流泥

流动性淤泥

流泥是指天然含水率 ω≥85 %，e≥2.4 的土，相当于《水运技术词典》疏浚工程土质分类表中“流动性淤泥”。随着港口建设和海洋开发利用的不断扩大，需要大量的泥土作为回填料吹填至码头后方形成陆域，回填料的主要来源为航道疏浚土，而航道上部的落淤土主要为流泥、浮泥，土颗粒极细，形成的陆域处理起来非常困难。

工程特性

流泥是指天然含水率 ω≥85 %，e≥2.4 的土[1]，相当于《水运技术词典》疏浚工程土质分类表中“流动性淤泥”。随着港口建设和海洋开发利用的不断扩大，需要大量的泥土作为回填料吹填至码头后方形成陆域，回填料的主要来源为航道疏浚土，而航道上部的落淤土主要为流泥、浮泥，土颗粒极细，形成的陆域处理起来非常困难。近来在黄骅电厂、青岛、大连大窑湾等港区，发现流泥、浮泥吹填区采用排水固结法加固地基效果较差，不能满足地基承载力要求。需要对吹填后形成的流泥、浮泥的工程特性进行深入地研究。

各港口的淤泥分布随沉积环境的不同具有很强的地区性，因此本文针对我国沿海港口中黄骅港、深圳港、连云港港、天津港 4 个地区的代表性流泥进行室内试验分析。重点了解 4 个港区流泥的矿物成分、物理指标、力学性能指标等基本的工程特性；通过室内大型模型槽真空预压试验，同时结合黄骅电厂现场试验数据，分析黄骅电厂流泥在加固过程中抗剪强度增长规律。

成分分析

1.1 物理指标分析

黄骅港、深圳港、连云港港、天津港 4 个地区流泥的物理指标见表 1。颗粒细，土质差。4 个港区的土样含有大量的黏粒（粒径<0.005 mm 的颗粒），几乎占到总颗粒质量的一半。同时土样中胶粒（<0.002 mm 的颗粒）的含量也较大，黄骅港、连云港港、天津港流泥的胶粒含量分别为 24.0 %、23.3 %、22.5 %，深圳流泥的胶粒含量达到了30.2 %。黏粒和胶粒很细，使得土具有巨大的比表面积和活性，能够把大量的水分和矿物质吸附在土颗粒周围，使其结合水厚，含水率高，孔隙比大，土质松软，强度低。

1.2 矿物成分

矿物成分控制着土颗粒的大小、形状和表面特征。这些特征以及与液相的相互作用决定了土的塑性、膨胀、压缩、强度等性状。因此，矿物成分的研究对理解土的性状是很关键的。本试验采用红外光谱和 X 射线衍射相结合的方式对 4 个港区流泥的矿物成份进行定量分析。

4 个港区流泥样品中含有大量的黏土矿物，深圳流泥的黏土矿物总量达到了57.4 %，连云港港、黄骅港、天津港的含量分别为48.9 %、46.8 %、44.1 %；在大量的黏土矿物中，含量最高的是伊/蒙混层，其工程特性介于蒙托石和伊利石之间，使得4 个地区的流泥具有较高的塑性、较大的压缩性和较低的渗透性。

室内试验

2.1 试验目的

通过测试不同含水率情况下土的重度、抗剪强度，分析土的含水率与重度、抗剪强度之间的相互关系，发现其内在联系。

2.2 试验方法

用原土中的水，分别将从4 个港区取回的流泥试样配制成不同的含水率（由于土的含水率不同，土的分类命名就不同，在这里把配置好的土统称为淤泥性土），用搅拌机搅拌均匀，静置一段时间，分别测试其重度、含水率及抗剪强度。

2.2.1 抗剪强度测试

流泥的含水率较大，土质松软，能够在重力作用下发生流动，用普通的土工试验仪器如直剪、三轴都很难测得它的强度指标，经过筛选，选用了微型室内十字板淤泥剪力仪，并根据流泥的特点，选择了较大尺寸的十字板头。

