流泥的工程特性
0 引言
流泥是指天然含水率 ω≥85 %，e≥2.4 的土[1]，相當於《水運技術詞典》疏浚工程土質分類表中“流動性淤泥”。隨著港口建設和海洋開發利用的不斷擴大，需要大量的泥土作為回填料吹填至碼頭後方形成陸域，回填料的主要來源為航道疏浚土，而航道上部的落淤土主要為流泥、浮泥，土顆粒極細，形成的陸域處理起來非常困難。近來在黃驊電廠、青島、大連大窯灣等港區，發現流泥、浮泥吹填區採用排水固結法加固地基效果較差，不能滿足地基承載力要求。需要對吹填後形成的流泥、浮泥的工程特性進行深入地研究。
各港口的淤泥分布隨沉積環境的不同具有很強的地區性，因此本文針對我國沿海港口中黃驊港、深圳港、連雲港港、天津港 4 個地區的代表性流泥進行室內試驗分析。重點了解 4 個港區流泥的礦物成分、物理指標、力學性能指標等基本的工程特性；通過室內大型模型槽真空預壓試驗，同時結合黃驊電廠現場試驗數據，分析黃驊電廠流泥在加固過程中抗剪強度增長規律。
1 物理指標及礦物成分分析
1.1 物理指標分析
黃驊港、深圳港、連雲港港、天津港 4 個地區流泥的物理指標見表 1。顆粒細，土質差。4 個港區的土樣含有大量的黏粒（粒徑<0.005 mm 的顆粒），幾乎占到總顆粒質量的一半。同時土樣中膠粒（<0.002 mm 的顆粒）的含量也較大，黃驊港、連雲港港、天津港流泥的膠粒含量分別為 24.0 %、23.3 %、22.5 %，深圳流泥的膠粒含量達到了30.2 %。黏粒和膠粒很細，使得土具有巨大的比表面積和活性，能夠把大量的水分和礦物質吸附在土顆粒周圍，使其結合水厚，含水率高，孔隙比大，土質鬆軟，強度低。
1.2 礦物成分
礦物成分控制著土顆粒的大小、形狀和表面特徵。這些特徵以及與液相的相互作用決定了土的塑性、膨脹、壓縮、強度等性狀。因此，礦物成分的研究對理解土的性狀是很關鍵的。本試驗採用紅外光譜和 X 射線衍射相結合的方式對 4 個港區流泥的礦物成份進行定量分析。
4 個港區流泥樣品中含有大量的黏土礦物，深圳流泥的黏土礦物總量達到了57.4 %，連雲港港、黃驊港、天津港的含量分別為48.9 %、46.8 %、44.1 %；在大量的黏土礦物中，含量最高的是伊/矇混層，其工程特性介於蒙托石和伊利石之間，使得4 個地區的流泥具有較高的塑性、較大的壓縮性和較低的滲透性。
2室內試驗
2.1 試驗目的
通過測試不同含水率情況下土的重度、抗剪強度，分析土的含水率與重度、抗剪強度之間的相互關係，發現其內在聯繫。
2.2 試驗方法
用原土中的水，分別將從4 個港區取回的流泥試樣配製成不同的含水率 （由於土的含水率不同，土的分類命名就不同，在這裡把配置好的土統稱為淤泥性土），用攪拌機攪拌均勻，靜置一段時間，分別測試其重度、含水率及抗剪強度。
2.2.1 抗剪強度測試
流泥的含水率較大，土質鬆軟，能夠在重力作用下發生流動，用普通的土工試驗儀器如直剪、三軸都很難測得它的強度指標，經過篩選，選用了微型室內十字板淤泥剪力儀，並根據流泥的特點，選擇了較大尺寸的十字板頭。
2.2.2 重度測試
在含水率較小時，採用環刀法測試試樣的重度，當含水率較大時，環刀已不能使用，改用1 000 ml 的量筒，為了減少誤差，對於每組試樣分別測試3 次，取其平均值。
2.3 試驗結果分析
2.3.1 含水率與重度的關係
對於淤泥性土，其分類主要依賴於天然含水率、天然孔隙比。土的含水率、重度是軟黏土非常重要的物性指標，為了解飽和狀態下淤泥性土含水率和重度之間的關係，把不同地區、不同土質、不同含水率下土的重度放入一個圖中進行擬合。從圖 1 可看出：飽和淤泥性土的重度隨著含水率的升高而減小；含水率和重度之間存在著良好的對應關係，這種關係包含了地區和土質的差異。對於實際工程來說，只要知道了飽和狀態淤泥性土的含水率，就可以估算出其重度的大小，以便於了解土的物理性質。
