劉漢民，周東，吳恒，焦文燦，王業(yè)田

(1.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院；工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點實驗室，南寧 530004；2.湖南科技學(xué)院 土木與環(huán)境工程學(xué)院，湖南 永州 425199 )

進(jìn)入21世紀(jì)以來，中國進(jìn)行了大規(guī)模的填海造地工程[1-3]，其中很大一部分成為工業(yè)及城市建設(shè)用地。欽州港臨海園區(qū)和防城港企沙工業(yè)園填海造地工程形成的陸域就是用來作為工業(yè)及城市建設(shè)用地，填海區(qū)域分布大量的海積軟土[4-6]。這類填海造地工程有幾個特點：1)填海形成的陸域面積大。欽州灣填海面積截止2011年已達(dá)約20 km2[7]，根據(jù)欽州市城市總體規(guī)劃，2008—2025年期間的總圍填海工程面積將達(dá)到約79 km2。2)填海造陸的速度快。從施工到形成陸域，再到用于工業(yè)及城市建設(shè)用地的時間較短，欽州港臨海園區(qū)和防城港企沙工業(yè)園填海造地工程由吹砂填海完成，然后進(jìn)行地基處理[8-9]，之后直接用于相應(yīng)的工程設(shè)施建設(shè)。3)填海造地過程中填海層對下伏地層施加的荷載重。隨著填海造陸施工工藝技術(shù)的成熟，以及對土地使用面積的需求，迫使填海由灘涂逐漸向淺海延伸，填海層的厚度大幅增加，因此，填海層對下伏地層的荷載也大幅增加，其中欽州大欖坪至保稅港區(qū)鐵路支線的吹填工程，吹填深度深達(dá)十幾米。與海積軟土地質(zhì)形成的自然演變過程相比，填海造地對海積軟土賦存環(huán)境的擾動極其劇烈。海積軟土與其形成的自然地質(zhì)環(huán)境在填海造地之前處于相對穩(wěn)定的動態(tài)平衡狀態(tài)，經(jīng)過填海造地的劇烈擾動之后，海積軟土的賦存狀態(tài)迅速地發(fā)生變化，并與環(huán)境達(dá)到一種新的動態(tài)平衡狀態(tài)。

海積軟土具有高含水量、高壓縮性、低抗剪強(qiáng)度的特點。已有學(xué)者對海積軟土的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了研究，并取得了一些成果[10-14]。填海造地工程對海積軟土的賦存環(huán)境造成了極大的擾動，隨著賦存環(huán)境的變化，作為海積軟土力學(xué)性狀之一的抗剪強(qiáng)度也隨之發(fā)生改變，但尚未見到關(guān)于填海作用引起的海積軟土的賦存環(huán)境變化對海積軟土的抗剪強(qiáng)度影響研究的報道。

1 填海場地所取擾動土樣的基本物理性質(zhì)

填海場地所取擾動土樣基本物理性質(zhì)見表1。

采用篩分法和靜水沉降法中的密度計法綜合測定欽州港臨海園區(qū)和防城港企沙工業(yè)園填海場地海積軟土的顆粒級配，密度計法測試試樣中加入分散劑為4%的六偏磷酸鈉，顆粒級配試驗分析結(jié)果如圖1所示。

圖1 欽州港臨海園區(qū)和防城港企沙工業(yè)園顆粒級配累積曲線Fig.1 Cumulative curve of grain size in Qinzhou

欽州港臨海園區(qū)海積軟土樣本中粒徑小于0.075 mm的細(xì)粒土含量達(dá)到80.55%，粒徑小于0.005 mm的粘粒含量達(dá)到43.69%。防城港企沙工業(yè)園海積軟土樣本中粒徑小于0.075 mm的細(xì)粒土含量達(dá)到82.2%，粒徑小于0.005 mm的粘粒含量達(dá)到33.3%。

