0.   引言

为推动绿色发展，促进人与自然和谐共生，大规模的生态疏浚工程纷纷开展。依据《中国疏浚行业运营现状调研与投资战略研究报告（2023—2030年）》，预计2024年疏浚淤泥总量可达58亿吨，其中约68%的淤泥用于建筑土地或填埋，形成大面积软土地基。然而疏浚淤泥具有高含水率、高压缩性等较差的工程特性，无法直接用于工程建筑地基，往往采用真空预压方法对其进行固结排水加固^[1]。

真空预压法以其施工方便、成本低而被广泛使用。传统真空预压法采用预制竖向排水板（PVD）作为真空压力传递和排水通道。但疏浚淤泥细颗粒含量极高，真空压力下在排水板滤膜外侧土颗粒聚集形成相对致密的淤堵层，导致软弱地基加固效果欠佳^[2-3]。为了提高传统真空预压固结排水效果，众多学者提出了药剂真空预压^[4]、增压式真空预压^[5]、交替式真空预压^[6]等改进真空预压方法。其中药剂真空预压通过在真空预压加固土体前，将化学药剂加入对疏浚淤泥进行预处理，有效缓解了排水板淤堵情况。Lin等^[7]提出氯化铁FeCl₃具有絮凝作用可以有效提高真空预压的增强。武亚军等^[8]和Lei等^[9]提出，添加聚丙烯酰胺可以促进细土颗粒的絮凝，从而提高真空预压的强化效果。

目前，大量研究表明，碱性材料的添加可以促进疏浚淤泥粒间胶结物的发育。Le Runigo等^[10]进行了真空预压结合石灰加固软地基的物理模型试验，其不排水的抗剪强度提升15 kPa。Zhu等^[11]提出了将真空预压和石灰处理相结合的方法，以提高疏浚浆料的强度，其强度可提高20%~30%。碱性外掺剂一方面促进疏浚淤泥细颗粒絮凝作用，极大缓解了排水板淤堵。与其他药剂相比，也能起到一定固化作用。但石灰、水泥等碱性外掺剂的生产是一个高能耗高排放的过程，超量使用水泥固化剂与绿色可持续发展战略理念相悖。需要找到同样具有絮凝与固化作用且低排放、低能耗的化学外掺剂。碱渣作为氨碱法生产纯碱的副产品，具有与石灰相似的性质。每生产1 t纯碱，就会产生约300 kg碱渣，其产量每年达5亿t。但碱渣的利用处理受到限制，使其大量堆积，造成污染、能源消耗等问题。

基于此，本文针对疏浚淤泥，以碱渣为外掺剂，提出真空预压联合碱渣加固淤泥地基方法。从排水量、沉降量、加固后含水率及十字板剪切强度变化规律出发，系统地分析了真空预压联合碱渣加固疏浚淤泥加固效果。同时，利用电子显微镜扫描试验和压汞试验揭示了真空预压联合碱渣加固作用的微观机理。

1.   模型试验设计

1.1   试验土样

室内试验所用的软土为取自天津滨海新区的新近疏浚淤泥。土体天然含水率较高且含有大量的细颗粒，黏粒含量和粉粒含量分别达13.3%，69.72%。试验采用的碱渣取自天津滨海新区天津碱厂。碱渣的主要成分为CaCO₃、Ca(OH)₂和CaCl₂，分别占55.7%，9.5%，8.4%。其初始含水率约为204%，且吸水性较强。孔隙比计算为4.3，大于疏浚淤泥。由pH测试条检测，其pH值为10。土样和碱渣的基本物性参数测试结果如表 1所示。

表  1  试验土样和碱渣的基本性质

Table  1.  Basic physical properties of slurry and alkali slag

试验土样基本性质			试验碱渣基本性质
初始含水率w	80%~120%		初始含水率w	204%
相对质量密度Gs	2.73		相对密度Gs	1.194
塑限wP	14.7%		塑限wP	73.6%
液限wL	31.4%		液限wL	94.8%

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1.2   试验方案

真空预压模型试验装置布置及监测点布置方式如图 1所示。真空预压模型试验装置包括模型箱、密封膜、真空泵、排水装置、电子秤等，其中模型箱底面42 cm×42 cm，高度70 cm。在整个真空预压模型试验过程中，利用电子称记录土体排水量。利用激光测距仪监测土体表面沉降。当土体日排水量小于0.1 kg时停止试验。试验结束后，在土体不同点位处进行十字板剪切强度试验并取样进行含水率测试，各测点位置如图 1所示。

