土體含鹽量對(duì)長(zhǎng)江口地區(qū)軟黏土特性的影響

周 潔, 李澤垚

(1.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院, 上海 200092； 2.同濟(jì)大學(xué)， 巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200092)

長(zhǎng)江口地區(qū)由于其地層沉積為濱海相，其土體中大部含氯鹽。受長(zhǎng)江水文、東海海流潮汐的作用、季節(jié)降雨、人為建筑等原因的影響，長(zhǎng)江三角洲濱海地區(qū)土體中含鹽量將受建設(shè)地點(diǎn)、時(shí)間與季節(jié)[1]、人為建筑(石灰固化)[2]的影響而出現(xiàn)波動(dòng)，從而對(duì)其力學(xué)特性產(chǎn)生較大影響[3]。在瑞典、加拿大等國(guó)家，也發(fā)生過由于鹽分溶脫，而造成軟黏土地基上的公路變形加大、邊坡失穩(wěn)等現(xiàn)象[4-5]；在中國(guó)濱海地區(qū)，鹽漬土鹽分變化也會(huì)使地基發(fā)生失穩(wěn)[6]、變形增大等現(xiàn)象?，F(xiàn)濱海地區(qū)進(jìn)行的工程設(shè)計(jì)依據(jù)為：現(xiàn)有鹽分狀態(tài)下土樣指標(biāo)或原位測(cè)試指標(biāo)。并未考慮鹽分變化使得土體工程性質(zhì)產(chǎn)生的改變[7-11]，這有可能給工程帶來潛在的危害。

針對(duì)含鹽量對(duì)土體物理特性的影響研究，柴壽喜等[2]通過單軸抗壓試驗(yàn)與不固結(jié)不排水試驗(yàn)研究了含鹽量對(duì)石灰固化濱海鹽漬土力學(xué)強(qiáng)度影響，研究表明隨著含鹽量的增加，石灰固化致使濱海土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度降低、抗剪強(qiáng)度降低；牛江宇等[7], 通過對(duì)蘭州鹽漬砂土重塑土添加不同量的鹽分來模擬不同含鹽量的鹽漬土，并對(duì)其進(jìn)行單軸抗壓試驗(yàn)；席人雙[10]針對(duì)含鹽量對(duì)西北鹽漬土固結(jié)特性、抗剪特性的影響進(jìn)行試驗(yàn)，并根據(jù)雙電層理論，從微觀物理化學(xué)方面對(duì)含鹽量對(duì)土體力學(xué)特性的影響機(jī)理進(jìn)行了分析，結(jié)果表明含鹽量增大，雙電層厚度變薄，土顆粒之間的吸附力減小，從而致使孔隙比降低，抗剪強(qiáng)度增大；趙宏興[11]通過重塑土試驗(yàn)，對(duì)粉質(zhì)黏土中含鹽量對(duì)透水特性、擊實(shí)特性、抗剪特性的影響進(jìn)行了研究；趙海艷等[12]針對(duì)濱海地區(qū)滄黃高速公路沿線的含鹽粉土進(jìn)行了不同含鹽量的力學(xué)特性測(cè)試，結(jié)果表明含鹽粉土壓縮系數(shù)呈上升趨勢(shì)，抗剪強(qiáng)度略微降低；Arasan等[13]研究了硫酸鹽溶液的對(duì)黏土的塑限的影響，硫酸鹽含量越高，土體塑限越高；Jo等[14]研究了無機(jī)鹽溶液的對(duì)黏土的滲透性的影響；Ye等[15]研究了氯鹽溶液對(duì)壓實(shí)GMZ01膨潤(rùn)土滲透性能的影響，結(jié)果表明鹽濃度越大，膨潤(rùn)土滲透性先增大后減小?？梢钥闯觯叭搜芯恐饕獮槲鞅焙蛩猁}地區(qū)土體的力學(xué)特性、渤海地區(qū)含鹽土體的抗剪特性與固結(jié)特性的研究。針對(duì)東南沿海長(zhǎng)江三角洲地區(qū)特有的含氯鹽軟黏土的抗剪、壓縮特性的研究，特別是能直接指導(dǎo)工程實(shí)際勘察設(shè)計(jì)的研究很少。為此，針對(duì)長(zhǎng)江口沿岸特有的軟黏土進(jìn)行試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果為工程設(shè)計(jì)提出了參數(shù)的設(shè)計(jì)取值建議。研究軟黏土孔隙水含鹽量對(duì)軟黏土土體特性的影響，可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)土體性質(zhì)的變化規(guī)律，從而彌補(bǔ)無法全年各個(gè)時(shí)段勘察土體特性所帶來準(zhǔn)確性的不足。有助于減少因土體含鹽量變化所帶來的路基過量沉降、不均勻沉降、路堤整體失穩(wěn)，橋頭跳車等災(zāi)害。