2.2.2 重度测试

在含水率较小时，采用环刀法测试试样的重度，当含水率较大时，环刀已不能使用，改用1 000 ml 的量筒，为了减少误差，对于每组试样分别测试3 次，取其平均值。

2.3 试验结果分析

2.3.1 含水率与重度的关系

对于淤泥性土，其分类主要依赖于天然含水率、天然孔隙比。土的含水率、重度是软黏土非常重要的物性指标，为了解饱和状态下淤泥性土含水率和重度之间的关系，把不同地区、不同土质、不同含水率下土的重度放入一个图中进行拟合。从图 1 可看出：饱和淤泥性土的重度随着含水率的升高而减小；含水率和重度之间存在着良好的对应关系，这种关系包含了地区和土质的差异。对于实际工程来说，只要知道了饱和状态淤泥性土的含水率，就可以估算出其重度的大小，以便于了解土的物理性质。

2.3.2 抗剪强度增长规律分析

2.3.2.1 含水率对十字板强度的影响

深圳、黄骅、连云港、天津 4 个港区的淤泥性土十字板抗剪强度与含水率的关系。

1）在室内试验条件下，淤泥性土的含水率和十字板抗剪强度之间存在着良好的相关性；十字板抗剪强度随着含水率的升高而减小；当含水率不断增大时，十字板强度逐渐趋近于零。

2）含水率大幅降低，抗剪强度增长很小。从图2 看到，试验用的几种土含水率从150 %降低到65 %左右，十字板抗剪强度增长只有2 kPa。这种情况在真空预压施工中常常会遇到，新吹填地基土颗粒很细，含水率很高，真空预压加固后，地基沉降明显，但地基土强度增长却很缓慢。

2.3.2.2 土质对十字板抗剪强度的影响

地区的差别主要表现为土质不同，也就是黏土矿物成分及含量的不同。对照表2 和图2 可以看出：当含水率相同时，土质中黏土矿物含量较高的，十字板抗剪强度较高。深圳港、连云港港、黄骅港、天津港的黏土矿物含量分别为57.4 %、48.9 %、46.8 %、44.1 %，从图2 可以看出土样的关系曲线基本上按所含黏土矿物的多少由右往左排列，土质的不同、所含黏土矿物的数量不同对土的力学性能影响很大。

3模型槽真空预压试验分析

在室内力学性能试验中，黄骅港、连云港港、深圳港、天津港4 个港区的滨海淤泥由于受到搅拌等机具的限制，含水率只做到60 %左右。当土样含水率小于85 %成为淤泥后，在重力作用下的流动性逐渐减弱，结构性逐渐增强，这种性质随着含水率的减小逐渐加强，土样搅拌后强度偏低。为了在不破坏土的结构强度的前提下更全面地了解流泥的工程特性，选择黄骅港电厂试验区流泥（与室内力学性能试验中采用的土样相同）进行室内真空预压模型试验。模型槽长4 m，宽2 m，高2 m，模型槽内淤泥填入厚度为1.8 m，排水板间距60 cm，正方形布置，真空预压加固天数为150 d，荷载80 kPa。卸载后固结度经计算达到了85 %以上。

3.1 含水率随真空预压抽气时间的变化情况

由于模型槽真空度保持较好，模型槽中的淤泥性土含水率在抽真空26 d 时，由120 %降低到55.2 % （平均值），抽气114d时，含水率降到51.8 %，抽气150 d 时含水率降低到50.6 %。真空预压前期含水率降低迅速，消除了地基土的大部分沉降；在真空预压中后期，含水率降低的速度非常缓慢，124 d 中含水率仅仅降低了4.6 %。

3.2 含水率对抗剪强度的影响

根据真空预压加固各个阶段的十字板抗剪强度和相应含水率的统计：在模型槽试验条件下，淤泥性土的含水率变化和抗剪强度变化之间存在着良好的相关性；含水率为60 %左右时，十字板抗剪强度大约为2 kPa，曲线变化规律及试验结果与室内试验的结果基本相同。当含水率进一步降低向液限（液限含水率 45.9 %）靠近时，抗剪强度增长进入敏感区域，含水率稍有降低，强度迅速增加。卸载时，平均含水率降低到50.6 %，十字板抗剪强度为10~15 kPa。

3.3 机理分析

当含水率非常大时，地基土中存在大量的自由水，这些自由水受到土粒的吸附作用非常小，同时土的密度较低，孔隙比比较大，真空预压形成水力坡降将自由水抽出来比较容易，因而前期抽真空含水率降低效果明显；当含水率在真空预压的作用下逐渐减小，土的有效应力增加，孔隙比减小，土所含水分中的结合水占有比例在不断增加，此时，在同样的水力坡降下，自由水要克服结合水的黏滞阻力就增加了，也就是修正后的达西定律中起始水力坡降i0增加了，而有效水力坡降减小了，渗流速度相应地减小，使得真空预压中后期含水率降低变得非常缓慢。

