吹填淤泥静水沉积过程中的颗粒分选机理探讨

周志彦 ，刘 锋 ，徐桂中 ，唐 鹏

（1.江苏鸿基岩土工程有限公司，江苏 扬州 225002；2.宿迁市楚诚置业有限公司，江苏 宿迁 223955；3.盐城工学院土木工程学院，江苏 盐城 224055；4.江苏科技大学土木工程与建筑学院，江苏 镇江 212000）

0 引言

我国每年都需要对境内的各种水域进行疏浚，产生大量的高含水率流态泥[1]。吹填淤泥进入堆泥场后，在静水沉积过程中会发生颗粒分选现象，导致土性沿深度分布不均[2～3]。因此，明确堆场吹填淤泥的工程特性的前提是了解其在静水沉积过程中的颗粒分选规律。

很多学者在开展吹填淤泥静水沉积过程中发现了颗粒分选现象[2,4]，总结后认为，初始含水率越高，颗粒分选现象越显著[5]。根据淤泥含水率由高到低，徐桂中等[6]将淤泥颗粒分选分为不分选阶段、分选度增长阶段、分选度稳定阶段。Xu等[6]指出，土的液限越大，静水沉积过程中泥浆越不易发生分选，根据土的液限将土样分为易分选土样、弱分选土样和难分选土样。

本研究对不同初始含水率吹填淤泥开展静水沉积试验，根据静水沉积后淤泥的含水率、颗粒级配等沿高度的分布规律，明确静水沉积下吹填淤泥的分选规律，了解分选后颗粒级配沿高度的分布特性，分析初始含水率对颗粒分选规律的影响，探讨静水沉积过程中颗粒分选的机理。

1 静水沉积试验方案

试验采用取自江苏淮安白马湖地区的吹填淤泥，土样基本物理指标见表1。配置4组不同初始含水率的泥浆，初始含水率分别为液限的5倍、7.4倍、10.3倍、12.5倍。运用水瓢将搅拌均匀的泥浆快速移入事先准备好的沉降柱中，待沉降柱中的泥浆达到预定高度时，停止移入泥浆，并开始计时。沉降柱直径12 cm，泥浆的初始高度均为45 cm。在泥浆移入沉降柱中后，泥浆表面会出现明显的泥水分界面，记录不同时间泥水分界面的高度。待沉积试验开展2000 min左右，此时泥面沉降相对初期的沉降显著较慢，结束试验。沉积完成后，清除沉降柱表层的覆水，并采用真空吸泥装置将沉降柱中的土样由上至下分层抽出，每层5 cm左右。对抽出的淤泥开展含水率、液塑限、颗粒分析等测试，了解含水率、液塑限及颗粒级配等的分布情况。

表1 土样的基本物理力学指标

2 试验成果分析

2.1 静水沉积过程中的泥面沉降规律

图1为在泥面沉降量（s）～时间（t）坐标系中，泥水分界面（简称泥面）沉降量随时间的变化关系。由图可知，当初始含水率大于7倍液限时，泥面的沉降量在试验初期（试验开展200 min内）均随时间呈线性增加，表明泥面等速沉降且沉降速率较大；在此之后，泥面沉降量瞬间变缓，沉降速率迅速降低，沉降曲线斜率变小，不同初始含水率泥浆泥面的沉降速率十分接近。当初始含水率等于5倍液限时，整个沉降过程中泥面的沉降速率基本相同。

图1 沉降曲线（s-t）

在泥浆沉积规律的研究中，一般认为，泥面发生等速线性沉降是泥浆发生阻碍沉降的标志[7,8]。此时，泥浆中的土颗粒相互间尚未接触，土的初始骨架尚未形成。由此可见，对于本次试验，当白马湖淤泥的含水率分别大于7倍液限时，泥浆首先发生阻碍沉降。当泥浆的含水率小于等于5倍液限时，泥浆进入自重固结状态。

2.2 静水沉积后含水率分布规律

图2为不同初始含水率淤泥沉积完成后含水率沿高度的分布规律，由图可知，当泥浆初始含水率为5倍液限时，淤泥的含水率沿深度略有降低，略小于初始含水率，但变化较小。由上述可知，当吹填淤泥的初始含水率为5倍液限时，淤泥在初始状态时已进入自重固结状态。由此可见，泥浆由自重固结引起的含水率的降低相对较小，这与自重固结时，泥面的沉降量较小是一致的。当初始含水率大于7倍液限时，沉积后淤泥的含水率沿高度的变化显著大于初始含水率较小时，且随高度的减小而迅速降低。初始含水率越高，沉积后的含水率沿深度变化越大。由上述现象可以推断，由于自重固结时间较短，自重固结引起的泥浆的含水率的降低并不是上述泥浆含水率沿高度的显著变化的主要原因。由下文中关于沉积后淤泥的颗粒分布规律可知，当含水率高于7倍液限时，淤泥含水率沿深度发生显著变化与淤泥发生颗粒分选密切相关。

图2 静水沉积后含水率沿高度的分布规律

2.3 静水沉积过程中的颗粒分选规律

将吹填淤泥中的土颗粒分为＜0.002mm，0.002 mm～0.005 mm，0.005 mm～0.01 mm，0.01 mm～0.075 mm 四个粒组。由于本试验中所用各吹填淤泥土样中大于0.075 mm颗粒的含量极低，所以没有将大于0.075 mm颗粒作为单独的粒组进行分析。图3为不同初始含水率时各粒组含量沿高度的变化规律。

