對(duì)廣州南沙原狀軟土工程性質(zhì)的影響*

闕家平，張澄博， 黎嘉熙，衡松

(中山大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510275)

根據(jù)雙電層理論，可溶鹽離子可通過土顆粒表面的電場(chǎng)作用改變結(jié)合水膜的厚度，進(jìn)而影響土體的工程性質(zhì)。前人研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)多種離子對(duì)于土體工程性質(zhì)的影響，例如:在研究金屬離子K+、Na+、Ca2+、Fe3+以及Mg2+對(duì)于土體工程性質(zhì)的影響時(shí),Cao等[1]發(fā)現(xiàn)離子濃度越高，土體滲透性越大；在進(jìn)行濱海鹽漬土的含鹽量對(duì)粘土強(qiáng)度的影響研究時(shí),梁健偉等[2]發(fā)現(xiàn)溶液中的陽離子濃度越高，結(jié)合水膜越薄，使得土體抗剪強(qiáng)度提高。Holthusen等[3]發(fā)現(xiàn)黏土孔隙液中的K+濃度越高，黏土的抗剪強(qiáng)度越大；周暉等[4]研究了蒸餾水以及不同NaCl濃度溶液對(duì)于飽和人工土滲透性的影響，發(fā)現(xiàn):隨著離子濃度的提高，土體滲透性顯著提高；儲(chǔ)誠(chéng)富等[5]發(fā)現(xiàn)土體的壓縮系數(shù)有隨著Zn2+濃度升高而增大的趨勢(shì)。在研究KCl改良高靈敏土?xí)r,Helle等[6]發(fā)現(xiàn):隨著含鹽量的提高，土體的抗剪強(qiáng)度增大；de Rosa等[7]在進(jìn)行黏土的化學(xué)改良時(shí)亦發(fā)現(xiàn)，無論是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，抑或是現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，當(dāng)Na+和K+的濃度越高時(shí)，黏土的抗剪強(qiáng)度越大。

1 試樣制備及試驗(yàn)方法

1.1 試樣的選擇

取樣點(diǎn)位于廣州市南沙區(qū)萬頃沙鎮(zhèn)，取樣鉆孔屬?gòu)V州地鐵18號(hào)線地質(zhì)勘探鉆孔，編號(hào)分別為CR58、CR59，兩鉆孔均可見在5～20 m與25～40 m深度存在兩層粘性土層。試驗(yàn)土樣選取來源于CR58、CR59鉆孔上下兩層粘性土層，一共4組，分為CR58上、CR58下、CR59上和CR59下。為保證組內(nèi)樣品性質(zhì)的均一性，每組分別在1 m深度范圍內(nèi)用TST-55型滲透儀的環(huán)刀各切樣5個(gè)，共20個(gè)樣品。試樣的編號(hào)依次為58-1至58-10，共10個(gè)；59-1至59-10，共10個(gè)。其中，序號(hào)1-5代表上粘性土層，6-10代表下粘性土層，各組取樣深度見表1。

表1 取樣深度Table 1 Sampling depth

環(huán)刀切樣后取剩余樣測(cè)基本物性指標(biāo)和礦物組成，結(jié)果分別見表2和表3。從表2的數(shù)據(jù)可以看出，廣州南沙地區(qū)上下兩層粘性土層在含水率以及天然密度的指標(biāo)上存在明顯差異。CR58、CR59鉆孔上層粘性土含水率分別為44.64%、42.00%，下層土含水率分別為27.62%、 26.75%，同一鉆孔上下兩層粘性土含水率的差值分別為17.02%、15.25%，上層土的富水程度明顯高于下層土。而CR58、CR59鉆孔上層土天然密度分別為1.56、1.61 g/cm3,下層土天然密度分別為1.88、1.87 g/cm3,下層土的天然密度明顯大于上層土。在顆粒密度上，上下兩層土并無明顯區(qū)別。

表2 試樣基本物性指標(biāo)Table 2 Basic physical indexes of samples

表3 XRD礦物定量分析結(jié)果Table 3 XRD quantitative analysis of minerals w/%

通過計(jì)算可知，上下兩層土的孔隙比差別明顯，CR58、CR59鉆孔上層土孔隙比分別為1.37、1.28，下層土孔隙比分別為0.78、0.77，各鉆孔上層土的孔隙比比下層土分別大了75.6%和66.2%，結(jié)合含水率、天然密度以及孔隙比的差別，可知廣州南沙地區(qū)下粘性土層的固結(jié)程度要明顯高于上粘性土層。從表3看，試樣的礦物組成主要為石英、伊利石、高嶺石、綠泥石等。

