魏星

摘要：通过室内沉降柱试验，模拟了吹填泥浆在掺入少量生石灰下的沉降过程，探讨了少量生石灰对吹填泥浆的预处理效果并解释作用机理。试验结果表明：生石灰的掺入对吹填泥浆的沉降有促进作用，生石灰在较低掺量情况下，可以加快吹填泥浆沉速，降低沉积物含水率；较高掺量的情况下，可以使吹填泥浆尽快进入自重固结阶段，沉积物沉降量更加稳定，研究结果对实际工程具有一定的参考价值。

关键词：吹填泥浆；生石灰；沉降；作用机理

中图分类号：TU411 文献标识码：A 文章编号：1006--7973（2016）05-0070-03

1.引言

随着沿海经济的快速发展，土地资源逐渐日益紧张，吹填造陆是解决这一问题的有效方法之一，但吹填土体的工程性质很差，自重沉降过程耗时久，这样大大增加了工程经济成本和时间成本；对吹填土进行处理，改良其沉降特性，从而降低成本。目前，已有很多学者对吹填土的处理进行了研究，并取得一定的成果。刘莹等通过室内模拟试验，对掺加固化剂的泥浆进行了效果对比；谢海澜等对粉煤灰处理吹填泥浆进行了试验研究，说明了粉煤灰处理吹填土的可行性；刘娉慧等研究了利用外掺剂快速加固吹填泥浆的方法；陈永辉等提出就地固化吹填土的新方法，并对处理效果进行了试验研究；李强等研究了通过固化剂处理吹填土方法，提高了高含水率疏浚泥的利用率。

考虑到较高掺入量的生石灰所需的工程成本较高，本试验采用掺量相对较低的生石灰来对吹填泥浆进行预处理，通过沉降柱试验研究其沉降过程、作用机理以及不同生石灰掺量下的作用效果。

2.试验材料与方法

2.1试验材料

试验土样取自上海市地区第四层土，土样比重2.74，依照《土工试验方法标准》对试验土样进行颗粒分析试验，其中小于0.005mm的颗粒含量约为47%，介于0.005-0.075mm之间的颗粒含量约为51.8%，大于0.075mm的颗粒含量约为1.2%，颗粒分析曲线如图1。试验泥浆为上述土样自然风干之后，加水配制成初始含水率为200%的泥浆。试验仪器采用由有机玻璃制作的高50cm，直径12.99cm的沉降柱。

2.2试验方法

向已经配制好的泥浆中分别加入2‰、5‰、8‰掺量的生石灰，在充分搅拌之后将泥浆分别倒人沉降柱中，记录沉降量，并由此推算沉降速率、孔隙比变化以及容重变化。试验分组和泥浆各初始参数如表1。

3.不同生石灰掺量的沉降柱试验

3.1沉降规律

在研究不同掺量生石灰对吹填泥浆沉降的影响时，进行了分别掺入2‰、5‰、8‰生石灰的沉降柱试验，分别得到三种不同生石灰掺量下的沉降量随时间的关系曲线，如图2。

从图2中可以看出，三种生石灰掺量下，吹填泥浆的沉降规律基本相同，即在初始阶段泥水分界面均出现在0.5-1h之间，在泥水分界面出现之后，分界面即开始快速下沉，沉降量近似线性增加；前3d左右，沉降量保持近似线性增加，其中生石灰掺量为2‰和5‰的沉降量曲线几乎重合，而生石灰掺量为8‰的泥浆前期沉降量略低于前两种掺量；在3-4d左右，三种掺量的沉降曲线均出现了明显的非线性增长趋势，其中2%e掺量的沉降曲线经历了较长时间的非线性增长阶段，而5‰和8‰掺量的沉降曲线均在较短的时间内完成了沉降量非线性增加阶段，并且沉降量拐点非常明显；在沉降量非线性增加阶段，2‰和5‰掺量的沉降量出现了明显的差异，但两者的沉降量均明显大于8‰掺量的沉降量；在5-6d左右，5‰和8‰掺量的沉降曲线开始趋于平稳，沉降量变化非常缓慢，5‰掺量的沉降量有非常小幅度的增长，而8‰掺量的沉降量几乎为一条平行于横坐标轴的直线，此时2‰掺量的沉降量曲线仍然以较快的沉速非线性增加，沉降量明显大于另两种掺量的情况；12d左右，2‰掺量的沉降曲线开始趋于平稳；15d左右，三种掺量的沉降量曲线均处于沉降量稳定阶段。

图3为不同生石灰掺量下的沉降速率曲线，从图3中可以看出，三种掺量的前期沉速的峰值出现的时间基本相同，这与其析出泥水分界面的时间一致，同时三个峰值中2%。掺量对应的沉速最大，8‰掺量的沉速最小；前3d三者的沉速差距很小，其中2‰和5‰的沉速基本相同；在3d左右，三种掺量的沉速均有所减小，其中5‰和8‰掺量的沉速在24h之内迅速减小，2‰掺量的沉速虽也有减小，但减小量不是非常明显；在4d左右，2‰掺量的沉速明显大于另外两种掺量的沉速，5‰掺量的沉速仍然在减小，而8‰掺量的沉速已基本减小到最小值；6d左右5‰和8‰掺量的沉速已接近0，且沉速保持稳定；12-13d左右，2‰掺量的沉速已基本减小至最小值。整个沉降过程中，2‰掺量的沉速最大，且最晚进入沉速稳定阶段；8‰掺量的沉速最小，并且最早进入沉速稳定阶段；进入稳定阶段后，三种生石灰掺量对应的沉速均非常小。

