梁健偉,房營(yíng)光,陳 松

(1.廣東省電力設(shè)計(jì)研究院,廣州 510663;2.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院,廣州 510641;3.華南理工大學(xué)亞熱帶建筑科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣州 510641)

1 概 述

鹽漬土在世界各地均有分布,長(zhǎng)期以來,巖土工程界將鹽漬土作為一種特殊黏土進(jìn)行研究,Fookes與 Collis[1]將鹽漬土劃分為:沼地土、鹽湖土、鹽沼土和濱海鹽沼土。鹽漬土的外表面通常具有一層由吸濕性鹽構(gòu)成的外殼,該層外殼在干燥狀態(tài)下非常堅(jiān)硬,一旦吸潮會(huì)迅速軟化失穩(wěn)。Al-Amoudi[2]經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),鹽漬土中的可溶鹽如氯化鈉的溶解,可明顯影響其穩(wěn)定性。鹽漬土地基具有特殊的工程性質(zhì),對(duì)公路、鐵路以及各種建筑物的建設(shè)造成多方面的危害[3],主要包括鹽漬土浸水后的溶陷性、含硫酸鹽地基的鹽脹性以及各種可溶鹽離子對(duì)基礎(chǔ)和其他地下設(shè)施的腐蝕性。

濱海鹽漬土是港灣工程中常見的具有特殊工程特性的一種軟土,形成于經(jīng)常受海潮侵襲、海水浸漬的有強(qiáng)烈蒸發(fā)和毛細(xì)作用的濱海地區(qū),其最大特點(diǎn)是所含鹽的成分與海水一致,都以氯化鈉為主;表層土含鹽量高一些,下臥土層也含有較高的可溶鹽,含鹽量分布比較均勻[3]。濱海鹽漬土處于特殊的水文地質(zhì)環(huán)境以及具有與內(nèi)陸性軟土不同的特性成因,致使其具有與內(nèi)陸性軟土明顯不同的物理力學(xué)性質(zhì)和物理化學(xué)性質(zhì)。國內(nèi)外許多學(xué)者已經(jīng)對(duì)鹽漬土的物理力學(xué)特性進(jìn)行了比較全面的研究[4-6],然而對(duì)其特殊性質(zhì)形成的微觀機(jī)制的研究尚未充分。

本文結(jié)合中國交通建設(shè)股份有限公司在科威特Bubiyan島的海港鹽漬土軟基加固工程開展研究。在工程現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了十字板剪切試驗(yàn),利用采集于現(xiàn)場(chǎng)的土樣進(jìn)行三軸試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)和液塑限試驗(yàn)與成分分析、電化學(xué)特性等物理化學(xué)試驗(yàn),并將其特殊性質(zhì)與同樣處于濱海地區(qū)的廣州南沙軟土的特性進(jìn)行比較分析。基于試驗(yàn)結(jié)果,從微細(xì)觀機(jī)理角度闡明了可溶鹽高含量的科威特鹽漬土具有低液塑限、低強(qiáng)度等宏觀不良工程特性產(chǎn)生的物理機(jī)制,加深了對(duì)濱海鹽漬土工程特性的認(rèn)識(shí),對(duì)該工程項(xiàng)目施工提供了指導(dǎo)作用。本文的研究成果對(duì)其他沿海地區(qū)鹽漬土地基加固工程也具有重要參考價(jià)值。

2 科威特濱海鹽漬土的強(qiáng)度特性試驗(yàn)

2.1 土樣的基本特性

試驗(yàn)的土樣取自科威特 Bubiyan島北部的一個(gè)海港軟基處理現(xiàn)場(chǎng)。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)科威特土樣進(jìn)行了含鹽量、液塑限含水量、礦物成分、陽離子交換等試驗(yàn),主要試驗(yàn)結(jié)果列于表1、表2。試驗(yàn)結(jié)果表明,科威特土的可溶鹽含量高達(dá)13.4%～20.9%,成分主要為氯鹽,根據(jù)我國《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021-2001)的分類標(biāo)準(zhǔn),屬于超氯濱海鹽漬土;具有低液塑限,低強(qiáng)度,遇水易失穩(wěn)崩解等典型鹽漬土的不良工程特性;表2中的顆粒表面電荷密度由實(shí)測(cè)的陽離子交換量與總比表面積換算求出,其中前者采用乙酸銨交換法[7]測(cè)得,后者采用乙二醇乙醚吸附法[8]測(cè)得。

