0.   引言

近年来，随着土地资源的不断开发和利用，环保高效地处理疏浚淤泥已成为社会发展的重大需求^[1]。疏浚淤泥具有含水率高，强度低等特性^[2]，难以满足工程建设要求，因此对于疏浚淤泥的处理和利用具有重要的工程意义^[3]。真空预压法是基于排水固结理论的一种经济有效的软土地基加固方法^[4]，在国内外得到了广泛应用^[5-6]。然而，真空预压法处理软土地基常常会因为淤堵效应出现加固效果不佳的问题^[7-8]。随着真空压力的加载土颗粒向排水板处迁移，在排水板附近形成了一个致密“土柱”，土体渗透性急剧降低，产生了非均匀固结^[9-11]；而且当土体初始含水率越高，流动性越强，使得土颗粒越容易在负压作用下随着孔隙水径向移动，更快形成土柱^[12]。另外，Anda等^[13]研究发现，排水板附近存在板状黏土颗粒的局部定向的情况，即更多的黏土颗粒沿排水板表面排列，黏土颗粒面垂直于径向排水方向。土体的不均匀固结和土颗粒的定向排列导致了土体的渗透系数降低，使得真空压力从排水板处沿径向土体的传递衰减严重，从而降低土体的整体固结速率^{[7, 14]}。

为解决上述问题，很多学者对传统真空预压法进行改进^[15-19]。其中絮凝-真空预压法是通过向土体中添加絮凝剂的主要作用是减小土颗粒周围的扩散双电层厚度，促进土颗粒形成絮凝结构，因此能有效缓解淤堵问题，增加真空固结速率^[13]。絮凝-真空预压法的有效性已经得到了很好的论证^[20-23]。絮凝-真空预压法是通过带有内部搅拌器的泥浆泵将石灰浆液和疏浚泥浆充分搅拌混合后进行真空预压，因为该技术的应用需要保证待处理淤泥的可泵送性和可拌合性，所以适用于处理含水率特别高的淤泥^[24]。熟石灰是最常用的化学絮凝剂之一，而石灰与土体反应的最优条件是pH值达到12.4，即随着土体初始含水率的增加，最优石灰掺量也需要增加^[25-26]。因此，絮凝-真空预压法的应用需要大量的石灰，导致工程成本高，也可能对地质环境造成严重破坏。为了减少石灰用量，疏浚淤泥在沉积一段时间后含水率降低，再进行注浆絮凝-真空预压法施工。注入石灰浆液后，土体产生絮凝反应，改良土体性质，从而提高后期真空预压的加固效率。注浆石灰最优掺量的确定与土体初始含水率密切相关^{[25, 27-28]}，综合考虑土体盐碱化影响以及工程设计要求，有必要展开含水率对注浆絮凝-真空预压法加固疏浚淤泥最优石灰掺量的试验研究。

本文采用5种不同初始含水率的土体，并控制不同石灰掺量开展注浆真空预压法室内模型试验，试验过程中监测孔隙水压力、排水量、沉降量的变化，试验结束后检测了土体的pH值、含盐量、含水率以及十字板剪切强度等指标。通过上述指标综合分析，以期得出考虑强度增长和土体盐碱化影响的不同含水率土体的最优石灰掺量，并在龙湾二期滨海湿地修复工程现场予以应用。

1.   材料与方法

1.1   试验材料

本试验土样取自温州市龙湾二期^#3，^#4围垦区，根据《土工试验方法标准》（GB/T 50123—2019），通过室内试验确定的泥浆物理力学性质如表 1所示。

表  1  试样的基本物理力学性质

Table  1.  Basic physical and mechanical properties of samples

土样	含水率w/%	孔隙比e0	相对质量密度Gs	液限wl/%	塑限wp/%
淤泥	110	2.9	2.72	52.1	29.7

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本试验由真空系统，注浆系统及监测系统组成。真空系统由射流真空泵，排水板，手型接头，密封膜，土工布，真空管线，气水分离瓶等组成；注浆系统由浆液搅拌装置，石灰絮凝剂，空气压缩机、隔膜泵和注浆管组成；监测系统由真空表，孔压计，钢尺和电子秤组成。