1 研究區(qū)概況

針對(duì)長(zhǎng)江口上海某沿江項(xiàng)目，對(duì)該工程區(qū)域的軟黏土進(jìn)行研究。建設(shè)區(qū)域內(nèi)內(nèi)存在大量的潮灘地貌、水下淺灘地貌，如圖1、圖2所示。土體地下水位較高，濱海相沉積的淤泥質(zhì)黏土分布廣泛。

圖1 潮灘Fig.1 Tidal beach

圖2 水下淺灘Fig.2 Underwater shoal

研究對(duì)象淤泥質(zhì)土是一種軟黏土，該土層分布廣泛、厚度較大、含水量高、孔隙比大、壓縮性高、強(qiáng)度低。該土層(深度為1 m某鉆孔原狀樣)于2018年8月19日取樣后使用鋁盒烘干法、側(cè)限壓縮試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)等測(cè)試手段對(duì)軟黏土進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定，結(jié)果如表1所示。

表1 土層參數(shù)

表2 土體易溶鹽含量測(cè)定結(jié)果

表3 全年土體易溶鹽含量測(cè)定結(jié)果

圖3 土體含鹽量測(cè)試結(jié)果Fig.3 Test results of soil salinity

2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)選取2018年4月10日、2018年5月28日、2018年7月3日、2018年7月15日、2018年8月19日、2018年10月9日、2018年10月26日、2018年11月27日、2019年1月4日、2019年2月21日，共計(jì)10次采集的原狀樣進(jìn)行固結(jié)快剪試驗(yàn)和側(cè)限壓縮試驗(yàn)。然后使用TST-55型滲透儀對(duì)原狀土的滲透性進(jìn)行測(cè)定，滲透試驗(yàn)用水為鹽度與原狀土孔隙水鹽度相同的鹽溶液。另外在滲透儀上使用去離子水對(duì)原狀樣進(jìn)行滲透，滲透過水量為原狀土孔隙水含量的5倍，測(cè)試結(jié)束后再次測(cè)定滲透過的軟黏土的含鹽量。對(duì)滲透后的不靜置的原狀土、滲透后靜置60 d對(duì)的原狀土進(jìn)行固結(jié)快剪試驗(yàn)和側(cè)限壓縮試驗(yàn)。最后對(duì)不同含鹽量的原狀土進(jìn)行壓汞試驗(yàn)，對(duì)不同含鹽量軟黏土的孔隙分布特征進(jìn)行測(cè)定。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 原狀土體的固結(jié)快剪試驗(yàn)

將不同時(shí)期取樣的原狀土分別在50、100、200、300 kPa固結(jié)壓力下進(jìn)行固結(jié)快剪試驗(yàn)，每個(gè)固結(jié)壓力的試樣測(cè)試3次，取平均值。試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果(圖4)可以看出，隨著土體含鹽量的提高，原狀土的內(nèi)摩擦角和黏聚力都呈現(xiàn)出降低的趨勢(shì)。軟黏土含鹽量在0.5%～1.1%時(shí)，隨著得到土體含鹽量的提高，土體內(nèi)摩擦角從4.20°升高到到低到4.89°，土體含鹽量增加量與土體內(nèi)摩擦角提高量大致成正比。對(duì)于黏聚力，原狀土土體含鹽量越高，土體黏聚力越高；當(dāng)土體含鹽量越低時(shí)，鹽分對(duì)黏聚力的影響程度越大；當(dāng)土體含鹽量大于0.8%時(shí)，土體含鹽量的變化對(duì)黏聚力的影響已經(jīng)很小了。

