連云港濱海地區(qū)沉積物含鹽特征及其對工程基礎(chǔ)的影響*

茍富剛 陸徐榮 龔緒龍 楊露梅 劉明遙

(江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院,自然資源部地裂縫地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)試驗(yàn)室,南京 210049,中國)

0 引 言

本文研究區(qū)主要位于連云港濱海地區(qū),根據(jù)實(shí)際調(diào)訪,土壤鹽漬化較為嚴(yán)重,特別是近海區(qū)域,受海潮影響,港口建筑基礎(chǔ)受到了強(qiáng)烈腐蝕,嚴(yán)重制約了城市的高質(zhì)量發(fā)展(夏文俊等,2011)。鹽漬土按化學(xué)成分分為氯鹽漬土、亞氯鹽漬土、亞硫酸鹽漬土、硫酸鹽漬土及堿性鹽漬土。土壤鹽漬化受多種因素影響,研究區(qū)土體鹽漬化主要受海水入侵的影響,鹽土類型主要為氯鹽漬土。海水入侵受多種因素影響,比如說河勢、風(fēng)應(yīng)力、海平面上升和人類活動(dòng)等(Li et al.,2014; 張二鳳等,2014)。王慧等(2011)的研究表明近31年(1980年～2010年)中國近海冬季海平面平均上升速率為3.1mm·a-1。海水入侵后,水土易鹽化,土壤鹽漬化已經(jīng)演化為一個(gè)生態(tài)問題(李攻科等,2016)。全球范圍內(nèi)鹽漬土面積達(dá)到了10×108hm,分布在100多個(gè)國家和地區(qū)(Ghassemi et al.,1995)。鹽漬土在我國分布廣泛,鹽漬土總面積約為3.6×105km2,占全國可利用土地面積的4.88%(王遵親等,1993)。我國現(xiàn)階段濱海鹽堿地面積約1500萬畝具有改良利用的潛力(趙其國等,2020)。濱海相鹽漬土(氯鹽漬土)主要分布在我國長江以北的廣大濱海平原,其學(xué)術(shù)關(guān)注度和傳播度大于其他類型鹽漬土,在2008達(dá)到頂峰,這與社會(huì)需求和國家政策有關(guān)。

目前還沒有對研究區(qū)各土層含鹽特征進(jìn)行系統(tǒng)分析的相關(guān)研究。一般工程勘察僅研究潛水位以上土體,研究深度僅為1m左右,個(gè)別達(dá)到了5m(葛云等,2012)。研究區(qū)淺部土層黏粒含量高,約占土體50%(茍富剛等,2018a),滲透系數(shù)為10-7～10-8cm·s-1,為弱透水層。該層是下伏含水層的天然保護(hù)屏障,該類型土層已被用來研究污染物的遷移轉(zhuǎn)化(Racchetti et al.,2010)。Ge et al.(2017)通過分析土體孔隙水中的主要離子的變化特征進(jìn)行水化學(xué)演變以及沉積環(huán)境分析。蔡國軍等(2008)基于電阻率靜力觸探進(jìn)行了海相軟土地質(zhì)成因分析,進(jìn)行了土體離子化學(xué)分析,離子組成較為單一,為NaCl型鹽土,土體孔隙液呈堿性。海水浸漬是濱海相鹽漬土形成的一個(gè)最主要的原因,土體含鹽特征與海水含鹽特征基本一致。茍富剛等(2018b)通過的水土進(jìn)行耦合分析,研究對像為含水砂層及其孔隙水,得出了水土體含鹽指標(biāo)呈線性正相關(guān)。濱海鹽漬土鹽分以NaCl占絕對優(yōu)勢,具有溶陷性和腐蝕性等工程性質(zhì)。連云港地區(qū)土體隨著氯鹽的增加,土體強(qiáng)度降低且破壞應(yīng)變增加(范禮彬等,2012)。魏麗等(2018)評價(jià)了SH固化劑對濱海鹽土的固化作用。鹽漬土中的氯離子對混凝土中的鋼筋腐蝕最為顯著(Vu et al.,2000; 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)編寫組,2009; 李超等,2014; Li et al.,2016)。近些年來,港口地區(qū)(連云港雜貨一、二碼頭、寧波北侖港礦石碼頭)出現(xiàn)了氯鹽侵蝕誘發(fā)構(gòu)造物裂縫現(xiàn)象(夏文俊等,2011)。裂縫出現(xiàn)時(shí)間約4～10a,遠(yuǎn)低于碼頭設(shè)計(jì)使用年限(50a)。

