水平排水增强土工织物真空预压加固超软淤泥的试验研究与现场应用

《Geotextiles and Geomembranes》：Test study and field application of vacuum consolidation of ultra-soft slurry using horizontal drainage-enhanced geotextile

　　摘要

真空预压联合水平排水增强土工织物（HDeG）已被证明可有效改良超软泥浆。然而，大多数研究仍局限于实验室尺度试验，缺乏现场验证及相应的固结计算方法。本研究通过室内试验探究了HDeG布置方式对固结性能的影响，并开展现场应用以验证其实际效果和可行性。室内试验结果表明，一体式HDeG组件对于最大化真空预压联合水平排水的效率至关重要。现场应用证实，HDeG能够实现超软泥浆的快速脱水和显著体积减量。处理后泥浆体积减少约69%，含水率从205%降至57.6%。基于现场数据，建立了采用HDeG处理超软泥浆时真空固结过程中排水量的计算方法。计算排水量与实测值吻合良好。本研究提供了一种通过排水量计算评估固结性能的实用方法，尤其适用于同时进行泥浆回填和真空固结、常规沉降监测难以实施的工程场景。

引言

随着中国基础设施建设和维护的快速发展，在航道、港口和河流的疏浚以及钻孔灌注桩施工过程中，产生了大量含水率为100%~300%的超软泥浆（Hong et al., 2009; Wang et al., 2023, 2025, 2026a）。产生的泥浆带来了严峻的环境挑战，迫切需要有效且环境可持续的处理方法（Zhou et al., 2019; Khoteja et al., 2022; Zhang et al., 2024a）。将疏浚泥浆作为填海工程中的回填材料加以利用，可缓解城市土地资源短缺、防止弃土处置造成的二次污染，并促进废弃泥浆的资源化利用，从而带来显著的环境和经济效益（Torres et al., 2009; Sheehan and Harrington, 2012; Zhang et al., 2022; Solanki et al., 2023）。真空预压联合预制竖向排水板（PVDs）或预制水平排水板（PHDs），可有效缩短排水路径并加速孔隙水压力的消散，从而提高泥浆固结效率。由于其成本效益高且施工简便，真空预压已成为应用最广泛的软土地基改良技术之一（Yan and Chu, 2005; Indraratna et al., 2011; Wang et al., 2019）。

超软泥浆表现出不利的工程特性，包括高含水率、高压缩性和低抗剪强度（Wang et al., 2026b），这给采用PVDs进行真空预压带来了若干挑战。首先，超软泥浆的过度沉降会导致PVDs发生严重变形，如弯曲和扭折，这直接削弱了真空传递和排水能力（Ali, 1991; Bergado et al., 1996; Bo et al., 2016; Zheng et al., 2019; Lei et al., 2023）。其次，在真空吸力作用下，近液态泥浆向PVDs迁移，细颗粒土易堵塞滤膜并在排水板周围形成致密的“土柱”，严重阻碍径向排水和真空压力的传播（Sun et al., 2021; Shi et al., 2023; Dong et al., 2024; Zhang et al., 2024b）。第三，真空固结引起的各向同性应力导致PVDs周围颗粒重新定向，降低了水平渗透性，进而阻碍真空压力的径向传播（Anda et al., 2023; Cetin, 2004; Xu et al., 2020）。因此，采用PVDs的真空预压在处理超软泥浆方面效果有限。

与PVDs相比，真空预压联合PHDs在处理超软泥浆方面具有多项优势：（1）PHDs的垂直分层布置允许各排水层直接连接真空泵，从而缓解竖向排水板中常见的真空衰减问题（Song et al., 2022, 2023）；（2）PHDs与周围土体同步沉降，最小化其弯曲变形，有利于高效真空传递（Nagahara et al., 2004; Zhou et al., 2019; Pu et al., 2022）；（3）随着固结推进，相邻PHDs之间的竖向间距减小，持续缩短排水路径并加速固结（Shinsha and Tsutsumi, 2017; Wang et al., 2021; Song et al., 2024）；（4）该方法可实现泥浆回填与真空固结同步进行，上部泥浆的重力作为下部土层的附加荷载，增加总应力并显著缩短工期（Shinsha et al., 2013; Shinsha and Kumagai, 2014; Yang et al., 2024）。然而，PHDs周围同样会发生颗粒重定向和致密“土柱”的形成，降低竖向渗透性并对整体固结性能产生不利影响（Wang et al., 2024）。为解决这一问题，Chen等（2023）提出了一种真空预压联合水平排水增强土工织物（HDeG）的方法，并提出了采用HDeG进行软填料填海造陆的概念设计。常规PHDs与HDeG的大尺度对比模型试验表明，HDeG在缩短工期的同时提供了更优的处理效率，因为高渗透性土工织物提供了与同等厚度砂层相当的排水能力。在此基础上，Chen等（2023）建议采用平面内渗透系数不低于1.5×10?? m/s的非织造土工织物。随后，Chen等（2025）推导了一个严格的解析解，考虑了排水板之间土工织物的不同水平和竖向尺寸及平面内渗透性，用于软土的固结计算，并通过模型试验和有限元分析验证了其适用性。Wang等（2024）系统研究了采用HDeG处理疏浚泥浆的真空固结行为，证实其显著加速固结速率，揭示了HDeG的堵塞缓解机制，并发现非织造土工织物能够提供足够的真空压力和排水能力，从而使得固结过程可以用简单的—维固结理论和代表性固结系数合理描述。

