絮凝-水平真空两段式脱水法处理高含水率疏浚淤泥模型试验研究

针对目前预制竖向排水板(PVD)真空预压法处理疏浚淤泥(软土)时存在的板材弯折和淤堵严重的问题,提出了一种絮凝沉积-水平真空两段式脱水法处理高含水率疏浚淤泥。首先,开展PVD和水平排水板(PHD)对比模型试验,表明PHD相对于PVD具有板材变形小、脱水速率均匀、长期脱水效果好等优点。就研究案例而言,PVD的最终排水量仅为PHD的77.4%。然后,研究了絮凝剂(阴离子型聚丙烯酰胺即APAM)对絮凝沉积-水平真空两段式脱水法排水性能的影响,研究显示絮凝剂的添加可以大幅提高疏浚淤泥的脱水效率。絮凝剂主要通过沉积脱水降低含水率以及絮凝簇团作用改善土体的不均匀固结问题两个方面来整体提高脱水效率;相较于没有添加絮凝剂的试验组,适量添加絮凝剂(0.45%干土质量)可缩短35%的脱水时间。最后,分析了静置沉积时长(即真空介入时间点)对脱水速率的影响。结果表明真空介入过早不利于絮凝剂发挥最大脱水效果且易带来明显的不均匀固结问题,最佳介入时间为静置沉积24 h后。     

疏浚淤泥化学絮凝−真空预压深度脱水效果评价

为实现疏浚淤泥高效快速脱水减容,选取化学絮凝和真空预压相结合的脱水技术,利用自制真空预压抽滤装置对5种类型絮凝剂调理淤泥进行系列室内脱水试验,通过上清液高度、泥水分界面高度、沉降速率、底泥含水率等指标,综合评价疏浚淤泥沉降过程与深度脱水效果。结果表明：5种絮凝剂对应最优添加量分别为Ca(OH)2(1 500 mg/L)、PAFSI(200 mg/L)、PAC(200 mg/L)、HCA(50 mg/L)、APAM(500 mg/L);与原始淤泥自然沉降过程相比（底泥高度17.14 cm、含水率96.8%）,真空预压可实现絮凝调理淤泥脱水减容、底泥平均含水率降至53.5%,使底泥体积进一步压缩20.48%～36.99%;真空预压作用下,絮凝调理淤泥在50 min内达到沉降速率峰值,前120 min内淤泥絮凝效果明显、泥水分离程度占据主导;与原始淤泥真空预压对比,絮凝?真空预压大幅提升淤泥沉降速率、有效缩短峰值对应沉降时间,最优絮凝剂（APAM）底泥沉降速率峰值、淤泥总高度沉降速率峰值对应时间点缩短87.5%和83.33%,峰值速率分别增加3.56倍、5.18倍;添加适量絮凝剂能有效改善淤泥脱水性能,增大泥粒尺寸、防堵促排,加速疏浚淤泥沉降与泥水分离效率。化学絮凝?真空抽滤技术有利于实现疏浚淤泥减量化,显著缩短工期、加快施工进度、减少堆积占地,具有显著的工程应用价值。     

絮凝−真空−电渗联合加固滩涂软土的模型试验研究

针对真空预压作用下排水板淤堵与排水条件受限等问题,提出絮凝−真空−电渗联合加固法。首先通过沉降柱试验确定合适的有机絮凝剂,然后采用该絮凝剂,分别在 48 h（开始介入真空预压,固结度为0 ）、60 h（排水速率明显下降,固结度为60%）及 84 h（排水速率近乎 0,固结度为 80%）时介入电渗,开展不同电渗介入时间的絮凝−真空−电渗联合加固试验。试验从排水量、十字板剪切强度、含水率与孔压等对比分析联合加固的有效性,确定其最佳电渗介入时间。试验结果表明：当固结度为 80% 时介入电渗,絮凝−真空−电渗联合加固法能够有效地抑制排水速率减小的趋势,增长有效排水时间。同时,土体的抗剪强度和承载力亦得到大幅提升,孔压消散更加均匀。此外,在阳离子聚丙烯酰胺絮凝剂的作用下,初始排水速率快,在一定程度上使土体的渗透性得到提升,有效地解决了排水板淤堵问题,说明絮凝−真空−电渗联合加固法具有较强的优越性。     