由表1和表2中主要指標(biāo)參數(shù)和礦物成分分析等試驗(yàn)結(jié)果可見,科威特濱海鹽漬土的天然含水率在26.3%～41%之間,處于液限含水率附近;液限和塑限含水量分別為31%～42%和19%～24%,較一般三角洲相的沉積軟土低;顆粒組成主要為粉粒和粘粒;礦物成分分析表明該土樣的黏土礦物含量為35.4%,少于一般沿海地區(qū)軟土 (黏土礦物 ＞50%)[10];氯離子含量偏高;而顆粒表面電荷密度較低。

表1 科威特濱海鹽漬土的主要指標(biāo)參數(shù)及顆粒組成Table 1 Main geotechnical properties and grain size distribution of coastal saline soil from Kuwait

表2 科威特濱海鹽漬土的礦物組成及電化學(xué)特性測(cè)試Table 2 Mineral composition and electrochemical properties of coastal saline soil from Kuwait

2.2 強(qiáng)度特性試驗(yàn)

2.2.1 試驗(yàn)方案及試樣的制備

對(duì)科威特濱海鹽漬土分別進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)強(qiáng)度特性試驗(yàn),其中現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)為十字板剪切試驗(yàn),室內(nèi)試驗(yàn)包括三軸試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的1#和2#鉆孔進(jìn)行十字板剪切試驗(yàn),1#孔和2#孔的試驗(yàn)深度分別為2.5～22.5 m和2.5～20.5 m,測(cè)試的深度間隔為2.0 m。三軸試驗(yàn)的試樣為原狀土,直徑和高度分別為70mm和142mm,試驗(yàn)方法為多級(jí)加荷的固結(jié)不排水剪切試驗(yàn),以反壓力飽和,分 3級(jí)圍壓先后進(jìn)行固結(jié)和剪切試驗(yàn),其中試樣的剪切應(yīng)變速率控制在每分鐘0.002 5%～0.005 5%;當(dāng)測(cè)力計(jì)讀數(shù)達(dá)到穩(wěn)定或者出現(xiàn)倒退時(shí),測(cè)記相應(yīng)的測(cè)力計(jì)讀數(shù)和軸向變形值,關(guān)閉電動(dòng)機(jī)并將測(cè)力計(jì)調(diào)零,進(jìn)入下一級(jí)圍壓下的試驗(yàn)。直剪試驗(yàn)的試樣為擾動(dòng)土,直徑和高度分別為61.8mm和20mm,在制備直剪試驗(yàn)的環(huán)刀試樣時(shí),為分析含鹽量以及含水量對(duì)鹽漬土抗剪強(qiáng)度的影響,配制成含水率為液塑限之間和液限附近的兩種環(huán)刀樣,分別進(jìn)行 2次試驗(yàn),第1次試驗(yàn)利用原擾動(dòng)土進(jìn)行測(cè)試;第2次試驗(yàn)前用淋溶法將土樣中的可溶鹽反復(fù)濾除,以降低可溶鹽含量后再進(jìn)行測(cè)試。采用固結(jié)快剪法進(jìn)行直剪試驗(yàn),剪切速率為0.8mm/min。

2.2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖1為現(xiàn)場(chǎng)十字板剪切試驗(yàn)的各個(gè)深度的抗剪強(qiáng)度與靈敏度。多級(jí)加荷的固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)結(jié)果見表3。固結(jié)快剪試驗(yàn)結(jié)果列于表4,表5為淋溶前后試樣的界限含水量變化情況。

