鹽分浸析對(duì)我國(guó)海相沉積土物理性質(zhì)的影響

宋苗苗 王 超 洪振舜 丁建文

(東南大學(xué)巖土工程研究所,南京 210096)

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鹽分浸析對(duì)我國(guó)海相沉積土物理性質(zhì)的影響

宋苗苗 王 超 洪振舜 丁建文

(東南大學(xué)巖土工程研究所,南京 210096)

為了研究鹽分浸析對(duì)我國(guó)海相沉積黏土劣化性狀的影響,分別采用NaCl溶液和蒸餾水來改變溫州黏土和連云港黏土孔隙水溶液鹽分濃度．測(cè)定土體的界限含水率、活性指數(shù)等物理指標(biāo),分析我國(guó)海相沉積黏土物理性狀隨孔隙水溶液鹽分濃度的變化規(guī)律．研究結(jié)果表明,土體液限和活性指數(shù)隨著孔隙水溶液鹽分濃度的降低而減小,塑限幾乎不變,液性指數(shù)增加．物理性質(zhì)隨孔隙水溶液鹽分濃度的變化曲線存在一閥值濃度4.1 g/L;當(dāng)孔隙水溶液鹽分濃度小于4.1 g/L時(shí),液限和活性指數(shù)急劇減小,且液限減小率為1.6～2.3,液性指數(shù)大于1.0;當(dāng)孔隙水溶液鹽分濃度大于4.1 g/L時(shí),液限減小率顯著降低,僅為0.2～0.8．

海相沉積土;鹽分浸析;界限含水率;液性指數(shù);活性指數(shù)

大約1萬(wàn)年前,全球氣候變暖,海平面上升,世界各地平原地區(qū)發(fā)生了大規(guī)模的海進(jìn)(transgression),之后發(fā)生冰后期海退(post-glacial regression)[1-3]．天然沉積海相黏土露出海面,長(zhǎng)期經(jīng)受雨水、河水、雪融水等淡水的入侵,導(dǎo)致海水環(huán)境下沉積(depositional process)形成的土體骨架中高鹽分濃度孔隙水在沉積后過程(post-depositional process)中被低鹽分濃度孔隙水置換[4-5],發(fā)生鹽分浸析(salt leaching)．

鹽分浸析作用下,天然沉積海相黏土力學(xué)性狀經(jīng)常發(fā)生劣化,主要體現(xiàn)在液限的大幅度降低,導(dǎo)致天然含水率高于液限[4-7]．外部環(huán)境(如建筑物荷載、基坑開挖、施工擾動(dòng)、交通荷載、地震荷載等)作用下,天然含水率高于液限的土體容易遭受破壞而失穩(wěn)．加拿大、挪威、瑞士等地的許多工程實(shí)例表明,鹽分浸析作用是天然沉積海相黏土地基經(jīng)常發(fā)生滑動(dòng)破壞、建筑物傾斜、沉降量過大等工程事故的重要原因[8-12]．

已有研究表明,我國(guó)海相沉積軟黏土也曾經(jīng)受鹽分浸析作用[13-14],在部分海相軟黏土地區(qū)不時(shí)發(fā)生滑坡等工程事故[15]．因此,有必要開展鹽分浸析對(duì)我國(guó)海相沉積土工程性質(zhì)影響的研究．本文以我國(guó)溫州和連云港地區(qū)海相土為對(duì)象,通過室內(nèi)試驗(yàn)改變土中孔隙水溶液鹽分濃度,研究我國(guó)天然沉積海相土物理性質(zhì)隨土體孔隙中鹽分濃度的變化規(guī)律．

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)土樣取自我國(guó)溫州市和連云港市,其中溫州土取自溫州市鹿城區(qū),連云港土取自連云港市臨海高速公路埒子口特大橋南段．溫州1#土樣(編號(hào)為W1)由深度為5.0,7.5,10.0 m的土按等質(zhì)量混合而成;溫州2#土樣(編號(hào)為W2)由深度為10.0,12.5,15.0 m的土按等質(zhì)量混合而成;連云港1#土樣(編號(hào)為L(zhǎng)1)的取樣深度為5 m．

試驗(yàn)土樣的基本物理指標(biāo)見表1．其中,液限采用碟式液限儀法獲得,塑限采用搓條法獲得,顆粒粒徑分布采用密度計(jì)法測(cè)定,孔隙水溶液鹽分濃度采用烘干法測(cè)定．