使用二次擬合公式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可以看出相關(guān)性較好。

表4 固結(jié)快剪試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果

圖4 土體含鹽量對(duì)內(nèi)摩擦角與黏聚力的影響Fig.4 Effect of soil salt content on internal friction angle and cohesion

φ=-2.685 9S2+5.904 8S+1.636 3，

R2=0.960 1

(1)

c=-30.325S2+54.748S-10.916，

R2=0.957 3

(2)

式中：φ為軟黏土的內(nèi)摩擦角，°；S為軟黏土孔隙水含鹽量，%；c為軟黏土的黏聚力，kPa。

造成這種現(xiàn)象的原因與黏土顆粒外的雙電層有關(guān)。黏土礦物的晶體結(jié)構(gòu)因晶格質(zhì)換作用而致使黏土顆粒表面帶有一定的負(fù)電荷。黏土顆粒會(huì)將土中溶液里的陽離子吸附在其周圍，這就使黏土顆粒周圍的離子濃度提高。在滲透壓力差的驅(qū)使下，孔隙中的自由水會(huì)向土顆粒周圍滲透并形成結(jié)合水膜，即雙電層。環(huán)境中的鹽分先通過滲透作用對(duì)其孔隙溶液的濃度產(chǎn)生影響，進(jìn)一步影響結(jié)合水膜。含鹽量不同的軟黏土的微觀結(jié)構(gòu)如圖5所示[20]。孔隙水濃度越高，這就使得黏土顆粒表面滲透壓力差越大，從而結(jié)合水膜被壓縮地越緊，黏土顆粒間的孔隙變得越小，堆積層數(shù)增大，土顆粒集聚化程度提高。整體體現(xiàn)出含鹽量高的軟黏土，其土體顆粒團(tuán)具有更加致密均一的結(jié)構(gòu)。這都使得高含鹽量的軟黏土能夠擁有更高的強(qiáng)度。雖然電鏡掃面結(jié)果顯示顆粒團(tuán)集聚化的過程中，顆粒團(tuán)之間會(huì)出現(xiàn)少量的大孔隙，可能會(huì)致使土體的抗剪強(qiáng)度降低。但事實(shí)證明軟黏土宏觀性質(zhì)受顆粒團(tuán)集聚的影響更大，即軟黏土土體含鹽量越高，其抗剪強(qiáng)度越低。

圖5 不同含鹽量黏土電鏡掃描圖[20]Fig.5 Scanning electron micrograph of clay with different salt content[20]

3.2 原狀土體的側(cè)限壓縮試驗(yàn)

將不同時(shí)期取樣的原狀土在100～200 kPa的壓力下進(jìn)行側(cè)限壓縮試驗(yàn)，每個(gè)時(shí)間采集的原狀樣進(jìn)行3組測(cè)試。試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 壓縮系數(shù)測(cè)試結(jié)果Fig.6 The test result of compression coefficient

圖7 壓縮模量試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 The test result of compression modulus

試驗(yàn)結(jié)果表明，軟黏土含鹽量在0.5%～1.1%時(shí)，軟黏土的壓縮系數(shù)隨含鹽量的增高而降低，降低速率隨含鹽量的增高而降低；軟黏土的壓縮模量隨含鹽量的增高而增高，增長(zhǎng)速率隨含鹽量的增高而降低。使用二次趨勢(shì)線對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可以得到含鹽量與壓縮系數(shù)、含鹽量與壓縮模量的擬合曲線，結(jié)果表明擬合效果較好。

α=1.229S2-2.450 8S+1.864 1，

R2=0.977 4

(3)

式(3)中：α為軟黏土的壓縮系數(shù)(100～200 kPa)，MPa-1。

ES=-6.111S2+11.784S-2.165 3，

R2=0.968 8

(4)

式(4)中：ES為軟黏土標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的壓縮模量(100～200 kPa)，MPa。

造成這種現(xiàn)象的原因也與黏土顆粒表面的雙電層。含鹽量高的土體，其結(jié)合水膜被壓縮的程度越緊，堆積層數(shù)大, 土顆粒集聚化程度高，集聚體內(nèi)孔隙小。顆粒團(tuán)的集聚化，可以使得土體結(jié)構(gòu)更加致密，從而使得土體壓縮性降低。