本次采集樣品深度最大值為80m,采集616件土樣易溶鹽樣品,通過樣品測試結(jié)果進(jìn)行土體含鹽特征、沉積環(huán)境以及其對工程基礎(chǔ)的影響分析。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)位于連云港東部沿海一帶,隸屬蘇魯造山帶地層分區(qū)(吳燕開等,2004)。蘇魯造山帶位于淮陰-響水?dāng)嗔岩员蔽?其是一個(gè)長期隆起剝蝕區(qū),從震旦紀(jì)至三疊紀(jì)均為古陸(圖1)。中生代以來以巖漿侵入和塊斷作用為其特色(顧家偉,2015)。大部分地區(qū)被第四紀(jì)地層所深覆蓋。地面標(biāo)高一般為2～3m。本文研究土體為中更新世以來的沉積物。根據(jù)沉積時(shí)代土層可以概化為7個(gè)層組; 再根據(jù)巖性,進(jìn)一步再細(xì)分為16層(表1,圖2)。

表1 地層劃分表

圖2 工程地質(zhì)剖面圖

土層自下而上,更新統(tǒng)分布12個(gè)土層,小腰莊組Qp2χ2包含8-1和8-2兩個(gè)土層(陸相地層)。灌南組下段Qp3g1為海侵地層,地層代號為7-1和7-2。灌南組上段分別3個(gè)小段,分別為Qp3g2-1、Qp3g2-2、Qp3g2-3。Qp3g2-1包含兩個(gè)土層,分別為6-1和6-2層,為陸相沉積物。Qp3g2-2包含2個(gè)土層,分別為5-1層和5-2層,為海相沉積物。Qp3g2-3包含4個(gè)土層,為2個(gè)陸相沉積旋回,分別為4-1、4-2、4-3和4-4。

全新統(tǒng)分布4個(gè)土層,為海相沉積層,Qhy2分布3個(gè)土層,分別為3-1、3-1A、3-1B,Qhy3分布1個(gè)土層,代號為2-1層。填土為1-1層。

2 樣品采集及分析方法

采集樣品共616件,采樣位置見圖1。采樣深度為0～80m,垂向上采樣間距1～3m。對所采土樣進(jìn)行全鹽量、易溶鹽8大離子和pH值進(jìn)行測試。

在對研究區(qū)土層按照沉積時(shí)代、沉積環(huán)境概化的基礎(chǔ)上,對16個(gè)土層進(jìn)行單獨(dú)統(tǒng)計(jì)分析。對每一土層進(jìn)行含鹽量、8大離子含量、重要比例系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,統(tǒng)計(jì)項(xiàng)目包含最大值、最小值、平均值等。土體含鹽的化學(xué)成分分類參考GB/T 50942-2014,目前一般采用0.l kg土中陰離子含量的比值作為分類標(biāo)準(zhǔn)。兩套標(biāo)準(zhǔn):一套為氯鹽漬土、亞氯鹽漬土、亞硫酸鹽漬土、硫酸鹽漬土判定標(biāo)準(zhǔn)(式1),另一套為堿性鹽漬土判定標(biāo)準(zhǔn)(式2)。

(1)

(2)

