陈 国 公， 武 亚 军*， 许 嘉 乐， 李 运 红， 王 攀， 秦 荣 荣，LE Thanh Hai, VU Quoc Vuong

( 1.上海大学 土木工程系， 上海 200444；2.中国冶金地质总局青岛地质勘查院， 山东 青岛 266109；3.越南胡志明市国立大学 资源与环境研究院， 胡志明市 740500， 越南；4.越南水利大学 土木工程学院， 河内 116301， 越南 )

0 引 言

随着经济的快速发展，对土地资源的需求越来越大，因此多地采用围海造地的方式提供土地．围海造陆工程能够提供大量平整成片的土地，在上海、天津、广州、香港等地已有多年围海造陆的实践．据统计，到20世纪末，中国已经围海造地约1.2×104km2[1]．

围海造地中所采用的最理想的吹填材料为中粗砂，但是随着围海造陆工程的不断扩大，对填料的需求急剧增长，中粗砂填料资源短缺，价格不断上涨，进而造成围海造地的成本极大提高，采用中粗砂填料的方案越来越难以实现．许多地区航道疏浚挖出大量海洋疏浚泥，将这些海洋疏浚泥用于围海造地，不仅省去底泥消纳场地，减少环境污染，而且可以解决围海造地的土方来源，大大降低围海造地成本．目前山东沿海地区吹填造地工程中大多使用基于水力疏挖原理的疏浚方法，将海洋疏浚泥稀释为泥浆吹填到堆场中，土颗粒在自重作用下沉降固结，上层积水排放后形成吹填场地[2]．吹填土是由水力吹填而成，其成分和分布与所吹填泥沙的来源有着密切关系[3]．

海洋疏浚泥是一种高水率泥浆，一般具有土颗粒细、含水率高、孔隙比高、透水性差等特点，因此，吹填至圈围场地之后很难在短时间内完成固液分离，通常需要采用真空预压法加快排水固结．真空预压法作为一种工艺简单的静力排水固结方法得到了广泛应用，尤其适用于大面积吹填超软土地基处理[4-5]．但是，由于海洋疏浚泥土颗粒太细，渗透性能极差，采用常规真空预压法不仅固结时间长，而且加固后土体强度仍然比较低，许多地区仅仅将常规真空预压法作为疏浚泥浅层处理的一种预处理手段．究其根本原因，与疏浚泥矿物成分和分散体系的Zeta电位有关，黏土矿物含量越高，分散体系的Zeta电位越高，稳定性就越好，排水越困难，真空预压法的固结效果就越差．

为了加快淤泥、泥浆、污泥的絮凝，并提高其排水固结特性，许多学者进行了大量的研究，并积累了大量的研究成果[5-10]．其中对絮凝剂真空预压法的研究大多基于土壤的基本物理特性，但化学絮凝剂对土壤作用的微观机理尚不明确．山东沿海地区特别是东营一带的海洋疏浚泥非常典型，排水固结特性很差，采用普通真空预压处理需要很长时间．为研究絮凝剂真空预压法中化学絮凝剂对土壤作用的微观机理，本文从加入絮凝剂以改善疏浚泥的微观胶体化学特性入手[11-14]，在前期对该地区疏浚泥固结特性研究的基础上，对东营地区疏浚泥的絮凝特性与真空预压排水特性开展研究，以期对该地区疏浚泥地基提供一条快速排水固结处理的新思路．

1 海洋疏浚泥的基本性质

图1 山东东营疏浚泥吹填现场

该地区的疏浚泥经过多年的自重沉积，内部已经形成了一定的结构强度，该疏浚泥的基本物理指标如表1所示，从中可知泥样的初始含水率为43.7%，液限、塑限分别为33%、18.8%，含水率大于液限，孔隙比大于1.0，根据各项指标综合判断该软土为淤泥质粉质黏土．

