吹填淤泥的工程地质特性研究_彭涛

吹填淤泥的工程地质特性研究

彭　涛　武　威　(建设部综合勘察研究设计院深圳研究院　广东·深圳　518054)黄少康　侯培丽　(南油集团建设部　广东·深圳　518054)

【提要】　本文从吹填淤泥的沉积特征、

物质组成、孔隙特征、微观结构、渗透特

征、固结特征及物理力学性质等方面对吹填淤泥的工程地质特征进行了系统的研究,

为吹填淤泥造陆及其软基处理技术的发展奠定了基础。

【关键词】　吹填淤泥　填海造陆　工程地质特征

【Abstract】　Engineeringgeologicpropertiesofblownfilledmuckarestudiedsystematicallythroughits

characteristicsofsedimentation,materialformation,porousfeatures,microstructure,seepagefeatures,consolidationfeaturesandphysicalmechanicproperties,whichlaidfoundationforlandformationbysiltationmethodandthedevelopmentofsoftgroundimprovement.

【　blownfilledmuck　　landformationbyfillingseashore　　engineeringgeologiccharacteristicsKeywords】

1　前　言

沿海城市对土地资源的需求日益迫切,而利用沿海潮间带淤泥滩地填海造陆则是缓解土地资源紧张局面的有效途径。以往的填

海造陆多以开山石及海运砂作为工程填料,但随着填料资源的日益匮乏及价格的不断上涨,填海工程急需大量廉价的工程填料,而沿海地区有丰富的淤泥资源,以吹填淤泥填海造陆已成为沿海城市土地开发的重要手段。特别是在港口建设中,一方面,港口后方陆域的形成需要大量的工程填料,另一方面,航道与港池的扩建又需要挖除大量的海底淤泥,若将挖出的淤泥用于填海造陆,将大大降低近海抛泥弃淤对海洋环境的污染,并可节约造陆工程成本,是一个综合利用资源的理想途径,其经济、环境和社会效益均十分显著,因而在沿海特别是深圳地区得到了广泛应用。

由于沉积环境不同,吹填淤泥的工程性质与海相淤泥有很大区别,但到目前为止,对

吹填淤泥的工程性质还缺乏系统的研究,进行软基处理时,只能借用海相淤泥加固的技术和经验,使加固技术与吹填淤泥的工程性质不匹配,不仅加固效果难以保证,而且造成了巨大的浪费。为进一步发展和完善吹填淤泥造陆技术,须系统地研究吹填淤泥的工程地质特征。2　吹填淤泥的工程地质特征2.1　沉积特征

(1)沉积过程

吹填淤泥的沉积过程通常可分为4个阶段:吹淤开始时,海水与淤泥的混合水流自吹淤管流出,不断冲蚀造陆区原沉积层(水流冲蚀阶段);当水达到一定深度后,冲蚀现象结束,泥砂在动水环境中经水力和重力分选而逐步沉积下来,其中,砂粒等粗粒物质多在吹淤口附近沉积,并形成微三角洲,而粘粒、粉粒等细粒物质则在远离吹淤口处沉积(动水沉积阶段);吹淤结束后,区内水环境恢复平静,随着工程排水及积水的不断蒸

　　　　　　2工　程　勘　察1999年第5期　

发和下渗,混合水流中的固体物质开始较均匀地沉积,其中的盐分也逐渐结晶析出(静水沉积阶段);当区内积水全部排干后,新沉积的吹填淤泥直接暴露在空气中,接受阳光暴晒和风力吹晾,不断失水固结,并逐渐在其表面形成一硬壳层,随着晾晒时间的延长,淤泥的固结程度不断提高,硬壳层厚度也不断加大(失水固结阶段)。

