濱海鹽漬土的強(qiáng)度特性試驗(yàn)與機(jī)理分析

梁健偉,房營(yíng)光,陳 松

(1.廣東省電力設(shè)計(jì)研究院,廣州 510663;2.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院,廣州 510641;3.華南理工大學(xué)亞熱帶建筑科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣州 510641)

1 概 述

鹽漬土在世界各地均有分布,長(zhǎng)期以來(lái),巖土工程界將鹽漬土作為一種特殊黏土進(jìn)行研究,Fookes與 Collis[1]將鹽漬土劃分為:沼地土、鹽湖土、鹽沼土和濱海鹽沼土。鹽漬土的外表面通常具有一層由吸濕性鹽構(gòu)成的外殼,該層外殼在干燥狀態(tài)下非常堅(jiān)硬,一旦吸潮會(huì)迅速軟化失穩(wěn)。Al-Amoudi[2]經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),鹽漬土中的可溶鹽如氯化鈉的溶解,可明顯影響其穩(wěn)定性。鹽漬土地基具有特殊的工程性質(zhì),對(duì)公路、鐵路以及各種建筑物的建設(shè)造成多方面的危害[3],主要包括鹽漬土浸水后的溶陷性、含硫酸鹽地基的鹽脹性以及各種可溶鹽離子對(duì)基礎(chǔ)和其他地下設(shè)施的腐蝕性。

濱海鹽漬土是港灣工程中常見(jiàn)的具有特殊工程特性的一種軟土,形成于經(jīng)常受海潮侵襲、海水浸漬的有強(qiáng)烈蒸發(fā)和毛細(xì)作用的濱海地區(qū),其最大特點(diǎn)是所含鹽的成分與海水一致,都以氯化鈉為主;表層土含鹽量高一些,下臥土層也含有較高的可溶鹽,含鹽量分布比較均勻[3]。濱海鹽漬土處于特殊的水文地質(zhì)環(huán)境以及具有與內(nèi)陸性軟土不同的特性成因,致使其具有與內(nèi)陸性軟土明顯不同的物理力學(xué)性質(zhì)和物理化學(xué)性質(zhì)。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者已經(jīng)對(duì)鹽漬土的物理力學(xué)特性進(jìn)行了比較全面的研究[4-6],然而對(duì)其特殊性質(zhì)形成的微觀機(jī)制的研究尚未充分。

本文結(jié)合中國(guó)交通建設(shè)股份有限公司在科威特Bubiyan島的海港鹽漬土軟基加固工程開(kāi)展研究。在工程現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了十字板剪切試驗(yàn),利用采集于現(xiàn)場(chǎng)的土樣進(jìn)行三軸試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)和液塑限試驗(yàn)與成分分析、電化學(xué)特性等物理化學(xué)試驗(yàn),并將其特殊性質(zhì)與同樣處于濱海地區(qū)的廣州南沙軟土的特性進(jìn)行比較分析?；谠囼?yàn)結(jié)果,從微細(xì)觀機(jī)理角度闡明了可溶鹽高含量的科威特鹽漬土具有低液塑限、低強(qiáng)度等宏觀不良工程特性產(chǎn)生的物理機(jī)制,加深了對(duì)濱海鹽漬土工程特性的認(rèn)識(shí),對(duì)該工程項(xiàng)目施工提供了指導(dǎo)作用。本文的研究成果對(duì)其他沿海地區(qū)鹽漬土地基加固工程也具有重要參考價(jià)值。

2 科威特濱海鹽漬土的強(qiáng)度特性試驗(yàn)

2.1 土樣的基本特性

試驗(yàn)的土樣取自科威特 Bubiyan島北部的一個(gè)海港軟基處理現(xiàn)場(chǎng)。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)科威特土樣進(jìn)行了含鹽量、液塑限含水量、礦物成分、陽(yáng)離子交換等試驗(yàn),主要試驗(yàn)結(jié)果列于表1、表2。試驗(yàn)結(jié)果表明,科威特土的可溶鹽含量高達(dá)13.4%～20.9%,成分主要為氯鹽,根據(jù)我國(guó)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021-2001)的分類標(biāo)準(zhǔn),屬于超氯濱海鹽漬土;具有低液塑限,低強(qiáng)度,遇水易失穩(wěn)崩解等典型鹽漬土的不良工程特性;表2中的顆粒表面電荷密度由實(shí)測(cè)的陽(yáng)離子交換量與總比表面積換算求出,其中前者采用乙酸銨交換法[7]測(cè)得,后者采用乙二醇乙醚吸附法[8]測(cè)得。