图  1  试验装置整体示意图

Figure  1.  Overall schematic diagram of test devices

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真空预压模型试验包括无外掺剂的对照组（V0）及添加烘干后碱渣的试验组（V1），试验方案如表 2所示。试验前将土样配制成含水率约为90%的泥浆；V1组中按照干土质量百分数20%添加碱渣，与泥浆拌合均匀后进行总时长为3 d的化学改性处理，期间用保鲜膜密封模型箱防止水分散失，随后进行真空预压试验。

表  2  真空预压模型试验方案

Table  2.  Schemes of vacuum preloading model tests

试验组号	初始含水率/%	碱渣添加量	真空压力/kPa
V0	90	0	-80
V1	90	20%	-80

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试验结束后，对V0及V1试验组进行微观电镜扫描（SEM）及压汞（MIP）试验，取样位置如图 1所示。通过SEM图像，分析颗粒接触与土体结构以及微观孔隙特征。通过压汞试验得到孔隙尺寸分布曲线（PSD）与累积汞注入曲线（CI曲线），揭示和评价碱渣联合真空预压处理疏浚淤泥的加固机制。

2.   加固效果分析

2.1   排水量和沉降量

加固过程中排水量随时间变化曲线如图 2（a）所示。可以看出，在加固中期两组试验排水量出现较大差异。V0组的排水速率开始变缓，而V1排水速率未出现明显下降，说明碱渣的加入显著缓解了淤堵问题，V1组的排水速率没有明显降低。在试验后期，V1组首先达到试验完成标准，耗时110 h，排水量为10.59 kg。V0组则耗时163 h，排水量为8.4 kg。V1组将排水时间缩短33%，排水量增大20%。碱渣联合真空预压法可以显著加速土体的排水固结，实现了缩短加固时间的预期目标。

图  2  真空预压排水量和沉降量随时间变化曲线

Figure  2.  Variation of vacuum preloading drainage and soil surfacesettlement with time

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加固过程中土体表层沉降量随时间变化曲线如图 2（b）所示。可以看出，加入碱渣后，沉降量明显提高。V0组的最终表面沉降量为0.186 m，V1组的土体表面沉降为0.224 m，最终沉降量提高幅度达20.4%。

2.2   土体含水率

图 3为真空预压加固后土体的含水率测试结果。可以发现，添加碱渣后，加固后土体的土体含水率显著降低，最大降低幅度为55.1%。以土体表层为例，在对照组V0中，加固后土体的含水率由90%降低至41.2%；添加碱渣后，加固后土体的含水率为34.9%，与V0相比降低约6.3%。

图  3  加固后土体含水率测试结果

Figure  3.  Test results of water content of dredged slurry after reinforcement

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此外，分析图 3可得到如下规律：①加入碱渣后，加固后土体含水率沿深度升高的现象逐渐减弱。V0组中，与土体表层处相比，土体深度10 cm处的含水率增加了9.5%，V1组土体的含水率随深度增加量为6.2%；②碱渣的添加可以显著改善加固后土体含水率沿径向增大的现象。V0组中，在离排水板径向10 cm的土体与排水板附近处相比，土体的含水率增加了7%，加入碱渣后，土体的含水率增加量为2%。

2.3   十字板剪切强度

加固后土体的十字板剪切强度测试结果如图 4所示。可以看出，随着碱渣加入，加固后土体的十字板剪切强度显著提高。以土体表层土体为例，V0组十字板剪切强度为12 kPa，V1的十字板剪切强度提升了16 kPa，提升幅度为133.3%。加入碱渣后，加固后土体强度沿深度及径向距离增加而降低的现象逐渐减弱。V0组中，土体表层处与土体深度10 cm处相比，土体的十字板剪切强度减小了2 kPa，降低幅度为17.1%。加入碱渣后，土体沿深度方向的十字板剪切强度衰减幅度降低至3%。