3.3 原狀土體的滲透試驗(yàn)

試驗(yàn)使用TST-55型滲透儀采用定水頭滲透試驗(yàn)的方式對(duì)不同含鹽量的試樣進(jìn)行滲透特性的測(cè)定[21]。為確保凍融軟黏土試樣中所含的鹽分在滲透過程中不被滲流的水所影響，試驗(yàn)測(cè)定過程中供水瓶中使用的溶液鹽度與軟黏土孔隙水鹽度相一致。凍融軟黏土的滲透系數(shù)測(cè)定結(jié)果如圖8所示。

圖8 滲透系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果Fig.8 The test result of hydraulic conductivity

由圖8可以看出,隨著原狀土體含鹽量的增大，土體滲透性變強(qiáng)。使用二次趨勢(shì)線對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可以得到土體含鹽量與滲透系數(shù)的擬合曲線，結(jié)果表明擬合效果較好。

K=-16.833S2+30.798S-6.092 6，

R2=0.900 4

(5)

式(5)中：K為軟黏土的滲透系數(shù)，10-5m/s。

軟黏土土體中的鹽分可以提高軟黏土的滲透特性。這主要與土顆粒團(tuán)集聚所產(chǎn)生的大孔隙有關(guān)[8]：由于軟黏土的滲透性主要受土體大孔隙的數(shù)量與分布形式有關(guān)，雖然土顆粒集聚使得顆粒團(tuán)內(nèi)部的孔隙減小，但這對(duì)土體滲透性產(chǎn)生的影響程度相對(duì)較小。大孔隙的增多致使土體滲透性增加。軟黏土體現(xiàn)出含鹽量越高，滲透性越大的性質(zhì)。

3.4 滲濾土與原狀土的對(duì)比試驗(yàn)

在滲透儀上使用去離子水對(duì)原狀軟黏土進(jìn)行滲透，可以人為地降低土體孔隙水中的含鹽量，從而模擬降雨、漲水等環(huán)境因素的變化對(duì)土體含鹽量的影響。對(duì)2018年4月10日、2018年5月28日、2019年1月4日、2019年2月21日這4個(gè)時(shí)間取的原狀樣使用去離子水進(jìn)行滲透，滲透結(jié)束后分組對(duì)原狀土進(jìn)行直剪試驗(yàn)、側(cè)限壓縮試驗(yàn)[22-23]、滲透試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表5、圖9所示。

滲濾土直剪試驗(yàn)、側(cè)限壓縮試驗(yàn)、滲透試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

靜置的目的是讓發(fā)生變化的孔隙水中的鹽分有充分時(shí)間對(duì)土體骨架產(chǎn)生影響。未進(jìn)行靜置的滲濾軟黏土，可以看作滲濾作用僅改變了土體孔隙水的鹽度，孔隙水鹽度的變化沒有對(duì)軟黏土骨架產(chǎn)生較大的影響，即對(duì)軟黏土骨架中的鹽分影響受時(shí)間的影響相對(duì)較小。試驗(yàn)結(jié)果表明，人為地改變軟黏土孔隙水鹽度后，不論靜置與否，對(duì)軟黏土的不排水抗剪強(qiáng)度、壓縮模量、滲透系數(shù)都會(huì)發(fā)生改變。這說明不論是黏土顆粒中的鹽分還是孔隙水中的鹽分都將會(huì)對(duì)軟黏土的抗剪特性、壓縮特性、滲透特性帶來影響。滲濾后未進(jìn)行靜置的軟黏土的抗剪強(qiáng)度、壓縮模量、滲透系數(shù)與未進(jìn)行原狀土的滲濾的原狀土的測(cè)試結(jié)果相比，差異并不明顯；滲濾后靜置60 d的軟黏土的抗剪強(qiáng)度、壓縮模量、滲透系數(shù)更接近該含鹽量天然原狀土的擬合值。這說明孔隙水中的鹽分對(duì)土體特性的影響較小，軟黏土顆粒中的鹽分是影響土體抗剪特性、壓縮特性、滲透特性的主要原因；軟黏土的抗剪特性、壓縮特性、滲透特性是土顆粒中的鹽分、孔隙水中的鹽分、鹽分保有時(shí)間這些因素綜合作用的結(jié)果。

