2. 温州浙南地质工程有限公司, 浙江 温州 325006
2. Wenzhou Zhenan Geology Engineering Limited Company, Wenzhou 325006, China
近年来，在高含水量泥浆、吹填流泥、河道疏浚淤泥等超软土的真空预压加固过程中，经常面临固结较慢甚至失效的技术难题.众多学者进行了大量研究，主要集中于真空预压加载方式[1-3]、排水板滤膜[4-6]、加高压气体[7-9]等技术层面.真空预压固结较慢甚至失效的根本原因主要是土体自身的渗透性较差.对此，杨春英等[10-14]通过化学药剂增大颗粒来提高机械脱水效率.这些药剂包括絮凝剂(如聚丙烯酰胺)、固化剂(如石灰、粉煤灰、水泥等).其中，赵森等[15]将石灰作为絮凝剂使用，认为生石灰具备有效的化学絮凝作用，使细小土颗粒凝聚成团，同时降低土颗粒黏性，从而增大渗透性.武亚军等[16-17]以聚丙烯酰胺作为絮凝剂，分析普通真空预压易造成淤堵的原因和药剂真空预压具有土颗粒粒径增大的“主动防淤堵”作用的初步机理.
在市政污泥脱水[18-27]中所采用的固化剂原材料(如石灰、粉煤灰、水泥等)加入到污泥中起到骨架构建体(skeleton builder)[18]的作用，可以在污泥中形成坚硬网格骨架，即使在高压作用下仍然保持多孔结构，从而达到提高脱水性能的目的.Boráň等[19]采用石灰和粉煤灰作为添加剂，利用药剂在污泥中形成的透水和刚性晶格，保持了高压力作用下的多孔通道，改善了污泥的脱水性能.Benítez等[20]利用粉煤灰、焚化炉灰、水泥窑灰等作为骨架构建体，联合聚合物以改善污泥的脱水性能.Thapa等[21]利用褐煤作为骨架构建体，有效地提高了污泥的脱水效率.Li等[22]通过微观图像发现石灰和粉煤灰的主要水化产物是钙水合硅酸和钙矾石，这有助于脱水后污泥的固化和稳定化.Yang等[23]采用扫描电子显微镜(SEM)和X-射线衍射(XRD)的手段，研究骨架构建体对污泥结构的影响；研究发现，加入骨架构建体的污泥中生成了压缩性较低的多孔骨架结构[28]，脱水性能得以改善.
大量研究表明，将石灰、粉煤灰、水泥等固化剂原料作为骨架构建体，提供排水通道，改善渗透性能[29-35].本文将这些固化剂与真空预压相结合，对超软土处理进行模型试验研究.与添加有机絮凝剂的真空预压在出水速率、十字板剪切强度、含水率等方面进行对比，表明这些固化剂不仅在污泥处理中，而且在超软土处理中具有较好的形成骨架构建体的作用.
1 室内模型试验 1.1 试验土样与药剂该试验超软土为温州某施工工地的工程废弃泥浆，泥浆相对密度为1.26~1.27，含水率为200%~ 210%.颗粒组成如图 1所示.图中，dp为粒径，wB为小于某粒径的土颗粒质量分数.其中泥浆中细小颗粒占比较高，黏粒质量分数高达40.2%.
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图 1 原始废浆颗粒的分布曲线 Fig. 1 Particle size distribution analytical curve of waste slurry |
试验中所用的药剂包括A、B、C、D、E和F 6种药剂(含它们之间的组合).其中化学药剂A为以石灰为主的固化剂，B为某有机高分子絮凝剂，C为胶凝剂，D为燃煤电厂排出的主要固体废物，E为发泡剂，F为明矾.其中，有机高分子絮凝剂的主要作用机理是“架桥”絮凝作用：颗粒表面存在空白部分，有机高分子长链可以吸附该颗粒；长链吸附另一个颗粒，使得小颗粒通过“架桥”的作用链接在一起，从而加速细颗粒的沉淀.
如表 1所示为各个试验桶中药剂的种类及静置沉淀后上清液的体积与pH.表中，V为泥浆量，w(水)为排除上层液体后的土体含水率.由表 1可知，加入药剂之后，泥浆排出液的pH均呈不同程度的碱性，由于废水外排还需进行次氯酸消毒，须将废水的pH调控至环保允许范围内.
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表 1 药剂方案及去除上清液后含水率 Table 1 Chemicals adding quantity and water content after removal of supernatant |
为了探究不同药剂对真空预压加固效果的影响，对药剂调理后的土体进行真空预压模型试验.如图 2所示为真空预压模型试验装置，主要包括真空泵、试验桶、气液分离器、排水板、排水管、分压器等.试验桶直径为700 mm，容积为200 L，在中间布置排水板.每个试验桶均配备独立的气液分离器和排水量计量系统.将泥浆与药剂搅拌均匀后，泵送入试验桶中，静置一定时间后抽去上清液.在真空设备开启后，负压传入试验桶，水经排水板和排水管流入气液分离器中计量.
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图 2 真空预压模型试验装置 Fig. 2 Model testing device of vacuum preloading |
试验结果从真空度、含水率、颗粒分布、土体状态等方面，分析不同药剂对泥浆排水效果的影响.