2 “印記”填海作用下環(huán)境要素變化“痕跡”的人工軟土土樣的制取

2.1 試驗方案

人工軟土土樣賦存環(huán)境要素變化“痕跡”的“印記”通過機(jī)制模擬裝置“一種土的浸泡荷載聯(lián)動裝置[15]”來實現(xiàn)。填海層對海積軟土層的附加荷載應(yīng)力采用80、130、180 kPa共3種荷載等級工況進(jìn)行加載模擬；水力聯(lián)系變化通過“一種土的浸泡荷載聯(lián)動裝置”四周側(cè)壁密布細(xì)孔進(jìn)行模擬；水化學(xué)場變化通過改變浸泡液的化學(xué)組分來進(jìn)行模擬。填海前海積軟土與海水直接相接處，海積軟土孔隙水的游離態(tài)離子化學(xué)組分與海水的游離態(tài)離子化學(xué)組分相同，濃度也一樣。因此，可以用海水的游離態(tài)離子化學(xué)組分及其濃度作為填海前海積軟土孔隙水的游離態(tài)離子化學(xué)組分及其濃度的初始情況。欽州港臨海園區(qū)和防城港企沙工業(yè)園區(qū)填海區(qū)域的海水離子組分見表2。

表2 填海區(qū)海水主要化學(xué)成分Table 2 Chemical composition of seawater in coastal reclamation district

注：游離態(tài)的Fe3+或Fe2+、Al3+離子成分含量接近零。

試驗主要對海水中的Ca2+和Mg2+離子含量對海積軟土性狀的影響進(jìn)行研究。已有研究[16-17]表明，Ca2+和Mg2+的溶解度較大。作為工業(yè)用地，尤其是化工業(yè)用地的填海造地區(qū)域，有可能出現(xiàn)大濃度Ca2+和Mg2+的情況。相對于Ca2+和Mg2+的溶解度，海水中Ca2+和Mg2+的含量很小。在實驗過程中采用較大的級差，即以填海區(qū)的海水中Ca2+和Mg2+的濃度為基準(zhǔn)，以海水中Ca2+和Mg2+濃度的10倍和100倍作為浸泡液。填海區(qū)海積軟土浸泡液方案如表3所示。

表3 填海區(qū)海積軟土浸泡液方案Table 3 Soak liquid of marine soft soil in coastal reclamation district

填海區(qū)浸泡荷載聯(lián)動試驗的加載荷載為80、130、180 kPa共3種工況，浸泡液為表3所示8種工況；浸泡荷載聯(lián)動試驗制備土樣工況組合，欽州為15種工況組合，防城港為9種工況組合，共24種工況組合。

2.2 試驗步驟

浸泡加載過程如圖2所示。

圖2 土樣浸泡加載聯(lián)動試驗Fig.2 The soaking-load experiments of soil

1)容器采用不銹鋼容器，并在不銹鋼的內(nèi)壁刷一層防腐漆。剛性土模采用不銹鋼制造，并在土模上刷一層防腐漆。刷防腐漆是為了防止容器和土模在浸泡液的作用下出現(xiàn)腐蝕。

2)按方案要求配置好相應(yīng)的浸泡溶液。

3)在剛性土模內(nèi)側(cè)壁墊一層透水土工布膜，目的是為了防止軟土在加載的過程中從剛性土模的側(cè)壁細(xì)孔擠出。

4)將填海場地所取擾動土樣裝入剛性土模，將土模置于容器中進(jìn)行初始加載(30 kPa)，倒入準(zhǔn)備好的浸泡溶液，浸泡液須淹沒整個土模。

5)加載過程中同時按要求記錄百分表的讀數(shù)，以監(jiān)測土模內(nèi)土樣的豎向位移變形。

6)待土樣豎向變形穩(wěn)定(穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為豎向變形速率≤0.005 mm/d)后施加下一級荷載，每級荷載為25 kPa，直到最后一級荷載值。加載方案如表4所示。

表4 浸泡荷載聯(lián)動制樣加載方案Table 4 Loading scheme of the soaking-load experiments of soil samples

7)模擬荷載工況為180 kPa完成最后一級荷載加載，在最后一級荷載(180 kPa)作用下豎向變形達(dá)到穩(wěn)定要求之后，再繼續(xù)浸泡15 d，讓浸泡液中的離子與土樣中的離子進(jìn)行充分交換。整個制樣過程約需3個月時間。荷載工況為80 kPa和130 kPa的試樣在完成荷載加載后，在最終的荷載加載作用下持續(xù)浸泡，保持浸泡時間與荷載工況為180 kPa的浸泡荷載聯(lián)動制樣時間相同，都為約3個月。