表1 試驗(yàn)土樣基本物理指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法

將取回的試驗(yàn)土樣攪拌均勻,測(cè)定含水率、液限和鹽分濃度．取2 kg濕土,計(jì)算土中原有水和鹽分的質(zhì)量．令初始含水率為6倍液限,根據(jù)表2～表4中的目標(biāo)鹽分濃度,計(jì)算總鹽分質(zhì)量和外加蒸餾水質(zhì)量．當(dāng)總鹽分質(zhì)量大于土中原有鹽分質(zhì)量時(shí),兩者差值即為所需外加的NaCl質(zhì)量;當(dāng)總鹽分質(zhì)量小于土中原有鹽分質(zhì)量時(shí),先對(duì)濕土進(jìn)行洗鹽,直至多余鹽分被洗出后再添加蒸餾水．

表2 溫州1#土樣孔隙水溶液鹽分濃度 g/L

表3 溫州2#土樣孔隙水溶液鹽分濃度 g/L

表4 連云港1#土樣孔隙水溶液鹽分濃度 g/L

將配制好的混合物倒入10 L塑料桶中,使用手動(dòng)攪拌器攪拌5 min至均勻．用保鮮膜密封后,于室溫(20±2)℃下靜置30 d．試驗(yàn)前,將混合物再次攪拌均勻,取小于500 mL的混合物放入600 mL離心杯中,置入LXJ-ⅡB型離心機(jī)內(nèi)進(jìn)行分離脫水,取約100 g上清液測(cè)定鹽分濃度．對(duì)脫水后的土樣測(cè)定液限和塑限．

將初始鹽分濃度為36.5 g/L的 W1泥漿均勻攪拌,取含干土質(zhì)量500 g的泥漿置于5 L塑料桶中．采用等質(zhì)量置換法,用蒸餾水置換混合物靜置后的上清液,將其鹽分濃度降低到14.6 g/L．采用相同方法對(duì)初始鹽分濃度為15.9和4.1 g/L的W1泥漿進(jìn)行處理．其中,對(duì)于初始鹽分濃度為15.9 g/L的土樣,將其鹽分濃度降低到9.5 g/L;對(duì)于初始鹽分濃度為4.1 g/L的土樣,將其鹽分濃度降低到1.8 g/L．研究鹽分濃度增加(增鹽)和鹽分濃度減小(減鹽)2種方式下鹽分浸析對(duì)土體液限的影響．

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 鹽分浸析對(duì)界限含水率的影響

圖1給出了土體液限wL、塑限wP與孔隙水溶液鹽分濃度S間的關(guān)系曲線．由圖可知,隨著孔隙水溶液鹽分濃度的降低,土體液限逐漸減小,二者非線性相關(guān), 塑限則幾乎不變． 這一變化規(guī)律與Skempton等[16]的研究結(jié)論一致．

本文引入?yún)?shù)ΔwL/ΔS來表征不同孔隙水溶液鹽分濃度范圍內(nèi)液限的減小率,以分析溫州土液限隨孔隙水溶液鹽分濃度的變化規(guī)律,結(jié)果見表5．其中,ΔS為孔隙水溶液鹽分濃度變化范圍．由表5可知,土體液限減小率隨孔隙水溶液鹽分濃度的降低而增加.當(dāng)孔隙水溶液鹽分濃度低于4.1 g/L時(shí),不同溫州土樣的液限減小率不同;當(dāng)孔隙水溶液鹽分濃度高于4.1 g/L時(shí),則基本相同．

(a)液限wL

(b)塑限wP

土樣編號(hào)ΔS/(g·L-1)ΔwL/ΔSW11．8～4．11．64．1～15．90．415．9～36．50．2W22．2～4．12．34．1～16．30．416．3～36．90．2

不同鹽分濃度改變方式的影響結(jié)果見表6．由表可知,與添加NaCl改變孔隙水溶液鹽分濃度的方法相比,直接加蒸餾水改變孔隙水溶液鹽分濃度所引起的液限減小量更大．不同鹽分濃度改變方式下,當(dāng)孔隙水溶液鹽分濃度大于4.1 g/L時(shí),ΔwL/ΔS在0.2～0.8之間變化;而在低濃度范圍內(nèi),ΔwL/ΔS值則增大至1.6．由此可見,存在一個(gè)閥值濃度,當(dāng)孔隙水溶液鹽分濃度小于該值時(shí),液限減小率顯著增大,液限急劇減?。?/p>