由表1和表2中主要指標(biāo)參數(shù)和礦物成分分析等試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn),科威特濱海鹽漬土的天然含水率在26.3%～41%之間,處于液限含水率附近;液限和塑限含水量分別為31%～42%和19%～24%,較一般三角洲相的沉積軟土低;顆粒組成主要為粉粒和粘粒;礦物成分分析表明該土樣的黏土礦物含量為35.4%,少于一般沿海地區(qū)軟土 (黏土礦物 ＞50%)[10];氯離子含量偏高;而顆粒表面電荷密度較低。

表1 科威特濱海鹽漬土的主要指標(biāo)參數(shù)及顆粒組成Table 1 Main geotechnical properties and grain size distribution of coastal saline soil from Kuwait

表2 科威特濱海鹽漬土的礦物組成及電化學(xué)特性測(cè)試Table 2 Mineral composition and electrochemical properties of coastal saline soil from Kuwait

2.2 強(qiáng)度特性試驗(yàn)

2.2.1 試驗(yàn)方案及試樣的制備

對(duì)科威特濱海鹽漬土分別進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)強(qiáng)度特性試驗(yàn),其中現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)為十字板剪切試驗(yàn),室內(nèi)試驗(yàn)包括三軸試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的1#和2#鉆孔進(jìn)行十字板剪切試驗(yàn),1#孔和2#孔的試驗(yàn)深度分別為2.5～22.5 m和2.5～20.5 m,測(cè)試的深度間隔為2.0 m。三軸試驗(yàn)的試樣為原狀土,直徑和高度分別為70mm和142mm,試驗(yàn)方法為多級(jí)加荷的固結(jié)不排水剪切試驗(yàn),以反壓力飽和,分 3級(jí)圍壓先后進(jìn)行固結(jié)和剪切試驗(yàn),其中試樣的剪切應(yīng)變速率控制在每分鐘0.002 5%～0.005 5%;當(dāng)測(cè)力計(jì)讀數(shù)達(dá)到穩(wěn)定或者出現(xiàn)倒退時(shí),測(cè)記相應(yīng)的測(cè)力計(jì)讀數(shù)和軸向變形值,關(guān)閉電動(dòng)機(jī)并將測(cè)力計(jì)調(diào)零,進(jìn)入下一級(jí)圍壓下的試驗(yàn)。直剪試驗(yàn)的試樣為擾動(dòng)土,直徑和高度分別為61.8mm和20mm,在制備直剪試驗(yàn)的環(huán)刀試樣時(shí),為分析含鹽量以及含水量對(duì)鹽漬土抗剪強(qiáng)度的影響,配制成含水率為液塑限之間和液限附近的兩種環(huán)刀樣,分別進(jìn)行 2次試驗(yàn),第1次試驗(yàn)利用原擾動(dòng)土進(jìn)行測(cè)試;第2次試驗(yàn)前用淋溶法將土樣中的可溶鹽反復(fù)濾除,以降低可溶鹽含量后再進(jìn)行測(cè)試。采用固結(jié)快剪法進(jìn)行直剪試驗(yàn),剪切速率為0.8mm/min。

2.2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖1為現(xiàn)場(chǎng)十字板剪切試驗(yàn)的各個(gè)深度的抗剪強(qiáng)度與靈敏度。多級(jí)加荷的固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。固結(jié)快剪試驗(yàn)結(jié)果列于表4,表5為淋溶前后試樣的界限含水量變化情況。