8)整個制樣過程當(dāng)中，為了彌補(bǔ)蒸發(fā)導(dǎo)致的容器內(nèi)溶液減少，進(jìn)而引起離子成分的濃度變化，每天定時監(jiān)測水位變化，通過補(bǔ)充去離子水平衡蒸發(fā)造成的影響?！耙环N土的浸泡荷載聯(lián)動裝置”還可以進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化，對容器進(jìn)行密封處理可以解決蒸發(fā)問題。由于制造工藝比較復(fù)雜，試驗未對容器進(jìn)行密封處理，而是采用通過定時補(bǔ)充去離子水的方式來解決這個問題。

9)整個制樣過程完成之后，即得到“印記”有不同賦存環(huán)境要素的人工土樣，可用于后續(xù)物理力學(xué)性質(zhì)試驗(抗剪強(qiáng)度、固結(jié)試驗、蠕變試驗、滲透試驗、離子組分的測定等)和細(xì)觀結(jié)構(gòu)試驗(壓汞實驗、掃描電鏡等)，以研究填海作用下環(huán)境要素擾動對物理力學(xué)性質(zhì)和細(xì)觀結(jié)構(gòu)的影響，進(jìn)而基于物理力學(xué)性質(zhì)試驗和細(xì)觀結(jié)構(gòu)試驗數(shù)據(jù)研究填海作用下環(huán)境要素擾動對物理力學(xué)性質(zhì)和細(xì)觀結(jié)構(gòu)影響機(jī)理。

對制得的人工土樣進(jìn)行后續(xù)物理力學(xué)性質(zhì)試驗和細(xì)觀結(jié)構(gòu)試驗的取樣及其編號如圖3?？辜魪?qiáng)度試驗僅為后續(xù)試驗的一部分。

圖3 浸泡荷載聯(lián)動試驗所得人工土樣Fig.3 Soil samples obtained through soaking-load

3 人工土樣的含水率和孔隙比

欽州港臨海園區(qū)和防城港企沙工業(yè)園區(qū)填海場地所取擾動土樣在不同工況條件下通過浸泡荷載聯(lián)動試驗獲得的人工土樣的含水率ω和孔隙比e見表5和表6。

表5 人工土樣含水率Table 5 Moisture content of artificial soft soil samples

表6 人工土樣孔隙比Table 6 The void ratio of artificial soft soil samples

土樣的孔隙比e隨附加荷載應(yīng)力的變化規(guī)律如圖4所示。由圖4可知，在同一浸泡液工況條件下，人工土樣的孔隙比e均隨附加荷載應(yīng)力的增加而減少。其原因是,在附加荷載應(yīng)力的作用下發(fā)生了壓縮變形，從而孔隙比減小。

圖4 人工土樣孔隙比e隨附加荷載應(yīng)力的變化Fig.4 Change of void ratio of artificial soft soil samples along with the additional load stress of coastal reclamation

欽州土樣浸泡荷載聯(lián)動試驗的工況1、工況2和工況3是浸泡液離子組分中的Ca2+離子濃度發(fā)生了變化，其他離子濃度未變；工況1、工況4和工況5是浸泡液離子組分中的Mg2+離子濃度發(fā)生了變化，其他離子濃度未變；防城港土樣浸泡荷載聯(lián)動試驗的工況6、工況7和工況8是的浸泡液離子組分中的Ca2+離子濃度發(fā)生了變化，其他離子濃度未變。人工土樣的孔隙比e隨浸泡液中的Ca2+離子與Mg2+離子濃度的變化規(guī)律如圖5所示。

圖5 人工土樣孔隙比e隨浸泡液離子濃度的變化Fig. 5 Change of void ratio e of artificial soft soil samples along with the ionic concentration of soak

