李建合, 劉先林 ， 陳 川， 唐正輝， 匡 波， 李明智

(1.廣西新發(fā)展交通集團有限公司， 廣西 南寧 530029； 2.廣西交通設(shè)計集團有限公司， 廣西 南寧 530029)

0 引言

海相軟土是一種結(jié)構(gòu)性顯著的軟土[1-3]?？紫兑喊l(fā)生變化時，軟土的細觀結(jié)構(gòu)將如何隨之而改變，這對于填海造陸所造就的軟弱下臥層的結(jié)構(gòu)與其強度具有重要的理論價值和工程意義。

近年來，對不同化學(xué)組分下土樣的結(jié)構(gòu)性質(zhì)的改變，國內(nèi)外學(xué)者進行了大量的研究，如WARKENTIN[4]等分析了孔隙液對黏土結(jié)構(gòu)強度的影響機制，提出結(jié)構(gòu)強度只與土顆粒的斥力相關(guān)的概念；LIU[5]等通過改變孔隙液鹽度成分，對膨潤土的力學(xué)性質(zhì)進行了表征ABDULIAUWAD[6-7]等在對伊朗、沙特等國的鹽漬土開展研究的基礎(chǔ)上，提出了一些適宜的地基處理方法；NAEINI[8]等分析了鹽溶液侵入對土體結(jié)構(gòu)強度的影響，發(fā)現(xiàn)孔隙液的濃度大小是強度改變的關(guān)鍵因素；歐孝奪[9]等通過改變孔隙液中的種類和含量，研究熱作用下孔隙液對黏性土結(jié)構(gòu)力學(xué)行為的影響；梁健偉[10]等通過改變鹽溶液濃度觀測雙電層的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)結(jié)合水膜厚度的變化對土體結(jié)構(gòu)強度的影響顯著；吳恒[11-12]等在研究城市地下水環(huán)境改變對土體作用時發(fā)現(xiàn)，土顆粒間聯(lián)結(jié)作用與地下水中的離子成分有關(guān)，影響著土體的結(jié)構(gòu)強度；王洋[13]等研究酸堿水溶液對紅黏土結(jié)構(gòu)強度影響時發(fā)現(xiàn)：酸性水溶液可提高紅黏土的結(jié)構(gòu)強度，而堿性水溶液反之。

縱觀前人研究，盡管很多學(xué)者對孔隙液改變對土體強度的影響做了許多研究，但是仍然存在不少問題亟待解決。如對孔隙液改變對土樣的細觀結(jié)構(gòu)的幾何特征的影響、細觀結(jié)構(gòu)和宏觀力學(xué)性狀之間的關(guān)聯(lián)等研究較少涉及。本文通過配置不同化學(xué)組分的浸泡液，借助壓汞儀、等離子體原子發(fā)射光譜儀和直剪儀，分析孔隙液的改變對土樣孔隙結(jié)構(gòu)的衍化和結(jié)構(gòu)強度的影響。

1 試驗樣品與方法

1.1 試樣制備

本試驗所取土樣為廣西北部灣自然沉積的海相軟土，其主要的物理性質(zhì)指標(biāo)如下：天然含水率W為52.57%，土粒比重Gs為2.7,液限WL為42.5，塑限WP為20,液性指數(shù)IL為1.45,塑性指數(shù)IP為22.5,易溶鹽含量W為1.82%。

將取自廣西北部灣某填海場地的軟土置于不同離子濃度的浸泡液中，在經(jīng)歷一段時間浸泡之后，軟土樣品中的孔隙即充滿浸泡液。對北部灣地區(qū)海水化學(xué)組分的分析可知，該地區(qū)海水中的主要化學(xué)組分有鈣、鎂離子，海水的主要離子成分如下：Na+為5 284.5 mg /L,Ca2+為235 mg /L,Mg2+為235.6 mg /L，無Al3+和Fe2+,pH為7.67。試驗樣品制備裝置如圖1所示。