科威特濱海鹽漬土的現(xiàn)場(chǎng)十字板抗剪強(qiáng)度屬于中等范圍,靈敏度＜1.5,屬于不靈敏土體,說(shuō)明土體結(jié)構(gòu)性不明顯,顆粒間的膠結(jié)性不強(qiáng),致使表觀內(nèi)聚力小。在天然含水量的情況下,可溶鹽溶解于水中,顆粒間的可溶鹽結(jié)晶膠結(jié)作用并未發(fā)揮出來(lái),只增加了孔隙液的離子濃度,對(duì)顆粒的聚集性質(zhì)產(chǎn)生一定影響;在保持孔隙液性質(zhì)不變情況下,擾動(dòng)對(duì)表觀粘聚力的影響有限,因而靈敏度小。雖然土體顆粒細(xì)小(粉粒含量 65.19%～72.34%,粘粒含量24.58%～33.09%),但從三軸試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,原狀鹽漬土樣具有粘聚力較低而內(nèi)摩擦角較高的特點(diǎn),除了1#孔19.0 m深度的試樣的粘聚力稍大以外,其余各試樣的粘聚力cCU′≈0,內(nèi)摩擦角φCU′=27°～36°,具有砂土特性。下文分析表明,這一“反?！毙再|(zhì)是由于黏土礦物含量少、可溶鹽含量高(導(dǎo)致孔隙液離子濃度高)、表面電荷密度低造成的。固結(jié)快剪試驗(yàn)結(jié)果表明:含鹽量與含水量對(duì)土樣的抗剪強(qiáng)度有明顯的影響,淋溶前含水量在液塑限之間的試樣(w=20.1%)的粘聚力與內(nèi)摩擦角稍高于其他試樣;淋溶后同樣處于液限含水率附近的試樣的粘聚力有所提高,內(nèi)摩擦角則有所降低,在100 k Pa和200 kPa固結(jié)壓力下的抗剪強(qiáng)度也稍有下降;而淋溶后含水率與淋溶前相近的試樣(w≈26%)的粘聚力提高,而內(nèi)摩擦角則降低。擾動(dòng)土樣的界限含水量也明顯受含鹽量的影響,表5表明經(jīng)淋溶濾除大部分可溶鹽后土樣的液限和塑限含水率均有顯著的提高,其提高幅度分別達(dá)到了29.4%和48.1%。

表3 科威特濱海鹽漬土原狀樣的三軸試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Triaxial test results of undisturbed coastal saline soil from Kuwait

表4 淋溶前后濱海鹽漬土擾動(dòng)樣的抗剪強(qiáng)度及指標(biāo)Table 4 Shear strength and parameters of disturbed coastal saline soil before and after eluviations

表5 淋溶前后濱海鹽漬土擾動(dòng)樣的液塑限Table 5 Atterberg limits of disturbed coastal saline soil before and after eluviations

圖1 科威特濱海鹽漬土的現(xiàn)場(chǎng)十字板剪切試驗(yàn)Fig.1 Field vane shear test of coastal saline soil from Kuwait

2.3 廣州南沙軟土的強(qiáng)度特性對(duì)比試驗(yàn)

廣州南沙地區(qū)位于北江、西江下游的濱海河網(wǎng)區(qū),臨近珠江口伶仃洋,為珠江三角洲沖積平原的前沿地帶,地層中存在深厚的海陸交互相淤泥層,并受到近海潮位的影響,具有高含水量、高壓縮性、低強(qiáng)度和低承載力等主要工程特性。廣州南沙雖與科威特 Bubiyan島同屬于濱海地區(qū),但廣州南沙雨量充沛而科威特 Bubiyan島雨量稀少,因而南沙軟土樣含鹽量比科威特土樣少得多,以致強(qiáng)度特性也有較大差別。本節(jié)采用廣州南沙軟土樣進(jìn)行試驗(yàn),為分析可溶含鹽量對(duì)土體強(qiáng)度特性的影響提供對(duì)比。

從廣州南沙龍穴島某超軟弱吹填淤泥土軟基處理工程現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)。該區(qū)域是在原有珠江口水域之中淤積的灘涂地基上吹填淤泥、中細(xì)砂形成的,其主要物理特性、顆粒組成、礦物成分及電化學(xué)特性等參數(shù)見(jiàn)表6至表8,表9為部分室內(nèi)直剪試驗(yàn)結(jié)果。上述試驗(yàn)結(jié)果為下文對(duì)科威特土特性的機(jī)理解釋和比較分析提供了對(duì)比數(shù)據(jù)。

廣州南沙軟土與科威特濱海鹽漬土相比,可溶鹽的含量較低,平均約為0.48%,液限較高,在46.7%～57.1%之間,塑性指數(shù)較大,為22.9%～34.7%之間。廣州南沙軟土的含鹽量低而液塑限高,塑性指數(shù)大,這一特性與淋溶后科威特鹽漬土樣含鹽量降低,液塑限提高、塑性指數(shù)增大的特性變化是一致的。南沙軟土擾動(dòng)樣的液性指數(shù)為0.602～0.738之間,處于軟塑狀態(tài);顆粒組成與科威特鹽漬土類似,以粉粒和粘粒為主;在礦物成分方面,南沙軟土的黏土礦物含量達(dá) 68%,明顯高于科威特鹽漬土;快剪試驗(yàn)的粘聚力為5.4～22.5 kPa,內(nèi)摩擦較小(1.3°～5.1°),固結(jié)快剪的內(nèi)摩擦角有明顯的提高。顆粒表面的電荷密度也對(duì)土體的塑限和塑性指數(shù)有直接的影響(見(jiàn)下文分析),廣州南沙軟土顆粒表面電荷密度高于科威特濱海鹽漬土,也使其塑限和塑性指數(shù)提高。

