目前，我国每年因水域环境的治理，港口码头、航道和内陆河湖中都会产生数十亿立方米的疏浚泥(浆)[1-2]．大体量的疏浚淤泥(浆)末端处置问题给社会带来了沉重的经济负担和环境压力．当前，常用的处置方式是堆场处理，待堆场内淤泥(浆)表面具有一定强度后借助真空预压或堆载预压等地基处理手段进一步加固地基，最终形成具有一定承载力的场地供开发使用．但疏浚泥浆因其特殊的获取方式(绞吸式疏浚或者水力冲挖)，往往具有黏粒多、含水率高(通常300%以上)、强度低、渗透性差等特点，在堆场中处理具有自重沉积、排水固结慢，真空预压时淤堵排水通道、堆场周转周期长等诸多问题．絮凝剂作为一种特殊的添加剂，具有良好的脱水处理效果，被广泛应用于工业污泥脱水处理工艺中．文献[3]证明：絮凝剂也能显著改善淤泥(浆)的脱水性能，提升脱水效率且在工程应用中具有一定经济优势．针对堆场处理存在的问题，并结合絮凝剂的特殊功效，许多学者将絮凝剂应用于对淤泥(浆)的处理中．文献[4]对温州吹填淤泥开展了絮凝-真空预压室内模型桶试验，证实絮凝剂的加入能够提高土体强度，增大土体的渗透性，提升土体真空度．文献[5]通过室内真空预压试验表明絮凝剂的加入能防止排水通道的淤堵．文献[6]证明絮凝剂的添加能加速排水，缩短固结时间，加速超孔隙水压力的消散，有效降低真空预压中的真空损失．文献[7-9]用室内试验证明了添加絮凝剂不仅能提升固结效率，还能够提高土壤均匀性．文献[10]确定了6种絮凝剂的最佳配比，结合真空预压证明了絮凝剂的掺入能提升土体抗剪强度，加固更深层的土体，并有效抑制重金属的迁移．文献[11]证实利用絮凝技术处理疏浚淤泥可操作性强、处理效果好．当前，已有研究成果大多仅关注絮凝调理对预压处理过程中淤泥脱水固结速率的影响，鲜有关于絮凝调理对预压处理后淤泥固结变形能力影响的报道．鉴于此，本研究先通过2~3种絮凝剂预处理2种淤泥浆，再利用小型堆载预压试验模拟现场真空预压、堆载预压等排水固结过程，最后选取堆载后孔隙比接近的淤泥试样开展室内一维固结压缩试验，探究絮凝调理对淤泥(浆)固结特性的影响．1 试验内容1.1　试验材料试验泥样1取自浙江省温州市某海岸疏浚吹填淤泥堆场(简称温州海泥)，试验泥样2取自湖北省武汉市汉阳区长湖(简称汉阳湖泥)，泥样基本物理性质和颗粒级配曲线分别见表1和图1．图1中：d为粒径；β为小于特定粒径的土的颗粒的质量分数．根据《土的工程分类标准》(GB/T50145—2007)，2种泥样均为高液限黏土CH．10.13245/j.hust.210701.T001表1试验用泥样基本物理性质指标泥样类别土粒相对密度液限/%塑限/%塑性指数烧失量/%温州海泥2.6953.726.527.24.41汉阳湖泥2.7251.432.419.03.7910.13245/j.hust.210701.F001图1试验淤泥的粒径分布试验采用的阴离子AN926SH型聚丙烯酰胺(PAM)，相对分子质量为1.6×107~1.8×107；聚合氯化铁(PFC)呈黄褐色小颗粒状，生石灰(CaO)为精细化生石灰粉末．3种絮凝剂均以溶液形式加入到淤泥浆中．PAM颗粒与水按质量比1:1 000配置，以60~90 r/min的转速搅拌40~45 min形成溶液．根据前期多梯度CaO和PFC掺量下堆载预压试验结果，确定CaO或PFC的最优掺量为0.5%(与干土质量比)，将其完全溶解于水中形成溶液后再加入到淤泥浆中．1.2　试验流程本次室内试验主要分为两部分：第一部分为堆载预压试验，采用自行设计的小型堆载预压装置(见图2)对絮凝剂-淤泥混合浆液进行预压脱水处理，获取不同含水率的淤泥试样；第二部分为固结试验，探究初始孔隙比接近情况下絮凝调理对淤泥(浆)固结特性的影响．10.13245/j.hust.210701.F002图2小型堆载预压装置示意图及试样成品1.2.1　堆载预压试验a. 将天然泥样匀速搅拌10 min，期间暂停1~2次，人工剔除泥样中的碎石、贝壳等，并测定含水率．b. 基于测定的含水率计算各用料配比，称取相应质量湿泥后重新搅拌5 min，然后用刮刀人工搅拌30 s(清除机械搅拌死角)制备成均匀的淤泥浆．c. 在淤泥浆中均匀地加入絮凝剂溶液，对于聚丙烯酰胺溶液、PFC溶液和CaO溶液，分别均速搅拌0.5，2.0，2.0 min后停止，形成混合浆液．d. 将混合浆液匀速倒入堆载模具中(内径85 mm，壁厚5 mm，试验前对内壁均匀涂抹凡士林，保证堆载架能在自重作用下匀速下滑)，放入堆载架，平稳后在上部放置一定质量的砝码，保证恒定压强．