2.3.2 抗剪強度增長規律分析
2.3.2.1 含水率對十字板強度的影響
深圳、黃驊、連雲港、天津 4 個港區的淤泥性土十字板抗剪強度與含水率的關係。
1） 在室內試驗條件下，淤泥性土的含水率和十字板抗剪強度之間存在著良好的相關性；十字板抗剪強度隨著含水率的升高而減小；當含水率不斷增大時，十字板強度逐漸趨近於零。
2） 含水率大幅降低，抗剪強度增長很小。從圖2 看到，試驗用的幾種土含水率從150 %降低到65 %左右，十字板抗剪強度增長只有2 kPa。這種情況在真空預壓施工中常常會遇到，新吹填地基土顆粒很細，含水率很高，真空預壓加固後，地基沉降明顯，但地基土強度增長卻很緩慢。
2.3.2.2 土質對十字板抗剪強度的影響
地區的差別主要表現為土質不同，也就是黏土礦物成分及含量的不同。對照表2 和圖2 可以看出：當含水率相同時，土質中黏土礦物含量較高的，十字板抗剪強度較高。深圳港、連雲港港、黃驊港、天津港的黏土礦物含量分別為57.4 %、48.9 %、46.8 %、44.1 %，從圖2 可以看出土樣的關係曲線基本上按所含黏土礦物的多少由右往左排列，土質的不同、所含黏土礦物的數量不同對土的力學性能影響很大。
3模型槽真空預壓試驗分析
在室內力學性能試驗中，黃驊港、連雲港港、深圳港、天津港4 個港區的濱海淤泥由於受到攪拌等機具的限制，含水率只做到60 %左右。當土樣含水率小於85 %成為淤泥後，在重力作用下的流動性逐漸減弱，結構性逐漸增強，這種性質隨著含水率的減小逐漸加強，土樣攪拌後強度偏低。為了在不破壞土的結構強度的前提下更全面地了解流泥的工程特性，選擇黃驊港電廠試驗區流泥（與室內力學性能試驗中採用的土樣相同）進行室內真空預壓模型試驗。模型槽長4 m，寬2 m，高2 m，模型槽內淤泥填入厚度為1.8 m，排水板間距60 cm，正方形布置，真空預壓加固天數為150 d，荷載80 kPa。卸載後固結度經計算達到了85 %以上。
3.1 含水率隨真空預壓抽氣時間的變化情況
由於模型槽真空度保持較好，模型槽中的淤泥性土含水率在抽真空26 d 時，由120 %降低到55.2 % （平均值），抽氣114d時，含水率降到51.8 %，抽氣150 d 時含水率降低到50.6 %。真空預壓前期含水率降低迅速，消除了地基土的大部分沉降；在真空預壓中後期，含水率降低的速度非常緩慢，124 d 中含水率僅僅降低了4.6 %。
3.2 含水率對抗剪強度的影響
根據真空預壓加固各個階段的十字板抗剪強度和相應含水率的統計：在模型槽試驗條件下，淤泥性土的含水率變化和抗剪強度變化之間存在著良好的相關性；含水率為60 %左右時，十字板抗剪強度大約為2 kPa，曲線變化規律及試驗結果與室內試驗的結果基本相同。當含水率進一步降低向液限（液限含水率 45.9 %）靠近時，抗剪強度增長進入敏感區域，含水率稍有降低，強度迅速增加。卸載時，平均含水率降低到50.6 %，十字板抗剪強度為10~15 kPa。
3.3 機理分析
當含水率非常大時，地基土中存在大量的自由水，這些自由水受到土粒的吸附作用非常小，同時土的密度較低，孔隙比比較大，真空預壓形成水力坡降將自由水抽出來比較容易，因而前期抽真空含水率降低效果明顯；當含水率在真空預壓的作用下逐漸減小，土的有效應力增加，孔隙比減小，土所含水分中的結合水占有比例在不斷增加，此時，在同樣的水力坡降下，自由水要克服結合水的黏滯阻力就增加了，也就是修正後的達西定律中起始水力坡降i增加了，而有效水力坡降減小了，滲流速度相應地減小，使得真空預壓中後期含水率降低變得非常緩慢。