图4、5分别为不同生石灰掺量下孑L隙比变化曲线和容重变化曲线，从图中可以看出两者的变化规律与沉降量变化规律相似，在初始阶段2‰和5‰的孔隙比和容重变化曲线几乎重合，并且均在3-4d左右开始出现明显差异；整个沉降过程中2‰掺量的孔隙比最小，容重最大，8‰掺量的孔隙比最大，容重最小；8%掺量的孔隙比和容重的变化最先进入稳定阶段，2%e掺量的孔隙比和容重最晚进入稳定阶段。

3.2试验结果分析

通过不同生石灰掺量下的吹填泥浆沉降柱试验，发现生石灰的掺量对吹填泥浆的沉降有很大影响，沉降稳定时不同生石灰掺量的泥浆沉积物的参数见表2。

从试验结果中可以看出生石灰的加入对泥浆自重沉降有很大的影响。在沉降初始阶段，不添加生石灰的天然泥浆自重沉降时会有絮凝阶段，在这个阶段沉降量的变化很小，之后会逐渐过渡到加速段；与天然泥浆的自重沉降相比，在掺人生石灰之后，絮凝阶段很短几乎没有在沉降曲线上表现出来，同时掺人生石灰的泥浆其泥水分界面出现很快，在泥水分界面出现之后，沉降量即开始快速增加，其沉降量近似线性增加段经历较短的时间后即出现了沉降量非线性增加段，沉速明显减小，这是因为由于生石灰加入吹填泥浆后与水发生反应，生成ca（OH）2，进而在泥浆中产生大量ca2+，增加了泥浆中高价阳离子的浓度，由于较高的阳离子浓度和较高化合价的阳离子会加速泥浆的沉积固结，当ca2+加人泥浆之后，土颗粒表面会吸附更多的ca2+，随着土颗粒表面高价离子的增多，土颗粒的双电层厚度减小，土颗粒之间的更容易产生凝聚作用而形成较大的团粒，从而加速泥水分界面的形成；由于生石灰加速了土颗粒的絮凝，使沉降过程中的絮凝阶段大大缩减，在出现泥水分界面后基本没有絮凝过渡区，泥浆的沉降量即开始快速增加并很快达到沉降量拐点处；在沉降量拐点出现后，土颗粒之间已出现较明显的有效应力，沉积土体基本进入自重固结阶段，所以此时沉降量变化缓慢且较稳定。

沉速出现图3的变化情况是因为在出现泥水分界面时，相对沉降速率会出现较大的突变，所以在开始阶段，三种生石灰掺量的泥浆均出现了沉速突变点，由于絮凝作用，泥浆中的土颗粒相互搭接，并迅速进入群体沉降阶段，开始阶段由于土颗粒近似悬浮，土颗粒之间的有效应力很小，不同生石灰掺量的泥浆沉速分别集中在各自对应的区间内，沉速相对稳定；由于土颗粒的不断下沉，土颗粒之间很快产生有效应力，阻碍土体的沉降，沉速也因此迅速衰减，在这之后沉积土体开始自重固结阶段，孑L隙水排出缓慢，沉速很小且较为稳定。

从图2～5和表2中可以看出，不同生石灰的掺量对吹填泥浆的沉降有较大影响。对于相同初始含水率的泥浆，生石灰掺量越高沉速越慢，沉积泥柱的高度越高，沉降量稳定的越快；在达到稳定后相同的时间内，生石灰掺量较高的泥浆，其沉降量变化较小，沉积物的含水率和孔隙比较大，容重较小。这是因为生石灰不仅可以使土颗粒产生絮凝作用，还可以增强土颗粒之间的胶结作用，当生石灰的掺量提高时，其胶结作用增强，同时可以提高沉积土体的强度。在生石灰掺量较低时，生石灰的胶结作用比掺量高的弱，形成的泥浆比掺量高的稀，但对细小颗粒仍然有絮凝作用，细小颗粒可以快速絮凝成较大的团粒；当生石灰掺量较高时，其胶结作用较掺量低的情况明显增强，形成的泥浆较稠，细小颗粒在絮凝成较大颗粒之后，部分生石灰形成的胶结物连接土颗粒，这使得土颗粒之间相互联系，通过胶结物搭接在一起，形成比细小颗粒自身絮凝形成的絮网强度更高的网状结构，相较于生石灰掺量较低的情况，其初始阶段排水更慢，沉降也更慢，所以初始阶段生石灰掺量高的泥浆，沉速较慢。

由于胶结物质的作用，掺量较高的泥浆形成的结构强度更高，有效应力出现的更早，自重固结阶段更加提前，所以在初始含水率相同的情况下，生石灰掺量越高，其沉降量拐点出现的越早，即沉降量稳定的越快。由于胶结物质是土颗粒之间出现有效应力更早，结构强度更高，所以较高的生石灰掺量对应的沉积泥柱的高度越高，同时较高的生石灰掺入量也会使泥浆更容易形成絮网结构，孑L隙水排出更慢，沉降量也更小，所以如表2所示，在沉降稳定阶段，生石灰掺量较高的泥浆，其沉积物的含水率和孔隙比较高，容重较低。

4.结论

通过对不同生石灰掺量的吹填泥浆沉降柱试验的研究分析，可以得到以下结论：

生石灰由于对泥浆具有絮凝和胶结作用，所以对吹填泥浆的沉降及稳定有促进作用。

生石灰的加入可以加快泥水分界面的析出，同时初始的絮凝阶段历时更短。

生石灰掺量越高，吹填泥浆的沉速越慢，沉降量越小，沉降稳定的越早，稳定后沉降量的变化越小，但同时其孔隙比和含水率越大，容重越小。