1.2   试验方案

本研究针对不同含水率（100%~300%）进行了一系列真空预压试验。通过这些模型试验，推导出疏浚淤泥中最优石灰掺量随土体初始含水率的变化规律。在真空预压试验中，注入到疏浚淤泥中的石灰量的百分比固定为干土质量的0.0%，0.3%，0.5%，0.8%，1.0%。

1.3   试验过程

图 1显示了注浆絮凝-真空预压法室内模型试验设备的原理图和连接。其中模型桶尺寸为直径×高度=0.3 m×0.4 m。根相似比原则据，排水板宽度采用5 cm。在预插排水板位置处注浆，首先将注浆管、空气压缩机、石灰浆液搅拌器通过承压管连接在隔膜泵上，如图 1（a）所示。按照试验方案表 2中的掺量分别注入石灰浆，注浆方式为自下而上，匀速旋转提升。

图  1  注浆絮凝-真空预压法室内模型试验设备图

Figure  1.  Laboratory model for grouting flocculation-vacuum preloading

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表  2  试验方案

Table  2.  Test schemes

试验编号	含水率/%	石灰掺量/%
T1	100，150，200，250，300	0.0
T2		0.3
T3		0.5
T4		0.8
T5		1.0

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静置2 d后，布置PVD（预装好真空探头和手型接头）和孔隙水压力传感器（提前使用去离子水进行饱和）。然后用真空管连接排水板、气水分离瓶和真空射流泵上。密封后打开真空泵，确定气密性良好即真空压力保持在80 kPa左右，正式开始试验。在试验过程中对土体表面沉降、排水量、孔隙水压力的变化监测并记录。试验结束后，对土体进行取样测试pH值和含盐量，并检测处理后土体含水率和十字板剪切强度。

本次试验注浆土体为淤泥土，根据设计的注浆深度（35 cm），注浆过程注浆压力为0.5 MPa；采用水灰比为5︰1的浆液供给，装置配备搅拌装置，在注浆过程中需要对浆液不停搅拌防止因注浆过程停滞导致浆液发生沉淀导致注浆设备堵管；浆液注入完毕后用清水清洗注浆管以待下一次使用。

2.   絮凝对土体盐碱化的影响

2.1   pH值测试

参照《实验室pH酸度计检定规程》 ^[29]，称取试样10 g，加25 mL蒸馏水搅拌静置30 min后测定土体pH值。测试结果（图 2）表明，经过注浆真空预压法处理后，土体pH值随石灰掺量的增大而增大，这是因为土体表面的钠离子Na⁺被石灰中的钙离子Ca²⁺置换，此时土体溶液中OH^-离子浓度变大，从而表现出更高的pH值。根据《绿化种植土体》^[30]中绿化种植土体主控指标的技术要求规定一般植物的生长要求pH值不能超过8.3，因此当土体初始含水率为150%和250%应用注浆絮凝-真空预压法处理软土地基时，石灰掺入量应少于0.8%，基本满足植物种植要求。

图  2  注浆絮凝-真空预压法处理后土体的pH值对比情况

Figure  2.  Comparison of soil pH after treated by grouting flocculation-vacuum preloading

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2.2   含盐量测试

参照《森林土体水溶性盐分分析》^[31]，称取试样50 g，加250 mL蒸馏水搅拌过滤，过滤取50 mL清液蒸干后再加10%H₂O₂蒸干称重。测试得到含盐量绘制成数据图（图 3），由图 3可以看出，经过注浆真空预压法处理后，土体的含盐量随石灰掺量的增大基本呈增大的趋势。在相同的石灰掺量下，初始含水率为150%的土体的含盐量基本大于250%。当土体初始含水率为150%时，石灰掺入比小于0.5%，土体全盐含量满足植被生长要求《园林绿化工程施工及验收规范》^[32]，而当初始含水率为250%时，石灰掺入比要小于0.8%才能满足要求。

图  3  注浆絮凝-真空预压法处理后土体的含盐量对比情况

Figure  3.  Comparison of soil salinity after treated by grouting flocculation-vacuum preloading