图  4  不同深度处十字板剪切强度测试结果

Figure  4.  Test results of vane shear strength after reinforcement

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3.   加固机理分析

3.1   SEM微观结构分析

为进一步揭示碱渣联合真空预压法加固效果提升的微观机制，选取V0、V1组加固后的土体进行微观电镜扫描试验，如图 5所示。

图  5  真空预压加固后土体电镜扫描结果

Figure  5.  SEM images of reinforced soil samples

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V0组加固后的土体颗粒形态以片状和微颗粒状为主，土样的粒间胶结作用较微弱，未出现明显的颗粒聚集现象；与V0组相比，V1组土体的结构更为紧实，呈现出较为明显的骨架特征。对得到的电镜扫描图像进行微观结构定量化分析。

从表 3中可以看出，与V0组相比，V1组加固后土体孔隙数量减少。V1组加固后孔隙的丰度值和分形维数均大于V0组，表明V1组加固后孔隙更加趋于等轴状态，但孔隙轮廓线更为粗糙。圆形度和形状系数呈现相同规律，V1组的孔隙更加趋于圆形，形状更加规则。

表  3  SEM图像微观结构定量参数

Table  3.  Quantitative parameters of microstructure of SEM

定量参数	V0	V1
孔隙数量	164	148
圆形度	0.416	0.428
丰度值	0.495	0.511
分形维数	1.176	1.210
形状系数	0.578	0.615
定向概率熵	0.871	0.928

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图 6为孔隙定向频率分布图，两组孔隙定向角分布显示出明显锯齿状特征，V0组定向角在70°~80°区间孔隙分布较为集中，V1组定向角在110°~120°区间孔隙分布较为集中。同时通过计算，V1组的定向概率熵大于V0组，说明V1孔隙的定向角分布趋于更加均匀。

图  6  孔隙定向频率分布极坐标图

Figure  6.  Polar coordinates of pore directional frequency distribution

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3.2   压汞试验结果分析

图 7（a）为孔隙分布特征图，可以看出，V0和V1的孔隙尺寸分布曲线（PSD）呈单峰形式。V0组峰值出现在1000~10000 nm范围内，而在V1组峰值出现在100~1000 nm范围内。

图  7  加固后土体孔隙尺寸分布曲线和孔隙累积分布曲线

Figure  7.  Pore-size distribution curves of reinforced soil curves and cumulative pore distribution curves

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说明碱渣联合真空预压得到的土体结构密度更大，更有利。图 7（b）描述了累积汞注入曲线（CI曲线）。在V0中，斜率拐点发生在1000~10000 nm，累积入侵量明显低于V1。在V1中，斜率拐点发生在100~1000 nm，这与PSD曲线相符。

3.3   微观机理分析

在真空压力作用下，疏浚浆液中的细颗粒随水迁移到PVD，导致PVD堵塞。因此，孔隙水不能被排出（图 8（a）），加固效果较差，土体加固强度不足。碱渣中存在大量的Ca²⁺，与土颗粒表面的一价阳离子进行离子交换，降低颗粒间斥力，对改善其力学性能发挥积极作用。此外，当向土体中加入碱渣时，孔隙水的pH值增加，有利于水化反应的发展和C-S-H、C-A-H的形成和其他水合产物，胶结细颗粒形成聚合体（图 8（b）），土体中细粒含量减少，颗粒间孔隙增加，排水路径变宽。加固后，土体中的粗颗粒及聚合体起骨架作用，疏浚淤泥的细颗粒填充孔隙，使整体结构致密稳定，强度极大提高（图 8（c））。同时，碱渣中氯化物和硫酸盐的存在会促进水化氯铝酸钙（Fs）和钙矾石（Aft）的形成，这两种化合物可填充孔隙使土体孔隙减少、密实度增大。

图  8  碱渣联合真空预压机理分析图

Figure  8.  Mechanism analysis of alkali slag combined with vacuum preloading

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4.   结论

将真空预压与废弃碱渣相结合，提出了真空预压联合碱渣处理软土地基新方法。通过室内模型试验、微观电镜扫描和压汞试验，分析了新方法的加固效果和加固机制，主要得到以下2点结论。

（1）与常规真空预压法相比，碱渣联合真空预压的加固效果显著提高。排水量的提升幅度达20%，沉降量提高幅度为20.4%，加固后的土体的含水率降低至34.9%，十字板剪切强度提升幅度高达1.33倍。

（2）碱渣具有絮凝作用和增强作用。碱渣促进小颗粒聚集成大颗粒，缓解PVD淤堵，提高了土颗粒絮凝效果，促进粒间胶结物的发展，产生C-S-H、C-A-H等产品，可提高淤泥的强度。