基于淤泥吹填处理及其发展综述

【摘要】本文从淤泥吹填方法及其处理、吹填土的沉积固结理论、固结实验、计算方法等方面介绍了国内外的研究进展。希望随着测试技术和研究方法与理论的不断改进，寻找一种在较短的时间内既能解决吹填固结速度慢，施工周期长的矛盾，又能解决砂资源不足的吹填方法。

【关键词】水力吹填；沉积固结理论；疏浚淤泥；吹填造陆；

前言

目前，水力吹填技术在修建港口、码头和围海造陆，围湖造川等方面得到广泛应用。用泥浆进行吹填时进行加砂处理，既能解决纯泥吹填固结速度慢，施工周期长的缺点，又能解决砂资源不足的问题。本文介绍了国内外学者在这方面的研究现状与成果，随着测试技术和研究方法与理论的不断改进，研究成果将日臻成熟，但其研究现状尚有一些不足:①泥浆吹填过程中加砂处理的机理研究不足，渗透到泥浆中的砂或者排水砂层在固结排水过程中所起的作用与排水效率没有研究透彻，导致了这种吹填方法在施工过程中具有一定的盲目性。②在理论计算吹填土的沉降或孔隙水压力的过程中，沉积理论没有与固结理论很好地结合起来，选取计算参数时没有同时考虑沉积与固结作用，导致计算出来的沉降或者孔隙水压力要么偏大要么偏小。所以从吹填方法及固结机理上寻找出一种在较短的时问内既满足工程要求又经济的夹砂吹填方法，即从一个全新的角度研究夹砂吹填土体的变形、强度、孔隙水压力的时间效应，将具有重要的理论及现实意义。

1 吹填方法及其处理发展

1.1 吹填方法的发展进展

从疏浚工程自身降低成本的角度出发，我国一些疏浚工程选用了吹填、抛填造地的方法，形成的土地必须进行地基加固处理才能有效利用。新加坡、日本、香港等地方因为土地资源严重不足，迫使他们进行大面积的围海吹填造陆。用什么样的材料来吹填呢?较好的吹填材料当然是砂，因为它的透水性能好，排水快，压缩变形不大，在短期内能达到吹填的高度和强度，适合工程建设的需要。香港在上世纪90年代到现在的许多大型港日工程和匕机场地建设多在用海砂进行水力吹填造出的陆地上进行的。Leung (1994)，Lee( 1999)对这种水力砂填的原理和施工方法、关键技术进行了研究。新加坡通过吹填增加600km2土地，大约占整个国家的十分之一，樟宜机场、德光岛都是通过吹填造陆建设而成，樟宜机场东部用大约1. 7×108m3砂进行吹填以扩宽机场。用海砂进行水力吹填的密实度、均匀性取决于砂的来源，铺砂的方法，砂沉积的环境。在实际吹填的施工过程中，由于铺砂的厚度不均匀性和砂颗粒的大小的影响，在进行预压的时候很难控制吹填砂的质量，需要花很高的成本来进行压密或者用其他的方法来加固。而进行大面积的吹填时如此大的用砂量，导致许多国家如新加坡主要依靠进口砂为主，这就增加了用砂进行吹填的成本，迫使人们寻求成本更为低廉的吹填材料，如用海相淤泥或者疏浚淤泥进行吹填。用海相淤泥作为吹填材料的研究在新加坡己经有十多年了，最初是采用泥浆进行吹填，用管道将泥浆输送到吹填场地的围堰里，让泥浆沉积，在自重的作用下固结。由于泥浆吹填出来的土孔隙比大，含水量很高，渗透性非常低，沉积固结的时间长，而且体积很大的泥浆吹填出来的土地的体积很少，使得这个方法具有一定的局限性。有人提出把纯砂吹填和纯泥吹填结合起来，企图使这两种方法互补。由于砂资源的缺少，在上世纪80年代早期，新加坡就研究了采用吹填一层泥，铺设一层砂的吹填造陆方法，将一层相对较薄的砂层夹在用海相淤泥吹填的土之间，形成夹砂排水层。这个方法最卞要的优点是能减少砂的使用量，节省建设成本。另一方面，因成层的砂土相间，由于排水路径的减短，比纯泥吹填的固结速度要快，能减少吹填的时间。W atari(1984)就提出一定高度的纯泥吹填需要花费几年的时间来固结和获取足够的强度以承载各种荷载，从而使吹填造出来的土地在短时间内得不到应用。而L eeetal (1987)用现场实验成功地证明了这种成层的夹砂土层的吹填方法的可行性，这种吹填方法关键在于夹在吹填土层之间的排水砂层的形成，从而加速泥土的固结。目前国外一些学者如M an ivannan(1998)、Karth ikeyan(2001)、Leung(2001)等正在研究用很大的土团颗粒来进行吹填，土团的直径为1. 5 m，在理论上要建立一个这种吹填土团的固结模型比较困难，在实际施工过程中，很难了解土团之间的孔隙的变化情况，所以这种吹填方法在国外有所应用。