圖1 “浸泡-加載”聯(lián)動裝置

本次試驗研究針對孔隙液中鈣離子、鎂離子的濃度與其變化，為此，浸泡液化學(xué)組分的配置設(shè)計方案為：

以北部灣海域海水中具有的Ca2+和Mg2+的質(zhì)量濃度為基準(海水溶液中Ca2+和Mg2+的質(zhì)量濃度約為0.025%)，在此水平上配置5種浸泡液，共20組試驗。即：浸泡液S1：Ca2+和Mg2+0.025%海水；浸泡液S2：0.25%Ca2+海水；浸泡液S3：2.5%Ca2+海水；浸泡液S4：0.25Mg2+海水；浸泡液S5：2.5%Mg2+海水。

1.2 離子濃度測試方法與原理

采用美國鉑金埃爾默儀器公司生產(chǎn)的5300DV型電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀(ICP-AES或ICPS)分析化學(xué)成分，其主要參數(shù)如表1所示。離子含量的測定如圖2所示。

表1 測試用各元素波長與結(jié)果相關(guān)系數(shù)Table 1 Wavelength of each element for test and correla-tion coefficient of results離子種類波長/nm相關(guān)系數(shù)Ca317.9930.999 491Mg285.2130.999 962K766.4900.999 539Na589.5920.999 854Fe238.2040.999 977Mn257.6100.999 998

1.3 壓汞實驗儀器與原理

壓汞實驗儀器采用美國麥克公司生產(chǎn)的AutoPore9500型全自動壓汞儀。圓柱形孔隙注入液體時所需要的壓力大小，依據(jù)Washburn[14]公式：

(1)

式中：P為所需壓力；σ為導(dǎo)入液體的表面張力，本試驗取485 dynes /cm；θ為導(dǎo)入液體與固體材料的接觸角，本試驗取130°；r為圓柱形孔隙的半徑。

將土樣切成0.8 cm3左右的立方狀，放于液氮中進行冷凍，最后將土樣置于-50 ℃狀態(tài)下，對其抽真空24 h左右。將樣品裝入放有干燥劑的薄膜袋、備用。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 離子濃度試驗結(jié)果分析

因無法直接對黏土中的化學(xué)元素進行直接測定，故采用黏土在液體中的浸出量作為評價標(biāo)準。測定的原海積軟土和海水的化學(xué)成分如表2所示。對在上部荷載30 kPa、不同化學(xué)組分的浸泡液作用下，土樣結(jié)構(gòu)性增長過程中，其孔隙液中的游離金屬離子的測定分邊緣和中心2處測定。

表2 原海積軟土和海水主要元素量值Table 2 Background values of marine soft soil and water solution類別測試項目Na+/mg·kg-1 Ca2+/mg·kg-1 Mg2+/mg·kg-1 K+/mg·kg-1 pH原海積軟土3 407.0328.8494.9197.9—原海水5 285235.0235.6—7.67

從表2可以看出，海水溶液中浸泡的樣品，Ca2+、Mg2+的含量小于原海積軟土中的離子含量，說明Ca2+和Mg2+從土樣中向浸泡液中進行擴散，最終和浸泡液達到離子交換平衡；而在不同的Ca2+和Mg2+的海水浸泡液中，土樣中的Ca2+、Mg2+均高于原海相軟土，說明Ca2+、Mg2+由浸泡液向土樣中進行擴散至平衡狀態(tài)；隨著浸泡液中Ca2+、Mg2+濃度的增大，土樣的Ca2+、Mg2+離子浸出值也顯著增大，置換出土樣中的其他離子。土樣在不同浸泡液下的土樣中Ca2+、Mg2+的含量的漸變柱狀圖如圖3、圖4所示。

(a) 樣品準備

圖3 不同浸泡液下土樣中Ca2+的變化柱狀圖

圖4 不同浸泡液下土樣中Mg2+的變化柱狀圖

從圖3、圖4可以看出，隨著浸泡液中Ca2+、Mg2+濃度的增大，Ca2+、Mg2+不斷向土樣中進行運移，其中當(dāng)浸泡液中Ca2+、Mg2+的濃度增大到2.5%時，土樣中的Ca2+、Mg2+的濃度突然迅速增加，分別達到2 759(邊)和6 165 mg /kg，說明此濃度下土樣孔隙液中的離子和浸泡液中的離子交換較為顯著。土樣邊緣處的Ca2+、Mg2+濃度大于中心處，且隨著浸泡液中離子濃度的增加，土樣邊緣處和中心處的離子濃度差距增大，說明土樣中心處的Ca2+、Mg2+與浸泡液中的離子交換程度低于邊緣處。