考虑淤堵效应的疏浚淤泥真空固结沉降计算

疏浚淤泥含水率高、强度极低,真空梯度作用下排水板周围会快速形成致密“土柱”,导致排水固结能力迅速下降,即出现淤堵现象。由疏浚淤泥真空固结室内模型试验获得了出水量变化情况和土体含水率、渗透系数的时空分布情况,确定了排水体周围淤堵区的形成时间与范围,提出了考虑时间效应与淤堵效应的真空度传递模式,同时考虑疏浚淤泥土体压缩和渗透的非线性,建立了考虑淤堵效应的固结分析模型,获得了相应的解析解,通过与已有数据和现场试验结果对比验证了该解答的有效性。利用该解析解,分析了真空度传递模式、淤堵系数λ和淤堵比c对沉降的影响。结果表明,淤堵效应明显减缓了沉降速率,也严重降低了疏浚淤泥的最终沉降量。     

絮凝−电渗法联合治理淤泥质土试验研究

针对传统电渗法治理淤泥质土过程中排水效率低且治理后土体不均匀等问题,从改变软黏土颗粒自身持水特性角度出发,提出采用新型有机高分子材料阴离子型聚丙烯酰胺（APAM）联合电渗法治理淤泥质土的思路。利用自制的一维电渗固结试验装置,探究絮凝−电渗法联合作用机制以及不同絮凝剂掺入比对电渗排水加固效果的影响规律。试验结果表明：与传统电渗法相比较,絮凝剂 APAM 的掺入减少了软黏土颗粒表面的结合水膜厚度,使得淤泥质土的前期电渗排水速率和累计排水量显著提升,从而降低了电渗法的平均能耗系数;同时,絮凝剂高分子长链的“吸附架桥”作用增强了土颗粒的黏结力和絮凝沉积效果,有效缓解了电渗过程中细小黏粒迁移集聚而造成的阴极淤堵问题;治理后淤泥质土的抗剪强度大幅增高,土体的均匀性也得到了明显改善,且当絮凝剂 APAM 掺入比为 0.30% 时,土体的电渗排水固结效果最佳。     

太湖与白马湖疏浚淤泥的触变特性研究

利用研制的微型十字板剪切仪对重塑后静置一定时间的太湖与白马湖两种疏浚淤泥进行了强度测试,对两种疏浚淤泥的触变特性进行了研究与比较。研究结果表明,两种疏浚淤泥重塑后最初始时间内触变强度的增长最快,随时间增长触变强度的增长变慢,|448d时触变强度随时间的增长趋于稳定。含水率为液限时白马湖疏浚淤泥的触变强度高于太湖疏浚淤泥。触变强度比率与触变强度的变化趋势类似。含水率越小疏浚淤泥触变性越大。含水率为液限时两种疏浚淤泥的触变强度比率与London和Detroit淤泥接近,小于Beauharnois和Shellhave淤泥,大于Horten淤泥。448d时除Beauharnois淤泥外,其他淤泥的触变强度比率均保持相对稳定。根据定义两种疏浚淤泥均为低灵敏性黏土。     

市政污泥真空预压模型试验研究

《城镇污水处理厂污泥处理处置技术规范》[1]执行前,市政污泥往往直接倾倒于填埋场形成污泥库,导致垃圾设计库容显著降低。为恢复填埋场库容,许多填埋场面临污泥库的原位加固处理。通过2组模型试验,探讨真空预压处理污泥的可行性。试验结果表明,真空预压后污泥含水率显著降低,强度提高至2~4 kPa;污泥排水固结系数随预压过程发展表现出非线性;排水板周围污泥含水率和渗透系数降低明显,阻碍离排水板较远处污泥排水固结,因此减少排水板间距可显著提高污泥处理效果;真空预压过程中污泥中孔压变化规律与常规淤泥质土有明显区别,特别是远离排水板的位置孔压消散幅度小,表明污泥中孔压消散规律不符合传统的太沙基固结理论;污泥真空预压过程中,间歇式通正气压会在处理初期阶段加快排水速率,但整体改善作用不明显;真空预压可作为污泥减量化的一种途径,如要满足后续堆载垃圾的要求,还需配合其他原位处理方法进一步提高强度。     