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2.3   絮凝对土体盐碱化的影响评估

土体盐碱化是全球的主要环境问题之一，土地盐碱化会使土体的理化性质变差，不仅对工程施工造成不良影响，还会使作物、林木和牧草的生存条件变差，降低作物吸收水分和养分的能力从而严重影响作物的生长发育。因此在加固软土地基时，不仅需要考虑工程设计要求，还要保证施工技术不能对环境产生不利影响。通过上述pH值和含盐量测试，可以初步判断出土体初始含水率为150%的石灰掺入量不能超过0.5%，土体初始含水率为250%的石灰掺入量不能超过0.8%。

3.   注浆絮凝-真空预压法室内模型试验数据分析

3.1   排水量

图 4（a），（b）分别为注浆絮凝-真空预压法处理初始含水率为150%，250%的疏浚淤泥排水量随时间的变化关系图。

图  4  排水量随时间变化曲线

Figure  4.  Variation of drainage with time

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由图 4可以看出，在相同的石灰掺量下，初始含水率为250%比150%最终排水量更多。试验结果表明，注浆絮凝-真空预压试验组的排水量在前80 h基本呈线性增长且比未注石灰的排水速率更快，而最终排水量会更少。这是因为在注浆过程中，注入的石灰溶液与黏土先进行离子交换反应，减小土颗粒周围的扩散双电层，形成了较大的孔隙作为排水通道，渗透系数提高。随后产生了大量的水化合物，随着石灰掺量的增大，胶凝化合物阻塞了水流通道，减小水流^[33-34]，并将部分水锁定在土体中。从整体上看，添加了石灰的模型桶达到稳定的所需时间更少，节约了至少16.7%的时间，这说明注浆絮凝-真空预压法对土体排水固结具有显著效果，且可以缩短加固时间。

3.2   沉降量

在真空预压过程中，记录每个模型桶中距排水板径向距离为5，10 cm处的沉降数据。所得到的每个模型桶的平均沉降量随时间变化曲线如图 5所示。

图  5  沉降随时间变化曲线

Figure  5.  Variation of settlement with time

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对于初始含水率为150%的试验组，在加固开始的前80 h内，沉降发展很快，基本呈线性增长，随着时间的增长，沉降速率减小，最后趋于稳定。当加固时间达到180 h后，0.5%石灰掺量土体的沉降量达到了12.5 cm，210 h后沉降接近稳定状态。对于初始含水率为250%的试验组，当加固时间达到180 h后，0.8%石灰掺量土体的沉降量达到了21.8 cm，220 h后沉降基本达到稳定状态。而未注石灰浆液土体的沉降量自抽真空开始后一直缓慢增长，直到290 h才逐渐趋于稳定，虽然最终沉降量比注入石灰浆液的土体略高，但是其达到稳定状态所需的时间更长，这再次验证了进行注浆絮凝预处理的试验组能够加快土体排水固结，大幅度缩短加固时间。

3.3   孔隙水压力

图 6显示了在真空压过程中，初始含水率为150%，250%的孔隙水压力随时间的变化图，分别取无石灰掺量0%，中石灰掺量0.5%，0.8%，高石灰掺量1%下的孔隙水压力变化值。

图  6  孔压消散量随时间变化曲线

Figure  6.  Dissipation of pore water pressure with time

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未注浆进行真空预压的情况下，250%含水率的土体前期孔压消散速率小于150%含水率的土体，这是因为含水率越高的土体更容易形成淤堵，从而导致孔隙水压力的消散速度减缓。孔隙水压力值的变化规律不同于排水量和沉降速率，虽然排水量和沉降值均为无掺量组最大，但是由于试验过程中，无掺量组迟迟未能达到稳定值，说明土体内部始终未能形成具有较高有效应力的土骨架，从而使加固效率很低以致于达不到预期效果。在真空压力作用下，不论是初始含水率为150%还是250%的试验组，注入石灰浆液的土体中孔隙水压力快速下降，并且随着抽真空的时间增长，其孔压值均随着石灰掺量的增加而增加，最终逐渐稳定。这说明注浆絮凝-真空预压法能加速排水板远端土体中的孔隙水向排水板处渗流，促使孔压快速消散，大大缩短了固结时间，在很大程度上提高了加固效果。