另結(jié)合表2可以看出，相同濃度的Ca2+、Mg2+浸泡液中，土樣中的Mg2+濃度明顯高于相同部位的Ca2+，表明Mg2+更易于在土樣與浸泡液中進行交換。在0.25%Ca2+的浸泡液下，土樣中的Mg2+的濃度和原海水浸泡液下土樣中的Mg2+濃度大致相同，而2.5%Ca2+的海水浸泡液下，土樣邊緣處的Mg2+的濃度明顯高于原海水浸泡液下土樣中Mg2+的濃度，表明在2.5%Ca2+海水浸泡液中的部分Mg2+又重新進入土樣中，而在0.25%Mg2+、2.5%Mg2+海水浸泡液下，土樣的Ca2+濃度和原海水浸泡液中下土樣中的Ca2+濃度大致相同，表明在Mg2+的浸泡液下，不論浸泡液離子的濃度多大，Ca2+難以進入土樣中，Mg2+的存在對Ca2+的交換有一定的阻礙作用。

2.2 MIP試驗結(jié)果分析

2.2.1孔隙尺度分布

設(shè)定孔隙累積率p(d)如下：

(2)

其中，V(d)為大于d孔的體積，ml/g；Vz為總孔隙體積，ml/g。

如圖5所示，整條曲線呈S型，隨著浸泡液離子濃度的增大，曲線逐漸內(nèi)移，孔隙總體積逐漸減小。

圖5 累積進汞曲線

如圖6所示，隨著浸泡液離子濃度的增大，土樣結(jié)構(gòu)性不斷增長，土樣中的顆粒表現(xiàn)為崩解或聚合的形式去適應(yīng)外界壓力的變化，此時孔隙結(jié)構(gòu)也重新分布，具體表現(xiàn)在孔隙數(shù)量、分布形式和孔隙徑的變化。整條曲線呈折線形狀，說明在一定尺度范圍內(nèi)土體的孔隙具有自相似特征。另外從圖6可以看出，土樣的孔隙含量主要分布于0.1～10 μm區(qū)段。

圖6 孔隙尺度分布曲線

根據(jù)前人的研究[15-17]，并結(jié)合本文的試驗結(jié)果，將土中孔隙分為大孔隙(>10.0 μm)、中孔隙(10.0～1.0 μm)、小孔隙(1.0～0.1 μm)和微孔隙(<0.1 μm)4級，相應(yīng)的孔隙尺度分布見表3。

從表3、圖7中可以看出：孔隙總孔隙體積隨著浸泡液中離子濃度的增大逐漸減小，平均孔徑無一定規(guī)律；在海水浸泡液中，土樣以中孔隙為主，含量高達73%；在0.25%Ca2+海水浸泡液中，大孔隙和中孔隙含量相對減小，小孔隙和微孔隙含量相對增加61%，增加幅度不明顯;當(dāng)浸泡液中的濃度Ca2+增大2.5%時，中孔隙含量急劇減小，小孔隙和微孔隙含量急劇增加，此時土樣中小孔隙和微孔隙占據(jù)主導(dǎo)位置，其含量達到74%，相對增加322%，其中微孔隙含量相對增加尤為顯著，達到790%；在0.25%Mg2+海水浸泡液中，大孔隙和中孔隙逐漸分解或湮滅，小孔隙和微孔隙含量相對增加111%，浸泡液中Mg2+濃度達到2.5%時，小孔隙和微孔隙含量相對增加256%。