1.2 吹填土处理的发展进展

无论是用纯砂、纯泥，泥中夹砂层、泥中夹土球、大土团吹填，通常清况下均把吹填土视为一种普通软弱地基，采用软土加固处理方法如堆载预压、真空预压法、真空堆载联合预压等进行加固处理。国外早期开展堆载预压法提高工程场地地基强度研究，主要是着眼于强度的增长与地基稳定性方面。新加坡的樟宜机场通过在吹填土上堆砂预压的处理，加快吹填土的固结，提高它的强度，以符合工程建设的要求。当堆载材料不足时，可采用真空预压法。真空预压法是指在土中某些边界抽真空造成负压缩，将土体孔隙中的部分水、气抽出，使土产生固结而加固。吹填软土(淤泥)比天然软土的含水量、压缩系数等要大得多；而不排水抗剪强度又小得多。实践表明，自重作用下吹填土的固结变形比天然软土大，也表明吹填软土比天然软土具有更大的可压缩特性。经预压排水固结法加固，吹填淤泥的沉降量为相同厚度的原状海相淤泥的一倍以上。含砂层吹填淤泥中砂的渗透系数远大于淤泥；前者排水条件明显优于后者，加固时沉降速度也必将较后者大，说明含砂层吹填软土虽然其工程性质差，但其加固的物理条件却较好，其加固处理的可行性优于天然软土，为吹填造陆形成的地基的工程应用提供了保障，这也是这种吹填造陆技术能得以广泛应用的主要原因之一。目前国际上较为先进的方法是将疏浚泥进行固化处理，向疏浚泥中加入固化材料，使处理后的疏浚泥即固化土具有良好工程特性。对固化技术的研究大多集中在对固化效果的研究方面，对于处理效果的研究也已比较完善。在固化材料的研究上已开发出系列的固化材料产品。但是在工程上，用化学加固进行大面积吹填，时间和工期固然能缩短，但是成本是相当高的，而目这种方法容易污染地下水，在国内外推广和应用受到一定的限制。

2 吹填土计算方法的研究进展

一般情况下都采用数值计算方法来得到一维大应变固结问题的解答，其中最常用的是有限差分法和有限元法。Gib son运用有限差分方法分析了不考虑自重的一维大应变固结解答。M e sri和Rokhsar采用有限差分法，得到考虑超固结、正常固结和次固结的固结曲线，同时还对大、小应变的结果进行了比较。洪振舜采用显式差分与隐式差分相结合的方法离散固结基本方程，研究了Gib son的一维大应变固结理论。Cater等首先用格林应变率张量表述变形量，给出了一般形式的饱和土体大应变固结理论，并采用空间描述有限元法，给出了饱和土大应变固结有限元分析结果；Shod ja等运用移动有限元法，将沉积作用和自重固结分开对待进行计算，并描述了两种不同的变形状态。孙钧、李冰河，选用空间坐标并以孔压为控制变量，采用半解析法对一维大应变固结问题进行了求解。

3 结语

为疏浚航道和扩建泊位，需要挖掘大量的海底淤泥，传统的做法是将这些淤泥抛到外海，但这会带来回淤及污染问题。与此同时，一些港口还存在陆域不足的现状，又要通过填海造陆来满足港口建设的需要。因此，如能将疏浚出来的淤泥用来吹填造陆，则将是一举两得。但是由于吹填的淤泥，固结性能差，吹填以后要经过很长时问才能自然沉积固结，待表面形成硬壳后方可进行加固处理。因此，如何能够找到一种更合理、更经济的加固技术，使吹填土尽快地从泥浆状态转变为具有一定承载力的地基，将对围海造陆工程建设带来巨大的效益。