由圖5可知，在附加荷載應(yīng)力相同的情況下，除欽州土樣在180 kPa的情況下外，人工土樣的孔隙比e隨浸泡液Ca2+離子與Mg2+離子濃度的增加略有減少,其原因可能是一部分孔隙由于Ca2+離子與Mg2+離子的沉淀作用形成的膠結(jié)物質(zhì)填充所致。

只有欽州土樣在180 kPa附加荷載應(yīng)力下出現(xiàn)不一致的情況，以Ca2+成分為變化量的浸泡液工況分別為工況1、工況2和工況3，孔隙比分別為0.85、0.94、0.77；以Mg2+成分為變化量的浸泡液工況分別為工況1、工況4和工況5，孔隙比分別為0.85、0.89、0.72。采用“一種土的浸泡荷載聯(lián)動裝置”制樣試驗是采用同一批土樣進(jìn)行平行試驗制樣，存在一定的離散差異性，從數(shù)據(jù)上看，這種差異也較小，由土樣的離散差異性引起的可能性較大。

4 土樣直接剪切快剪試驗及其結(jié)果分析

根據(jù)《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—1999)，采用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀對欽州港臨海園區(qū)和防城港企沙工業(yè)園區(qū)人工土樣進(jìn)行快剪試驗。直剪試樣的直徑為61.8 mm，高為20 mm。欽州和防城港軟土在不同工況條件下，通過浸泡荷載聯(lián)動裝置獲得的人工制備土樣的黏聚力c如表7、圖6和圖7所示。

表7 人工土樣黏聚力Table 7 Cohesive force of artificial soft soil samples

人工制備土樣的黏聚力c隨附加荷載應(yīng)力的變化規(guī)律如圖6所示。

圖6 人工土樣粘聚力c隨附加荷載應(yīng)力的變化Fig.6 Change of cohesive force of artificial soft soil samples along with the additional load stress of coastal reclamation

由表7和圖6可知，在同一浸泡液工況條件下，人工土樣的粘聚力c均隨附加荷載應(yīng)力的增加而增大。粘聚力c增長的原因，是隨著附加荷載應(yīng)力的增加，土樣的壓縮變形進(jìn)一步增加，土樣的孔隙比和含水率進(jìn)一步減少，從而造成粘聚力c進(jìn)一步增大。

欽州土樣浸泡荷載聯(lián)動試驗的工況1、工況2和工況3是浸泡液離子組分中的Ca2+離子濃度發(fā)生了變化，其他離子濃度未變；工況1、工況4和工況5是浸泡液離子組分中的Mg2+離子濃度發(fā)生了變化，其他離子濃度未變；防城港土樣浸泡荷載聯(lián)動試驗的工況6、工況7和工況8是的浸泡液離子組分中的Ca2+離子濃度發(fā)生了變化，其他離子濃度未變。人工土樣的黏聚力c，隨浸泡液中的Ca2+離子與Mg2+離子濃度的變化規(guī)律如圖7所示。

圖7 人工土樣粘聚力c隨浸泡液離子濃度的變化Fig.7 Change of cohesive force of artificial soft soil samples along with the ionic concentration of soak

由圖7可知，在附加荷載應(yīng)力相同的情況下，除欽州土樣在180 kPa情況下，人工土樣的粘聚力c隨浸泡液Ca2+離子與Mg2+離子濃度的增加而增大。推測其原因，可能是一部分孔隙由于Ca2+離子與Mg2+離子的沉淀作用而形成了膠結(jié)物質(zhì)，新增的這一部分膠結(jié)物使得土顆粒之間的膠結(jié)連接加強(qiáng)，進(jìn)而使得土樣的粘聚力c增大。在180 kPa的情況下，欽州土樣出現(xiàn)了例外情況，是加載過程出現(xiàn)了誤差導(dǎo)致，后面的防城港的浸泡加載試驗，注意了這一問題，保證了加載的準(zhǔn)確精度，未出現(xiàn)相應(yīng)的偏差。