表1 疏浚泥的基本物理指标

2 絮凝试验

2.1 试验方案与材料

为探究添加絮凝剂对于吹填泥浆沉降速度以及絮凝效果的影响，分别使用不同添加量的生石灰(quicklime，化学式CaO)和阴离子型聚丙烯酰胺(anionic polyacrylamide，简称APAM，相对分子质量为1×107)进行了沉降柱试验，如图2所示．其中CaO按照泥浆的质量分数进行添加，APAM按照APAM溶液添加的原状泥浆质量分数换算为质量直接添加粉末，试验仪器主要有精度0.01 g的电子天平、500 mL烧杯、滴定管、20 mL 移液管、1 000 mL量筒、玻璃棒和SGZ-200AS型浊度仪等．

图2 沉降柱试验装置

通过沉降柱试验来探究不同添加量的CaO与APAM絮凝剂对于絮凝速度、上清液浊度和絮凝后泥浆含水率的影响，综合评价适用于实际工程的絮凝剂与添加量，选择CaO与APAM作为絮凝剂的依据是本课题组的前期研究成果．

2.2 絮凝试验结果分析

如图3所示，加入不同量的APAM，其沉降速度随着添加量的增加而加快，在添加量为15%时速度最快且在5 min内基本完成沉降，后续基本不再沉降，较原状泥浆沉降速度有较大的提升，但是在不同添加量下最终的沉降高度基本一致．上清液浊度随着添加量增加先降低后增加，这是因为APAM添加量较小时，APAM的吸附架桥作用会将相邻土颗粒连结形成粒径较大的絮凝团聚体，加速沉淀，上清液浊度较低；当添加量较大时，土颗粒被APAM长链所包围，土颗粒表面没有吸附点，颗粒无法继续吸附架桥，多余絮凝剂形成胶体稳定分布于上清液中，造成上清液浊度增加．

图3 添加APAM后土柱高度变化

如图4所示，在加入不同量CaO的泥浆中，可以看到絮凝速度明显低于原状泥浆的絮凝速度，且随着添加量的增加泥浆絮凝速度先减小后增大，最终的混液面高度也出现了较大区别，随着CaO添加量的增加混液面高度逐渐增加，但添加量较大时混液面高度保持一致．上清液浊度随着絮凝剂添加量增加先降低后增加，这是因为Ca2+吸附在土颗粒表面，中和了一部分负电荷，减薄双电层，土颗粒间距减小，土颗粒之间引力增大，相互吸引聚集，使大量土颗粒形成较大的土团粒，浊度降低；当添加过量时，土颗粒之间由于Ca2+大量吸附于表面而使土颗粒带正电荷，土颗粒之间静电斥力增加，更多小颗粒悬浮于上清液中，且过量Ca(OH)2也会悬浮在上清液中，造成上清液浊度增加．总体来看，在絮凝速度、最终混液面高度以及上清液浊度方面，添加APAM的效果要优于添加CaO的．

图4 添加CaO后土柱高度变化

3 真空预压试验

3.1 试验方案与设备

真空预压试验中所用到的设备如图5所示，主要有真空泵、抽滤瓶、排水管及高80 cm、直径20 cm的有机玻璃圆柱形桶．密封盖采用20 mm厚的硬质有机玻璃板，板中心开孔．排水管从有机玻璃板中心孔与模型箱底部排水孔穿出后与真空泵连接，真空荷载可以通过该排水管直接传递到土工布与砂垫层上，再传递到泥浆中．

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图5 真空预压试验装置

由前期所做的沉降柱试验与固结试验确定了两种絮凝剂的最优添加量范围，为了找到处理吹填泥浆的最佳絮凝剂与最优添加量，泥浆含水率均调配为500%，在前期试验的基础上对不同絮凝剂添加量进行真空预压试验，并用原状泥浆的真空预压试验作为对照组．

将絮凝剂加入泥浆中，搅拌均匀后再将泥浆放入模型箱中静置沉淀24 h，泥浆出现固液分离现象，记录液面下降高度，待沉降稳定后排出上清液进行真空预压试验．进行真空预压试验前要检查装置密封性，试验中真空度要求维持在80 kPa左右，真空预压中读取的数据主要有真空度、混液面高度和抽滤瓶中排水量．试验结束后，测量含水率、无侧限抗压强度、阳离子交换容量等指标来探究添加絮凝剂时疏浚泥工程性质变化规律，并通过阳离子交换容量等指标分析其变化机理．