1.2 試樣制備

1.2.1 試樣制備方法 前人研究土的離子效應(yīng)時(shí)，通常采用的是重塑土制樣[9-13]，即將土顆粒與一定離子濃度的溶液進(jìn)行拌合，待擊實(shí)后放置一段時(shí)間[14]，或者自然沉降一段時(shí)間[15]，用制成的重塑土進(jìn)行固結(jié)和直剪試驗(yàn)，以研究離子濃度與土體工程性質(zhì)的關(guān)系。本次試驗(yàn)為了更好地貼近工程實(shí)際，采用原狀土進(jìn)行試驗(yàn)。以TST-55型滲透儀為主要組件，進(jìn)水口連接滲入溶液裝樣袋，出水口連接滲出溶液收集瓶，據(jù)此制作了一套試驗(yàn)裝置，裝置如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experiment equipment

由于TST-55型滲透儀所采用的環(huán)刀直徑為6.18 cm，與固結(jié)剪切試驗(yàn)所用到的環(huán)刀直徑一致，而其高度為4 cm,是固結(jié)剪切試驗(yàn)所用環(huán)刀高度的2倍，所以樣品在完成制備后，可一分為二，一個(gè)作固結(jié)試驗(yàn)樣，另一個(gè)作直剪試驗(yàn)樣。

在酸洗液放置好且裝置排氣后，開始觀察滲透儀出水口情況，待出水口有少量液體流出時(shí)開始記錄時(shí)間，并在滲出液體大于20 mL后，對(duì)滲出液體利用便攜式pH計(jì)進(jìn)行pH測(cè)試，采樣時(shí)間間隔每組內(nèi)、各組間并不完全一致，這是土樣的滲透性不完全一致造成的。

由于選擇的滲入溶液是pH=1的HCl溶液，理論上試樣在離子交換完全平衡后，滲出溶液pH也應(yīng)是1，但在實(shí)際的整個(gè)滲透路徑上，考慮HCl溶液的非活塞式滲透，與土樣礦物顆粒反應(yīng)等，當(dāng)pH滲出≤1.5時(shí)，便認(rèn)為土樣的離子交換已完成，酸洗結(jié)束。

電解質(zhì)溶液的溶解性固體總量TDS(total dissolved solids)與電導(dǎo)率在一定范圍內(nèi)顯著正相關(guān)，根據(jù)電導(dǎo)率與TDS的換算關(guān)系:當(dāng)σ<10 mS/cm時(shí),TDS(mg/L)=0.5×σ(μS/cm)。水洗階段最后得到的滲出溶液電導(dǎo)率均小于10 mS/cm，所以選用電導(dǎo)率來衡量試樣中土顆粒表面吸附和孔隙水中的離子總濃度大小。

當(dāng)水洗階段結(jié)束時(shí)，理論上滲出溶液電導(dǎo)率應(yīng)該與滲入溶液σ一致，但是實(shí)際在滲透的整個(gè)路徑上，由于去離子水與裝置組件的接觸、滲出溶液在收集過程中與空氣的接觸，以及H+交換程度無法達(dá)到百分之百等原因，當(dāng)滲出溶液的σ下降到小于0.1 mS/cm(即100 μS/cm)后，便認(rèn)為土顆粒表面吸附以及孔隙水中的H+已經(jīng)被完全清洗，水洗階段結(jié)束。

1.3 固結(jié)及直剪試驗(yàn)

1.3.1 固結(jié)試驗(yàn) 固結(jié)試驗(yàn)采用的是全自動(dòng)氣壓固結(jié)儀，將預(yù)處理好的樣品從滲透儀環(huán)刀中取出一分為二，一份作固結(jié)試驗(yàn)樣，另一份作直剪試驗(yàn)樣。固結(jié)試驗(yàn)選擇的實(shí)驗(yàn)方法為標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)，垂直荷載加載序列選為50、100、200、400、800 kPa，每一級(jí)荷載固結(jié)穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)為每2 h的變形量不大于0.01 mm，試樣在達(dá)到變形穩(wěn)定之后便自動(dòng)加載到下一級(jí)荷載，待最后一級(jí)荷載變形穩(wěn)定后，試驗(yàn)自動(dòng)結(jié)束，并保存固結(jié)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1.3.2 直剪試驗(yàn) 直剪試驗(yàn)使用的是ZJ-2型直剪儀，量力環(huán)校正系數(shù)為1.626 kPa/0.01 mm。CR58上層、CR59上層試樣，取樣深度在15 m左右，試樣原狀的上覆荷載可取300 kPa。CR58下層、CR59下層試樣，取樣深度為29 m左右，試樣原狀的上覆荷載可取600 kPa。但是由于ZJ-2型直剪儀的最大垂直荷載為400 kPa，所以為了方便比較，統(tǒng)一選擇垂直荷載為400 kPa。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 酸洗結(jié)果