由表7數(shù)據(jù)可知，工況2與工況4相比，浸泡液工況2的Ca2+離子變化情況是在海水的基礎(chǔ)上增加到原來的10倍，浸泡液工況4的Mg2+離子變化情況是在海水的基礎(chǔ)上增加到原來的10倍，在荷載相同的情況下，Ca2+離子變化對粘聚力c變化影響均大于Mg2+離子變化對粘聚力c變化影響。工況3與工況5相比，浸泡液工況3的Ca2+離子變化情況是在海水的基礎(chǔ)上增加到原來的100倍，浸泡液工況5的Mg2+離子變化情況是在海水的基礎(chǔ)上增加到原來的100倍，在荷載相同的情況下，也出現(xiàn)了Ca2+離子變化對粘聚力c變化影響均大于Mg2+離子變化對粘聚力c變化影響。僅從地基處理加固的角度來看，如果采用化學(xué)加固的方法，對粘聚力c的影響，Ca2+離子比Mg2+離子的效果要好。

土的內(nèi)摩擦角φ試驗結(jié)果如表8、圖8和圖9所示。

表8 人工土樣內(nèi)摩擦角Table 8 Internal friction angle of artificial soft soil samples

圖8 人工土樣內(nèi)摩擦角φ隨附加荷載應(yīng)力的變化Fig.8 Change of internal friction angle of artificial soft soil samples along with the additional load stress of coastal reclamation

由表8、圖8可知，除工況3在同一浸泡液工況條件下外，人工土樣的內(nèi)摩擦角φ均隨附加荷載應(yīng)力的增加而增大。推測其內(nèi)摩擦角φ增大的原因是，隨著附加荷載應(yīng)力的增加，土樣的壓縮變形進(jìn)一步增加，土樣的孔隙比和含水率進(jìn)一步減少，其內(nèi)摩擦角φ進(jìn)一步增大。

工況3的內(nèi)摩擦角φ值分別為4.7、4.39、4.29，沒有明顯的變小的趨勢，推斷其原因，可能是由于附加荷載應(yīng)力和浸泡液中的Ca2+成分相互耦合影響的關(guān)系，附加荷載應(yīng)力的壓密作用下孔隙比減少(孔隙比分別為0.90、0.83、0.77)，滲透系數(shù)減少，浸泡液中的Ca2+成分對土樣的影響減弱。

人工土樣的內(nèi)摩擦角φ，隨浸泡液中的Ca2+離子與Mg2+離子濃度的變化規(guī)律，如圖9所示。

由圖9可知，在附加荷載應(yīng)力相同的情況下，人工土樣的內(nèi)摩擦角φ隨浸泡液Ca2+離子濃度的增加而略有增大，而隨浸泡液Mg2+離子濃度的增加反而略有減少，其原因尚需進(jìn)一步的實驗探明。僅從地基處理加固的角度來看，如果采用化學(xué)加固的方法，在增加抗剪強(qiáng)度時對內(nèi)摩擦角φ的影響方面，Ca2+離子比Mg2+離子的效果要好。

綜合對比Ca2+離子與Mg2+離子對粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ的影響，在防城港的浸泡實驗過程中未進(jìn)行鎂離子變化影響的浸泡實驗。

5 賦存環(huán)境要素對抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的耦合分析

賦存環(huán)境要素對黏聚力c的耦合分析，如表9所示。

表9 不同環(huán)境要素之間對人工土樣黏聚力c的影響耦合分析表Table 9 Coupling analysis of impact on cohesive force c of artificial soft soil samples among environmental elements

續(xù)表9

由表9可知：

1)填海層附加荷載應(yīng)力與浸泡液離子濃度同時變化對黏聚力c變化的總效應(yīng)并不簡單等于填海層附加荷載應(yīng)力單獨變化引起的效應(yīng)與浸泡液離子濃度單獨變化引起的效應(yīng)之和，總效應(yīng)小于填海層附加荷載應(yīng)力單獨變化引起的效應(yīng)與浸泡液離子濃度單獨變化引起的效應(yīng)之和。

2)環(huán)境要素填海層附加荷載應(yīng)力與浸泡液離子濃度對黏聚力c的影響存在某種相互耦合的關(guān)系。相互耦合的機(jī)理尚不清楚，須進(jìn)一步試驗研究探明。