图3 不同初始含水率时各粒组含量沿高度的变化

由图3可知，当初始含水率为5倍液限时，四个粒组的颗粒均沿高度的变化较小，保持与泥浆初始状态各粒组的含量一致。当初始含水率分别大于等于7倍液限时，各组试验中，小于0.002 mm粒组、0.002 mm～0.005 mm粒组及0.005 mm～0.01 mm粒组的含量均随高度的降低而降低，但0.01 mm～0.075 mm粒组，含量随高度的降低而增加。由此可见，沉积过程中，粒径大于0.01 mm颗粒相对于粒径小于0.01 mm颗粒发生相对沉降。另外，由图3可知，对于同一组试验，各粒组含量沿高度降低时，位置较高处各粒组含量随高度的变化小于位置较低处的，即各粒组含量随高度的变化率随高度的降低而增加。由图3可知，在同一高度处，初始含水率越高，小于0.002 mm粒组、0.002 mm～0.005 mm粒组及0.005 mm～0.01 mm粒组的含量均随初始含水率的增加而增加，粒组0.01 mm～0.075 mm的含量随初始含水率等增加而降低。现有研究显示，静水沉积过程中的颗粒分选现象是由静水沉积过程中小于0.01 mm颗粒与大于0.01 mm颗粒间发生相对运动产生。由此可知，大于0.01 mm的粒组在沉积过程中相对于小于0.002 mm粒组、0.002 mm～0.005 mm粒组及0.005 mm～0.01 mm粒组发生相对下沉，导致分选现象的产生，与现有的研究结果一致。

3 颗粒分选机理探讨

现有研究显示，对于吹填淤泥而言，当吹填淤泥的初始含水率较高时，泥浆在初始时刻发生阻碍沉降（泥浆处于悬浮状态），在此过程中，颗粒发生分选现象。当吹填淤泥的初始含水率较低时，泥浆在初始时刻已进入自重固结状态（土的初始结构形成），没有发生颗粒分选现象[7,8]。因此，静水沉积过程中，分选现象能否发生的临界状态与土的初始结构形成密切相关。由本次试验成果可知，当初始含水率为5倍液限时，泥浆处于自重固结状态，土的初始结构已形成，所以未发生显著的颗粒分选现象，但当初始含水率大于7倍液限时，泥浆中出现了显著颗分现象，由此表明，泥浆的初始含水率大于7倍液限时，泥浆处于悬浮状态。对于发生颗粒分选的泥浆，由于颗粒分选的发生，导致土性的改变，因此，初始时刻的相对含水率（初始含水率与液限之比w0/wL）与沉积后各位置泥浆的相对含水率并不一致。

为了进一步了解沉积后淤泥的相对含水率，图4显示了白马湖淤泥的液限沿高度的变化。由图4可知，初始含水率大于7倍液限时，泥浆沉积后的液限均沿高度的增加而增加。分析认为，这是由粗颗粒沿高度的增加逐渐减小引起。初始含水率为5倍液限时，未发生显著的颗粒分选现象，淤泥的液限未沿高度发生显著变化，与沉积前原泥的液限相似。

图4 不同初始含水率时液限的沿高度的分布规律

根据图2及图4所示数据，可以获得沉积后淤泥的相对含水率沿高度的变化规律，见图5。由图5可知，在静水沉积后，相对含水率沿高度的降低均呈略微降低的趋势。

图5 相对含水率沿高度的分布规律

分析认为，相对含水率沿高度降低的原因与不同高度处淤泥发生不同程度的自重固结相关。高度较低处淤泥受到的上部自重压力大，产生较大程度的自重固结，所以相对含水率较低。此外，图5中显示，相同高度处，沉积前泥浆的初始含水率越高，沉积后淤泥的相对含水率也越高，说明沉积前淤泥的初始含水率是影响沉积后淤泥含水率的重要因素。分析认为，沉积前淤泥的初始含水率越高，淤泥受到的上部自重压力也越小，所以相同高度处淤泥自重固结程度就越小。

现有关于软黏土压缩特性方面的研究可知，初始含水率是影响土的压缩特性的重要因素。初始含水率越高，相同压力下，黏土固结后的孔隙比越大[9，10]。为了解本次研究中，淤泥沉积后的相对含水率是否受初始含水率的影响，沉积后淤泥的相对含水率与其液限的关系见图6。

图6 沉积后相对含水率随液限的变化规律

由图6可知，尽管沉积前淤泥的初始含水率不一致，但沉积后淤泥的相对含水率并不随沉积后土样的液限的变化而变化。尽管数据相对分散，但可以看出，相对含水率均在4倍～6倍液限间。如果不考虑沉积过程中自重固结作用对相对含水率的影响，可以认为，沉积过程中，泥浆进入自重固结时的含水率（土的初始结构形成）在5倍液左右，与泥浆的初始含水率关系不密切。

4 结论

（1）泥浆处于自重固结状态时，不会发生颗粒分选。当泥浆的初始含水率大于5倍液限时，土样发生颗粒分选现象。

（2）当发生颗粒分选时，粒径大于0.01 mm颗粒相对于粒径小于0.01 mm颗粒发生相对下降，导致沉积后的泥浆含水率及液限等均沿高度降低。

（3）沉积过程中，泥浆进入自重固结状态时的含水率在5倍液限左右，与其沉积前的初始含水率关系不密切。