滨海盐渍土的强度特性试验与机理分析

梁健伟,房营光,陈 松

(1.广东省电力设计研究院,广州 510663;2.华南理工大学土木与交通学院,广州 510641;3.华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室,广州 510641)

1 概 述

盐渍土在世界各地均有分布,长期以来,岩土工程界将盐渍土作为一种特殊黏土进行研究,Fookes与 Collis[1]将盐渍土划分为:沼地土、盐湖土、盐沼土和滨海盐沼土。盐渍土的外表面通常具有一层由吸湿性盐构成的外壳,该层外壳在干燥状态下非常坚硬,一旦吸潮会迅速软化失稳。Al-Amoudi[2]经研究发现,盐渍土中的可溶盐如氯化钠的溶解,可明显影响其稳定性。盐渍土地基具有特殊的工程性质,对公路、铁路以及各种建筑物的建设造成多方面的危害[3],主要包括盐渍土浸水后的溶陷性、含硫酸盐地基的盐胀性以及各种可溶盐离子对基础和其他地下设施的腐蚀性。

滨海盐渍土是港湾工程中常见的具有特殊工程特性的一种软土,形成于经常受海潮侵袭、海水浸渍的有强烈蒸发和毛细作用的滨海地区,其最大特点是所含盐的成分与海水一致,都以氯化钠为主;表层土含盐量高一些,下卧土层也含有较高的可溶盐,含盐量分布比较均匀[3]。滨海盐渍土处于特殊的水文地质环境以及具有与内陆性软土不同的特性成因,致使其具有与内陆性软土明显不同的物理力学性质和物理化学性质。国内外许多学者已经对盐渍土的物理力学特性进行了比较全面的研究[4-6],然而对其特殊性质形成的微观机制的研究尚未充分。

本文结合中国交通建设股份有限公司在科威特Bubiyan岛的海港盐渍土软基加固工程开展研究。在工程现场进行了十字板剪切试验,利用采集于现场的土样进行三轴试验、直剪试验和液塑限试验与成分分析、电化学特性等物理化学试验,并将其特殊性质与同样处于滨海地区的广州南沙软土的特性进行比较分析。基于试验结果,从微细观机理角度阐明了可溶盐高含量的科威特盐渍土具有低液塑限、低强度等宏观不良工程特性产生的物理机制,加深了对滨海盐渍土工程特性的认识,对该工程项目施工提供了指导作用。本文的研究成果对其他沿海地区盐渍土地基加固工程也具有重要参考价值。

2 科威特滨海盐渍土的强度特性试验

2.1 土样的基本特性

试验的土样取自科威特 Bubiyan岛北部的一个海港软基处理现场。在实验室内对科威特土样进行了含盐量、液塑限含水量、矿物成分、阳离子交换等试验,主要试验结果列于表1、表2。试验结果表明,科威特土的可溶盐含量高达13.4%～20.9%,成分主要为氯盐,根据我国《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001)的分类标准,属于超氯滨海盐渍土;具有低液塑限,低强度,遇水易失稳崩解等典型盐渍土的不良工程特性;表2中的颗粒表面电荷密度由实测的阳离子交换量与总比表面积换算求出,其中前者采用乙酸铵交换法[7]测得,后者采用乙二醇乙醚吸附法[8]测得。

由表1和表2中主要指标参数和矿物成分分析等试验结果可见,科威特滨海盐渍土的天然含水率在26.3%～41%之间,处于液限含水率附近;液限和塑限含水量分别为31%～42%和19%～24%,较一般三角洲相的沉积软土低;颗粒组成主要为粉粒和粘粒;矿物成分分析表明该土样的黏土矿物含量为35.4%,少于一般沿海地区软土 (黏土矿物 ＞50%)[10];氯离子含量偏高;而颗粒表面电荷密度较低。

表1 科威特滨海盐渍土的主要指标参数及颗粒组成Table 1 Main geotechnical properties and grain size distribution of coastal saline soil from Kuwait

表2 科威特滨海盐渍土的矿物组成及电化学特性测试Table 2 Mineral composition and electrochemical properties of coastal saline soil from Kuwait

2.2 强度特性试验

2.2.1 试验方案及试样的制备

对科威特滨海盐渍土分别进行现场和室内强度特性试验,其中现场试验为十字板剪切试验,室内试验包括三轴试验和直剪试验。对现场的1#和2#钻孔进行十字板剪切试验,1#孔和2#孔的试验深度分别为2.5～22.5 m和2.5～20.5 m,测试的深度间隔为2.0 m。三轴试验的试样为原状土,直径和高度分别为70mm和142mm,试验方法为多级加荷的固结不排水剪切试验,以反压力饱和,分 3级围压先后进行固结和剪切试验,其中试样的剪切应变速率控制在每分钟0.002 5%～0.005 5%;当测力计读数达到稳定或者出现倒退时,测记相应的测力计读数和轴向变形值,关闭电动机并将测力计调零,进入下一级围压下的试验。直剪试验的试样为扰动土,直径和高度分别为61.8mm和20mm,在制备直剪试验的环刀试样时,为分析含盐量以及含水量对盐渍土抗剪强度的影响,配制成含水率为液塑限之间和液限附近的两种环刀样,分别进行 2次试验,第1次试验利用原扰动土进行测试;第2次试验前用淋溶法将土样中的可溶盐反复滤除,以降低可溶盐含量后再进行测试。采用固结快剪法进行直剪试验,剪切速率为0.8mm/min。

