天津滨海地区疏浚淤泥沉降规律

室内试验

王　龙1，　刘晓强2，　王　欢2

（1.天津港（集团）有限公司，　天津　；

2.交通运输部天津水运工程科学研究院，　天津　）

摘要：为进一步促进港口工程建设技术发展，提高软土地基沉降计算精度，以天津滨海地区疏浚淤泥为主要研究对象，采用室内试验、数据分析等方法对疏浚淤泥自然沉降阶段的沉降规律进行分析。试验结果表明，天津滨海地区疏浚淤泥自然沉降可以分为3个阶段：第1阶段是试验开始4~5h内的快速沉降阶段，这个阶段疏浚淤泥沉降速率快、沉降量大；第2阶段是试验开始2d内的自然沉积过渡段阶段，这个阶段疏浚淤泥的沉降速率开始减慢但有明显的沉降量；第3阶段是试验开始2d后缓慢沉降的自重固结沉降阶段，这个阶段疏浚淤泥的沉降速度缓慢、沉降量不大。天津滨海地区疏浚淤泥的沉降受其初始含水率影响较大，初始含水率越大疏浚淤泥的初始沉降速率越快，疏浚淤泥的最终沉降量越大。在疏浚淤泥快速沉降阶段向缓慢固结沉降阶段过渡时的含水率大约为其初始液限的3~5倍，当这个比值稳定在2.2~3.5倍时，疏浚淤泥的自然沉降过程基本完成。

关键词：疏浚淤泥；自然沉降；沉降规律；高含水率

0　引　言

随着天津滨海新区的发展，围海造陆正越来越多地应用于当地建设中。围海造陆是利用吹泥船挖取航道中的淤泥、砂等作为填筑材料，填筑材料经过地基处理形成新的可用的土地的过程。该方法不仅解决滨海地区土地资源紧张的问题，还为航道清淤过程中的淤泥处置问题提供有效方法。由于国内疏浚以绞吸式为主，产生的疏浚淤泥的含水率往往较高，呈流体状态，在疏浚场地中发生沉降。[1]因此，了解疏浚淤泥的自然沉降规律对于合理进行疏浚淤泥工程十分重要。

一般认为，在疏浚淤泥的自然沉降过程中，沉降泥浆具有沉积状态和固结状态2种状态。[2]当泥浆处于沉积状态时，土颗粒相互分离，土颗粒在重力作用和水的阻力作用下沉降，沉降规律可通过沉积理论描述。当泥浆处于固结状态时，土颗粒相互接触并传递有效应力，土颗粒的下沉是由固结引起，沉降规律可运用大变形一维固结理论描述。[3]国内外学者对淤泥沉降进行些研究。国外方面，TOORMAN[4]认为土形成含水率在土的5.0～7.0倍液限之间，并建立土形成孔隙比与塑性指数之间的关系。国内方面：尹聪[5]利用沉降柱试验研究疏浚泥浆自然沉降情况下的分层规律；曹玉鹏[6]通过室内自然沉积试验，研究疏浚淤泥在静水条件下的沉积规律，探讨模型尺寸、盐水和淡水2种沉积环境以及初始含水率对沉积速率和沉降量的影响，分析疏浚淤泥自然沉积稳定后的含水率变化范围；徐桂中等[7]对4种不同疏浚淤泥开展室内自然沉降模型试验，探讨高含水率疏浚淤泥自然沉降规律；李时援[8]进行疏浚淤泥（纯泥和泥砂混合物）与有机玻璃之间边界摩擦试验,分析边界摩擦对沉降柱试验的影响。但国内外学者对于疏浚淤泥的沉降规律缺乏更深入的研究，尤其缺乏具有区域性特点的研究，定量分析不够。因此，针对区域性疏浚淤泥沉降规律的研究依然是人们应该重视的研究课题。

1　试验用土和试验方案

1.1　试验用土

研究用的淤泥取自天津滨海新区围海造陆工程地区现场土样。在试验过程中，液限采用圆锥液限仪测定，塑限采用搓条法测定，颗分采用密度计法测定，比重采用比重瓶法测定。试验过程严格按照《土工试验方法标准》（GB/T—）执行。试验用土的基本物理指标见表1。试验用土样的颗分曲线见图1。可以看出，淤泥的黏粒质量百分比均大于36％。由颗分级配曲线可知，接近80%的土颗粒的粒径在0.~0.mm，属于颗粒非常细的淤泥质黏性土。

通过测记量筒中泥面的下沉量，量筒内土体沉降的速率为

图1试验土样的颗分曲线

1.2　试验方法

试验所用的沉降容器为直径6.5cm容积mL的量筒，通过量筒的刻度线可以读取量筒中泥浆的体积，从而换算出量筒中泥浆沉积面（以下简称“泥面”）的沉降量。在试验前，根据天津地区疏浚淤泥特点配置初始含水率不同的泥浆，并将配置的泥浆缓慢注入量筒中，当泥面达到mL刻度线即停止注浆，并记录泥浆的初始数据。在试验过程中，读取不同时刻的泥面高度，当泥面出现连续多天基本不变的情况时，停止试验。