基于前期试验，在常温下统一堆载3 d．1.2.2　固结试验a. 撤去上部砝码，缓慢推压堆载架使泥样脱模，使用内部均匀涂抹凡士林的洁净环刀制作环刀样(底面积30 cm2，高度2 cm)，并取剩余泥样测定含水率．b. 将制备好的环刀试样放入三联低压固结仪中，根据《土工试验标准》(GB/T50123—2019)进行一维固结压缩试验．试验加载级别按12.5 kPa→25 kPa→50 kPa→100 kPa→200 kPa→400 kPa进行．每级荷载以加载24 h为稳定标准．1.3　试验工况试验工况及堆载后含水率见表2．表中：wei为等效初始含水率，定义为混合浆液中水的质量(淤泥浆中水的质量与絮凝剂溶液中水的质量的和)与干土质量之比；wPAM为PAM颗粒质量与干土质量之比；wPFC为PFC颗粒质量与干土质量之比；wCaO为CaO粉末质量与干土质量之比；p'为施加荷载；w0为堆载后淤泥试样的含水率．每组工况均设置2个平行试样．10.13245/j.hust.210701.T002表2试验工况及堆载后含水率编号泥样类别wei/%wPAM/%wPFC/%wCaO/%p'/kPaw0/%A1-1温州海泥2400.0000.00.03056.19A1-2温州海泥2400.0000.00.04050.05A1-3温州海泥2400.0000.00.05046.92A2-1温州海泥2400.0870.00.03062.28A2-2温州海泥2400.0870.00.04057.65A2-3温州海泥2400.0870.00.05052.80A3-1温州海泥2400.0000.50.03058.44A3-2温州海泥2400.0000.50.04057.01A3-3温州海泥2400.0000.50.05054.61A4-1温州海泥2400.0000.00.530A4-2温州海泥2400.0000.00.54062.58A4-3温州海泥2400.0000.00.55056.59B1-1汉阳湖泥2400.0000.00.03058.34B1-2汉阳湖泥2400.0000.00.04055.23B1-3汉阳湖泥2400.0000.00.05052.49B2-1汉阳湖泥2400.0870.00.03061.48B2-2汉阳湖泥2400.0870.00.04058.44B2-3汉阳湖泥2400.0870.00.05056.39B3-1汉阳湖泥2400.0000.50.03060.58B3-2汉阳湖泥2400.0000.50.04058.12B3-3汉阳湖泥2400.0000.50.05056.732 试验结果分析2.1　预压后淤泥的固结特性分析2.1.1　压缩性分析图3为2种泥样孔隙比(e)随固结压力(p)的变化曲线，图中：A组固结试验泥样的含水率为56.19%~57.65%；B组为58.12%~58.44%．10.13245/j.hust.210701.F003图3孔隙比随固结压力的变化曲线由图3可见：初始含水率相近情况下初始孔隙比也近似(A组初始孔隙比为1.45~1.56，B组为1.58~1.63)．图3中：A1-1组相较于其余3组(A2-2，A3-2和A4-3)，压缩曲线近似呈线性下降，不存在明显拐点；A2-2组相较于A3-2和A4-3组，压缩初始阶段下降略快，整体较A1-1组下降平稳，当固结压力超过某一临界值后，其余3组变形均迅速增大，存在明显拐点．汉阳湖泥组(B组)的压缩曲线也都表现出了这个特点．可见初始孔隙比接近的情况下，絮凝调理的淤泥试样具有更强的结构性．根据压缩试验数据，计算得到两种泥样的压缩指数：A1-1，A2-2，A3-2和A4-3的压缩指数分别为0.402，0.449，0.480和0.527；B1-1，B2-2和B3-2的压缩指数分别为0.432，0.538和0.490．可见，所选试样的压缩指数均高于0.4，属于典型的高压缩性土．对比其中各组数据可以发现：初始孔隙比相近情况下，A1-1组和B1-1组的压缩指数均小于同组经过絮凝调理的试样．可见絮凝剂的加入会提高土体的压缩性．这是因为絮凝作用使土颗粒间形成了较大的孔隙．在初始孔隙比接近的情况下，未经絮凝调理泥样的孔隙小而多，土颗粒间间距小，摩擦力大，不易压缩；而絮凝调理泥样的孔隙大而少，絮团内部、絮团与絮团之间构建起了较大的骨架，在较大固结压力作用下，随着骨架的破坏，泥样更容易被挤压密实，压缩性更大．