus time for 4 000 min
根据EM1110-2-5027规定当泥水分界面下沉历时曲线出现明显拐点，开始发生压缩沉降阶段，该拐点即为压缩沉降的起始点，在拐点发生后，泥浆浊液面下降速率显著下降，虽然很缓慢，但依然呈现线性的下降规律。由于该规范并未给出拐点的量化方法，仅为描述性定义。为了量化确定该拐点，明确划定区域沉降和压缩沉降期的界限，对压缩沉降起始段进行线性拟合，见图5，该拟合直线与区域沉降时期线性段拟合直线的交叉点，为压缩沉降期的起点，也是区域沉降期的终点。
根据公式C0×H0=Ct×Ht及其他相关换算公式，可计算得到泥浆浊液面下沉曲线发生拐点时，各泥浆试样的物理状态性质参数见表3。由表可知，在拐点时刻，泥浆的浓度、密度、质量分数与初始浓度均呈正相关关系，孔隙比和含水量均有显著的降低。
表3 发生拐点时泥浆的基本物理指标Tab.3 Physical indexes of the sediment at the break point
MONTE和KRIZEK[13]首先引入“流限”概念，将抗剪强度为零的最低含水率定义为流限含水率(wf)，相应孔隙比为流限孔隙比(ef)，在沉降柱试验中对应于沉降高度第一个极限点“流限高度”，流限高度为自由沉降段(区域沉降段)与阻滞衰减沉降段(压缩沉降段)分界点。CARRIER等[14]通过试验确定的不同沉积淤泥流孔隙比在9～30，约为液限孔隙比7倍(见式1)。
ef=7GswL
(1)
(2)
wf=7wL
(3)
假定沉积土体为饱和状态，根据式(2)可得，流限含水率为7倍液限式(3)。四种初始浓度泥浆浊液面沉降发生拐点时：ef50=12.1GswL，ef100=9.1GswL，ef150=7.5GswL，ef200=6.1GswL，wf50=12.1wL，wf100=9.1wL，wf150=7.2wL，wf200=6.1wL，试验结果与CARRIER等[14]、王保田等[15]研究结果一致。
持续对沉降柱内泥浆浊液面进行观测10 d，泥浆浊液面的历时曲线见图6，通过公式换算，得到沉降柱下部泥浆-孔隙比的历时曲线。根据王保田，郭帅杰等研究成果找出es等值线，大概需要4～6 d时间才能达到固限孔隙比，见图7。
综上将泥浆孔隙比由流限孔隙比ef(泥浆浊液面沉降发生拐点的时间)至达到固限孔隙比es之间的阻滞衰减沉降段，称为压缩沉降阶段。在此期间随着沉降柱下部悬浮土颗粒的聚集，泥浆浊液面下的浓度逐渐增大，小的土颗粒絮凝团块逐渐凝聚成大的絮凝团块而逐渐发生聚沉，而大的絮凝团块依然由悬浮状态逐渐相互接触而堆积，土体骨架在逐渐形成，颗粒絮凝团块因堆积而发生压缩，尚未产生超净孔隙水压力(u=0)，土体自重应力逐渐开始起作用的过程。
2.4 固结沉降阶段
在压缩沉降期后期，沉降柱内的泥浆趋于沉降稳定，见图7和图8，泥浆浊液面下沉极为缓慢，孔隙比变化曲线平缓，此时土的固体颗粒之间已开始相互接触，形成初始连结形成骨架，传递土颗粒间应力，土体颗粒开始受力，土体自重应力起作用。由于土体颗粒在自重应力下产生挤压，使得土粒之间产生超静孔隙水压力并逐渐增大，随着孔隙水压力的消散，有效应力逐渐增长，孔隙中一部分水向下排出土体而孔隙比减小，土体发生固结变形。此时固体颗粒在自重应力作用下，进而形成比较稳定的结构，沉降量很小，但延续时间却很长，逐渐发生主固结沉降和次固结沉降过程。
图6 泥浆浊液面历时曲线示意图Fig.6 Depth to interface versus time图7 沉降柱内泥浆-孔隙比的历时曲线(10 d)Fig.7 Depth to interface versus time for 10 d
根据观测资料和国内外相关研究成果，将疏浚泥浆在静水中的沉降过程，划分为三个阶段，各阶段划分及界限点如图6所示，总结得出各沉淤阶段沉降规律如下：
(1)区域沉降阶段(zone settling)，是沉降初期出现浊液面沉速保持恒定的初始自由沉降段，泥浆浊液面历时曲线的斜率即为区域沉降速率(vs)。从泥浆产生浊液面开始，发生区域沉降，土颗粒絮凝呈团状絮凝体，整体自由下沉，泥浆浊液面受泥浆的初始浓度影响很大，沉降速率越大，沉降量也越大。
(2)压缩沉降阶段(compression settling)，是泥浆孔隙比由流限孔隙比ef(τ=0)至达到固限孔隙比es(u=0)之间的阻滞衰减沉降段，从泥浆浊液面历时曲线发生拐点起算，即区域沉降阶段沉降历时曲线线性段拟合直线与压缩沉降阶段初期沉降历时曲线线性段拟合直线的交叉点。
图8 泥浆浊液面历时曲线(10 d)Fig.8 Depth to interface versus time for 10 d
在此期间随着沉降柱下部悬浮土颗粒的聚集，颗粒絮凝团块因堆积而发生压缩，土体骨架在逐渐形成，开始产生有效应力，尚未产生超净孔隙水压力的过程。本次试验旨在对沉积过程各阶段沉积行为进行分析研究，不考虑尺寸效应对泥浆沉降的影响，未对下部沉降区内剪切强度和孔隙水压力进行测试，有待使用大尺寸沉降柱对下沉区强度增长规律和孔隙水压力变化规律做进一步的研究。
(3)固结沉降阶段(consolidation settling)，沉降柱内的泥浆趋于沉降稳定，固体颗粒之间相互接触，初始连结形成骨架，传递土颗粒间应力，使得土粒之间产生超静孔隙水压力并逐渐消散，在有效应力作用下土体发生固结变形，逐渐发生主固结沉降和次固结沉降。
根据室内沉降柱试验结果，疏浚泥浆的沉淤过程可分为区域沉降阶段、压缩沉降阶段和固结沉降阶段。主要得到以下结论：
(1)在静海水环境下，泥浆悬液形成泥浆浊液面后，开始发生区域沉降阶段，在此阶段泥浆浊液面保持匀速整体下沉，沉降速率保持不变，泥浆的初始浓度越小，匀速的沉降速率越大。
(2)将泥浆浊液面历时曲线的拐点作为压缩沉降阶段的起始点，本文给出量化确定拐点的方法，该阶段沉降速率阻滞衰减，沉降极为缓慢，各浓度试样的沉降速率基本相当，与初始泥浆浓度影响不大；
将泥浆孔隙比由流限孔隙比ef(泥浆浊液面沉降发生拐点的时间)至达到固限孔隙比es之间的阻滞衰减沉降段，称为压缩沉降阶段；
泥浆浊液面沉降发生拐点时ef=6.1～12.1GswL。
(3)在固结沉降期，泥浆浊液面下沉极为缓慢，泥浆浊液面趋于沉降稳定，土体发生固结变形以及次固结变形。
综上对疏浚淤泥在静海水环境下的沉淤过程进行阶段性分析，给出了各沉降阶段划分界限和划分方法，进一步揭示疏浚泥浆各沉降阶段的沉积规律，为疏浚施工和设计提供理论指导。
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