2.2.2 试验结果及分析

图1为现场十字板剪切试验的各个深度的抗剪强度与灵敏度。多级加荷的固结不排水剪切试验结果见表3。固结快剪试验结果列于表4,表5为淋溶前后试样的界限含水量变化情况。

科威特滨海盐渍土的现场十字板抗剪强度属于中等范围,灵敏度＜1.5,属于不灵敏土体,说明土体结构性不明显,颗粒间的胶结性不强,致使表观内聚力小。在天然含水量的情况下,可溶盐溶解于水中,颗粒间的可溶盐结晶胶结作用并未发挥出来,只增加了孔隙液的离子浓度,对颗粒的聚集性质产生一定影响;在保持孔隙液性质不变情况下,扰动对表观粘聚力的影响有限,因而灵敏度小。虽然土体颗粒细小(粉粒含量 65.19%～72.34%,粘粒含量24.58%～33.09%),但从三轴试验结果来看,原状盐渍土样具有粘聚力较低而内摩擦角较高的特点,除了1#孔19.0 m深度的试样的粘聚力稍大以外,其余各试样的粘聚力cCU′≈0,内摩擦角φCU′=27°～36°,具有砂土特性。下文分析表明,这一“反常”性质是由于黏土矿物含量少、可溶盐含量高(导致孔隙液离子浓度高)、表面电荷密度低造成的。固结快剪试验结果表明:含盐量与含水量对土样的抗剪强度有明显的影响,淋溶前含水量在液塑限之间的试样(w=20.1%)的粘聚力与内摩擦角稍高于其他试样;淋溶后同样处于液限含水率附近的试样的粘聚力有所提高,内摩擦角则有所降低,在100 k Pa和200 kPa固结压力下的抗剪强度也稍有下降;而淋溶后含水率与淋溶前相近的试样(w≈26%)的粘聚力提高,而内摩擦角则降低。扰动土样的界限含水量也明显受含盐量的影响,表5表明经淋溶滤除大部分可溶盐后土样的液限和塑限含水率均有显著的提高,其提高幅度分别达到了29.4%和48.1%。

表3 科威特滨海盐渍土原状样的三轴试验结果Table 3 Triaxial test results of undisturbed coastal saline soil from Kuwait

表4 淋溶前后滨海盐渍土扰动样的抗剪强度及指标Table 4 Shear strength and parameters of disturbed coastal saline soil before and after eluviations

表5 淋溶前后滨海盐渍土扰动样的液塑限Table 5 Atterberg limits of disturbed coastal saline soil before and after eluviations

图1 科威特滨海盐渍土的现场十字板剪切试验Fig.1 Field vane shear test of coastal saline soil from Kuwait

2.3 广州南沙软土的强度特性对比试验

广州南沙地区位于北江、西江下游的滨海河网区,临近珠江口伶仃洋,为珠江三角洲冲积平原的前沿地带,地层中存在深厚的海陆交互相淤泥层,并受到近海潮位的影响,具有高含水量、高压缩性、低强度和低承载力等主要工程特性。广州南沙虽与科威特 Bubiyan岛同属于滨海地区,但广州南沙雨量充沛而科威特 Bubiyan岛雨量稀少,因而南沙软土样含盐量比科威特土样少得多,以致强度特性也有较大差别。本节采用广州南沙软土样进行试验,为分析可溶含盐量对土体强度特性的影响提供对比。

从广州南沙龙穴岛某超软弱吹填淤泥土软基处理工程现场钻孔取样进行室内试验。该区域是在原有珠江口水域之中淤积的滩涂地基上吹填淤泥、中细砂形成的,其主要物理特性、颗粒组成、矿物成分及电化学特性等参数见表6至表8,表9为部分室内直剪试验结果。上述试验结果为下文对科威特土特性的机理解释和比较分析提供了对比数据。

广州南沙软土与科威特滨海盐渍土相比,可溶盐的含量较低,平均约为0.48%,液限较高,在46.7%～57.1%之间,塑性指数较大,为22.9%～34.7%之间。广州南沙软土的含盐量低而液塑限高,塑性指数大,这一特性与淋溶后科威特盐渍土样含盐量降低,液塑限提高、塑性指数增大的特性变化是一致的。南沙软土扰动样的液性指数为0.602～0.738之间,处于软塑状态;颗粒组成与科威特盐渍土类似,以粉粒和粘粒为主;在矿物成分方面,南沙软土的黏土矿物含量达 68%,明显高于科威特盐渍土;快剪试验的粘聚力为5.4～22.5 kPa,内摩擦较小(1.3°～5.1°),固结快剪的内摩擦角有明显的提高。颗粒表面的电荷密度也对土体的塑限和塑性指数有直接的影响(见下文分析),广州南沙软土颗粒表面电荷密度高于科威特滨海盐渍土,也使其塑限和塑性指数提高。