科威特濱海鹽漬土的現(xiàn)場(chǎng)十字板抗剪強(qiáng)度屬于中等范圍,靈敏度＜1.5,屬于不靈敏土體,說明土體結(jié)構(gòu)性不明顯,顆粒間的膠結(jié)性不強(qiáng),致使表觀內(nèi)聚力小。在天然含水量的情況下,可溶鹽溶解于水中,顆粒間的可溶鹽結(jié)晶膠結(jié)作用并未發(fā)揮出來,只增加了孔隙液的離子濃度,對(duì)顆粒的聚集性質(zhì)產(chǎn)生一定影響;在保持孔隙液性質(zhì)不變情況下,擾動(dòng)對(duì)表觀粘聚力的影響有限,因而靈敏度小。雖然土體顆粒細(xì)小(粉粒含量 65.19%～72.34%,粘粒含量24.58%～33.09%),但從三軸試驗(yàn)結(jié)果來看,原狀鹽漬土樣具有粘聚力較低而內(nèi)摩擦角較高的特點(diǎn),除了1#孔19.0 m深度的試樣的粘聚力稍大以外,其余各試樣的粘聚力cCU′≈0,內(nèi)摩擦角φCU′=27°～36°,具有砂土特性。下文分析表明,這一“反?！毙再|(zhì)是由于黏土礦物含量少、可溶鹽含量高(導(dǎo)致孔隙液離子濃度高)、表面電荷密度低造成的。固結(jié)快剪試驗(yàn)結(jié)果表明:含鹽量與含水量對(duì)土樣的抗剪強(qiáng)度有明顯的影響,淋溶前含水量在液塑限之間的試樣(w=20.1%)的粘聚力與內(nèi)摩擦角稍高于其他試樣;淋溶后同樣處于液限含水率附近的試樣的粘聚力有所提高,內(nèi)摩擦角則有所降低,在100 k Pa和200 kPa固結(jié)壓力下的抗剪強(qiáng)度也稍有下降;而淋溶后含水率與淋溶前相近的試樣(w≈26%)的粘聚力提高,而內(nèi)摩擦角則降低。擾動(dòng)土樣的界限含水量也明顯受含鹽量的影響,表5表明經(jīng)淋溶濾除大部分可溶鹽后土樣的液限和塑限含水率均有顯著的提高,其提高幅度分別達(dá)到了29.4%和48.1%。

表3 科威特濱海鹽漬土原狀樣的三軸試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Triaxial test results of undisturbed coastal saline soil from Kuwait

表4 淋溶前后濱海鹽漬土擾動(dòng)樣的抗剪強(qiáng)度及指標(biāo)Table 4 Shear strength and parameters of disturbed coastal saline soil before and after eluviations

表5 淋溶前后濱海鹽漬土擾動(dòng)樣的液塑限Table 5 Atterberg limits of disturbed coastal saline soil before and after eluviations

圖1 科威特濱海鹽漬土的現(xiàn)場(chǎng)十字板剪切試驗(yàn)Fig.1 Field vane shear test of coastal saline soil from Kuwait

2.3 廣州南沙軟土的強(qiáng)度特性對(duì)比試驗(yàn)

廣州南沙地區(qū)位于北江、西江下游的濱海河網(wǎng)區(qū),臨近珠江口伶仃洋,為珠江三角洲沖積平原的前沿地帶,地層中存在深厚的海陸交互相淤泥層,并受到近海潮位的影響,具有高含水量、高壓縮性、低強(qiáng)度和低承載力等主要工程特性。廣州南沙雖與科威特 Bubiyan島同屬于濱海地區(qū),但廣州南沙雨量充沛而科威特 Bubiyan島雨量稀少,因而南沙軟土樣含鹽量比科威特土樣少得多,以致強(qiáng)度特性也有較大差別。本節(jié)采用廣州南沙軟土樣進(jìn)行試驗(yàn),為分析可溶含鹽量對(duì)土體強(qiáng)度特性的影響提供對(duì)比。

從廣州南沙龍穴島某超軟弱吹填淤泥土軟基處理工程現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)。該區(qū)域是在原有珠江口水域之中淤積的灘涂地基上吹填淤泥、中細(xì)砂形成的,其主要物理特性、顆粒組成、礦物成分及電化學(xué)特性等參數(shù)見表6至表8,表9為部分室內(nèi)直剪試驗(yàn)結(jié)果。上述試驗(yàn)結(jié)果為下文對(duì)科威特土特性的機(jī)理解釋和比較分析提供了對(duì)比數(shù)據(jù)。

廣州南沙軟土與科威特濱海鹽漬土相比,可溶鹽的含量較低,平均約為0.48%,液限較高,在46.7%～57.1%之間,塑性指數(shù)較大,為22.9%～34.7%之間。廣州南沙軟土的含鹽量低而液塑限高,塑性指數(shù)大,這一特性與淋溶后科威特鹽漬土樣含鹽量降低,液塑限提高、塑性指數(shù)增大的特性變化是一致的。南沙軟土擾動(dòng)樣的液性指數(shù)為0.602～0.738之間,處于軟塑狀態(tài);顆粒組成與科威特鹽漬土類似,以粉粒和粘粒為主;在礦物成分方面,南沙軟土的黏土礦物含量達(dá) 68%,明顯高于科威特鹽漬土;快剪試驗(yàn)的粘聚力為5.4～22.5 kPa,內(nèi)摩擦較小(1.3°～5.1°),固結(jié)快剪的內(nèi)摩擦角有明顯的提高。顆粒表面的電荷密度也對(duì)土體的塑限和塑性指數(shù)有直接的影響(見下文分析),廣州南沙軟土顆粒表面電荷密度高于科威特濱海鹽漬土,也使其塑限和塑性指數(shù)提高。

