水平排水板真空预压法处理疏浚淤泥固结特性研究

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港口、河流、湖泊及其他水环境中每年产生大量的疏浚淤泥,且近几年呈逐年递增的趋势。如何快速高效的处理大量的疏浚淤泥已成为迫切的环境问题。疏浚淤泥往往具有高含水率、高压缩性、低(甚至无)承载力等工程特性。目前,高含水率疏浚淤泥的快速处理方法不多,其中,水平排水板真空预压法是一种较高效的方法,且其处理效果已得到现场试验的验证。但是,目前关于水平排水板真空预压法的研究非常有限,其作用规律和机理的认识尚不够清楚。因此,本文针对水平排水板真空预压法进行了系统深入的模型试验研究,揭示了该方法的作用机理,并建立了水平真空预压的固结分析模型,主要研究内容和结论如下:(1)考虑分层吹填、水平排水板板间距等因素进行了水平排水板真空预压和水平真空预压-絮凝联合法(以聚丙烯酰胺为絮凝剂)室内模型试验。试验过程中监测了排水固结效率和孔隙水压力,并分析了真空预压后土层中含水率和十字板剪切强度的分布规律。结果表明,与自然沉积固结法相比,水平排水板真空预压法的排水效率和沉降速率分别提高了约3倍和4倍。添加絮凝剂提高了自由排水速率40%左右,而对真空预压排水效率影响并不显著。水平真空-絮凝联合方法与水平排水板真空预压法试验土体的含水率和抗剪强度分布规律相似,加入絮凝剂,使得处理后土体的抗剪强度提高了1-2倍左右。(2)分别以碱激发矿渣微粉和水泥为固化剂,进行了水平真空预压-固化联合处理疏浚淤泥的室内模型试验,并与单一的水平真空预压方法和直接固化方法进行了对比。结果表明由于加入的固化剂的前期水化反应产物产生的絮凝作用和土体骨架构建作用显著改善了泥浆渗透性,从而使真空预压排水效率提高了约60%-100%。水平真空预压-固化联合方法的处理效果显著优于单一水平真空预压法和直接固化法。(3)建立水平真空预压固结数学模型并推得了解析解,将所得解析解与有限元数值计算(Flex PDE)结果进行了对比验证,并提出渗流方向系数概念,可以提高解析解的计算精度。但由于两方法的假设条件并不完全一致,导致两方法的计算结果具有一定差值(相差5%左右),但是两方法计算结果的变化规律完全一致。另外,将解析解与现场监测结果进行了对比验证,结果表明解析解与现场试验结果的变化规律一致,且误差在工程允许范围内。(4)基于分段线性方法,考虑大变形、土体自重、竖向与水平向渗流和渗透性质的各向异性、非线性土体本构关系、随时间变化的真空荷载及堆载、非达西渗流、水平排水板板间距、及不同厚度淤泥分层堆填等因素的影响,建立了水平真空预压固结数值模型VPSC。将该模型计算结果与Terzaghi的二维固结数值解(Flex PDE)进行了对比验证分析,然后将该模型用于分析室内模型试验和既有的水平真空预压现场试验。分析结果表明,VPSC模型与Flex PDE计算结果的变化规律完全一致且吻合,且该模型计算结果与模型试验、现场试验的监测结果变化规律一致且比较吻合。
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