工程实践表明,吹淤体晾晒半年可形成10～30cm的硬壳层,晾晒1年可形成30～50cm的硬壳层,从而为后期软基处理施工创造了条件。

为进一步了解吹填淤泥的沉积特征,进行了室内静态落淤试验,试验结果见表1。试验表明,静水条件下,泥浆的沉积过程大致

分为两个阶段,絮凝状沉积阶段和自重压密

沉积阶段。在第一阶段,泥浆主要是以团粒形式下沉,其沉降速率较快,从沉积曲线可以看出,这一阶段经2d左右即可完成,泥浆的孔隙比由初始的10.5～33.7降至3.66～7.51。第一阶段完成后,团粒沉至容器底部互相堆积在一起,开始第二阶段自重压密沉积过程,本阶段的沉降速率要较第一阶段慢的多。落淤10d后,3组试验孔隙比平均值分别为4.55、3.60、5.65,且趋于稳定。从试验还可以看出,试验容器断面大,则沉降速率快,这主要是由于沉积过程受泥浆和容器壁之间粘滞力的影响所致。同时,在一定范围内泥浆浓度对沉积过程的影响也不大。

室内静态落淤试验

容器种类泥浆含泥量(%)泥浆初始高度(cm)

初始孔隙比e落淤2天e落淤10天e平均孔隙比

1531.523.15.544.42

量筒(第1组)

2023.217.15.644.544.55

2518.214.45.634.72

253013.53.73.62

大筒(第2组)

256013.53.663.623.60

2510013.74.243.56

103033.76.786.12

量筒(第3组)

203016.46.105.425.65

表1

303010.57.515.41

　　(2)沉积形态

1)平面形态

吹淤体的平面形态主要受围堤控制。吹填区内由粗粒物质组成的微三角洲多呈扇形分布于吹淤口附近,其前缘有一深沟,为混合水流的主要通道,它在吹淤过程中左右摆动,并随水流路径的延长而逐渐变宽直至消失。当水流到达对岸围堤时,首先形成顺堤回流,而后进入紊流状态,并在淤泥表面形成一个个漩涡。

2)剖面形态

吹淤体的剖面形态主要受造陆区原始地形及吹淤过程的水动力特征控制。除吹淤口附近有冲蚀现象外,吹淤体底板基本上随原地海相淤泥硬壳层的起伏而起伏。由粗粒物质组成的微三角洲在剖面上呈锯齿形,并逐步过渡为细粒淤泥层,见图1。

图1　吹填体剖面形态示意

2.2　物质组成

吹填淤泥的工程性质与其物质组成紧密相关。吹填淤泥的基本物质组成单元包括粘土矿物、粉土粒、矿物晶体及其集合体、生物碎屑等。

(1)粘土矿物

扫描电镜分析表明,深圳地区海相淤泥中的粘土矿物主要为高岭石,其次为伊利石和绿泥石。其中,高岭石单晶形状为六边形　1999年第5期工　程　勘　察　　　　　　3

薄片状,集合体为面-面作用的叠聚体;伊利

石单晶为弯曲薄片状,集合体呈片状排列或杂乱堆积;绿泥石集合体则呈花朵状,并常与黄铁矿共生。而吹填淤泥中的粘土矿物主要为伊利石,少量为高岭石,未发现绿泥石及黄铁矿。其中,伊利石集合体呈片状排列,杂乱无章;而高岭石晶体则保留长石假象,集合体呈蠕虫状。吹填淤泥中的粘土矿物很少单独出现,多形成集合体。吹填淤泥与海相淤泥粘土矿物成分的差异表明,吹淤过程中伴随着粘土化(伊利石化)作用。

(2)微晶体及其集合体

吹填淤泥中存在两种微晶体——食盐晶体与石膏晶体。

食盐晶体呈薄膜状,分布不均匀,附着在粘粒表面。该晶体的晶形不完整,表面有溶孔、溶穴,晶体大小不等。

石膏晶体单晶呈方柱状,以单晶或晶簇形式分布于大孔隙中或粘粒之上。

(3)生物碎屑

吹填淤泥中含有大量的生物碎屑,它们的存在对淤泥的压缩特征、渗透特征、孔隙特征及力学性质有较大影响。2.3　孔隙特征

高孔隙性是淤泥类土的一个重要特征,它直接决定了土体的压缩特征、渗透特征和固结特征。扫描电镜分析表明,吹填淤泥中的孔隙主要有3类:孤立孔隙、粒间孔隙和粒内孔隙,并以粒间孔隙最为发育。

(1)孤立孔隙

这类孔隙直径一般大于粘粒直径,分布不连续,呈圆形或椭圆形,存在于二级凝聚体内,数量较少,无连通性或连通性极差,因而对土的渗透性影响较小,但对土的孔隙性和压缩性影响较大。