表5 滲濾土含鹽量測(cè)定結(jié)果

圖9 滲濾土測(cè)試結(jié)果Fig.9 Test result of permeable soil

3.5 含鹽原狀土的微觀試驗(yàn)

壓汞技術(shù)是分析孔隙結(jié)構(gòu)演化的重要手 段。本次試驗(yàn)使用美國(guó) Micrometritics公司的AutoPore IV 9500 V1.07 型壓汞儀對(duì)軟黏土的孔隙特征進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定。試驗(yàn)采用最適用于黏性土的凍干法[24]進(jìn)行制樣。試驗(yàn)將2018-08-19、2018-11-27、2019-02-21 采集的3種原狀樣進(jìn)行測(cè)定，試驗(yàn)得到的孔徑分布密度如圖10所示。

圖10 不同含鹽量原狀土的孔隙分布特征Fig.10 Pore distribution characteristics of intact soils with different salinity

根據(jù)國(guó)際理論和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)(IUPAC)提出的孔隙孔徑分類標(biāo)準(zhǔn)[25]：大孔>50 nm、中孔2～50 nm、小孔<2 nm，可以看出上海市軟黏土的孔徑大多在100～200 nm，孔隙以大孔為主。隨著土體含鹽量的提高，軟黏土小于1 000 nm的孔隙數(shù)量略微地減?。? 000～2 000 nm的孔隙數(shù)量小幅地增加，特別是1 600 nm的孔隙數(shù)量增加地相對(duì)比較明顯。這也證明了鹽分可以使得土顆粒團(tuán)發(fā)生集聚，從而使得軟黏土1 000 nm以下孔隙的數(shù)量減小，1 000～2 000 nm的孔隙數(shù)量略微增加?？讖?00～200 nm孔隙的減小使得土體強(qiáng)度增加、壓縮性降低；孔徑1 000～2 000 nm孔隙的增加使得土體滲透性增強(qiáng)。

在上海長(zhǎng)江口沿岸地區(qū)，冬季軟黏土強(qiáng)度更低，壓縮性更高，更易發(fā)生剪切破壞、造成更大的沉降。工程更應(yīng)該注重冬季工程地質(zhì)災(zāi)害的防治。

4 結(jié)論

通過對(duì)長(zhǎng)江口地區(qū)上海原狀軟黏土進(jìn)行直剪試驗(yàn)、側(cè)限壓縮試驗(yàn)、滲透試驗(yàn)、壓汞試驗(yàn)測(cè)定；并與滲濾原狀土的特性進(jìn)行對(duì)比，得到如下結(jié)論。

(1)長(zhǎng)江口沿岸地區(qū)軟黏土孔隙水中離子以Cl-和Na+為主，各離子成分與海鹽相似。土體含鹽量在夏季時(shí)最低；冬季時(shí)最高，春秋兩季介于冬夏之間。

(2)軟黏土土體含鹽量的提高，可致使軟黏土的內(nèi)摩擦角與黏聚力增高、壓縮系數(shù)降低、滲透系數(shù)增大。

(3)軟黏土的抗剪特性、壓縮特性、滲透特性是土顆粒中的鹽分、孔隙水中的鹽分、鹽分保有時(shí)間這些因素綜合作用的結(jié)果?？紫端械柠}分對(duì)土體特性的影響較小，軟黏土顆粒中的鹽分是影響土體抗剪特性、壓縮特性的主要原因。

(4)上海市軟黏土的孔徑大多在100～200 nm，孔隙以大孔為主。鹽分可以使土顆粒團(tuán)發(fā)生集聚，從而使軟黏土1 000 nm以下孔隙的數(shù)量減小，1 000～2 000 nm的孔隙數(shù)量有所增加。

(5)長(zhǎng)江口沿岸地區(qū)土體冬季的力學(xué)性能較差，冬季是長(zhǎng)江口不良地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的危險(xiǎn)期，應(yīng)該更加注重冬季工程地質(zhì)災(zāi)害的防治。