式中:各離子濃度單位為:每100g土中所含離子毫摩爾數(shù)(mmol/0.1kg),其中,C(Cl-)代表氯離子濃度,其他類推。

3 測試結(jié)果分析

3.1 各土層含鹽特征分析

對研究區(qū)80m以淺16個(gè)概化土層含鹽特征進(jìn)行系統(tǒng)分析。分析內(nèi)容包括各層土統(tǒng)計(jì)樣本個(gè)數(shù)、含鹽量最大值、最小值、平均值、各離子含量平均值(表2)。按式(1)與式(2)進(jìn)行鹽土類型判定。根據(jù)鹽土類別進(jìn)行含鹽量是否達(dá)到鹽漬土級別,進(jìn)行弱鹽漬土、中鹽漬土、強(qiáng)鹽漬土分類(表3)。

表2 土體含鹽特征統(tǒng)計(jì)表

表3 各土層含鹽特征分類統(tǒng)計(jì)

圖3為典型鉆孔揭露的研究區(qū)土層含鹽特征。根據(jù)圖3可以看出,隨著深度的增加,土體含鹽量有著遞減的趨勢。全新世土層(2-1、3-1)含鹽量高,主要為中鹽漬土。更新世土層鹽漬土類型以弱鹽漬土為主。

下面介紹各土層含鹽特征。

圖4 各土層巖芯照片及微觀結(jié)構(gòu)

3.2 土體含鹽特征分析

圖5 細(xì)粒土層含鹽量隨深度分布特征

圖6 粗粒土層含鹽量隨深度分布特征

更新世土層(4-1層及其以下土層)含鹽量較高,除了8-2砂層外,均有弱鹽漬土出現(xiàn),鹽漬土最高占比達(dá)到了86%。根據(jù)表2可知,同一層組的土層,黏性土含鹽量一般大于砂土。各土層鹽分均以Cl-和Na+含量為主,其中Cl-含量占比最高達(dá)到了62.01%,NaCl含量占比最高達(dá)到了94.25%。

按照式(1)進(jìn)行鹽土類別類型判定,氯鹽鹽土類型占絕對優(yōu)勢,各土層均有分布,亞氯鹽土類型和亞硫酸鹽土類型個(gè)別土層有分布,硫酸鹽土類型各土層均未見分布。全新世土體均為氯鹽與亞氯鹽土類型,且以氯鹽鹽土類型為主,最高達(dá)到了100%。更新世土層除了上更新世上段陸相黏性土層(4-1、4-3、6-1)出現(xiàn)了少量亞硫酸鹽土類型,其他均為氯鹽與亞氯鹽土類型,且以氯鹽鹽土類型為主,其中絕大多數(shù)氯鹽鹽土類型達(dá)到了100%。各土層含鹽量達(dá)到鹽漬土的百分占比,見表3。其中全新世土層強(qiáng)鹽漬土、中鹽漬土、弱鹽漬土均有分布,其中中鹽漬土分布最為廣泛,全新世土體鹽漬土合計(jì)占比82%。更新世土層未出現(xiàn)強(qiáng)鹽漬土和中鹽漬土,僅分布非鹽漬土和弱鹽漬土。僅8-2層砂層含鹽量未達(dá)到鹽漬土。更新世土體含鹽量較高,弱鹽漬土占比49%(圖7)。

圖7 不同沉積時(shí)代土體含鹽特征

按照式(2)進(jìn)行鹽土類別類型判定,堿性鹽土類占比不大,最高占比60%。且土體含鹽量達(dá)到鹽漬土級別的樣本數(shù)量少,最高達(dá)到33%。其中8個(gè)土層未見堿性鹽漬土分布。