表6 鹽分濃度改變方式的影響

2.2 鹽分浸析對(duì)液性指數(shù)的影響

與wL和wP相比,液性指數(shù)IL=(w-wL)/(wL-wP)能更好地描述土體天然狀態(tài)工程特性,其中,w為土體的天然含水率．

Skempton等[16]通過室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研得出,在海相沉積土鹽分浸析過程中,土體含水率幾乎不發(fā)生改變．基于此結(jié)論以及2.1節(jié)中的液塑限試驗(yàn)結(jié)果,得到溫州土和連云港土液性指數(shù)隨孔隙水溶液鹽分濃度的變化關(guān)系(見圖2)．由圖可知,土體液性指數(shù)隨孔隙水溶液鹽分濃度的降低而增加,且增加趨勢(shì)逐漸增大．低濃度時(shí),液性指數(shù)普遍大于1.0．

圖2 孔隙水溶液鹽分濃度和液性指數(shù)間關(guān)系曲線

2.3 鹽分浸析對(duì)土體活性指數(shù)的影響

引入活性指數(shù)A=Ip/P0.002來分析鹽分浸析對(duì)黏土礦物活性的影響,其中IP=wL-wP為塑性指數(shù),P0.002為土中粒徑小于0.002 mm顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù).將試驗(yàn)土樣中原有鹽分洗出,測(cè)定洗鹽后土樣顆粒粒徑分布,結(jié)果見圖3．由圖3中結(jié)果計(jì)算可得試驗(yàn)土樣的P0.002．

圖3 土樣顆粒粒徑分布曲線

由圖4可知,活性指數(shù)隨著孔隙水溶液鹽分濃度的減小而減小,且減小幅度逐步增大,二者呈非線性相關(guān)．當(dāng)孔隙水溶液鹽分濃度小于4.1 g/L后,溫州土活性指數(shù)的減小幅度急劇增大．

圖4 孔隙水溶液鹽分濃度和土體活性指數(shù)間關(guān)系曲線

3 結(jié)論

1) 隨著孔隙水溶液鹽分濃度的降低,土體液限逐漸減小,且減小幅度逐漸增大,二者呈非線性相關(guān);塑限則幾乎不變．

2) 土體液限與液性指數(shù)隨著孔隙水溶液鹽分濃度的減小而減小,且存在一閥值4.1 g/L．當(dāng)孔隙水溶液鹽分濃度小于4.1 g/L時(shí),ΔwL/ΔS急劇增大,液性指數(shù)普遍大于1.0．

3) 活性指數(shù)隨著孔隙水溶液鹽分濃度的減小而減小,尤其在低濃度范圍內(nèi),活度指數(shù)的減小幅度急劇增大．

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Effects of salt leaching on physical properties of marine clays in China

Song Miaomiao Wang Chao Hong Zhenshun Ding Jianwen

(Institute of Geotechnical Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China)

To investigate the effects of salt leaching on the degradation of natural sedimented marine clay’s properties in China, the pore salt concentrations of Wenzhou clay and Lianyungang clay were changed by using NaCl solution and distilled water respectively. The physical indexes such as Atterberg limits, activity and so on were measured to study the variation rules of the physical properties of marine clays affected by salt leaching. The results show that the liquid limit and activity decrease and the liquidity index increases with the decrease of the pore salt concentration, while the plastic limit is almost unchanged. The variation curves of the physical properties during salt leaching indicate a threshold concentration 4.1 g/L. When the pore salt concentration is lower than 4.1 g/L, the liquid limit and the activity index decreases drastically. The decreasing rate of the liquid limit is 1.6 to 2.3, and the liquidity index is larger than 1.0. When the pore water salinity is larger than 4.1 g/L, the decreasing rate of the liquid limit decreases to 0.2 to 0.8.

marine clay; salt leaching; Atterberg limit; liquidity index; activity

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.03.031

2015-01-08. 作者簡(jiǎn)介: 宋苗苗(1987—)，女，博士生；洪振舜(聯(lián)系人)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，zshong@seu.edu.cn.

水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目(201401006)、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(41330641)、江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)目(KYLX-0145).

宋苗苗,王超,洪振舜，等.鹽分浸析對(duì)我國(guó)海相沉積土物理性質(zhì)的影響[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2015,45(3):591-594.

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.03.031

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1001-0505(2015)03-0591-04