3.4   含水率

在真空预压结束后，检测了所有试验组不同深度处土体的含水率并绘制如图 7所示的土体含水率随深度的变化关系曲线。

图  7  含水率随深度变化曲线

Figure  7.  Variation of water content with depth

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由图 7可以看出，注浆絮凝-真空预压加固后土体含水率均随深度的增加而增加。未掺入石灰的土体含水率随着土层深度的增加，变化幅度较大，注浆絮凝-真空预压试验组经过加固后的土体含水率沿深度变化并不明显，这在一定程度上说明注入石灰浆液后，可以改善排水板的整体淤堵情况。在相同石灰掺量下，加固后的土体含水率随着疏浚淤泥中初始含水率的增加而增加。在相同的初始含含水率情况下，加固后的含水率随石灰掺量的增加而增加。这是因为随着石灰掺量的增加，Ca(OH)₂与SiO₂和Al₂O₃反应产生了胶结化合物为水硅酸钙（CSH）和水铝酸钙（CAH），而且有一部分自由水转化为毛细结合水被Ca(OH)₂所吸附，这部分水并没有随抽真空被排出，所以经过注浆絮凝预处理的土体含水率均大于未掺石灰试验组。虽然注浆絮凝-真空预压处理后土体含水率比传统真空预压法高，但是很大一部分是转化成结合水，使得土体有更稳定的结构，本质上增强了土颗粒间的抗剪强度。

3.5   十字板剪切强度

在真空预压结束后，使用便携式十字板检测了不同深度处的土体的十字板剪切强度，记录数据并绘制成如图 8所示十字板强度随深度的变化曲线。

图  8  十字板剪切强度随深度变化曲线

Figure  8.  Variation of vane shear strength with depth

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由图 8可以看出，土体表层的十字板剪切强度均高于底层，且经注浆絮凝预处理的试验组中的土体强度随深度衰减较小。这表明注浆真空预压法加固疏浚淤泥的处理可以整体提高土体的抗剪强度，还能更有效的加固深层土体，使得注浆絮凝-真空预压法处理后土体强度更加均匀。在相同石灰掺量下，加固后的十字板剪切强度随着疏浚泥浆中初始含水率的增加而减小。在相同的初始含水率情况下，试验后的土体强度随石灰掺量的增加而增加，两组试验中都是1.0%石灰掺量的土体强度提升最大，表明注浆絮凝-真空预压法加固吹填淤泥是有效可行的。

3.6   地基承载力特征值

根据《软土地区岩土工程勘察规范》^[35]，淤泥质土十字板试验地基承载力特征值为

式中：$f_{\mathrm{ak}}$为地基承载力特征值（kPa）；${C_{\mathrm{u}}}$为十字板试验的抗剪强度（kPa）。

根据注浆絮凝-真空预压法地基承载力特征值关系图 9可知：当土体初始含水率为150%，在石灰掺量为0.5%，0.8%，1.0%时注浆絮凝-真空预压处理后的地基承载力特征值能满足工程要求设计值；当土体初始含水率为250%时，石灰最优掺量为0.8%，1.0%注浆絮凝-真空预压处理后的地基承载力特征值能满足工程要求设计值。考虑到絮凝对土体盐碱化方面的影响因素，当初始含水率为150%时，石灰最优掺量为0.5%；当初始含水率为250%时，石灰最优掺量为0.8%。

图  9  十字板剪切强度随石灰掺入比变化曲线

Figure  9.  Variation of vane shear strength with lime mixing ratio

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3.7   不同初始含水率土体的最优掺入比

考虑强度和土体盐碱化因素，根据上述注浆絮凝-真空预压法室内试验得出不同初始含水率与最优石灰掺量关系如图 10所示。土体含水率越大，最优掺入比越大，二者总体上呈线性关系。

图  10  最优掺入比随含水率变化曲线

Figure  10.  Variation of optimal mixing ratio with water content

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可以由以下函数近似定义：

式中：$W$为疏浚泥浆的初始含水率；${W_{\mathrm{LMO}}}$为最优石灰掺量。

根据式（2）可以确定不同初始含水率的最优石灰掺量，进而为工程实践中的注浆絮凝-真空预压工艺提供参考，提高加固土体的效率，降低工程风险；优化石灰掺量能最大限度地利用石灰浆液，降低时间成本，并减少对资源的浪费还可以减小对土体盐碱化的影响。