表6 廣州南沙BH6號(hào)軟土的主要物理特性Table 6 Main geotechnical properties of Nansha soft soil of Guangzhou

表7 廣州南沙軟土的顆粒組成Table 7 Grain size distribution of Nansha soft soil of Guangzhou

表8 廣州南沙軟土的礦物組成及電化學(xué)特性Table 8 Mineral composition and electrochemical properties of Nansha soft soil of Guangzhou

表9 廣州南沙擾動(dòng)軟土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)Table 9 Shear strength parameters of disturbed Nansha soft soil of Guangzhou

3 濱海鹽漬土的強(qiáng)度特性分析

土體強(qiáng)度的變化并不是單純的力學(xué)過程,而是一個(gè)與土體的成分、物理化學(xué)性質(zhì)以及所處的環(huán)境密切相關(guān)的化學(xué)-力學(xué)過程。以下基于科威特 Bubiyan島場(chǎng)地濱海鹽漬土和廣州南沙軟土的試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果,從該鹽漬土的特殊成因和工程性質(zhì)形成的微觀機(jī)制和機(jī)理來分析其特殊的強(qiáng)度特性。

3.1 濱海鹽漬土的成因分析

科威特濱海鹽漬土的低強(qiáng)度、低液塑限等不良工程性質(zhì)與當(dāng)?shù)靥厥獾臍夂?、地理、水文等條件密切相關(guān)。該地區(qū)屬于熱帶沙漠氣候,夏季異常干旱炎熱,日間平均氣溫可達(dá) 45℃,而冬季夜間最低溫度7.2℃,月平均降水量最高僅25.5mm。在海相環(huán)境下,土顆粒在該島的近岸地區(qū)沉積而形成了濱海鹽漬土陸地。顆粒分析結(jié)果(表1)表明其顆粒組成主要為極細(xì)的粉粒和粘粒,有較強(qiáng)的吸附鹽的能力,毛細(xì)水上升高度大?，F(xiàn)場(chǎng)受到每月一次的海潮的規(guī)律性侵襲,退潮后經(jīng)烈日暴曬,海水中的部分鹽分因強(qiáng)烈的地面蒸發(fā)而析出并累積于土中,在地表形成一層鹽殼,因此土中的鹽分與海水的基本相同,主要為氯鹽?？扇茺}的膠結(jié)作用使鹽殼在干燥狀態(tài)下非常堅(jiān)硬,一旦吸潮或浸水,可溶鹽迅速溶解,鹽殼就會(huì)軟化崩解,這是導(dǎo)致濱海鹽漬土低強(qiáng)度的直接原因。廣州南沙軟土雖然處于濱海河網(wǎng)區(qū),顆粒組成(表7)也以粉粒和粘粒為主,但降水統(tǒng)計(jì)資料[12]表明南沙地區(qū)的多年平均降雨量為1 560mm以上,南方多雨的亞熱帶氣候使得海水中的大部分鹽分來不及積聚在土中就隨著地表徑流遷移,實(shí)測(cè)的可溶鹽平均含量?jī)H0.48%,因此南沙軟土不具備濱海鹽漬土形成的自然條件,使兩者在物理力學(xué)性質(zhì)方面存在較大的差異。

3.2 濱海鹽漬土的強(qiáng)度特性的機(jī)理分析

Gouy-Chapman理論[13]指出,帶負(fù)電荷的黏土顆粒表面形成的微電場(chǎng),使顆粒表面吸附而形成具有高粘性的結(jié)合水膜。包裹土顆粒的高粘性的結(jié)合水膜的厚度在一定程度上表征液限和塑性指數(shù)的范圍[14],由此而影響土體的物理力學(xué)性質(zhì),因此引起結(jié)合水膜厚度變化的因素,是影響土的宏觀物理力學(xué)性質(zhì)的因素。可溶鹽等電解質(zhì)溶解于孔隙水中使孔隙水的離子濃度提高,而使帶電顆粒表面吸附的結(jié)合水膜厚度變小,液限和塑性指數(shù)隨之減小。相反,隨顆粒表面電荷密度的提高,形成微電場(chǎng)的強(qiáng)度增大,吸附的結(jié)合水膜厚度增加,液限和塑性指數(shù)提高。下面從土體的可溶鹽含量和顆粒表面電荷密度兩方面因素,對(duì)科威特濱海鹽漬土和廣州南沙軟土的物理力學(xué)特性差異行分析。