4 討 論

4.1 基于土體鹽分的沉積環(huán)境分析

研究區(qū)第四紀(jì)地層沉積受到了5次的海侵影響,80m以淺土層鹽分主要受3次海侵控制(吳燕開等,2004)。特別是全新世海侵,海侵范圍到達(dá)了墩尚鎮(zhèn)—灌云縣以西,對30m以淺土層鹽分起著決定性作用,鹽分以NaCl為主(圖1)。30m以淺主要為中鹽漬土,30m以下為弱鹽漬土和非鹽漬土(圖3)。受第Ⅴ次海侵影響,全新世土層包含4個(gè)土層含鹽量均很高,3個(gè)土層平均含鹽量達(dá)到了中鹽漬土,僅3-1A土層含鹽量較低,但土體平均含鹽量也達(dá)到了弱鹽漬土級別,這主要受控于土體沉積時(shí)的水動(dòng)力條件。受第Ⅳ次海侵影響的5-1、5-2土層含鹽量均高于其上覆和下伏土層。受第Ⅲ次海侵影響的7-1、7-2土層含鹽量均高于其上覆和下伏土層(圖8)。

圖8 各土層含鹽量與沉積環(huán)境變化圖

海相地層沉積時(shí),當(dāng)海水與土顆粒接觸時(shí),海水中的Na+可以交換土中的Ca2+離子,產(chǎn)生離子交換作用。同時(shí),海相地層沉積時(shí),海水對下伏地層具有侵染作用,使得陸相地層含鹽量增加。Na-Ca交換是一種進(jìn)行得最廣泛的陽離子交換。可按式(3)雙向反應(yīng)。SAR是Na-Ca交換的一個(gè)重要參數(shù),ESR為土壤交換性鈉,可以采用式(4)計(jì)算。研究區(qū)地表淡水SAR平均值為3.23。根據(jù)表4可以看出,研究區(qū)各土層ESR值較高,均大于當(dāng)?shù)氐乇淼?ESR最大值103出現(xiàn)在3-1軟土層,為當(dāng)?shù)氐乇淼瓻SR值的32倍(圖9,表4)。土體鹽分主要為NaCl,鹽分最主要來源為海水浸漬,受全新世海侵的影響。

表4 各土層及地表淡水沉積環(huán)境分析指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

圖9 各土層ESR平均值

(3)

(4)

ESR=K·SAR

(5)

式中:γNa單位為meq·L-1,其他指標(biāo)相同;K為交換平衡常數(shù);SAR為鈉吸附比;ESR為土壤交換性鈉。

γMg/γCa是一個(gè)表示海侵范圍和程度的指標(biāo),海水中Mg2+含量總高于Ca2+含量高。各土層統(tǒng)計(jì)平均值γMg/γCa范圍值為0.80～2.67,均大于研究區(qū)地表淡水的γMg/γCa值,說明研究區(qū)土層不同程度受到海水入侵的影響。各層土γMg/γCa最大值出現(xiàn)在3-1軟土層,說明該層土沉積受控于最后一次海侵。

根據(jù)16個(gè)土層pH統(tǒng)計(jì)結(jié)果,取每層土的平均值,pH分布范圍為7.7～8.7(表1)。整體看來,各層土pH均大于7,為堿性。pH最大值出現(xiàn)在5-2灰色粉砂。淺部土層對農(nóng)業(yè)(一般農(nóng)作物及草坪根系涉及深度為20cm,灌木根系涉及深度為80cm,喬木根系涉及深度為1.2m)和工程建設(shè)影響最大,淺表土層2-1層與3-1層pH值均為8.3,堿性較大。2-1層pH值最大為9.0,3-1層pH值最大為9.2,當(dāng)pH大于8且小于8.5時(shí),土體改良需施加酸性改良劑。當(dāng)pH大于8.5時(shí),土體改良需施加鈣質(zhì)改良劑(CJJT 283-2018)。

4.2 土體含鹽對工程基礎(chǔ)的腐蝕性評價(jià)

連云港地下空間開發(fā)尚處于初級階段,利用類型主要有地下綜合管廊、地下停車場等,開發(fā)深度一般為0～5m,且不超過10m。連云港濱海地區(qū)存在淺埋(約2m)厚層海相軟土,層厚約15m,采用天然地基易出現(xiàn)工后沉積過大的問題,多層或高層建筑要采用預(yù)制樁基礎(chǔ)穿越軟土層。宜選擇密實(shí)而穩(wěn)定的4-2、4-4、4-6、5-2砂層或4-1、4-3硬塑黏性土層作為樁基持力層。以大陸橋國際會(huì)議中心為例,軟土底板埋深19.4m,對于擬建的3層建筑物,由于荷載較小建議優(yōu)先考慮采用4-2層粉土夾粉砂(埋深26～28m)作為樁端持力層; 擬建酒店客房7層,優(yōu)先選擇5-2層粉土夾粉砂(埋深36～38m)作為樁端持力層。