尽管取得了上述进展，真空预压联合HDeG处理超软泥浆的应用仍主要局限于实验室模型试验或有限元分析，现场应用报道较少。因此，现场施工工艺、实际固结性能以及相应的计算方法——特别是针对同时进行回填和脱水且体积减量极大的超软泥浆——仍了解不足。为此，本研究首先开展室内模型试验，以阐明PHD和土工织物布置方式对HDeG处理性能的影响。随后，通过现场应用验证了HDeG处理超软泥浆的有效性。接着，提出了一种新的一维大应变固结解，明确考虑了土体特性和排水长度的变化，适用于多层HDeG和同步回填-固结工况，并独特地通过测量排水量来表征固结进展——该方法克服了此类现场条件下沉降监测的困难。

章节片段

材料与方法（室内试验）

HDeG的工作原理是将真空压力从PHDs传递至土工织物，从而增强土工织物参与排水过程的能力，并显著扩大有效排水面积（Wang et al., 2024）。然而，在现场条件下，超软泥浆呈近液态。如果PHDs和土工织物不经过任何预处理就安装，泥浆不可避免地会渗入PHD与土工织物的界面。在这些

真空压力

PHDs内部真空压力随时间的变化如图5所示。真空泵启动后，PHDs内的真空压力迅速上升至80 kPa以上，约24小时后逐渐稳定，最终保持在约88 kPa。两组试验之间的真空压力差异较小。

土工织物内部的真空压力变化如图6所示。在距PHD水平距离10 cm和20 cm处，

工程概况

施工场地位于中国温州市瓯海区潘桥镇。基础采用钻孔灌注桩施工，产生了大量含水率极高的废弃泥浆，含水率约为205%。现场泥浆的颗粒级配曲线如图10所示。相比之下，实验室泥浆的颗粒级配更细。较细的土颗粒更容易随孔隙水一起迁移，

计算方法

根据Chen等（2025）的研究成果，采用真空预压联合HDeG处理的超软泥浆的固结过程可近似为一维固结。据此，采用太沙基一维固结理论。等应变条件下的一维固结控制方程如式（1）所示：

????·?2??/???2 = ???/???

其中????为泥浆的竖向固结系数，u为超孔隙水压力。

结论

通过室内模型试验，本研究考察了超软泥浆在两种HDeG安装构型下的真空固结性能：一种为土工织物-排水板界面存在泥浆侵入，另一种为土工织物与排水板紧密接触。识别了界面泥浆侵入对真空传递效率的影响，阐明了HDeG系统的真空固结机理。基于室内试验结果，

CRediT作者贡献声明

Hongtao Fu：概念化。Pingan Luo：数据管理。Jun Wang：形式分析。Rila Anda：形式分析。Junfeng Ni：方法学。Ziyang Gao：调查研究。Xiaoxiao Zhu：调查研究。Zhiming Liu：数据管理。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的会干扰本报告所述工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（批准号：52508405、52478357、52408389、42407208、52408388和52508403）、浙江省自然科学基金（批准号：LQN25E080014）、温州市科技计划项目（批准号：ZG2024407和S20240006）、浙江省教育厅科研项目（批准号：Y202454493）以及温州市科协项目（批准号：[内容未提供完整]）的资助。

Hongtao Fu | Pingan Luo | Jun Wang | Rila Anda | Junfeng Ni | Ziyang Gao | Xiaoxiao Zhu | Zhiming Liu

温州大学建筑工程学院，温州，325035，中国