堆场疏浚淤泥含水率分布规律调查研究

堆场淤泥的沉积、固结过程直接影响到后续淤泥的处理方法和经济成本。通过在南水北调东线白马湖现场使用绞吸式挖泥船疏挖白马湖底泥,吹淤进入堆场,研究了堆场内淤泥含水率随时间、沿程和堆场深度上的变化规律。结果表明,堆场内疏浚淤泥含水率随时间逐渐降低,随沿程逐渐升高,130 d后吹淤口处含水率降低到20%～50%之间;160 d后,距离吹淤口100 m距离吹淤口200 m处和处含水率维持在100%～150%和100%～170%之间;随深度逐渐降低,到40 cm深时,含水率降低减缓,维持在140%左右;疏浚泥中黏粒含量随着距离吹淤口距离的增大而增多,随着深度的加深而减小,疏浚泥的渗透系数随着距离吹淤口距离的增大而减小,随深度的加深而增大。     

真空负载方式对疏浚淤泥脱水过程中脱水规律的影响

采用自主改装的变压头黏土渗透仪,模拟疏浚淤泥脱水过程中水分在淤泥颗粒多孔介质中的迁移运动过程,通过测定疏浚淤泥脱水过程中渗透系数与过滤常数、渗水量与滤液量、泥饼含水率与孔隙率,探究了负载压力为100 kPa时,不同负载方式（负载时间及负载压力梯度变化）对疏浚淤泥脱水过程中过滤和渗流规律的影响。研究发现：负载下的过滤和渗流同时进行,负载1 h期间,前期0～40 min内过滤占主导地位,后期40～60 min内渗流起关键作用。负载压力梯度由原来1 h内间隔变化1次,变为以20 kPa为梯度递增变化5次,随着压力变化梯度减小,渗透系数、过滤常数增加,淤泥脱水性能得到较明显的改善,并且前期负载压力越小,脱水效果越好。     

真空加载方式对吹填流泥加固效果及土颗粒移动的影响研究

考虑加载方式的影响开展室内模型试验,对4组相同性质的泥浆试样（含水率为100%）分别采用不同的加载方式,即-80 kPa、-60 kPa→80 kPa、-40 kPa→-80 kPa、-20 kPa→-80 kPa进行加载,加载过程中对试样的出水量、沉降量和侧向变形进行跟踪监测,并对处理后土体的含水率、塑性指数和十字板剪切强度等的空间分布与变化规律进行研究。试验结果表明,（1）真空加载方式对吹填流泥的固结具有比较明显的影响;（2）初始真空荷载为-20 kPa时所得到的土体沉降量最大、强度最高,始终保持-80 kPa荷载情况下所得到的土体沉降量最小、强度最低;（3）从塑性指数的分布特征来看,土颗粒随着土中水的排出发生移动,初始真空荷载越大,这种趋势越明显,部分土颗粒会聚积在排水板周围而导致土体渗透性能的降低,严重时会影响土体的后续固结。建议在流泥淤泥的真空固结过程中采用低初始荷载方式进行加载。     

生石灰对理化复合法处理淤泥浆效率的影响研究

改性淤泥固化土应用于填方工程既能弥补砂石填料供应短缺的困境,还能解决大宗疏浚淤泥的弃置难题。但当淤泥含水率超高（＞300%）时,纯水泥固化法处理效果极差,而采用絮凝调理联合化学固化的理化复合法可有效解决此类问题。鉴于生石灰具有絮凝和固化双重功效,采用生石灰替代部分水泥可能会进一步提高淤泥浆的理化复合法处理效率。通过十字板剪切试验研究了生石灰替代比对高含水率淤泥浆理化复合法处理效率的影响规律,并通过X射线衍射（XRD）和场发射扫描电镜（FESEM）试验从微观层面揭示了其固化机制。结果表明：生石灰对淤泥浆理化复合法处理效率会产生较大影响,且存在一个最优生石灰替代比,在最优替代比条件下生石灰能显著发挥絮凝和固化双重功效,并有效提高处理后淤泥的早期和晚期强度;从微观试验分析,最优替代比下处理后的淤泥样生成的CSH/CAH/CASH凝胶和钙矾石等水化产物数量最多,孔隙间隙也最小。因此,实际工程中运用理化复合法处理高含水率淤泥浆时,可采用生石灰替代部分水泥以提高处理效率。     

固化淤泥压缩特性的试验研究

淤泥固化技术在国内已经进入到工程应用阶段,明确固化淤泥的压缩特性对于指导淤泥固化工程的设计具有重要意义。通过单因素试验方案对不同初始含水率、不同水泥添加量、不同养护龄期的固化淤泥的压缩特性进行了研究。结果发现,固化淤泥压缩特性的最大特点是存在固结屈服应力,当荷载小于固结屈服应力时固化淤泥的压缩性非常小,而固化淤泥屈服之后的压缩性是屈服前压缩性的20倍以上,并且远大于未处理淤泥的压缩特性。淤泥本身是高压缩性的土,固化处理以后变为中等压缩性和低压缩性的土体。固化淤泥的固结屈服应力随水泥量增加线性增大,龄期越长、含水率越低固结屈服应力越大。固化淤泥的这种在固结屈服应力处发生突变的压缩特性和天然沉积结构性土类似,可以用双对数压缩模式来表示固化淤泥的这种压缩特性。     