2　试验结果和分析

由于试验初期的泥面高度变化较大，为清楚了解试验初期的泥面沉降规律，分别分析不同时间段内不同含水率疏浚淤泥沉降变化规律，2d内和20d内2种时间段内不同含水率疏浚淤泥含水率随时间变化规律，不同含水率疏浚淤泥含水率随时间的变化规律。

4种土样自然沉降开始后4h、2d和20d内的沉降曲线见图2。在疏浚淤泥沉降初期，影响沉降速率的因素较多，包括土颗粒自身重量、土中水的浮力和土颗粒相互间的作用力等，通过对不同含水率疏浚淤泥在4h、2d和20d内土体沉降量的观测，分析疏浚淤泥在不同时间段的沉降变化规律。可以看出，疏浚淤泥的沉降量受其本身的初始含水率影响较大，初始含水率越高沉降速率就越大，试验开始2d内疏浚淤泥的沉降量大，2d以后沉降缓慢并逐渐区域稳定，此时疏浚淤泥的含水率与其初始液限的比值稳定在2.2~3.5。

a）四小时内不同含水率疏浚淤泥的沉降规律

b）2天内不同含水率疏浚淤泥的沉降规律

c）20天内不同含水率疏浚淤泥的沉降规律

图24种土样自然沉降开始后4h、2d和20d内的沉降曲线

4种土样自然沉降开始后2d和20d内含水率变化曲线见图3。对于高含水率疏浚淤泥而言，淤泥的含水率的大小，直接影响到土体的内部结构、土体的工程性质，特别是疏浚淤泥的沉降变化规律。可以看出，在试验过程中，不同疏浚淤泥的含水率随着时间的增加逐渐下降，在2d内疏浚淤泥含水率的下降趋势较为明显，随后疏浚淤泥含水率的下降趋势逐渐趋于稳定。

a）2天内不同含水率疏浚淤泥含水率随时间的变化规律

b）20天内不同含水率疏浚淤泥含水率随时间的变化规律

图34种土样自然沉降开始后2d和20d内含水率随时间变化的曲线

试验开始后min内不同含水率疏浚淤泥的沉降速率曲线见图4。疏浚淤泥的沉降速率可以最直观地反应出不同含水率土体的沉降变化快慢和未来沉降变化的趋势，根据4种不同含水率的疏浚淤泥沉降速率曲线，利用式（1）计算试验中泥面以下疏浚淤泥的含水率，从而得到泥面的沉降速率随时间的变化曲线，可以看出，试验开始后疏浚淤泥的沉降速率逐渐减小，经过4~5h后疏浚淤泥沉降速率的变化速度逐渐减慢。

图4试验开始后min内不同含水率疏浚淤泥的沉降速率曲线

3　结　论

天津滨海地区大范围土地由围海造陆疏浚形成。疏浚淤泥具有高含水率、高液限、高灵敏度等特点，其沉降固结状态很不稳定。本文从疏浚淤泥室内沉降试验出发，探讨天津地区疏浚淤泥的沉降规律，得到以下结论：

（1）天津滨海地区疏浚淤泥的沉降速率变化受其初始含水率影响较大，初始含水率越大疏浚淤泥的初始沉降速率越快，疏浚淤泥的最终沉降量越大。

（2）天津滨海地区疏浚淤泥自然沉降可以分为3个阶段：第1阶段为试验开始4h内的快速沉降阶段，该阶段疏浚淤泥沉降速率快、沉降量大；第2阶段为试验开始4h到2d内的自然沉积过渡段阶段，该阶段疏浚淤泥的沉降速率开始减慢但仍有明显的沉降量；第3阶段为试验开始2d后缓慢沉降的自重固结沉降阶段，该阶段疏浚淤泥的沉降速度缓慢、沉降量较小。

（3）疏浚淤泥在由快速沉降阶段向固结沉降阶段过渡时，疏浚淤泥的含水率大约为其初始液限的3~5倍，当这个比值稳定在2.2~3.5倍时，疏浚淤泥的自然沉降过程基本完成。

参考文献

[1]刘莹,肖树芳,王清.疏浚淤泥室内模拟试验研究[J].岩土力学,,25(4):-

[2]詹良通,童军,徐洁.疏浚淤泥自重沉积固结特性试验研究[J].水利学报,,39(2):-.

[3]杨爱武,杜东菊,赵瑞斌,等.疏浚泥浆沉积模拟试验研究[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2,29(4):-.

[4]TOORMANEA.Sedimentationandself-weightconsolidation:generalunifyingtheory[J].Geotechnique,,46(1):-．

[5]尹聪.疏浚泥浆自然沉降规律研究[J].西部探矿工程,2(8):3-8.

[6]曹玉鹏.疏浚淤泥沉积规律室内试验[J].水利水电科技进展,1,6(31):31-39.

[7]徐桂中,吉峰,翁佳兴.高含水率疏浚淤泥自然沉降规律[J].土木工程学报,2,9(29):22-27.

[8]李时援.沉降柱试验边界摩擦特性及其对试验结果影响分析[J].港口科技,(9):12-15.