表6 廣州南沙BH6號(hào)軟土的主要物理特性Table 6 Main geotechnical properties of Nansha soft soil of Guangzhou

表7 廣州南沙軟土的顆粒組成Table 7 Grain size distribution of Nansha soft soil of Guangzhou

表8 廣州南沙軟土的礦物組成及電化學(xué)特性Table 8 Mineral composition and electrochemical properties of Nansha soft soil of Guangzhou

表9 廣州南沙擾動(dòng)軟土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)Table 9 Shear strength parameters of disturbed Nansha soft soil of Guangzhou

3 濱海鹽漬土的強(qiáng)度特性分析

土體強(qiáng)度的變化并不是單純的力學(xué)過(guò)程,而是一個(gè)與土體的成分、物理化學(xué)性質(zhì)以及所處的環(huán)境密切相關(guān)的化學(xué)-力學(xué)過(guò)程。以下基于科威特 Bubiyan島場(chǎng)地濱海鹽漬土和廣州南沙軟土的試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果,從該鹽漬土的特殊成因和工程性質(zhì)形成的微觀機(jī)制和機(jī)理來(lái)分析其特殊的強(qiáng)度特性。

3.1 濱海鹽漬土的成因分析

科威特濱海鹽漬土的低強(qiáng)度、低液塑限等不良工程性質(zhì)與當(dāng)?shù)靥厥獾臍夂?、地理、水文等條件密切相關(guān)。該地區(qū)屬于熱帶沙漠氣候,夏季異常干旱炎熱,日間平均氣溫可達(dá) 45℃,而冬季夜間最低溫度7.2℃,月平均降水量最高僅25.5mm。在海相環(huán)境下,土顆粒在該島的近岸地區(qū)沉積而形成了濱海鹽漬土陸地。顆粒分析結(jié)果(表1)表明其顆粒組成主要為極細(xì)的粉粒和粘粒,有較強(qiáng)的吸附鹽的能力,毛細(xì)水上升高度大?，F(xiàn)場(chǎng)受到每月一次的海潮的規(guī)律性侵襲,退潮后經(jīng)烈日暴曬,海水中的部分鹽分因強(qiáng)烈的地面蒸發(fā)而析出并累積于土中,在地表形成一層鹽殼,因此土中的鹽分與海水的基本相同,主要為氯鹽?？扇茺}的膠結(jié)作用使鹽殼在干燥狀態(tài)下非常堅(jiān)硬,一旦吸潮或浸水,可溶鹽迅速溶解,鹽殼就會(huì)軟化崩解,這是導(dǎo)致濱海鹽漬土低強(qiáng)度的直接原因。廣州南沙軟土雖然處于濱海河網(wǎng)區(qū),顆粒組成(表7)也以粉粒和粘粒為主,但降水統(tǒng)計(jì)資料[12]表明南沙地區(qū)的多年平均降雨量為1 560mm以上,南方多雨的亞熱帶氣候使得海水中的大部分鹽分來(lái)不及積聚在土中就隨著地表徑流遷移,實(shí)測(cè)的可溶鹽平均含量?jī)H0.48%,因此南沙軟土不具備濱海鹽漬土形成的自然條件,使兩者在物理力學(xué)性質(zhì)方面存在較大的差異。

3.2 濱海鹽漬土的強(qiáng)度特性的機(jī)理分析

Gouy-Chapman理論[13]指出,帶負(fù)電荷的黏土顆粒表面形成的微電場(chǎng),使顆粒表面吸附而形成具有高粘性的結(jié)合水膜。包裹土顆粒的高粘性的結(jié)合水膜的厚度在一定程度上表征液限和塑性指數(shù)的范圍[14],由此而影響土體的物理力學(xué)性質(zhì),因此引起結(jié)合水膜厚度變化的因素,是影響土的宏觀物理力學(xué)性質(zhì)的因素?？扇茺}等電解質(zhì)溶解于孔隙水中使孔隙水的離子濃度提高,而使帶電顆粒表面吸附的結(jié)合水膜厚度變小,液限和塑性指數(shù)隨之減小。相反,隨顆粒表面電荷密度的提高,形成微電場(chǎng)的強(qiáng)度增大,吸附的結(jié)合水膜厚度增加,液限和塑性指數(shù)提高。下面從土體的可溶鹽含量和顆粒表面電荷密度兩方面因素,對(duì)科威特濱海鹽漬土和廣州南沙軟土的物理力學(xué)特性差異行分析。

