高含水率疏浚淤泥沉积转化为土的基本规律及数值模拟

Settling columns and multible-layer extraction experiments will be carried out for the investigations of sedimentation of dredged materials. Behaviors of water to mud surfaces, water contents, density profiles and grain size distributions will be measured and analyzed. By measuring the excess pore water pressure during the experiments, the sedimentation process of dredged materials to soils will be revealed according to the effective stress principles. Different phases appeared in the sedimentation process and the depositional modes will be analyzed and then corresponding depostional models will be proposed. In reference to the one-dimensional sedimentation model of Kynch, a new one-dimensional model which can reflect the flocculation effect of fine particles will be established for high water content dredged materials, and the numerical model will be used to study the sedimentation characteristics for actual dredged materials storage yard. This study is expected to reveal the generation process of effective stress and the phases transition laws during sedimentation, which will provide theoretical basis and new ideas for subsequent study of scientific dredging and artifical sidimentation. In addition, the study conducted in this project will support the quickly self-weight sedimentation, and further for the quickly restore of storage yard for land.

利用申请人团队研制成功的淤泥沉积柱试验系统和淤泥分层抽取试验装置，研究高含水率淤泥沉积过程中的泥水分界面、含水率、密度和颗粒组成等的基本变化规律；通过孔隙水压力的测试，从土力学有效应力基本原理的角度出发揭示淤泥沉积过程中由"泥"到"土"的转变过程；通过分析淤泥沉积过程中各相态的变化，归纳出高含水率淤泥的沉积模式，提出淤泥的沉积模型；以Kynch一维沉降模型为基础，建立能较合理反映细颗粒絮凝作用的高含水率淤泥的沉积数值计算模型，并用此模型研究实际堆场中淤泥的沉积特征。本项目揭示了有效应力由无到有的产生过程，明确了由"泥"到"土"的相变规律，为后续科学吹淤、人工促沉奠定了理论基础，并提供了新的研究思路，从而为吹填淤泥快速落淤固结，堆场土地快速还原提供了支撑。

我国的水利工程和水环境治理工程中，每年都会产生大量的疏浚淤泥。淤泥具有含水率高、粘粒含量高、压缩性高及不排水强度低的显著特点，造成泥浆在堆场中的自重落淤过程缓慢，难以形成密实的土体。根据对吹填堆场的调研，堆场在落淤固结两年后，仍只在表层形成一层厚约20cm的硬壳层，下部仍然为高流动性的淤泥，使得后续的地基处理或资源化利用非常困难。对淤泥沉积过程的研究对于加快落淤、促进堆场土体快速还原具有重要意义。. 研究提出了一种专门用于淤泥沉积过程研究的淤泥沉积柱分层抽取试验系统和方法，该方法主要包括沉积柱孔压测试系统和分层取样系统，为淤泥沉积规律的研究提供了一种简便、易行、准确的试验手段。通过大量沉积柱试验，研究了淤泥沉积中的相态分布，提出了淤泥主要存在两种沉积模式：当初始含水率较高时，为相变式沉积模式，自上而下为上覆水、悬浮相、混凝相、沉积土、高密度土；初始含水率较低时，为非相变式沉积模式，淤泥不发生相变过程，直接进入固结状态。揭示了高含水率淤泥沉积过程中由泥到土的转变过程。基于kynch沉降模型，建立了粗颗粒和絮团的密度通量公式，提出了粗颗粒和絮团静水沉速的计算方法，建立了淤泥沉降的数值计算模型，采用此模型研究了初始含水率和细颗粒絮凝状态对实际堆场中淤泥沉积过程的影响。. 本项目紧紧围绕淤泥沉积过程中相态的变化和有效应力的产生，从土力学基本理论出发揭示泥浆由“泥”到“土”的转变过程，为后续科学吹淤和人工促沉提供了理论基础，对于减少堆场占地和加快堆场快速还原具有重要意义。