另一方面，淤泥性土抗剪強度隨含水率變化是由黏土礦物顆粒的表面張力及水勢的擴散作用造成的，土壤水總是先附著在土粒表面，兩個土粒的結合水同時受到相鄰兩個土粒的共同引力作用，在兩個土粒間出現一定的聯接強度，但是隨著土壤含水率的增大，土壤顆粒間距增大，造成兩土顆粒間引力減小，相應的結合水的聯繫作用也在減小，同時水的自由度很大，其運動黏滯係數遠遠小於土壤顆粒間的摩擦係數，因此當結合水的厚度增大後，土體間產生相對運動的摩擦阻力就要減小，因而隨著含水率的增加，抗剪強度逐漸減小；當結合水的含量超過土壤的最大持水能力時，土壤中就出現自由水，極大地降低土體間的聯結強度，抗剪強度隨含水率增加迅速降低；隨著含水率的不斷增大，土顆粒之間的摩擦和吸引已變得很小，土體的抗剪強度逐漸趨於零。同樣，當土壤中的自由水越來越少時，土粒之間的距離不斷縮小，土顆粒間較厚的結合水膜相互融合，產生很大的黏滯作用，同時因為土顆粒間距離的減小，引力增大，土的抗剪強度迅速增加。正如圖4 中，含水率在接近液限時，十字板抗剪強度增長迅速；含水率不斷增大，遠離液限時，含水率的增加對抗剪強度的變化不再敏感。
對於真空預壓加固來說，地基加固強度不高的原因是在加固過程中這種顆粒極細的超軟土含水率沒有降得更低。陳環認為：在正常固結情況下，經過3～5 個月80kPa 的真空固結壓力，軟黏土的含水率降低到液限附近，如果要求含水率低於液限，必須加大預壓荷載。在上述試驗中，含水率離液限還有一定距離，從圖4 曲線的趨勢看，如果含水率進一步靠近液限，地基土抗剪強度是有可能滿足要求的。比如進一步降低排水板間距、延長抽真空時間或者直接加大預壓荷載等都是可行的方法，至於哪種方法更經濟有效，還需要進一步研究。
4黃驊港現場十字板抗剪強度分析
黃驊電廠二期陸域地基處理工程共6 個區，面積18萬m，加固區吹填土為黃驊航道落淤土，吹填標高+6.5 m。由於受吹填土來源和吹填施工工藝的影響，地基表層吹填土為顆粒極細的流泥，厚度為6~7 m，含水率在120 %左右，孔隙比在3.3 左右。通過5 個月的真空預壓，含水率有了大幅度降低 （由加固前的110 %～130 %降低到加固後的50 %多），達到設計的固結度、沉降要求，但強度偏低。由圖5 可以看出：在現場條件下，含水率和十字板抗剪強度的相關性比模型槽試驗結果稍差，但變化趨勢是相同的 （主要是因為現場條件比較複雜，土質不如實驗室均勻）；真空預壓結束後，土的含水率稍高於液限，抗剪強度為9 kPa 左右，不能滿足地基承載力要求。
5結語
1） 所選4 個港區的流泥具有液限高、顆粒細、黏粒膠粒含量高、土質差的特點。
2） 黏土礦物的種類與含量是影響流泥強度的主要因素，4 個港區的流泥含有大量的黏土礦物，其中含量最高的是伊/矇混層。
3） 飽和狀態的淤泥性土重度隨著含水率的升高而減小；含水率和重度之間存在著良好的對應關係，這種關係包含了地區和土質的差異。
4） 淤泥性土的含水率變化和抗剪強度變化之間存在良好的相關性；抗剪強度隨含水率變化存在一個敏感區域，當含水率不斷降低向液限靠近時，含水率小幅降低，而抗剪強度大幅增長；當含水量不斷增加，遠離液限時，含水率的變化對抗剪強度影響不明顯。
5） 加固由黏粒、膠粒含量很高的流泥形成的地基，真空預壓法能夠大幅降低地基土的含水率，消除地基的大部分沉降，但加固後地基土強度偏低，還需要改進措施進一步降低含水率。在現場施工中如遇到大面積深厚流泥，採用真空預壓法加固，應先進行現場試驗研究。