(2)粒间孔隙

这类孔隙广泛分布于粒状集合体和粘粒组成的微集合体之间,数量多,连通性好,形状复杂,其大小取决于粒间接触方式,对吹填淤泥的孔隙性、压缩性、渗透性及固结特征有重要影响。2.4　微观结构

土的微观结构是其工程性质的重要影响因素。扫描电镜分析表明,吹填淤泥的微观结构大致可分为4类:紊流状结构、粒状胶结结构、蜂窝状结构、粒状镶嵌结构。

(1)紊流状(絮状连接)结构

在该类结构中,粘粒及有机质含量高,几乎不含砂粒,粉粒也很少,由粘粒和有机质组成的微聚集体构成了这类松软结构的柔性骨架。孔隙主要为分布不均匀的粒间孔隙,形状为拉长形,围绕孔隙形成局部涡流,使其具有紊流状外观。这是淤泥类土最典型的微结构类型,具有这类结构的淤泥强度低、变形大、流变显著。

(2)粒状胶结(连接)结构

在该类结构中,粒状单晶或集合体彼此相互接触,集合体由食盐微晶或石膏微晶组成,有的集合体表面附有小片状粘土矿物。孔隙主要为粒间孔隙和粒内孔隙,颗粒之间的平均距离大于颗粒的平均直径,因而颗粒之间只有部分接触而大部分并未接触。具有这类结构的淤泥强度稍高于前一类,但仍很低,压缩变形亦较大,随着时间的延长,流变变形将趋于稳定。

(3)蜂窝状结构

该结构的特点是土中存在着开放式的蜂窝状孔隙,孔隙壁由面-面、面-边相互作用的

微聚集体组成,其中,弯曲的聚集体常常彼此覆盖,形成单个蜂窝状孔隙,此外,结构中还含有相当数量的未分解生物碎屑或硅藻土,结构无定向性,孔隙主要为粒间孔隙,粒内孔隙不发育。

(4)粒状镶嵌结构

在粘土基质上,粉粒、砂粒、生物碎屑及矿物晶体呈嵌入状零星分布,嵌入物与基质呈面-面接触,接触面常有一层自由水膜,脱水后形成环状孔隙。当基质结构松散、含　　　　　　4工　程　勘　察1999年第5期　

水量很大时,这些嵌入物在自重或其它很小的压力(孔隙水压力、震动力等)的作用下就可以发生游移,因而这种结构是十分不稳定的。

综上所述,吹填淤泥与海相淤泥既有相似性(继承性),又有区别(变异性),表现在前者结构更加疏松、不稳定(以紊流状和粒状镶嵌结构为主),且大裂隙发育,而后者的结构稳定性优于前者(以粒状胶结和蜂窝状结构为主),大裂隙及微层理较少。这种微结构特征使吹填淤泥比海相淤泥具有更高的含水量、孔隙比、压缩性、灵敏度和更低的强度,这是吹填淤泥在吹填过程中经过了水力重塑、重力分选及粘土化作用的结果。2.5　渗透特征

渗透试验表明,吹填淤泥的渗透系数在10-6数量级,透水性能较差,这主要是由于其在吹填过程中经历了水力及重力分选,粒度较细,级配较差,微观结构以紊流状及粒状镶嵌结构为主,粒间孔隙连通性较差所致;同时,粒间孔隙中虽充满了液体,但由于海水中胶体含量很高,液体主要为结合水,少量自由水都被结合水包围着,在常压下很难迁移,因而其渗透性能比其它土类差。但由于吹填淤泥结构性极差,孔隙比高达2.0以上,且微层理及裂隙发育,所以其渗透系数仍比海相淤泥高了近两个数量级。2.6　固结特征

吹填淤泥的固结过程是指其在上覆荷载的作用下,水从土体孔隙中不断排出,而土体随之逐渐压缩的过程,也就是孔隙水压力与有效应力不断转换的过程。为了解吹填淤泥的固结特征,将原状淤泥按土水比1∶4搅拌成泥浆,待沉积稳定后进行室内固结试验,试验结果见表2。由试验曲线推算吹填淤泥的固结系数为Co=7.0×10cm/s,压缩系数a1-2=4.3MPa。固结系数和吹填前原状淤泥的固结系数是接近的,但压缩系数较原状淤泥大一倍多。这说明吹填后淤泥的沉降-1