絮凝-固化联合处理超高含水率吹填淤泥浆的试验研究

采用吹填淤泥作为滩涂围垦填料既能有效解决砂石等理想填料资源的短缺难题,又能避免大量吹填泥弃置所带来的环境负面影响,具有可观经济效益和可持续发展性。但吹填淤泥往往呈流浆或浮泥态,含水率超高,强度低,渗透性差,后续地基处理人员和设备难以直接进场。鉴于此,提出了一种絮凝-固化联合方法处理表层吹淤泥浆形成硬壳层(工作平台)的新思路,并开展室内试验验证了其技术可行性。首先,通过针筒滴定法确定了处理吹填淤泥的絮凝剂(PAM)类型及最佳掺量;然后,通过模型试验模拟了不同配比的絮凝-固化联合处理淤泥浆的絮凝沉积过程,并开展十字板剪切试验测定不同龄期土样的抗剪强度和含水率。结果显示,在同样固化剂掺量情况下,使用絮凝-固化联合处理法代替传统单一水泥固化法,能使试样的不排水抗剪强度至少提高5倍以上,证明了采用絮凝-固化联合方法处理表层吹淤泥浆形成表层工作平台的可行性。     

废弃泥浆底部真空−上部堆载预压模型试验研究

针对工程泥浆回填废弃矿坑处置的安全问题,开展底部真空和上部堆载预压处理废弃工程泥浆的模型试验,探讨该技术在废弃矿坑回填处置工程应用的可行性。试验结果表明,底部真空和上部堆载预压使得泥浆含水率显著降低及泥土的强度明显提高,处理一个月后,含水率从初始450%降低至95%～105%,体积减量达到73.4%;不排水强度由初始为0的状态提高至9.8～13.4 kPa。在初始的静置阶段,泥浆颗粒沉积存在重力分异现象,粗颗粒在底部沉积有助于缓解真空预压过程中淤堵问题。底部真空作用下,泥浆中孔隙水渗流方向并非完全一维向下,在径向存在水力梯度。处理后泥土压缩性与软土相近,渗透性优于软土。基于试验结果和大应变固结理论,考虑泥浆的自重固结以及压缩性与渗透性的非线性变化,利用有限差分法分析了单次回填厚度对泥浆层固结时间和减量效果的影响,提出了现场实施的工艺参数建议。     

两种塑料排水板滤膜淤堵特性试验研究

在水力梯度逐级递增的条件下,采用饱和软黏土进行了两种不同塑料排水板（PVD）滤膜（外包土工织物）梯度比试验,探讨两种PVD滤膜的淤堵特性,并结合真空预压软基加固的实际工况进行分析。试验结果显示,随着水力梯度的递增,一种表观孔径大的新工艺PVD滤膜的梯度比呈现先上升后下降的总趋势,并最终趋于稳定,常规PVD滤膜的梯度比总体呈上升趋势,无法趋于稳定。研究表明,不同水力梯度对滤膜淤堵有着较大影响,新工艺PVD滤膜在真空预压实际工况（水力梯度较高）下的防淤堵效果优于常规PVD滤膜。PVD滤膜的淤堵问题与滤膜制作工艺、孔径和软黏土性质有关,其淤堵机制仍需进一步的研究。     

基于气体运移规律的增压式真空预压法加固机制分析

针对天津地区高含水率的吹填淤泥,进行不同增压深度的室内增压式真空预压模型试验,结合土中气体运移规律,进行增压机制及加固效果影响因素分析。研究结果表明,采用注气增压方法可以有效加固高含水率吹填淤泥,其中排水板中下部注气增压对土体排水量、沉降量、超静孔隙水压力累积消散量以及十字板强度提升有明显促进作用。加固初期,流塑状态的土体中,注入气体易形成气泡并在浮力作用下快速上升运移,带动深部土颗粒向上运动,形成类似搅拌的扰动,使土体均匀加固;随着土体含水率逐渐降低,气体在土体内部赋存形式以具有一定气压的封闭空间为主,使得注气管与排水板之间的压力差增大;加固后期,注入气体发生断裂形式扩张,导致土体形成微劈裂裂缝,加速土中水的排出,提高了加固效果。     