圖7 不同浸泡液下土樣平均孔徑的變化柱狀圖

綜上，土樣在不同濃度、不同離子浸泡液下，孔隙結(jié)構(gòu)重新分布，發(fā)展成為與外部環(huán)境相適應(yīng)的結(jié)構(gòu)形態(tài)；Ca2+的浸泡液和Mg2+的浸泡液作用下，土樣孔隙結(jié)構(gòu)的變化表現(xiàn)出較大差異，Ca2+濃度從原海水(0.025%)增大到0.25%時，孔隙結(jié)構(gòu)變化不明顯，浸泡液中Ca2+濃度增大到25%時，小孔隙和微孔隙含量急劇增加，而Mg2+的浸泡液作用下，孔隙結(jié)構(gòu)變化近乎呈線性變化，具有較強的規(guī)律性，此也再次證明了Mg2+相對比Ca2+易于在土樣和浸泡液中交換。

2.2.2孔隙體積密度

孔隙體積密度為某一直徑孔隙的體積百分比含量。峰值強度對應(yīng)的孔徑為臨界孔徑，其是將較大孔隙連通起來的最大孔級，反映了土中孔隙的連通性和曲折性[19]。

表3 不同荷載作用下的孔隙特征參數(shù)Table 3 Distribution of pore of soil samples with different load浸泡液荷載/kPa總孔隙體積(ml·g-1)平均孔徑/μm孔隙尺度分布/%大孔隙d>10 μm中孔隙1 μm

圖8為不同離子、不同濃度浸泡液下，土樣孔隙體積密度的變化總圖，從圖上可以看出，浸泡液和濃度分別為0.25%Ca2+和0.25%Mg2+時，對應(yīng)孔徑1.48 μm處的峰值均減小，但是變化幅度有較大差異，Mg2+較Ca2+對1.48 μm數(shù)量級的孔隙含量影響更大。浸泡液和濃度為2.5% Ca2+和2.5% Mg2+時，對應(yīng)孔徑1.48 μm處的峰值均減小，但量值近乎相同，孔徑為0.73 μm數(shù)量級的孔隙含量增加，但是Ca2+和Mg2+的影響差距較小。

圖8 孔隙體積密度的變化曲線

圖9是不同離子、不同濃度浸泡液下，土樣孔隙的臨界半徑漸變柱狀圖，從圖中可以看出，隨著浸泡液中離子濃度的增大，臨界孔徑呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢；此主要是因為海水浸泡液中，土樣中的Ca2+、Mg2+向外界運移，土中孔隙分布較為雜亂，無一定的規(guī)律性，當(dāng)浸泡液的離子濃度提高到0.25%時，浸泡液中的Ca2+、Mg2+開始向土樣中運移，并形成部分團粒，使土中存在一些較大的團粒間孔隙，當(dāng)浸泡液中的離子濃度繼續(xù)增大到2.5%時，隨著離子交換和團?；饔玫募觿。令w粒的表面積變大，吸附能力增強，使土體結(jié)構(gòu)更加緊密，大、中孔隙轉(zhuǎn)化為小、微孔隙，故此時的臨界孔徑會急劇減小。

圖9 不同浸泡液下土樣臨界孔徑的變化柱狀圖

為了更加清晰地分析Ca2+和Mg2+分別對圖土樣孔隙結(jié)構(gòu)的影響，圖10(a)、圖10(b)依次為Ca2+浸泡液作用下和Mg2+浸泡液作用下，孔隙體積密度的變化曲線。

(a) Ca2+浸泡液

圖10(a)為不同Ca2+濃度的浸泡液下，土樣孔隙體積密度的比較圖，從圖中可以看出，原海水浸泡液下，土樣孔隙體積密度曲線呈單峰分布，峰值孔徑為1.48 μm，屬于中孔隙范圍。當(dāng)浸泡液中Ca2+濃度提高到0.25%時，曲線呈雙峰分布，對應(yīng)孔徑1.48 μm處的峰值減小，但減小幅度不大。當(dāng)浸泡液中Ca2+濃度為2.5%時，曲線呈弱三峰分布，對應(yīng)孔徑1.48 μm的孔隙含量急劇減小，且新的峰值孔徑向左移動到0.75 μm，屬于小孔隙范圍，說明此時的Ca2+濃度對土樣孔隙結(jié)構(gòu)有顯著的影響。