2.1.2　结构性分析采用运用双对数坐标来确定结构屈服应力的方法[12-13]，以lg{p}Pa为横坐标，ln(1+e)为纵坐标确定结构屈服应力，得到两种泥样的双对数压缩曲线如图4所示．10.13245/j.hust.210701.F004图4两种泥样的双对数压缩曲线从图4(a)可以看出：A1-1组结构屈服应力较低，约为24.8 kPa．A2-2，A3-2和A4-3组均表现出较高的结构屈服强度，相较于A1-1组，结构屈服应力分别提升了41%，50%和71%．经PAM调理后，泥样的土体结构屈服应力提升较经PFC或CaO调理更弱一些．图4(b)中的B组也表现出相同的规律．原因可能是不同絮凝剂发挥作用的机理不同，PAM作为有机高分子絮凝剂，其絮凝机理主要为吸附架桥作用，高分子长链与土颗粒、胶体颗粒等以化学键桥连在一起，形成较大的絮团快速沉积；同时，高分子长链之间彼此交错连接，与絮团共同构成土体骨架的网状结构，增强了骨架的整体性和结构性[14]．PFC和CaO作为无机絮凝剂，作用机理主要为电性中和，无机盐在水中电离后产生金属阳离子和阴离子，而土颗粒、胶体颗粒表面具有较多的负电荷，随着阳离子向土、胶体颗粒表面靠近，部分负电荷被中和，土颗粒表面的双电层被压缩，表现为胶粒迅速凝聚成絮团结构，相比经PAM调理的试样，土颗粒间的距离更近，粒间作用力变大，联结强度更高，絮团及土体骨架整体性和结构性更强[15]，相应的结构屈服应力更大．2.1.3　次固结系数分析次固结系数(Cα)是衡量土体次固结沉降的重要指标，对工后沉降的预测具有重要意义．基于淤泥试样的e-lg{t}s关系曲线，可得Cα=(e1-e)/(lg {t}s-lg {t1}s)，式中：t为所求次固结沉降时间；t1为主固结完成时间；e1为t1时刻的孔隙比；e为t时刻的孔隙比．次固结系数随固结压力的变化曲线如图5所示．10.13245/j.hust.210701.F005图5两种泥样的次固结系数随固结压力的变化曲线从图5(a)可看出：各组工况的Cα随p的增大，均呈现出先增大后缓慢减小的趋势，且在100 kPa附近出现峰值．A1-1组峰值处的Cα约为初始值的1.8倍，A2-2，A3-2和A4-3组分别为6.2倍，13.5倍和5.4倍，可见絮凝调理试样的Cα随p增大增幅更为显著．图5(a)中，A2-2组的Cα明显大于A1-1组，峰值处约为A1-1组的1.5倍，而A3-2组和A4-3组的Cα均低于A1-1组；图5(b)中也呈现出了相似的规律，略有不同的是B1-1组的Cα随p的增加呈上升趋势，峰值可能出现在400 kPa及以后．总的来说，絮凝调理淤泥的Cα增幅明显大于未经絮凝调理淤泥．絮凝剂种类对淤泥试样次固结特性的影响有所不同，与未经絮凝调理的淤泥相比，经有机絮凝剂PAM调理淤泥的Cα显著增加，而无机絮凝剂PFC或CaO调理淤泥的Cα基本保持不变甚至略有降低．借鉴文献[16-18]思想，对软土次固结特性的分析并结合絮凝剂的作用机理，推断其中原因如下：PAM等有机絮凝剂通过长分子链相联接，土颗粒间的距离较远，相应的土颗粒表面结合水膜间的相互作用较弱；同时，PAM的使用提高了泥样流体环境的整体黏度，减小了土颗粒间的黏聚力，导致土体骨架的蠕变变形增大；PFC和CaO等无机絮凝剂的作用机理主要为电性中和，随着土颗粒表面双电层的压缩，结合水膜变薄，结合水膜间的作用变强，土体骨架发生蠕变变形的可能降低．综合上述试验结果，采用有机絮凝剂+无机絮凝剂组合成的复合絮凝剂或许能够实现提高淤泥(浆)排水固结效率的同时削弱有机絮凝剂对淤泥土次固结系数的不利影响．3 结论通过前期的絮凝-堆载预压试验模拟了疏浚淤泥(浆)由刚吹填时的流浆至排水固结完成后可供开发的场地这一过程．通过后期的室内一维固结压缩试验，探究初始孔隙比接近情况下，絮凝调理对预压处理后淤泥固结变形能力方面的影响，得到以下结论．a. 添加絮凝剂的淤泥呈现出了更强的结构特性，相较于未经絮凝调理的淤泥，掺入PAM，PFC和CaO的淤泥试样的结构屈服应力分别提升了41%，50%和71%，但同时也导致了预压后的淤泥表现出更强的压缩性．b. 试验淤泥的Cα随p的增大整体呈先上升后缓慢减小的趋势，添加絮凝剂的淤泥试样增幅更为显著．不同种类的絮凝剂对淤泥的Cα影响略有不同，相较于未经絮凝调理的淤泥，有机絮凝剂PAM调理淤泥的Cα显著增加，而无机絮凝剂PFC或CaO调理淤泥的Cα基本不变甚至略有降低．因此，在实际工程中，应注意不同种类絮凝剂对工后沉降的影响．