另一方面，淤泥性土抗剪强度随含水率变化是由黏土矿物颗粒的表面张力及水势的扩散作用造成的，土壤水总是先附着在土粒表面，两个土粒的结合水同时受到相邻两个土粒的共同引力作用，在两个土粒间出现一定的联接强度，但是随着土壤含水率的增大，土壤颗粒间距增大，造成两土颗粒间引力减小，相应的结合水的联系作用也在减小，同时水的自由度很大，其运动黏滞系数远远小于土壤颗粒间的摩擦系数，因此当结合水的厚度增大后，土体间产生相对运动的摩擦阻力就要减小，因而随着含水率的增加，抗剪强度逐渐减小；当结合水的含量超过土壤的最大持水能力时，土壤中就出现自由水，极大地降低土体间的联结强度，抗剪强度随含水率增加迅速降低；随着含水率的不断增大，土颗粒之间的摩擦和吸引已变得很小，土体的抗剪强度逐渐趋于零。同样，当土壤中的自由水越来越少时，土粒之间的距离不断缩小，土颗粒间较厚的结合水膜相互融合，产生很大的黏滞作用，同时因为土颗粒间距离的减小，引力增大，土的抗剪强度迅速增加。正如图4 中，含水率在接近液限时，十字板抗剪强度增长迅速；含水率不断增大，远离液限时，含水率的增加对抗剪强度的变化不再敏感。

对于真空预压加固来说，地基加固强度不高的原因是在加固过程中这种颗粒极细的超软土含水率没有降得更低。陈环认为：在正常固结情况下，经过3～5 个月80kPa 的真空固结压力，软黏土的含水率降低到液限附近，如果要求含水率低于液限，必须加大预压荷载。在上述试验中，含水率离液限还有一定距离，从图4 曲线的趋势看，如果含水率进一步靠近液限，地基土抗剪强度是有可能满足要求的。比如进一步降低排水板间距、延长抽真空时间或者直接加大预压荷载等都是可行的方法，至于哪种方法更经济有效，还需要进一步研究。

4黄骅港现场十字板抗剪强度分析

黄骅电厂二期陆域地基处理工程共6 个区，面积18万m，加固区吹填土为黄骅航道落淤土，吹填标高+6.5 m。由于受吹填土来源和吹填施工工艺的影响，地基表层吹填土为颗粒极细的流泥，厚度为6~7 m，含水率在120 %左右，孔隙比在3.3 左右。通过5 个月的真空预压，含水率有了大幅度降低（由加固前的110 %～130 %降低到加固后的50 %多），达到设计的固结度、沉降要求，但强度偏低。由图5 可以看出：在现场条件下，含水率和十字板抗剪强度的相关性比模型槽试验结果稍差，但变化趋势是相同的（主要是因为现场条件比较复杂，土质不如实验室均匀）；真空预压结束后，土的含水率稍高于液限，抗剪强度为9 kPa 左右，不能满足地基承载力要求。

5结语

1）所选4 个港区的流泥具有液限高、颗粒细、黏粒胶粒含量高、土质差的特点。

2）黏土矿物的种类与含量是影响流泥强度的主要因素，4 个港区的流泥含有大量的黏土矿物，其中含量最高的是伊/蒙混层。

3）饱和状态的淤泥性土重度随着含水率的升高而减小；含水率和重度之间存在着良好的对应关系，这种关系包含了地区和土质的差异。

4）淤泥性土的含水率变化和抗剪强度变化之间存在良好的相关性；抗剪强度随含水率变化存在一个敏感区域，当含水率不断降低向液限靠近时，含水率小幅降低，而抗剪强度大幅增长；当含水量不断增加，远离液限时，含水率的变化对抗剪强度影响不明显。

5）加固由黏粒、胶粒含量很高的流泥形成的地基，真空预压法能够大幅降低地基土的含水率，消除地基的大部分沉降，但加固后地基土强度偏低，还需要改进措施进一步降低含水率。在现场施工中如遇到大面积深厚流泥，采用真空预压法加固，应先进行现场试验研究。

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