圖10(b)為不同Mg2+濃度的浸泡液下，土樣孔隙體積密度的比較圖。當(dāng)浸泡液中的Mg2+濃度提高到0.25%時，曲線呈單峰分布，對應(yīng)孔徑1.48 μm的峰值減小。當(dāng)浸泡液中Mg2+濃度為2.5%時，曲線呈三峰分布，對應(yīng)孔徑1.48 μm的孔隙含量繼續(xù)減小，但對應(yīng)孔徑0.08和0.8 μm數(shù)量級的孔隙含量增多，屬于微孔隙和小孔隙范圍?？傮w上說，Mg2+濃度對土樣孔隙結(jié)構(gòu)有較大影響，但是隨Mg2+濃度變化，孔隙結(jié)構(gòu)的變化近似線性。

2.3 滲透性隨不同化學(xué)組分的浸泡液的變化規(guī)律

軟土的孔隙特征與其變化規(guī)律對軟土的滲透性影響顯著，制約著軟土滲透性的強弱[20]。

圖11為不同離子、不同濃度浸泡液下，土樣滲透特性的漸變柱狀圖，從圖中可以看出，隨著浸泡液中Ca2+、Mg2+濃度的增大，滲透系數(shù)逐漸降低。此主要是因為海水浸泡液中，土顆粒較分散，顆粒間沒有形成太多接觸，隨著土樣和浸泡液中離子交換的加劇，Ca2+、Mg2+離子以膠結(jié)物的形式填充于孔隙中，根據(jù)雙電層理論[21]，土樣中吸附陽離子后使雙電層厚度變薄，土的結(jié)構(gòu)發(fā)生凝聚，使顆粒更多地團聚化，越來越多的孔隙成為孤立孔隙，孔隙之間的連通性降低，曲折性增加，滲透系數(shù)降低。

圖11 不同浸泡液下土樣滲透系數(shù)的變化柱狀圖

圖12為土樣離子吸附量和滲透系數(shù)的關(guān)系曲線，從圖上可以看出，隨著陽離子吸附量的增加，土樣的滲透系數(shù)逐漸降低。曲線上都存在一個拐點，此拐點前后滲透系數(shù)降低的速度發(fā)生較大變化。Mg2+對土樣滲透系數(shù)的影響比Ca2+的影響大，浸泡液中Ca2+和Mg2+濃度為2.5%時土樣的滲透系數(shù)分別為1.48×10-7、1.12×10-7cm/s。

(a) 鈣離子

2.4 強度隨不同化學(xué)組分的浸泡液的變化規(guī)律

從圖13中可以看出，隨著浸泡液中Ca2+、Mg2+濃度的增大，土樣相應(yīng)的黏聚力逐漸增大。原海水浸泡液中，試樣的孔隙分布較為混亂，孔隙較發(fā)育、大孔隙和中孔隙占據(jù)主導(dǎo)位置，孔隙的連通性較好，從而導(dǎo)致顆粒間的接觸性較差、聯(lián)結(jié)性較低，致使土樣所表現(xiàn)出的黏聚力較小。隨著浸泡液中的Ca2+、Mg2+不斷運移至土樣中，一方面與土樣中的離子發(fā)生離子交換和團?；饔茫珻a2+、Mg2+以膠結(jié)物的形式充填與土孔隙中，土顆粒的表面積增大，吸附能力增強，使較小的土顆粒膠結(jié)成較大的土團粒，較大的土團粒又進一步結(jié)合成土體的團粒結(jié)構(gòu)，此時土顆粒間的連接從接觸連接轉(zhuǎn)變?yōu)橐怨袒B接鍵為主的膠結(jié)連接；另一方面Ca2+、Mg2+會和土樣中的部分無定形或游離的二氧化硅和三氧化二鋁進行化學(xué)反應(yīng)，逐漸生成不溶于水的穩(wěn)定結(jié)晶化合物，這些化合物會使土體的結(jié)構(gòu)更加緊密，結(jié)構(gòu)強度較大。