-4

2

量为原状海相淤泥的一倍以上。试验还表明,对于吹填淤泥这类结构性极差的饱和软粘土,其固结速率主要取决于土体自身的渗透性能、外加荷载及固结过程中的排水条件。

试验结果

试验指标试验初始值固结稳定值

w(%)120.238.5

V(kN/m3)14.2518.65

表2

e3.2191.015

2.7　物理力学性质

为了解吹填淤泥的物理力学性质及其与原状海相淤泥的区别,在吹填前及软基处理结束后分别对其进行了大量的野外及室内物理力学试验,试验结果见表3。试验表明,吹填淤泥由于经过了吹填过程中的物理、化学及力学作用的改造,其工程性质比海相淤泥更差,高含水量、高压缩性、高孔隙比、高灵敏度、结构性差、固结程度低、承载力低的工程特性比海相淤泥更显著,但其渗透性远大于海相淤泥,因而若将其厚度控制在一定范围内,是可以与海相淤泥一样采用排水

现场及室内试验结果

指标w(%)V(kN/m3)

e

IpEs(MPa)Cv(cm2/s)pc(kPa)Cccuu(kPa)ccu(kPa)h)uu(°h)cu(°cu(kPa)c′u(kPa)

Stqc(kPa)fs(kPa)k(cm/s)

6.551.803.501953.225.6E-8

海相淤泥处理前处理后80.015.52.0626.71.805.18E-446.70.111

55.016.71.5520.31.0762.276.10E-459.10.3967.37.310.318.027.8013.03

2.425206.57

表3

吹填淤泥处理前处理后104.614.12.82417.31.9152.0845.19E-422.20.68211.011.01.78.63.101.402.40952.511.99E-6

55.516.71.55915.01.1802.2207.40E-456.50.4166.79.64.918.317.076.642.835206.574.18E-7

a1-2(MPa-1)1.701

　1999年第5期工　程　勘　察　　　　　　5

固结法进行加固处理的。试验表明,软基处

理后二者的物理力学性质是接近的,从而说明上述结论是正确的。

3　结　论

(1)以吹填淤泥填海造陆是一个综合利用资源的理想途径,具有良好的经济、环境及社会效益。

(2)受吹填工艺的影响,吹填物质的分选现象十分明显,特别是砂粒和粘粒之间,分选的结果使造陆区形成了两个不同的沉积单元即微三角洲形吹填砂区和吹填淤泥区。在今后的造陆工程中,应选择合理的吹填工艺,使吹填体尽可能均匀,从而为后期软基处理创造条件。

(3)由于受施工过程地下水位反复升降及表层蒸发的影响,吹填淤泥属于超固结土,其渗透固结特性完全不同于正常固结土。

(4)吹填结束后,对吹填进行蒸发晾晒,可在其表层形成一硬壳层,从而为后期软基处理施工创造条件。因此,在今后的造陆工程中,应加强吹淤后的排水工作,适当延长

吹淤体的晾晒时间,使吹淤体表层可以形成较厚的硬壳层,便于软基处理施工。

(5)吹填淤泥的物质成分与原地海相淤泥基本一致,但粘土矿物以伊利石为主,少量为高岭石。

(6)吹填淤泥的微观结构以紊流状结构为主,蜂窝状结构为辅。

(7)吹填淤泥的物理力学性质与海相淤泥有较大差别,其工程性质更差,高含水量、高压缩性、高孔隙比、高灵敏度、结构性差、固结程度低、承载力低的工程特性比海相淤泥更显著,但其渗透性远大于海相淤泥,这是吹填淤泥可用于填海造陆并可以与海相淤泥共同进行排水固结法软基处理的重要保证。

参

考

文

献

[1]　岩土工程手册编写委员会,岩土工程手册,北

京:中国建筑工业出版社,1995

[2]　高大钊等主编,岩土工程规范实施手册,北京:

中国建筑工业出版社,1998

指导性　针对性　实用性　创新性

《工业建筑》

全国唯一的工业建筑综合性科技期刊　　美国Ei数据库收录期刊中国建筑科学类主要核心期刊　　荣获全国优秀科技期刊一等奖

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