賦存環(huán)境要素對內(nèi)摩擦角φ的耦合分析，如表10所示。

表10 不同環(huán)境要素之間對人工土樣的內(nèi)摩擦角的影響的耦合分析表Table 10 Coupling analysis of impact on internal friction angle of artificial soft soil samples among environmental elements

由表10可知：填海層附加荷載應(yīng)力與浸泡液離子濃度同時變化，對內(nèi)摩擦角φ變化的總效應(yīng)，并沒有出現(xiàn)一致大于或者小于填海層附加荷載應(yīng)力單獨變化引起的效應(yīng)與浸泡液離子濃度單獨變化引起的效應(yīng)之和的現(xiàn)象，由此初步推測，這兩種環(huán)境要素對土樣的內(nèi)摩擦角的影響相互之間的影響較弱，對內(nèi)摩擦角φ的耦合效應(yīng)較小，其試驗結(jié)果主要受試驗精度控制。

6 填海作用下環(huán)境要素變化對海積軟土抗剪強(qiáng)度影響的機(jī)理

海積軟土的賦存環(huán)境在填海作用下將發(fā)生變化，由室內(nèi)模擬試驗結(jié)果可知，土樣的抗剪強(qiáng)度受到賦存環(huán)境要素變化的影響。當(dāng)附加荷載應(yīng)力(填海場地由填海層的自重荷載引起的應(yīng)力)增大時，土樣發(fā)生壓縮變形，孔隙比減小，土樣的抗剪強(qiáng)度增大，粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ都隨之增大。當(dāng)浸泡液的離子組分(填海場地海積軟土的孔隙液化學(xué)組分)發(fā)生變化時，不同的離子組分發(fā)生變化，對軟土抗剪強(qiáng)度的效應(yīng)有所不同，根據(jù)改變浸泡液中的Ca2+離子和Mg2+離子濃度的實驗結(jié)果對比分析可知，Ca2+離子和Mg2+離子的濃度增大過程中，土樣的膠結(jié)連接增強(qiáng)，粘聚力c增大，但Ca2+離子對抗剪強(qiáng)度的影響大于Mg2+離子的影響。

對抗剪強(qiáng)度的影響，賦存環(huán)境要素之間存在相互耦合作用。基于室內(nèi)試驗?zāi)M結(jié)果來看，附加荷載應(yīng)力與浸泡液的離子組分之間對粘聚力c的相互影響作用較大，對內(nèi)摩擦角φ的相互影響作用較小。

7 結(jié)論

以欽州港臨海園區(qū)和防城港企沙工業(yè)園填海場地海積軟土為研究對象，分析了填海造地對填海場地海積軟土賦存環(huán)境變化的影響，采用“一種土的浸泡荷載聯(lián)動裝置”對填海場地在填海層附加荷載應(yīng)力與海積軟土孔隙水化學(xué)組分發(fā)生變化時進(jìn)行了人工模擬制樣，并對“印記”了賦存環(huán)境要素的人工軟土樣品進(jìn)行了抗剪強(qiáng)度室內(nèi)土工試驗。

1)填海造地對填海場地海積軟土的賦存環(huán)境變化產(chǎn)生影響，從巖土工程地質(zhì)的角度，主要有填海層對海積軟土層的附加荷載應(yīng)力、水力聯(lián)系變化、水化學(xué)場變化三大賦存環(huán)境要素變化。

2)填海層對海積軟土層的附加荷載應(yīng)力、水力聯(lián)系變化、水化學(xué)場變化三大賦存環(huán)境要素，可采用“一種土的浸泡荷載聯(lián)動裝置”進(jìn)行模擬。

3)隨著填海層附加荷載應(yīng)力的增大，人工軟土樣的粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ隨之增大；隨著浸泡液不同的離子成分濃度變化，對人工軟土樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)影響效果不一。試驗結(jié)果顯示，隨著離子濃度的增加，Ca2+比Mg2+對抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響大。

4)填海層附加荷載應(yīng)力與浸泡液離子組分雙因素同時作用下，對土樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)存在相互耦合效應(yīng)，其耦合效應(yīng)對黏聚力c影響明顯，對內(nèi)摩擦角φ影響較小。