1) 真空度.在距排水板10 cm和20 cm处，设置2个真空探头来实时监测土体内真空度的变化.在真空排水过程中，真空度随时间的变化曲线如图 3所示.图中，只有加药剂A和组合药剂B+A的土体内部有真空度，后者的真空度普遍大于前者.由于土体中的真空度分布在一定程度上间接反映了土体的渗透性，这说明药剂A和组合药剂B+A两种方案对土体的渗透性有显著的提高，原始泥浆和其他药剂处理后的泥浆渗透性均较差.
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图 3 土中真空度随时间的变化曲线 Fig. 3 Curves of vacuum degree in soil changing with time |
2) 含水率.如图 4、5所示分别为泥浆真空排水阶段的含水率变化曲线和排水速率.图中，v为排水速率，图 5只给出拟对比的4条曲线.由图 5可知，掺加药剂的泥浆排水速率普遍高于原始泥浆，原始泥浆排水速率在50 h后趋近于0.对于不同药剂，虽然掺加药剂A的泥浆排水速率远高于其他药剂，但由于真空加载前的含水率差别较大(药剂B在真空排水前，已经将含水率降低约80%)，无法在同等条件下进行比较.对于原始泥浆和添加药剂A的泥浆，初始含水率接近，后者的排水速率远高于前者，最高达5~10倍；对于只掺加药剂B和组合药剂B+A，后者的初始含水率低约10%，但排水速率有不同程度的提高，增排效果较显著.
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图 4 含水率随时间的变化曲线 Fig. 4 Curves of water contentchanging with time |
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图 5 排水速率随时间的变化曲线 Fig. 5 Curves of drainage rate changing with pumping time |
如图 6所示为部分试验桶土样实测含水率.图中，d为距排水板的距离.从含水率终点来看，除了单加药剂A、单加药剂B和组合药剂B+A的理论含水率小于80%，实测含水率小于70%，其余均大于80%.其中，由0时刻纵坐标可得，三者中，单加药剂B和组合药剂B+A并静置一段时间后，泥浆含水率由200%以上直接降至150%以下，其余试验桶静置后含水率大于180%；从真空排水阶段含水率降幅来看，在80 h内，单加药剂A含水率由180%以上降至60%左右，降幅最大.
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图 6 不同位置的实测含水率 Fig. 6 Measured water content at different positions |
3) 土体状态.在试验结束后，除了单加药剂A和组合药剂B+A的处理后土样整体性较好，其余土样呈流塑状.
如表 2所示为3个试验方案的综合对比分析.表中，w(水)为真空预压加固后的土体实测含水率，τf为十字板剪切强度.药剂A方案的施工工艺简单、流程少，且药剂成本低，可行性良好.
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表 2 不同方案的加固效果对比 Table 2 Effect comparison of different schemes |
为了验证处理方案的工程可行性，对同批次泥浆采用方案A进行大型模型池废试验.试验设备主要包括：射流泵、模型池(2.1 m×1.6 m×2.1 m)、搅拌桶(工作容量为7 000 L)、土工布、土工膜等.
2.2 结果分析试验结果从含水率和土体状态两个方面分析.
1) 含水率.由图 7(a)可知，总体上，排水速率均呈先快后慢的规律.不同尺寸的试验模型，排水效果存在较大差别，大尺寸模型池的排水速率慢于小尺寸模型桶.其中，由于模型池采用射流泵，水分蒸发严重，实际排水量应比测量排水量更大.
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图 7 试验前、后的含水率 Fig. 7 Water content before and after test |
2) 土体状态.如图 8所示为处理前、后的对比图.结合土工试验结果(见表 3)可知，药剂真空预压加固的效果显著，土体强度达到回收利用的目的.
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图 8 处理前、后的土体状态对比 Fig. 8 Compared before and after processing |
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表 3 加固土样土工试验结果 Table 3 Test results of improved soil samples |
图 7(b)中，H为深度.图 9中，S为沉降量，结合图 9可知，真空预压加固后土体呈现均匀的整体沉降现象，含水率和密实度沿深度和排水板径向递减，十字板剪切强度达23.9~35.0 kPa，随着龄期的增长可以继续提高.
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图 9 沉降量随时间的变化曲线 Fig. 9 Curves of settlement changing with time |
从上述室内模型试验与模型池试验可以看出，药剂真空预压比普通真空预压取得了很好的增渗、增排效果.为了深入探讨药剂种类的这种影响，从加入药剂后对泥浆状态、界限含水率、颗粒组成和渗透性等方面产生的影响进行分析.
3.1 加药引起界限含水率改变如图 10所示，在药剂加入泥浆并静置一段时间之后，药剂A虽然只将泥浆的含水率降低20%，但固化作用将泥浆的状态由流态转化为黏塑性状态；药剂B通过絮凝作用将泥浆大幅脱水，含水率降低80%，但由于不具备固化作用，浆体呈流态.