圖13 不同浸泡液下土樣黏聚力和內(nèi)摩擦角的變化柱狀圖

根據(jù)文獻[22]，浸泡液中含有可以交換的陽離子時，有機質(zhì)會通過陽離子(如Ca2+)附著與黏土礦物表面，使土體生成團聚體，此會促進土體內(nèi)摩擦角的增大。從圖中可以看出含Ca2+、Mg2+濃度的浸泡液中，摩擦角隨著濃度的增大而增大，此主要是因為黏聚作用使得土顆粒變大和顆粒間的化學(xué)引力變大，使得土樣在剪切過程中，顆粒間的咬合力較大，而表現(xiàn)出較大的摩擦角。另根據(jù)雙電層理論[21]，孔隙液中的離子濃度增加時，雙電層厚度變薄，致使擴散層中的弱結(jié)合水減小，潤滑效果降低，內(nèi)摩擦角增大。

圖14直觀地表達了離子吸附量和強度指標(biāo)之間的關(guān)系，從圖中可以看出，曲線近似呈線性變化，黏聚力和內(nèi)摩擦角隨著鈣、鎂離子吸附量的增加而增大。如鈣離子吸附量隨強度指標(biāo)的變化曲線中，黏聚力從5.3 kPa增大到6.03 kPa，最后增大到10.07 kPa，內(nèi)摩擦角從2.04°增大到2.21°，最后增大到5.29°。整體來說，吸附陽離子后，內(nèi)摩擦角增長幅度不大，而黏聚力卻增長較快，表明陽離子吸附對黏聚力的影響明顯大于對內(nèi)摩擦角的影響。

(a) 鈣離子

3 試驗結(jié)果分析

a.原海水浸泡液中，土樣中的Ca2+、Mg2+向浸泡液中運移，隨著浸泡液中離子濃度的提高，Ca2+、Mg2+和土樣中的其他離子發(fā)生離子交換而轉(zhuǎn)移到土樣中；土樣中心處與浸泡液發(fā)生相互作用的程度低于邊緣處；在Mg2+濃度的浸泡液中，不論濃度多大，Ca2+很難進入土樣中，即Mg2+的存在對Ca2+進入土體有一定的阻礙作用。

b.隨著浸泡液中Ca2+、Mg2+濃度的增大，土樣孔隙結(jié)構(gòu)重新分布，大、中孔隙逐漸裂解成小、微孔隙；不同濃度的Ca2+浸泡液下，土樣孔隙結(jié)構(gòu)特征變化出現(xiàn)較大差異，從海水到0.25%Ca2+濃度浸泡液，土樣孔隙結(jié)構(gòu)特征變化較小，浸泡液濃度變?yōu)?.5%時，孔隙結(jié)構(gòu)特征發(fā)生突變；不同濃度的Mg2+浸泡液，孔隙結(jié)構(gòu)特征的變化較為平穩(wěn)。

c.孔隙體積密度函數(shù)呈單峰態(tài)，隨著浸泡液中Ca2+、Mg2+濃度的增大，單峰態(tài)向雙峰態(tài)、弱三峰態(tài)漸變，峰值所對應(yīng)的孔徑逐漸減小，小、微孔隙的含量逐漸增多。

d.隨著浸泡液中Ca2+、Mg2+濃度的增大，致使土樣中吸附的陽離子含量的增多，滲透性逐漸降低，但并非是線性變化，而是存在一轉(zhuǎn)折點，Mg2+對土樣滲透系數(shù)的影響大于Ca2+的影響。

e.隨著浸泡液中Ca2+、Mg2+濃度的增大，Ca2+、Mg2+運移至土樣中，一方面以膠結(jié)物的形式填充于孔隙中，使土顆粒的比表面積增大，吸附能力增加，土顆粒逐漸由接觸連接轉(zhuǎn)變?yōu)槟z結(jié)連接，形成固化連接鍵，另一方面與游離的二氧化硅和三氧化二鋁作用形成穩(wěn)定結(jié)晶化合物，使土體結(jié)構(gòu)更加緊密，故黏聚力逐漸增大；隨著陽離子的進入，土樣的雙電層厚度變薄，擴散層中的弱結(jié)合水變少，使內(nèi)摩擦角也不斷增大。Ca2+、Mg2+對黏聚力的影響大于對內(nèi)摩擦角的影響。

由上述系列試驗的結(jié)果表明，孔隙液的化學(xué)組分對孔隙形態(tài)、孔隙空間大小能夠產(chǎn)生顯著的影響，進而影響到軟土的物理力學(xué)性狀與水理性狀。