沿海地區(qū)典型吹填土物化特征的對比*

宋 晶，湯連生，王 清，張 鵬

(1.中山大學(xué)地球科學(xué)與地質(zhì)工程學(xué)院∥廣東省地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源探查重點實驗室，廣東 廣州 510275；2.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長春 130026;3. 中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，廣東 廣州 510032)

吹淤造陸方法是一種變廢為利的地基處理方式。它利用海積軟土或淤泥作為圍海造陸的基礎(chǔ)物源，既清理了海港碼頭的淤泥，疏浚了航道，保護(hù)了環(huán)境[1-3]，又降低了運(yùn)輸物源砂料的工程造價，提高地基處理效率，滿足了工期需要[4]。這些以淤泥為主的超軟土地基加固是目前地基處理的熱點之一[5-6]。

但是，其中海積軟土或吹填淤泥具有特殊的工程地質(zhì)性質(zhì)，即含水率高、壓縮性大、有機(jī)質(zhì)含量高、黏粒含量高等特性。針對該土質(zhì)特征，科研工作者進(jìn)行了全面深入研究。彭濤等[7]對吹填淤泥進(jìn)行研究，分析吹填土自重沉積固結(jié)后的孔隙特征。劉瑩等[8]進(jìn)行模型試驗和快速結(jié)殼試驗，結(jié)果表明，隨著泥漿稠度增加，沉降速率減小，沉積后的泥漿容重增加。楊愛武、杜冬菊等[9]探討了天津地區(qū)吹填土特征，進(jìn)行吹填土改良加固。之后，楊靜、張中瓊等[10-11]在此基礎(chǔ)上研究不同靜置時間、不同水土比試樣的固結(jié)特征，并研究不同深度和不同距離條件下的監(jiān)測指標(biāo)，分析孔隙水壓力、有效應(yīng)力和沉降量等變化特征。

但是，針對高黏性吹填土而言，實際施工過程中，常常由于不同地區(qū)土體差異導(dǎo)致土體工程地質(zhì)性質(zhì)差別很大[12]。在工程建設(shè)過程中發(fā)現(xiàn)，長時間地晾曬吹填土，雖然固結(jié)效果好，但是會耗費(fèi)大量工期。另外該土質(zhì)可能導(dǎo)致排水體四周淤堵，排水效率降低的問題，因此有必要深入研究高黏性吹填土基本性質(zhì)，才能針對性地緩解排水體四周淤堵狀況。

由于吹填土是經(jīng)過水力吹填形成的填土，是吹淤造陸的物源材料。因此，吹填土工程地質(zhì)性質(zhì)與所吹填的泥砂來源、吹填時的水利條件等因素密切相關(guān)[13]。本研究取用渤海沿岸的大連、曹妃甸、天津和黃驊四個地方的吹填土進(jìn)行測試、分析。同時借鑒黃海沿岸的青島、連云港，及東海沿岸的福建、廣東等省區(qū)的吹填土研究結(jié)果[14-15]，對比分析不同地區(qū)吹填土工程地質(zhì)性質(zhì)。

1 不同地區(qū)吹填土成分特征

1.1 粒度成分

粒度成分測定方法參照規(guī)范要求，采用乙種密度計測試[16]。測試之前土樣易溶鹽含量大于5‰時，需要洗鹽后繼續(xù)進(jìn)行試驗。

為了定量分析土體中顆粒組成情況，通常用等效的球體直徑表示顆粒大小[17]。結(jié)合《地質(zhì)礦產(chǎn)部土工試驗規(guī)程》中土的分類標(biāo)準(zhǔn)，按照粒徑大小將工程地質(zhì)性質(zhì)相似的土粒歸類，粒組劃分為漂石、卵石、礫粒、砂粒、粉粒、黏粒。由于本次研究的吹填土主要是細(xì)粒土，顆粒大小組成中“漂石粒、卵石粒、礫粒”組的顆粒含量微小，因此僅就“砂粒、粉粒、黏?！比齻€粒組進(jìn)行粒度組成分析，并根據(jù)國土資源部分類標(biāo)準(zhǔn)對土定名，見表1。

從表1可見，取自曹妃甸、黃驊和青島的吹填土，無論是否添加分散劑，其對應(yīng)顆粒分布類似，說明這兩個地區(qū)的吹填土顆粒組成受分散劑影響很小。而取自大連、天津和大亞灣的吹填土，添加分散劑后顆粒分布與不加分散劑的顆粒分布相比較，發(fā)現(xiàn)添加分散劑后，粉粒組含量減少，黏粒組含量增加，可見大連、天津和大亞灣地區(qū)的吹填土顆粒受分散劑影響很大。