根據(jù)土體沉積環(huán)境分析,土體鹽分主要來自海水浸漬和海水入侵,土體鹽分主要為NaCl,土體最高的離子含量為Cl-。土中Cl-對工程基礎(chǔ)的腐蝕性,主要表現(xiàn)在Cl-對混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的腐蝕性。由于Cl-是一種強(qiáng)腐蝕介質(zhì),腐蝕性極強(qiáng),當(dāng)Cl-接觸到鋼筋表面,在氧和水充足的情況下,在鋼筋表面形成一個(gè)小陽極,形成點(diǎn)腐蝕反應(yīng),反應(yīng)后形成腐蝕坑。根據(jù)GB50021-2009進(jìn)行腐蝕性分類評價(jià),評價(jià)結(jié)果顯示:微腐蝕性占比7%,弱腐蝕性占比5%,中腐蝕性占比46%,強(qiáng)腐蝕性占比42%。強(qiáng)腐蝕性土層主要分布在25m以淺土層,對應(yīng)土層層號主要為3-1層軟土和2-1層黏土(圖10)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果,土體中Cl-對混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的腐蝕性界限含鹽量見表5。

表5 腐蝕性界限含鹽量統(tǒng)計(jì)表

圖10 腐蝕性隨深度變化特征

各土層pH均為堿性,由于鋼筋混凝土中的水泥能產(chǎn)生一種高堿性物質(zhì)(氫氧化鈣),所以混凝土結(jié)構(gòu)自身呈堿性,評價(jià)結(jié)果顯示土體pH對剛結(jié)構(gòu)腐蝕性均為微腐蝕性。

根據(jù)(中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)編寫組,2009)按土體Mg2+對混凝土結(jié)構(gòu)評價(jià)結(jié)果,僅1個(gè)2-1層樣本(埋深0.9m)評價(jià)結(jié)果為弱腐蝕,其他均為微腐蝕性。

5 結(jié) 論

本文通過采集616件易溶鹽樣品測試結(jié)果,對連云港濱海地區(qū)中更新世以來(80m以淺)土層(16個(gè)土層)含鹽特征進(jìn)行了系統(tǒng)研究,探討了土層鹽分來源及其對工程基礎(chǔ)的影響,獲得了以下結(jié)論:

(1)研究區(qū)80m以淺土層鹽分主要受3次海侵控制,特別是最后一次海侵對30m以淺土層含鹽特征起著決定性作用,鹽分最主要來源為海水浸漬,鹽分以NaCl為主,各土層含鹽量介于0.020%～7.149%。全新世土層含鹽量高,以中鹽漬土為主。隨著深度的增加,土體含鹽量有著遞減的趨勢。

(2)受海侵影響,海相土層含鹽量均高于其上覆和下伏土層。海侵對下伏地層具有侵染作用,使得陸相地層含鹽量增加。同一層組的土層細(xì)粒土含鹽量一般大于砂土。各土層ESR值均大于當(dāng)?shù)氐乇淼甋AR,γMg/γCa值均大于研究區(qū)地表淡水的γMg/γCa值,說明研究區(qū)土層不同程度受到海水入侵的影響。

(3)80m以淺土層易溶鹽的腐蝕性主要表現(xiàn)在Cl-對混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的腐蝕性,具有弱腐蝕性以上的占比88%。強(qiáng)腐蝕土層主要分布在25m以淺土層,分布在3-1層軟土和2-1層黏土中。給出了土體中易溶鹽腐蝕性的界限含鹽量。