科威特鹽漬土樣的含鹽量高,使溶解于孔隙水中的離子濃度比一般土的含量高,顆粒表面的結(jié)合水膜厚度小,即顆粒吸附的結(jié)合水量少,致使顆粒之間的相互運(yùn)動(dòng)阻力大,雖然土體顆粒細(xì)小,但還是比正常含鹽量的土(如淋溶后的科威特鹽漬土、廣州南沙軟土)表現(xiàn)出較大的內(nèi)摩擦角,以及較低的液塑限和塑性指數(shù)。對(duì)于正常含鹽量的土,孔隙水中的離子濃度較低,而結(jié)合水膜厚度較大,顆粒吸附的結(jié)合水量增加,顆粒之間的相互運(yùn)動(dòng)阻力較小,表現(xiàn)出較小的內(nèi)摩擦角,以及較高的液塑限和塑性指數(shù)。土體的粘聚力與顆粒間的膠結(jié)狀況有關(guān),在天然含水率情況下,科威特鹽漬土中的可溶鹽溶解于水中,顆粒間的可溶鹽結(jié)晶膠結(jié)作用還未發(fā)揮出來(lái),致使表觀內(nèi)聚力較小。同樣,在天然含水率情況下,由于顆粒間的鹽結(jié)晶膠結(jié)不強(qiáng),擾動(dòng)前后的表觀內(nèi)聚力變化不大,因而土的靈敏度較小?？仆佧}漬土與南沙軟土的顆粒組成相似,含水量均接近液限,但兩者的強(qiáng)度特性有明顯區(qū)別,可見(jiàn)含鹽量是導(dǎo)致兩者強(qiáng)度差異的主要原因之一。

陽(yáng)離子交換當(dāng)量表征顆粒表面所帶的負(fù)電荷密度,不同礦物成分的陽(yáng)離子交換當(dāng)量差異較大。顆粒表面電荷密度大,顆粒表面的結(jié)合水膜厚度就大,使土體具有較高的液塑限和塑性指數(shù)以及較小的內(nèi)摩擦角。一般而言,黏土礦物等相應(yīng)的陽(yáng)離子交換當(dāng)量通常較大,即強(qiáng)親水礦物含量越多,液塑限和塑性指數(shù)就越高,內(nèi)摩擦角通常就越小;反之,表現(xiàn)出液塑限和塑性就較低,內(nèi)摩擦角就較大。南沙軟土表現(xiàn)出較高的陽(yáng)離子交換量、液塑限和塑性指數(shù),以及較小的內(nèi)摩擦角,這主要是因?yàn)槠鋸?qiáng)親水礦物含量達(dá) 68%,接近科威特鹽漬土的2倍;而科威特鹽漬土樣中的強(qiáng)親水礦物較少,特別是蒙脫石含量較少,非黏土礦物成分較多(＞60%),因而其顆粒表面電荷密度明顯較低,將導(dǎo)致較低的液塑限和塑性指數(shù)以及較大的內(nèi)摩擦角。

4 結(jié) 論

對(duì)科威特 Bubiyan島場(chǎng)地土樣進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)試驗(yàn)以及相應(yīng)的分析,并與廣州南沙軟土試驗(yàn)作比較,闡明了影響土體強(qiáng)度特性的物理機(jī)制,得出以下主要結(jié)論:

(1)科威特 Bubiyan島場(chǎng)地軟土屬于濱海超氯鹽漬土,具有高含鹽量、低液塑限、低強(qiáng)度、遇水易軟化失穩(wěn)等鹽漬土的典型特性。

(2)科威特濱海鹽漬土及其工程特性的形成與當(dāng)?shù)氐乃牡刭|(zhì)條件密切相關(guān)。雖然其顆粒細(xì)小,但可溶鹽含量高、強(qiáng)親水礦物含量低,這是使其具有液塑限低、塑性指數(shù)小、內(nèi)摩擦角較大、粘聚力小的“砂性土”特性的物質(zhì)因素。

(3)含鹽量和黏土礦物成分對(duì)濱海鹽漬土的強(qiáng)度特性有顯著的影響,本文從黏土-水-電解質(zhì)系統(tǒng)的Gouy-Chapman理論對(duì)鹽漬土的不良工程特性的物理機(jī)制作出了合理解釋。

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