3.2 真空预压试验结果分析

(1)静置沉降阶段排水量分析

在静置24 h后，泥浆上清液高度如图6所示，随着CaO添加量的增加混液面高度逐渐增加，上清液体积减少．在添加APAM时，最终的混液面高度基本相同，排出上清液体积也基本相同．此外虽然两次沉降试验的模型高度与直径不同，但本次试验结果与沉降柱试验得出的规律是一致的，也再次验证了沉降柱试验所得出的结论．

图6 静置24 h后的上清液高度

(2)真空预压排水量分析

在前期的静置沉降阶段结束后，直接在各个模型箱进行真空预压试验，在排水量保持稳定后停止真空预压试验．真空预压下排水量随时间变化如图7所示．由图可知，在真空预压前期，添加15%APAM的泥浆真空预压排水速率最大，排水量也最大；添加0.6%CaO的泥浆反而排水速率与排水量最小．随着真空预压排水的进行，可以看到原状泥浆排水明显变慢，排水量与排水速率很快小于其余添加了絮凝剂的泥浆的排水量与排水速率，添加APAM的泥浆排水速率也出现了缓慢下降的现象，而添加CaO的泥浆排水速率在开始虽然并不快，但是排水速率一直基本保持稳定，随着排水的不断进行，添加0.6% CaO的泥浆排水速率与排水量最大．在4 h左右时，排水量与排水速率大小排序均为0.6%CaO>0.2%CaO>0.4%CaO>15%APAM>12.5%APAM>原状泥浆，添加0.6%CaO的泥浆排水速率是原状泥浆排水速率的5倍左右．

图7 真空预压下排水量随时间变化

此外，原状泥浆真空预压的排水时间最长，其排水时间远远大于其余添加了絮凝剂的排水时间，添加CaO与APAM的泥浆在5～6 h就停止排水，而原状泥浆在40 h左右才停止排水．试验结果表明CaO与APAM均能提高泥浆的渗透性，大幅度减少排水时间，且添加CaO的泥浆排水时间少于添加APAM的泥浆排水时间，这与前期固结试验所得出的结论是相对应的，固结试验结果表明CaO与APAM均能提高泥浆固结系数，且添加CaO后泥浆的固结系数变化幅度明显大于添加APAM的．

(3)真空预压沉降分析

真空预压下沉降量随时间变化如图8所示．由图可知，其变化趋势与排水量基本一致，在前期依然是添加15% APAM的泥浆真空预压的沉降量最大，但是沉降速度逐渐变缓，而添加CaO的泥浆在真空预压下沉降速度下降较小，随着真空预压试验的进行，沉降量逐渐高于添加APAM的泥浆沉降量；原状泥浆的沉降速度是下降最快的，其沉降速度在10 min左右就明显小于其余组别，与真空预压排水量分析相对应，其沉降时间也是最长的并且远远大于添加CaO与APAM的泥浆沉降时间．尽管添加APAM的泥浆最终沉降量与原状泥浆最终沉降量十分接近，但原状泥浆最终沉降量依然是最小的．

图8 真空预压下沉降量随时间变化

(4)真空预压后含水率分析

在真空预压停止后，从各模型箱中分别取出试样中心处的土样进行含水率测试，试验结果如图9所示．

图9 真空预压后土体的含水率

从含水率试验结果可以看出，原状泥浆真空预压后的含水率最终为37.00%，低于原状吹填土体的初始含水率，说明真空预压对原状未经处理吹填土体具有一定的加固效果．此外，真空预压后土体的含水率高于液限，液性指数大于1，说明土体仍处于流塑状态．在添加0.2%CaO时，可以看到含水率基本保持不变，但是，在添加0.4%CaO与0.6%CaO时，泥浆含水率突然增大，并且随着添加量的增加而增大．但在添加APAM时，泥浆在真空预压后的含水率与原状泥浆真空预压后的含水率基本保持一致，这与前文中排水量结果相对应，添加APAM的泥浆上清液高度和真空预压排水量与原状泥浆均很接近，所以最终两者含水率也基本相同．