表1 不同地區(qū)吹填土粒度成分表1)

1)a表示不加分散劑；b表示加分散劑

由于分散劑主要是將集合體顆粒分散，并還原為細(xì)小顆粒，所以一般認(rèn)為土體中具有絮凝作用的黏粒，大量地團(tuán)聚在一起，被視為大顆粒，稱為“假粉?！薄５珜嶋H上，土體加分散劑以后，“假粉?！狈稚⑦€原為黏粒，所以黏粒含量增多、“假粉?！焙繙p少。因此，渤海灣地區(qū)的大連、天津吹填土顆粒分布發(fā)生了明顯地差異性變化。連云港和大亞灣地區(qū)也具有相似的性質(zhì)。

1.2 礦物成分

測定了不同地區(qū)吹填土礦物成分[10-12，14-15]，見表2，其中取樣地點按從北至南的順序排列。由于沿海地區(qū)海灣分布廣泛，水動力條件變化劇烈，海灣沉積物礦物分布復(fù)雜，造成各礦物變化規(guī)律不明顯。

表2 不同地區(qū)吹填土礦物成分統(tǒng)計表1)

1)“—”表示數(shù)據(jù)缺失或不可測

整體而言，由于X射線衍射分析測試的礦物主要為結(jié)晶礦物，而對于土體中無定形、非晶體沒有進(jìn)行定量測試，因此測試結(jié)果中以原生礦物為主，石英含量最高；次生礦物含量次之，黏土礦物含量變化較大，其中伊利石含量較高。

另外，大連、天津、連云港、福州和大亞灣的吹填土中石英含量相對較少，黏土礦物含量明顯較多，這和粒度成分中黏粒組含量較大的規(guī)律吻合。

黏粒組的礦物成分多以黏土礦物為主，因此黏土礦物的性質(zhì)特征也成為土體工程地質(zhì)性質(zhì)的重要影響因素。黏土礦物中的伊利石親水性強(qiáng)、透水性差、壓縮性高、抗剪強(qiáng)度低，因此作為高黏性吹填土研究對象，大連、天津等地區(qū)的高黏性吹填土也具有這一系列基本性質(zhì)[15]。

1.3 化學(xué)成分

吹填土固結(jié)過程中基本不存在氣相狀態(tài)，因此不研究氣體相化學(xué)成分。具體測試結(jié)果及使用的測試方法見表3。

從表3中看出，黃驊和青島地區(qū)各項化學(xué)指標(biāo)含量均較低，其中較低的易溶鹽含量導(dǎo)致土粒間的膠結(jié)作用相對較弱，土體的活動性較弱，屬于中等親水性土體。

相反地，大連、天津、連云港幾處高黏性吹填土的化學(xué)性質(zhì)指標(biāo)相對最高，其中陽離子交換容量比較大，將使土體表現(xiàn)出較強(qiáng)的活動性和親水性；有機(jī)質(zhì)含量較大，導(dǎo)致土體表現(xiàn)出孔隙比大、壓縮性高的特征；易溶鹽含量中，尤其以鈉離子和氯離子為主要的化學(xué)成分，使處于松散狀態(tài)的土的結(jié)構(gòu)單元體或結(jié)構(gòu)單元體內(nèi)部具有一定的膠結(jié)作用，但易溶鹽隨水的流動產(chǎn)生變化，因此造成土體物理化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，降低了土體的力學(xué)性質(zhì)。

2 不同地區(qū)吹填土的物理性質(zhì)

物理性質(zhì)是三相物質(zhì)在質(zhì)量與體積間的相互比例關(guān)系和固液兩相相互作用表現(xiàn)出來的性質(zhì)，即基本物理性質(zhì)和水理性質(zhì)[18-19]。依據(jù)土工試驗規(guī)范，對不同地區(qū)吹填土的密實程度、干濕狀況、稠度與塑性做相關(guān)測試，結(jié)果見表4。

黃驊和青島吹填土屬于粉土，塑限含水率和塑性指數(shù)等稠度指標(biāo)不易提取。試驗過程中，黃驊吹填土用手捻摸時的感覺粗糙，無黏滯感，不黏著物體，所以液限含水率也未提取。

表3 不同地區(qū)吹填土化學(xué)成分表1)