科威特鹽漬土樣的含鹽量高,使溶解于孔隙水中的離子濃度比一般土的含量高,顆粒表面的結(jié)合水膜厚度小,即顆粒吸附的結(jié)合水量少,致使顆粒之間的相互運(yùn)動(dòng)阻力大,雖然土體顆粒細(xì)小,但還是比正常含鹽量的土(如淋溶后的科威特鹽漬土、廣州南沙軟土)表現(xiàn)出較大的內(nèi)摩擦角,以及較低的液塑限和塑性指數(shù)。對(duì)于正常含鹽量的土,孔隙水中的離子濃度較低,而結(jié)合水膜厚度較大,顆粒吸附的結(jié)合水量增加,顆粒之間的相互運(yùn)動(dòng)阻力較小,表現(xiàn)出較小的內(nèi)摩擦角,以及較高的液塑限和塑性指數(shù)。土體的粘聚力與顆粒間的膠結(jié)狀況有關(guān),在天然含水率情況下,科威特鹽漬土中的可溶鹽溶解于水中,顆粒間的可溶鹽結(jié)晶膠結(jié)作用還未發(fā)揮出來,致使表觀內(nèi)聚力較小。同樣,在天然含水率情況下,由于顆粒間的鹽結(jié)晶膠結(jié)不強(qiáng),擾動(dòng)前后的表觀內(nèi)聚力變化不大,因而土的靈敏度較小。科威特鹽漬土與南沙軟土的顆粒組成相似,含水量均接近液限,但兩者的強(qiáng)度特性有明顯區(qū)別,可見含鹽量是導(dǎo)致兩者強(qiáng)度差異的主要原因之一。

陽離子交換當(dāng)量表征顆粒表面所帶的負(fù)電荷密度,不同礦物成分的陽離子交換當(dāng)量差異較大。顆粒表面電荷密度大,顆粒表面的結(jié)合水膜厚度就大,使土體具有較高的液塑限和塑性指數(shù)以及較小的內(nèi)摩擦角。一般而言,黏土礦物等相應(yīng)的陽離子交換當(dāng)量通常較大,即強(qiáng)親水礦物含量越多,液塑限和塑性指數(shù)就越高,內(nèi)摩擦角通常就越小;反之,表現(xiàn)出液塑限和塑性就較低,內(nèi)摩擦角就較大。南沙軟土表現(xiàn)出較高的陽離子交換量、液塑限和塑性指數(shù),以及較小的內(nèi)摩擦角,這主要是因?yàn)槠鋸?qiáng)親水礦物含量達(dá) 68%,接近科威特鹽漬土的2倍;而科威特鹽漬土樣中的強(qiáng)親水礦物較少,特別是蒙脫石含量較少,非黏土礦物成分較多(＞60%),因而其顆粒表面電荷密度明顯較低,將導(dǎo)致較低的液塑限和塑性指數(shù)以及較大的內(nèi)摩擦角。

4 結(jié) 論

對(duì)科威特 Bubiyan島場(chǎng)地土樣進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)試驗(yàn)以及相應(yīng)的分析,并與廣州南沙軟土試驗(yàn)作比較,闡明了影響土體強(qiáng)度特性的物理機(jī)制,得出以下主要結(jié)論:

(1)科威特 Bubiyan島場(chǎng)地軟土屬于濱海超氯鹽漬土,具有高含鹽量、低液塑限、低強(qiáng)度、遇水易軟化失穩(wěn)等鹽漬土的典型特性。

(2)科威特濱海鹽漬土及其工程特性的形成與當(dāng)?shù)氐乃牡刭|(zhì)條件密切相關(guān)。雖然其顆粒細(xì)小,但可溶鹽含量高、強(qiáng)親水礦物含量低,這是使其具有液塑限低、塑性指數(shù)小、內(nèi)摩擦角較大、粘聚力小的“砂性土”特性的物質(zhì)因素。

(3)含鹽量和黏土礦物成分對(duì)濱海鹽漬土的強(qiáng)度特性有顯著的影響,本文從黏土-水-電解質(zhì)系統(tǒng)的Gouy-Chapman理論對(duì)鹽漬土的不良工程特性的物理機(jī)制作出了合理解釋。

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