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图 10 不同药剂调理后的土样 Fig. 10 Soil samples after different chemical conditioning |
细粒土(粒径小于0.5 mm，并且有机质含量不超过试样总质量5%的土)由于含水率不同，分别处于流动状态、可塑状态、半固体状态和固体状态.液限是细粒土呈可塑状态的上限含水率，塑限是细粒土呈可塑状态的下限含水率.该试验采用液塑限联合测定法，测定土样界限含水率.如图 11所示为加入不同药剂后试样的界限含水率.图中，wl(水)为界限含水率，Ip为塑性指数.由图 11可知，加入不同药剂对土的界限含水率影响不同.其中，药剂B对土的界限含水率影响较小；药剂A处理后的土样界限含水率略有增长，塑限指数降低；组合药剂B+A处理后的土样界限含水率的影响较大，塑性指数降低至20左右.
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图 11 不同药剂调理后的土样界限含水率 Fig. 11 Limit moisture content after different chemical conditioning |
如图 12所示，加入B和加入B+A两种药剂的颗分曲线明显向左移，说明药剂B在对土颗粒粒径增大方面起到了关键性作用.这是由于药剂B长链吸附土颗粒而絮凝沉淀.相反，加入药剂A虽然未出现十分显著的颗粒增大现象，但在促使土颗粒间形成胶结的骨架方面起到了重要作用.这是两种药剂与土颗粒作用最主要的区别.
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图 12 粒径累计曲线 Fig. 12 Grain diameter cumulative curve |
如图 13所示为不同药剂与泥浆中土颗粒相互作用形成的结构模型.药剂B吸附土颗粒形成链状结构，达到快速絮凝的效果，因此在真空加载前，含水率迅速降低了80%.这种结构在外荷载下，极易被压密，堵塞排水通道，因此渗透性没有显著提升.药剂A对土颗粒粒径分布的影响虽然很小，但是能够通过物化反应生成“骨架”结构[15-23].
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图 13 不同药剂作用后的土颗粒结构模型 Fig. 13 Structural model after different chemical conditioning |
土的渗透系数是反映水在土孔隙中渗透快慢的一个重要指标，渗透系数越大，在其他条件相同的情况下，土体内的孔隙排水速度越快.根据固结系数与渗透系数之间的关系，可以计算每级荷载下的平均渗透系数.选取原始泥浆和分别加入药剂A、B、A+B、B+A的土样进行固结试验，逐级施加12.5、25、50和100 kPa的固结压力.得到的渗透系数随固结压力p的变化如图 14所示.图中，k为渗透系数.
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图 14 渗透系数随压力变化的曲线 Fig. 14 Curve of permeability coefficient varies with pressure |
从图 14可以看出，所有土样的渗透系数随着荷载的增大而减小，在较低荷载时渗透系数较大，这解释了真空加载时排水速率先快后慢的现象.在同一级荷载下，各土样的渗透系数相差较大.其中，原始泥浆渗透系数最小，变化范围相对较小，在10-6 cm/s数量级上变化；组合药剂B+A的渗透系数最大，变化范围相对较大，在10-6~10-5 cm/s数量级上变化，在低荷载下渗透系数可以提高为原始泥浆的9~10倍.这与真空荷载下的排水状况相吻合，体现了不同药剂及其组合对真空荷载下渗透性的影响.
加入不同药剂后，泥浆所表现出的渗透性不同的主要原因与是否加入骨架构建体密切相关[18].絮凝剂在药剂真空预压中的作用主要体现为真空加载前的絮凝脱水作用，将土颗粒絮凝为大颗粒体，从而加快了泥浆的固液分离速率，对真空加载过程中的增渗作用不是十分显著；固化剂无论单独使用还是在絮凝脱水后使用，均可以在泥浆土颗粒之间生成强度较高的骨架[18-28, 32-34]，即使在高压作用下仍然保持多孔结构，排水路径通畅，从而提高了超软土渗透性和真空排水效率.此外，固化剂本身存在固化效果，能够快速提高土体强度.
4 结论(1) 加入固化剂能够改变超软土的界限含水率，从而快速改变土体状态和强度特性；絮凝剂通过长链“架桥”吸附土颗粒生成链状体，絮凝脱水效果最佳，含水率虽然降低程度较大，但呈流塑状.
(2) 固化剂通过胶结力在土颗粒之间生成骨架结构，从而增加超软土的渗透性，真空排水阶段的含水率迅速降低；单单加入絮凝剂生成的链体在大荷载下容易被压密而堵塞排水路径.
(3) 先絮凝脱水后再加入固化剂，对超软土的加固效果最好.一方面，固化剂会在絮凝剂的链之间形成骨架结构而提高泥浆的渗透性；另一方面，固化剂随着土体含水率的降低，固化效果不断增强.
(4) 在现场模型池试验中，土体呈现均匀的整体沉降现象，含水率和密实度沿深度和排水板径向递减，土体强度已达到填埋标准，验证了这一技术的工程可行性.
(5) 除A、B药剂以外的改性效果不佳，主要是由于其他药剂未能在超软土中形成显著的骨架作用，在真空荷载下，土体渗透性没有显著增加.对于新的改性剂，笔者认为应该从增加土体渗透性的方向进行研究拓展.
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