1)“—”表示數(shù)據(jù)缺失或不可測

表4 不同地區(qū)吹填土物理性質(zhì)指標(biāo)綜合成果表

1)“—”表示數(shù)據(jù)缺失或不可測；2)<0.002 mm粒度的膠粒含量

從表4可以看出，所測吹填土的塑性指數(shù)普遍較高。其中活動性指數(shù)反映土的塑性與黏粒含量和黏土礦物親水性關(guān)系，黏粒含量多、蒙脫石含量高時黏性土活動性較強(qiáng)，反之較弱。曹妃甸和連云港地區(qū)吹填土活動性指數(shù)0.75

值得注意的是，大連、天津兩地黏性土活動性指數(shù)A<0.75，數(shù)值較低，兩者的黏土礦物中以伊利石為主，黏粒含量高，理論上講活動性不應(yīng)該較低，但測試結(jié)果中，這兩種土同時出現(xiàn)了這種結(jié)果。分析后發(fā)現(xiàn)這是由于液塑限試驗過程中土樣易溶鹽含量高，強(qiáng)烈的膠結(jié)作用造成。也就是說高含鹽量導(dǎo)致高黏性吹填土的膠結(jié)作用強(qiáng)，所以反映出黏粒活動性偏低的特征。

另外，對于細(xì)粒土而言，單純依靠粒度成分為土體定名，不能準(zhǔn)確反映吹填土工程地質(zhì)性質(zhì)。采用塑性指數(shù)和液限聯(lián)合法將土體分類，有一定的參考價值，因此試用塑性圖分析不同地區(qū)的吹填土。

根據(jù)表4中不同地區(qū)吹填土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，繪制塑性圖。土工規(guī)范中使用的塑性圖是分析國外碟式液限儀所測得的液限值，本次試驗采用錐式液限儀，故采用塑性圖的參考處理方法如下[20]，確定A線Ip=0.66(wL-20)，B線為wL=42%，并增劃C線方程式為wL=26%。其中，Ip表示塑性指數(shù)；wL表示液限含水率；結(jié)果見圖1。

圖1 塑性分布圖

天津、連云港與大亞灣地區(qū)吹填土均屬于高液限黏土，天津地區(qū)吹填土位于高液限黏土與高液限粉土的交界區(qū)，曹妃甸地區(qū)吹填土屬于中液限黏土。天津、連云港和大亞灣地區(qū)的粒度成分、礦物成分、化學(xué)成分以及基本物理力學(xué)性質(zhì)等指標(biāo)都非常相近，由此判斷大亞灣工程區(qū)分布于高液限黏土區(qū)，同樣也具有相似的工程地質(zhì)性質(zhì)。同時，室內(nèi)力學(xué)試驗結(jié)果顯示，大亞灣地區(qū)吹填土固結(jié)快剪的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)較低，內(nèi)聚力平均值為3.3 kPa，內(nèi)摩擦角10°，與以上沿海各地區(qū)吹填土具有類似力學(xué)強(qiáng)度低的特征。

由此可見，根據(jù)塑性圖劃分的高液限黏土能夠更直觀、簡潔的反映高黏性土的基本特征，因此，綜合成分分析和物理性質(zhì)分析，也將具備以上性質(zhì)的吹填土定名為高黏性吹填土。

3 分析與討論

根據(jù)前人研究發(fā)現(xiàn)，我國沿海沉積物劃分為三種主要類型：泥質(zhì)沉積、砂質(zhì)沉積和混合沉積[21]。其中，渤海灣地區(qū)大陸架底質(zhì)類型多為泥質(zhì)沉積，受河口沖擊和沿岸流的影響較大。因為吹填土取樣地點均位于海邊，沿岸水動力條件劇烈，海灣沉積物礦物分布復(fù)雜，造成粒度成分和礦物成分規(guī)律不明顯。

從粒度成分和礦物成分特征上看，研究區(qū)內(nèi)吹填土類型多樣，如重黏土、粉土、輕黏土、粉質(zhì)亞黏土等。黏粒含量和黏土礦物分布與地理位置關(guān)系不大。同時，海灣沉積物礦物分布復(fù)雜造成礦物變化規(guī)律不明顯，黏粒組的礦物成分多以黏土礦物為主[22]，黏土礦物的性質(zhì)特征也成為土體工程地質(zhì)性質(zhì)的重要影響因素。

