吹填淺表層超軟弱淤泥的工程特性研究

馮國杰 中交廣州水運工程設計研究院有限公司

1.引言

近年來，中國沿海地區用地日趨緊張，填海造地項目普遍分布于沿海地區，且規模也日益增加，利用清理航道和港池疏浚產生的大量淤泥吹填進行造地，正成為具有積極意義的方式，既解決了疏浚土的拋棄問題，又緩解了填海造地所需砂石料資源緊缺的問題，而且環境污染較小，經濟且環保，具有多方面社會及經濟。

2.超軟弱淤泥成因及沉積形態

2.1 吹填過程中和吹填完成后超軟淤泥的形成分析

淤泥吹填過程通常經歷有以下幾個階段：

（1）水流沖蝕階段：吹填初期泥漿對原始地面的沖刷、侵蝕過程，形成流槽。

（2）動水沉積階段（動態擴散階段）：當吹填泥面不斷上升或者具備一定水深條件時，吹填泥漿難以觸及原始地面，侵蝕作用消減，泥漿中的顆粒水平運動過程中逐漸分選、沉積，其中，粗顆粒首先在吹填口附近沉積，形成微三角洲，同時形成流槽，細顆粒隨水流逐漸向遠處擴散，并逐漸沉積。

（3）靜水沉積階段：吹填完成后，水環境恢復平靜，水動力消散，泥漿中的土顆粒在自重影響下，逐漸分選沉積。

（4）失水固結階段：隨著表層水、孔隙水的進一步消散，泥漿進入失水階段，逐漸開始固結，強度逐漸增長。

根據工程實踐可知，吹填過程中，吹填淤泥主要受水平動力影響，其形成過程主要表現為沖蝕階段和動水沉積階段；吹填完成后，水平動力消失，主要受自重垂直動力，主要表現為靜水沉積階段；隨著表層水、孔隙水消散，土顆粒應力重新分布，進入失水固結階段。

2.2 超軟淤泥沉積形態

超軟淤泥淤泥的沉積格局包括平面形態，剖面形態和微三角洲類型及其相互關系。

（1）平面形態。吹填淤泥的平面形狀在吹填出口附近主要以粗顆粒沉積形成微三角洲為主，隨著與吹填口距離的增加，以細顆粒為主的固態物質逐漸更大范圍的沉積分布。

（2）剖面形態。吹填淤泥在吹填口附近產生較強的侵蝕現象，同時，形成流槽，隨著距離的增加，流槽深度逐漸變淺，寬度逐漸變寬，直至消失。

（3）微三角洲形態。吹填淤泥再吹填口附件形成以粗顆粒為主的三角洲形態，具有一定坡面，并且呈扇形向遠處發散，同時逐漸轉變為以細顆粒為主。

3.超軟弱淤泥物質組成

當吹填完成后，泥漿中土壤顆粒暫未沉積和絮凝，結構松散，含水量高。超軟污泥的物質組成，特別是粒度組成和粘土礦物組成，是影響其沉降或沉降和固結特性的重要因素。

吹填淤泥掃描電子顯微鏡分析表明，淤泥中的粘土礦物主要以伊利石（水合云母）為主，含少量高嶺石。與海相淤泥的礦物組成順序（高嶺石為主，伊利石較少）恰恰相反，這是因為在吹填過程中伴隨有粘土化（伊利石化）作用所致。

吹填過程中由于整體流量小（管道的直徑相對于淤泥表面），吹填過程中淤泥的流速很小，并且流出噴嘴的泥水的流速迅速降低，沉積物沉積速度較快，因此分選效果主要是水平分選，垂直分選影響很小或沒有影響。吹填施工完成后，水平動力基本沒有，分選效果主要是垂直分選，水平分選基本沒有影響。

4.超軟弱泥漿的物理力學性質分析

4.1 物理力學性質

吹填過程中淤泥具有以下物理特征：

（1）含水量基本在100%以上，液限超過1.5倍；孔隙比均大于2.5；可塑性指數基本上大于20，流動性指數大于2.0；

（2）吹填施工時間的長短對淤泥的含水量和空隙率有較大影響。

（3）處于動水沉積階段，分選效果主要是水平分選，垂直分選影響很小或沒有影響。

吹填完成后淤泥具有以下特征：

（1）處于靜水沉積階段，水平動力消失，分選效果主要是垂直分選，水平分選基本沒有影響；

（2）孔隙特征主要以孤立孔隙為主；

（3）微觀結構主要以紊流狀和粒狀鑲嵌結構為主；

（4）含水率和空隙率大，流動性指數大。

4.2 孔隙特征

吹填淤泥的孔隙主要表現為孤立孔隙，粒間孔隙和粒內孔隙。

（1）孤立孔隙。孤立孔隙具有大孔徑、間斷分布、數量少等特點，通常呈圓形或者橢圓形，對土體的孔隙度和壓縮性有顯著影響。

（2）粒間孔隙。粒間孔隙具有分布廣泛、連通性好、形狀復雜等特點，其大小取決于顆粒之間的接觸模式。

（3）粒內孔隙。粒內孔隙主要存在于粒狀聚集體和微團聚體中，具有分布廣泛、孔徑較小、連通性好等特點，對吹填軟土的滲透固結特性有顯著影響。

對于新近吹填淤泥，經過水動力重塑和顆粒重新分選，其原始結構被破壞并且顆粒被重新分布之后，土顆粒結構尚未完全形成，因此其孔隙特征由孤立孔隙主導。

4.3 微觀結構

吹填淤泥微觀結構大致可分為四類，即紊流狀結構、粒狀膠結結構，蜂窩結構和粒狀鑲嵌結構。

（1）紊流狀結構。由粘粒和有機物質組成的微團聚體構成的柔性骨架。孔隙主要是顆粒間孔隙，分布不均勻，形狀細長，孔隙周圍易形成局部渦流，具有湍流外觀。

（2）粒狀膠結結構。由粒狀單晶或聚集體連接形成，孔隙主要是粒間孔隙和粒內孔隙，結構強度低、壓縮性大。

（3）蜂窩狀結構。由微團聚體組成，結構無方向性，呈蜂窩狀，孔隙主要是粒間孔隙。

（4）粒狀鑲嵌結構。在上述結構中，由粗顆粒嵌入形成，由于粗顆粒自重或者環境動力影響，其較易脫落形成較大孔隙，結構不穩定。

吹填淤泥經過水動力重塑和顆粒重新分選，以紊流狀結構和粒狀膠結結構為主，內部存在較多孤立孔隙及裂縫，具有結構松散、強度較低、含水量大、滲透性強等特點。

5.工程特性分析研究

吹填淤泥通常具有以下工程特性：

（1）吹填淤泥成分和工程性質與取泥區內未受干擾的淤泥的原始性質密切相關；

（2）吹填淤泥通常具有含水量大，空隙率大，重量小，壓縮性高，滲透性小，強度低，地基承載力低，靈敏度高等特點；

（3）吹填過程中，顆粒分選較為明顯，以水平分選為主，由近及遠粗顆粒逐漸向細顆粒轉變；吹填完成后，顆粒分選以垂直分選為主，由上及下細顆粒向粗顆粒轉變；

（4）吹填淤泥經過水動力重塑和顆粒重新分選，自重固結及排水時間較長、強度增長較慢。