4.   工程应用

4.1   工程概况

龙湾二期滨海湿地生态修复工程总面积约17×10⁴ m²，位于浙江省温州市龙湾二期^#3，^#4围区内。根据野外钻探、室内土工试验成果，将钻探深度范围内场地土综合划分为3个工程地质层。第一层主要是由吹填淤泥形成，流塑状态，具有高压缩性，层厚3~4 m，平均含水率为110%，泥浆物理性质如表 1所示；第二层是由淤泥夹粉土或粉砂形成，局部粉细砂含量大于30%，层厚7.7~9.7 m；第三层主要是由淤泥形成，流塑状态，具有高压缩性，层厚7.7~8.3 m。

4.2   方案设计

龙湾二期滨海湿地生态修复工程划分为9个区进行注浆絮凝-真空预压处理，编号CZ-01~CZ-09，如图 11所示。本文所研究的工程实例场区为其中的CZ-09区C-1（真空预压法）、C-2（注浆絮凝-真空预压法）试验段，处理面积均为196.25 m²，此试验段旨在研究注浆絮凝-真空预压法的施工效率，在确保达到设计承载力的要求下能节约多少工期。

图  11  注浆絮凝-真空预压分区示意图

Figure  11.  Zoning diagram of grouting flocculation-vacuum preloading

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采用式（2）计算出处理该工程疏浚淤泥地基所需的熟石灰质量为干土质量的0.365%，浆液水灰比采用5∶1，注浆压力0.5 MPa，注浆深度为4 m。注浆施工参数严格按照研究方案设计进行，配制浆液搅拌时间不少于15 min，2 h内完成注浆作业，注浆点平面布置图和注浆施工过程如图 12所示；注浆方式采用自上而下压入注浆法，上下往复两次，注浆管提升速率为1.5 m/min。在C-2试验段注浆预处理后，C-1试验段真空预压方案与C-2一致。竖向排水板插板位置在注浆管位置处，正方形布置，插板深度为4 m，排水板间距为1.0 m。注浆完成后，取距注浆孔口0.5 m处土体测渗透系数，平均为1.247×10^-7（注浆前为3.964×10^-8），可见注浆后土体渗透系数扩大了3倍以上，说明了注浆具有有效性。

图  12  注浆点平面布置图

Figure  12.  Layout plan of grouting points

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待所有设备安装完毕后，先开启真空泵检查工作状态，检查合格后再开启稳定抽真空，设计要求抽真空期间膜下真空度稳定在80 kPa以上。真空预压时间不少于90 d，真空卸载需要满足以下两个条件：连续10 d平均表层沉降速率不大于2 mm/d；根据监测数据计算固结度不小于85%。本工程设计要求地基承载力不低于50 kPa。

在真空预压过程中，对真空度，沉降和孔隙水压力进行监测。真空预压结束后，项目地基承载以平板载荷试验为主，深层土体由十字板剪切强度换算承载力确定。

4.3   加固效果分析

（1）真空度和沉降量

图 13给出了膜下真空度和表层平均累计沉降随时间变化关系曲线，由图中可以看出，真空预压法处理与注浆絮凝-真空预压法处理的膜下真空度值几乎都在第10天达到稳定，稳定后真空度约为80 kPa，基本能达到设计要求。通过观察沉降曲线，可以发现与真空预压法相比，注浆絮凝-真空预压法在整个过程中保持了较高的沉降速率，这意味着在相同的时间内实现了更高的沉降量。

图  13  膜下真空度和沉降量随时间变化关系曲线图

Figure  13.  Variation of vacuum degree and settlement with time

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指数曲线法是指将土体沉降与时间形成的关系曲线用指数曲线来进行拟合，也叫三点法。其函数表达式为

式中：${S_\infty }$为最终沉降量；${S}_{1}，{S}_{\text{2}}，{S}_{\text{3}}$分别为${t}_{1}，{t}_{\text{2}}，{t}_{\text{3}}$时刻的沉降量，且${t_3} - {t_2} = {t_2} - {t_1}$。

