真空预压下疏浚淤泥“表象淤堵”的机理及固结理论研究

The dredging projects developed rapidly in order to cope with the serious problems of sediment deposition and water contaminations in water ways, rivers and lakes. The dredged fills have extremely poor engineering properties and take up plenty of space which is needed fast and valid treatment urgently. The prefabricated vertical drains (PVD) combined with vacuum preloading is an effective method to improve the extra soft-moisture dredged fill. While the existing consolidation theories are not applicable to the dredged fill under vacuum preloading with PVD which results in bad prediction. The main reason is that the existing solution can not considering the “apparent clogging” effect caused by non-uniform consolidation and particle migration. This program is going to investigate the characteristics of non-uniform consolidation effect and particle migration under varied soil properties and loading conditions, and then quantitatively analysis the impact of them on “apparent clogging”, and further establish the a new consolidation model with account of “apparent clogging” which can be used to predict the consolidation behavior of dredged fill more conveniently and validly under vacuum preloading with PVD. This program will provide reasonable theory for engineering design, controlling of construction period and evaluation of varied engineering technics involved in vacuum preloading on extra soft-moisture dredged fill.

面对水道、河流和湖泊水域底泥淤积严重、水质污染等问题，各级城市的疏浚清淤项目持续快速发展；疏浚淤泥工程性质极差、体量巨大，工程上迫切需要对其快速、有效地对疏浚淤泥进行处理，预制排水板联合真空预压是处理高含水率疏浚淤泥的有效手段。然而，现有理论难以适用于高含水率疏浚淤泥真空预压问题，导致既有理论的工程应用表现差、达不到设计要求。真空荷载下，疏浚淤泥表现显著的不均匀固结效应和颗粒淤堵行为，二者带来严重的“表象淤堵”现象，而现有理论却不能考虑此问题。因此，本项目拟系统科学地探究各工况/参数（土体参数和荷载条件）下不均匀固结效应和颗粒迁移淤堵的变化规律，并定量分析二者对于“表象淤堵”的影响，揭示“表象淤堵”问题的科学本质；建立可以考虑“表象淤堵”效应的固结理论模型，提出简便、有效的高含水率疏浚淤泥固结速率预测手段，也为疏浚淤泥真空预压的工程设计、工期控制、技术/参数优选提供可靠的理论依据。

我国疏浚项目持续发展，现有砂井固结理论不能适用于高含水率疏浚淤泥，主要原因在于不能考虑“表象淤堵”问题。.本研究开展了不同颗粒级配土真空固结的试验研究，明确颗粒级配对表观淤堵特性的影响规律；进行了疏浚淤泥单元体模型试验，提出了考虑表观淤堵的径向固结变形计算方法； 剥离不均匀固结效应，通过不同种类重塑土（泥沙比5/1、2/1）、有无隔离膜的试验和固结度反分析，对颗粒淤堵问题进行试验研究，分析颗粒淤堵对表观淤堵的影响权重，并对其影响进行数学等效，提出等效理论模型。首先，研究发现滤膜堵塞对真空固结的整体表观淤堵现象几乎没有影响，试验结果未证实纯粘土中存在显著的颗粒迁移；颗粒迁移引起的堵塞效应对渗透性有一定影响；非均匀固结和颗粒淤堵效应均在一定程度上影响了固结速率，对于海相淤泥而言，表观淤堵效应主要归因于非均匀固结。其次，PIV位移场结果表明，土体在排水板附近存在压缩区，而在远离排水板存在拉伸区。由于排水板周围土体压缩，孔隙比和渗透性显著降低，形成显著的表观淤堵效应；本项目提出了一种分析方法来估计横向变形，该方法考虑了单位单元内衰减的真空、土体压缩和拉伸区域。将所提出方法应用于验证数据，预测结果与测试结果吻合度较好。最后，含砂量越高的重塑土，颗粒淤堵效应的权重更大（kp由1.2提升至1.4），颗粒淤堵问题或许更加严重。.本项目通过系统科学地探究各工况/参数（土体参数和荷载条件）下不均匀固结效应和颗粒淤堵的变化规律，定量分析了二者对于“表象淤堵”的影响，揭示了“表象淤堵”问题的科学本质，建立了可以考虑“表象淤堵”的固结理论模型，提出简便、有效的高含水率疏浚淤泥固结速率预测手段；可为疏浚淤泥资源化利用中的工程设计、工期控制、技术/参数优选提供可靠的理论依据，是值得深入研究的重要课题。