(5)无侧限抗压强度分析

在真空预压停止后，在每个模型箱中取圆柱土样中心部分进行无侧限抗压试验，试验仪器为应变控制式无侧限抗压强度仪．试验结果如图10所示．

图10 真空预压后土体的无侧限抗压强度

从图10可以看出，在泥浆中添加CaO与APAM，真空预压试验后土体的无侧限抗压强度较原状泥浆真空预压后均得到了提升．添加APAM真空预压后土体的无侧限抗压强度有提升，且随着添加量增加而增大．在添加CaO时，虽然无侧限抗压强度均大于原状泥浆真空预压后，但是可以看到添加0.2%CaO时反而比添加0.4%CaO 与添加0.6%CaO时的无侧限抗压强度更大，这主要是因为含水率的影响，添加0.4%CaO 与添加0.6%CaO的泥浆在真空预压后的含水率是高于其他组别的，更高的含水率使得土体的无侧限抗压强度降低，但即使添加CaO的泥浆真空预压后含水率高于原状泥浆真空预压后的含水率，但强度依然大于原状泥浆，这主要是因为CaO具有固化作用[13]，从CaO加入泥浆开始就发生了一系列复杂的物化反应，包括水化作用、凝聚作用等，这些物化反应随着真空排水的进行不断发生，含水率不断降低，密度不断增大，极限静切应力继续增大，液塑限增大，且添加CaO的泥浆经真空排水后，颗粒团聚数量多，颗粒增大，颗粒间接触紧密，以面与面接触为主，孔隙含量较低，土的密实性较高，因此添加CaO的土体强度得到了显著提升．

(6)阳离子交换容量分析

本文测定土体阳离子交换容量采用的方法为BaCl2缓冲溶液法，测试的结果如图11所示，从原状泥浆与添加絮凝剂之后泥浆土体阳离子交换容量对比可以看出，添加CaO后土体的阳离子交换容量增加，且随着添加量的增加而增大，这主要是由于添加CaO至泥浆后生成的Ca(OH)2使得pH增大，影响了胶体表面官能团中H+的解离，从而影响可变电荷造成阳离子交换容量增加．而土体阳离子交换容量越高，在无外部作用的情况下，土壤细颗粒间的胶结团聚能力越差，这也造成了在静置沉降阶段，添加CaO的泥浆在沉降速度与沉降高度上与原状泥浆相比均效果较差．而在添加APAM后，可以看到与原状泥浆相比，土体的阳离子交换容量并没有明显变化，说明APAM对于泥浆中电荷以及土壤细颗粒的双电层基本无影响，其主要通过有机高分子的吸附架桥作用来卷扫沉积物，从而使颗粒聚集沉淀，增大颗粒体积，加快絮凝速度，以及提高泥浆渗透性．

图11 真空预压后土体的阳离子交换容量

4 结 论

(1)对于APAM絮凝剂，混液面沉降速度随着添加量的增加而加快，在添加量为15%时速度最快且在5 min内基本完成沉降，后续基本不再沉降，较原状泥浆沉降速度有较大的提升，但是在不同添加量下最终的沉降高度基本一致．

(2)对于CaO絮凝剂，加入CaO后絮凝速度明显低于原状泥浆的絮凝速度，且随着添加量的增加泥浆絮凝速度先减小后增大，最终的混液面高度也出现了较大区别，随着CaO添加量的增加混液面高度逐渐增加，但添加量较大时高度保持一致．

(3)在真空预压试验中，4 h左右时，排水量与排水速率大小排序为0.6%CaO>0.2%CaO>0.4%CaO>15%APAM>12.5%APAM>原状泥浆，添加0.6%CaO的泥浆排水速率是原状泥浆排水速率的5倍左右．

(4)添加CaO后，泥浆土体的阳离子交换容量增加，且随着添加量的增加而增大，这主要是由于添加CaO至泥浆后生成的Ca(OH)2使得pH增大，影响了胶体表面官能团中H+的解离．添加APAM后，泥浆土体的阳离子交换容量并没有明显变化，说明APAM对于泥浆中电荷以及土壤细颗粒的双电层无影响．