经计算，真空预压法最终沉降量${S_\infty } = 542.5{\text{ mm}}$，按第120天的沉降量算固结度$U = 86.4\%$，且连续10 d平均表层沉降速率不大于2 mm/d，达到了停止试验的标准。同样地，注浆絮凝真空预压法最终沉降量${S_\infty } = 531.6$ mm，按第90天的沉降量算固结度$U =$ $86.5\%$，且连续10 d平均表层沉降速率不大于2 mm/d，达到了比传统真空预压时间更早停止试验的标准。这表明注浆絮凝-真空预压法能够有效缓解排水板淤堵效应，减少排水固结时间，是一种快速有效的改进方法。

通过平板载荷试验确定了加固后疏浚淤泥的表层地基承载力，所使用的承压板尺寸为0.5 m×0.5 m，加载分级进行，采用逐级10 kPa加载，P-s曲线绘制在图 14中。可以看出真空预压加固后的淤泥的比例界限对应的荷载量为50 kPa，而其极限荷载为90 kPa。同样地，注浆絮凝-真空预压加固后的淤泥的比例界限对应的荷载量为60 kPa，而其极限荷载为110 kPa。根据《建筑地基基础设计规范》^[36]，地基承载力特征值由临界弹性状态或上述极限荷载的一半确定，真空预压法和注浆絮凝-真空预压法处理后地基承载力特征值分别取值45，55 kPa，由此可见，注浆絮凝-真空预压法加固效果比传统真空预压法提高了22.2%。

图  14  处理后土体的地基承载力

Figure  14.  Bearing capacity of the treated dredged sludge

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（2）地基承载力

真空预压结束后通过平板载荷试验和十字板剪切试验检测土体的地基承载力。测试结果如图 14，15所示。

图  15  十字板剪切强度随深度变化关系曲线图

Figure  15.  Variation of vane shear strength with depth

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如图 15所示，与初始强度相比，经过处理后的土体剪切强度总体上显著提高。传统真空预压法处理后土体的平均十字板强度为15.5 kPa，注浆絮凝-真空预压法的平均十字板强度提高约16 kPa，根据式（1）计算出地基承载力特征值分别为44.1，53.56 kPa，只有注浆絮凝-真空预压法处理后土体的地基承载力特征值满足验收标准。

5.   结论与展望

本研究综合考虑土体盐碱化影响以及工程设计要求，通过注浆絮凝-真空预压法处理疏浚淤泥模型试验，分析了不同含水率土体的最优石灰掺量并应用于龙湾二期滨海湿地生态修复工程。通过对比分析研究试验数据，主要得出4点结论。

（1）通过注浆的方式将石灰浆液注入疏浚淤泥，能发生有效的絮凝反应，提高土体的渗透系数，使得真空预压期间排水更加顺畅，从而提高真空预压加固效率。验证了注浆絮凝-真空预压法在处理温州地区的疏浚淤泥既有地基时的可行性。

（2）未加石灰时，含水率高的土体真空预压初期孔压消散更慢，而注浆试验组中含水率高的土体整体孔压消散更快且最终消散值更大，这说明注入石灰浆液后能提高土体的固结速率。

（3）通过pH值和含盐量测试，考虑强度增长和土体盐碱化影响因素，基于实测数据得出初始含水率与最优石灰掺量的关系式，此关系式为温州沿海地区疏浚淤泥处理工程提供参考，并成功应用于龙湾二期滨海湿地生态修复工程，节约了时间成本，提高了工程效率。

（4）为了尽可能减小注浆絮凝-真空预压法对土体盐碱化的影响，并且满足工程设计要求，建议在实际应用中充分考虑区域环境特点，合理利用初始含水率与最优石灰掺量的关系式，以缓解施工技术对土体盐碱化的负面影响，提高施工效率。

为进一步探讨注浆絮凝-真空预压对土体盐碱化的影响，可考虑加入工业废渣类，例如高炉渣、粉煤灰、煤渣、废石膏等作为固化剂。将不同固化材料对软土固化性能的影响作为今后重要的研究方向。为提高土体初始含水率与最优石灰掺量的关系函数的普适性，未来将选取全国不同区域的代表性淤泥，系统研究最优石灰掺量的区域适配性。