另外，由于大連、曹妃甸、天津和黃驊都位于渤海灣，屬于渤海灣沿岸流系統(tǒng)，鹽度分布趨勢是灣中高于近岸，分別為29‰～31‰和23‰～29‰，但緊鄰岸灘一帶，受沿岸鹽田排鹵的影響，鹽度高達(dá)33‰，鹽度的年變差為8‰。而大亞灣地區(qū)水體由于受人類活動影響，包括沿岸居民和工業(yè)廢水的排放，在過去20多年間水體營養(yǎng)鹽狀況發(fā)生了很大變化，大亞灣海域營養(yǎng)鹽含量較前期調(diào)查略有上升[23-25]。因此大亞灣地區(qū)吹填土與天津等地吹填土的鹽分影響具有相似特征。高黏性吹填土就是對易溶鹽含量低于0.5%的細(xì)粒土通過密度計法測定粒度成分，其中加分散劑的黏粒組含量占土體的質(zhì)量百分比大于60%，同時在塑性圖位于高液限黏土區(qū)。如果易溶鹽含量高于0.5%，細(xì)粒土中易溶鹽對土顆粒產(chǎn)生膠結(jié)作用，此時建議參照規(guī)范中的方法進(jìn)行洗鹽，然后進(jìn)行粒度成分分析。

從化學(xué)成分來看，大連、天津、連云港、大亞灣地區(qū)高黏性吹填土的化學(xué)性質(zhì)指標(biāo)相對最高，陽離子交換容量比較大，使土體表現(xiàn)出較強(qiáng)的活動性和親水性；同時，有機(jī)質(zhì)含量較大，導(dǎo)致土體表現(xiàn)出孔隙比大、壓縮性高的特征；易溶鹽含量較高，尤其以鈉離子和氯離子為主要化學(xué)成分，使處于松散狀態(tài)的土的結(jié)構(gòu)單元體或結(jié)構(gòu)單元體內(nèi)部具有一定的膠結(jié)作用，但易溶鹽隨水的流動產(chǎn)生變化，同時鹽分、有機(jī)質(zhì)含量的變化造成黏土顆粒結(jié)合強(qiáng)度發(fā)生改變，因此會造成土體物理化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，降低土體力學(xué)性質(zhì)。

另外，對于細(xì)粒土而言，單純依靠粒度成分為土體定名，不能準(zhǔn)確反映吹填土的工程地質(zhì)性質(zhì)，聯(lián)合使用塑性指數(shù)和液限(塑性圖)得到的結(jié)果更準(zhǔn)確。通過采用塑性分布圖為土體定名，可以直觀反映土體性質(zhì)。大連、天津、連云港地區(qū)吹填土均屬于高液限黏土，曹妃甸地區(qū)吹填土屬于中液限黏土。

綜上分析，可見高黏性吹填土本身具有吹填土“三高兩低”的工程地質(zhì)性質(zhì)，即高含水率、高孔隙比、高壓縮性、低滲透性和低強(qiáng)度特征。同時，根據(jù)室內(nèi)測試分析，發(fā)現(xiàn)它還具備高黏粒含量、高塑性指數(shù)、高液限含水率的特征。另外，高黏性吹填土中含鹽量較大時，會影響土體活動性指數(shù)。借鑒易溶鹽試驗洗鹽的方法，建議高黏性吹填土做液塑限指數(shù)時，進(jìn)行洗鹽步驟。這樣，吹填土在固結(jié)后隨著鹽分的流失，土體性質(zhì)的分析結(jié)果可能更加真實有效。

4 結(jié) 論

根據(jù)以上研究，可以得到如下結(jié)論：

1) 渤海灣地區(qū)的土樣顆粒相對較細(xì)小，粒度組成以黏粒組為主；

2) 從粒度成分和礦物成分特征上看，研究區(qū)內(nèi)吹填土類型多樣，如重黏土、粉土、輕黏土、粉質(zhì)亞黏土等；

3) 取樣地區(qū)礦物成分變化規(guī)律不明顯，但黏土礦物含量高的地區(qū)，伊利石礦物含量也較多，影響土體的工程地質(zhì)性質(zhì)；

4) 從化學(xué)成分來看，吹填土的化學(xué)成分特征值也同樣與黏粒含量密切相關(guān)，尤其是易溶鹽含量直接影響土體膠結(jié)性質(zhì)，導(dǎo)致大連、天津大亞灣等地的高黏性吹填土工程地質(zhì)性質(zhì)不穩(wěn)定，固結(jié)排水過程中容易造成淤堵問題，有必要進(jìn)行快速有效的排水固結(jié)作用；

5) 文中采用的大亞灣吹填土數(shù)據(jù)為正在進(jìn)行施工的區(qū)域，因此建議其工程加固方案參照天津、大連、連云港等相似地區(qū)，以便大大提高加固效率。

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