從圖2可知，CR58、CR59上層土酸洗階段第一次采樣得到的初始滲出溶液pH主要集中在5.0～8.31范圍內(nèi)，而CR58、CR59下層土主要集中在4.86～7.87范圍內(nèi)，這樣的結(jié)果說明采樣區(qū)上下兩黏土層的酸堿環(huán)境基本一致。

隨著pH=1的HCl溶液不斷經(jīng)由滲透儀底部進(jìn)入土樣，土顆粒表面早先吸附的各種類型陽離子不斷地被H+交換到孔隙水中。隨著這個(gè)過程的進(jìn)行，試樣中的其他類型陽離子會(huì)越來越少，滲入溶液中的H+也將會(huì)越來越少的被消耗，從而滲出溶液的H+濃度將會(huì)越來越高，即是說其pH值變得越來越??；并最終在離子交換達(dá)到平衡后，滲出溶液的pH不再下降。

通過滲出溶液的最終pH(表4)可看出，CR58、CR59上層土最終pH主要集中在1.5以下，但CR58-4與CR59-3的最終pH出現(xiàn)了較大異常，這可能是由于土體性質(zhì)局部不均一性造成的。至于CR58、CR59下層土最終pH也主要集中在1∶5以下。從多個(gè)試樣的最終pH來看，選擇酸洗完成的標(biāo)準(zhǔn)為pH滲出≤1.5是合理的。

表4 土樣最終pH值表Table 4 The final pH of samples

2.2 去離子水水洗結(jié)果

隨著去離子水不斷經(jīng)由滲透儀底部進(jìn)入土樣，土顆粒表面吸附的H+不斷進(jìn)入到孔隙水中，隨著過程的進(jìn)行，試樣中的H+將會(huì)越來越少，從而滲出溶液中的H+濃度也會(huì)越來越低，表現(xiàn)為滲出溶液的電導(dǎo)率會(huì)越來越小，并最終在所有土顆粒表面吸附和孔隙水中的H+被清洗完后，滲出溶液的電導(dǎo)率值不再下降(圖3)。

圖2 土樣酸洗結(jié)果Fig.2 Result of acid pickling of samples

通過最終電導(dǎo)率值σ最終(表5)可看出，CR58、CR59上層土最終電導(dǎo)率值主要集中在0.1 mS/cm以下，但58-4與59-3的最終值出現(xiàn)了較大異常，一個(gè)為0.15 mS/cm，另一個(gè)為0.182 mS/cm，這可能是由于土體性質(zhì)局部不均一性造成的。至于CR58、CR59下層土的最終電導(dǎo)率值也主要集中在0.1 mS/cm以下。從多個(gè)試樣最終的電導(dǎo)率來看，選擇土中H+清洗完成的標(biāo)準(zhǔn)為最終電導(dǎo)率值到0.1 mS/cm以下是合理的。

而且,σ為0.1 mS/cm時(shí)，經(jīng)換算后相當(dāng)于TDS為50 mg/L，這樣的質(zhì)量濃度相較于下一階段加入的NH4Cl質(zhì)量濃度(297、594、891、1 188 mg/L)來說較小，可認(rèn)為不對(duì)最終的試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生決定性影響。

表5 土樣最終電導(dǎo)率值Table 5 The final conductivity of samples

圖3 去離子水水洗結(jié)果Fig.3 Result of deionized water washing

2.4 固結(jié)試驗(yàn)結(jié)果

表6 土樣最終濃度值Table 6 The final ammonium concentration of samples

圖滲透結(jié)果Fig.4 Result of ammonium permeation

圖5 不同土樣的固結(jié)試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Result of consolidation test of samples with different ammonium concentrations

表7 土樣壓縮系數(shù)表Table 7 Compressibility coefficient of samples

表8 800 kPa荷載下土樣孔隙比值Table 8 Void ratio of sampeles under 800 kPa load

2.5 直剪試驗(yàn)結(jié)果

圖6 不同下土抗剪強(qiáng)度Fig.6 Result of direct shear test of samples with different ammonium concentrations

表濃度數(shù)分別為0和 400 mg/L的土樣的抗剪強(qiáng)度對(duì)比Table 9 Contrast of shear strength of samples with 0 mg/L and 400 mg/L ammonium concentration

3 結(jié) 論

1)廣州南沙地區(qū)軟土主要為上下兩層黏土層，上黏土層的含水率、孔隙比顯著大于下黏土層，而天然密度又較小，綜合可知廣州南沙地區(qū)下黏土層的固結(jié)程度明顯高于上黏土層。