高吸水材料改善高含水率淤泥流动性的试验研究

城市疏浚和建设过程中产生的高含水率淤泥具有高流动性的典型特点,导致此类淤泥运输、周转都极为不便。开展了利用高吸水材料改善淤泥流动性的试验,研究结果表明,淤泥的流动性随着含水率的升高而显著上升,曲线拟合结果显示两者之间近似成二次函数关系。通过添加较少量的高吸水材料就可以使淤泥的流动性迅速降低到非常利于运输和周转的程度;引入“净流动值”定量地描述高吸水材料对淤泥流动性的改善效果,不同初始含水率的淤泥在添加一定比例的高吸水材料后其“净流动值”降低比例处于相同水平;高吸水材料对淤泥流动性的改善效果在极短时间内可以得到显著体现,未进行充分搅拌混合的情况下淤泥流动值改善就已接近最优值,搅拌的持续时间和强度对淤泥流动性改善效果并无明显影响,工程应用时的工作耗时和工作强度将会明显降低。     

竖井地基的大应变固结分析

简单介绍了真空-堆载联合预压下饱和软土竖井地基大变形固结沉降模型（VRCS1模型）,该模型能考虑大应变、材料非线性、非达西流、真空折损和竖井未打穿等因素。使用该模型对澳大利亚巴利纳支路某现场沉降进行预测,结果与现场实测数据吻合良好。基于该工程案例,讨论了分级堆载、循环荷载、真空联合堆载、上边界为等应力/等应变条件以及排水板打入深度等因素对竖井地基固结过程的影响规律。计算结果表明：分级堆载可降低土体超静孔压峰值进而改善土体稳定性;循环荷载使土体固结过程发生震荡,且土体沉降峰值迟于超静孔压峰值和荷载峰值出现;真空荷载和堆载作用机制有本质区别,真空荷载不可简单以堆载替代;上边界等应变条件下的固结速率一般快于等应力条件,工程真实条件一般介于两者之间;排水板打入深度超过0.9倍土层厚度时,再加大打入深度加速固结效果不明显。     

吹填场区软黏土地基的次固结特性研究

针对天津中心渔港吹填场区软黏土地基进行了一系列的固结压缩试验,获得应力、应变与时间的关系,对比分析了吹填土层和天然沉积土层的固结和次固结特性,为吹填场区软黏土地基变形模型建立及长期工后沉降预测提供理论依据。研究表明,吹填土和天然沉积土的应变速率与时间双对数曲线具有很好的线性相关性;处理后吹填土含水率和压缩性较低,天然沉积土含水率和压缩性高;随荷载P增大,吹填土的次固结系数Ca?变化不大,天然沉积土的次固结系数Ca先增大后减小,最终趋于稳定;次固结系数Ca与压缩指数Cc具有良好的线性相关性,其随时间的增加均呈对数下降趋势。     

高黏粒含量新吹填淤泥加固新技术室内研发

新吹填淤泥处于“稀泥汤”状态,工程特性极差,几乎无承载力,现有真空预压技术加固效果不理想,地基有效加固深度小,土体强度增长有限。为此,提出了“真空预压联合化学加固”的新思路。室内采用3种环保型化学加固剂设计了3种真空预压联合化学加固方案（VPCT1、VPCT2、VPCT3）和1种纯化学加固方案（CT）,与现行真空预压加固方案（VPT）进行了对比试验研究。研究结果表明：(1) 添加有效的化学加固剂后,新吹填淤泥在抽真空前较短的静置时间内就基本完成了自重沉积过程;(2) 化学加固剂选取得当能有效提高土体的加固效果;(3) 宏观上,VPCT3方案加固效果较均匀,加固后土体中黏粒含量明显降低、湿密度最大,孔隙比降低幅度明显,无侧限抗压强度也最大,为66.7 kPa（为VPT方案的3.5倍）;(4) 微观上,VPCT3方案加固后,土颗粒之间的孔隙总面积、孔隙平均周长、总孔隙数、孔隙比、孔隙率等最小,单元体之间有良好的定向度、排序性最好,连结方式以面-面为主导,相互之间接触紧密,团聚现象最明显。因此,相对于现行的真空预压技术而言,VPCT3方案土体加固效果非常明显,也较均匀,可以进一步开展现场试验研究,探讨其付诸于工程实践的可行性。