表6 广州南沙BH6号软土的主要物理特性Table 6 Main geotechnical properties of Nansha soft soil of Guangzhou

表7 广州南沙软土的颗粒组成Table 7 Grain size distribution of Nansha soft soil of Guangzhou

表8 广州南沙软土的矿物组成及电化学特性Table 8 Mineral composition and electrochemical properties of Nansha soft soil of Guangzhou

表9 广州南沙扰动软土的抗剪强度指标Table 9 Shear strength parameters of disturbed Nansha soft soil of Guangzhou

3 滨海盐渍土的强度特性分析

土体强度的变化并不是单纯的力学过程,而是一个与土体的成分、物理化学性质以及所处的环境密切相关的化学-力学过程。以下基于科威特 Bubiyan岛场地滨海盐渍土和广州南沙软土的试验测试结果,从该盐渍土的特殊成因和工程性质形成的微观机制和机理来分析其特殊的强度特性。

3.1 滨海盐渍土的成因分析

科威特滨海盐渍土的低强度、低液塑限等不良工程性质与当地特殊的气候、地理、水文等条件密切相关。该地区属于热带沙漠气候,夏季异常干旱炎热,日间平均气温可达 45℃,而冬季夜间最低温度7.2℃,月平均降水量最高仅25.5mm。在海相环境下,土颗粒在该岛的近岸地区沉积而形成了滨海盐渍土陆地。颗粒分析结果(表1)表明其颗粒组成主要为极细的粉粒和粘粒,有较强的吸附盐的能力,毛细水上升高度大。现场受到每月一次的海潮的规律性侵袭,退潮后经烈日暴晒,海水中的部分盐分因强烈的地面蒸发而析出并累积于土中,在地表形成一层盐壳,因此土中的盐分与海水的基本相同,主要为氯盐。可溶盐的胶结作用使盐壳在干燥状态下非常坚硬,一旦吸潮或浸水,可溶盐迅速溶解,盐壳就会软化崩解,这是导致滨海盐渍土低强度的直接原因。广州南沙软土虽然处于滨海河网区,颗粒组成(表7)也以粉粒和粘粒为主,但降水统计资料[12]表明南沙地区的多年平均降雨量为1 560mm以上,南方多雨的亚热带气候使得海水中的大部分盐分来不及积聚在土中就随着地表径流迁移,实测的可溶盐平均含量仅0.48%,因此南沙软土不具备滨海盐渍土形成的自然条件,使两者在物理力学性质方面存在较大的差异。

3.2 滨海盐渍土的强度特性的机理分析

Gouy-Chapman理论[13]指出,带负电荷的黏土颗粒表面形成的微电场,使颗粒表面吸附而形成具有高粘性的结合水膜。包裹土颗粒的高粘性的结合水膜的厚度在一定程度上表征液限和塑性指数的范围[14],由此而影响土体的物理力学性质,因此引起结合水膜厚度变化的因素,是影响土的宏观物理力学性质的因素。可溶盐等电解质溶解于孔隙水中使孔隙水的离子浓度提高,而使带电颗粒表面吸附的结合水膜厚度变小,液限和塑性指数随之减小。相反,随颗粒表面电荷密度的提高,形成微电场的强度增大,吸附的结合水膜厚度增加,液限和塑性指数提高。下面从土体的可溶盐含量和颗粒表面电荷密度两方面因素,对科威特滨海盐渍土和广州南沙软土的物理力学特性差异行分析。

科威特盐渍土样的含盐量高,使溶解于孔隙水中的离子浓度比一般土的含量高,颗粒表面的结合水膜厚度小,即颗粒吸附的结合水量少,致使颗粒之间的相互运动阻力大,虽然土体颗粒细小,但还是比正常含盐量的土(如淋溶后的科威特盐渍土、广州南沙软土)表现出较大的内摩擦角,以及较低的液塑限和塑性指数。对于正常含盐量的土,孔隙水中的离子浓度较低,而结合水膜厚度较大,颗粒吸附的结合水量增加,颗粒之间的相互运动阻力较小,表现出较小的内摩擦角,以及较高的液塑限和塑性指数。土体的粘聚力与颗粒间的胶结状况有关,在天然含水率情况下,科威特盐渍土中的可溶盐溶解于水中,颗粒间的可溶盐结晶胶结作用还未发挥出来,致使表观内聚力较小。同样,在天然含水率情况下,由于颗粒间的盐结晶胶结不强,扰动前后的表观内聚力变化不大,因而土的灵敏度较小。科威特盐渍土与南沙软土的颗粒组成相似,含水量均接近液限,但两者的强度特性有明显区别,可见含盐量是导致两者强度差异的主要原因之一。

阳离子交换当量表征颗粒表面所带的负电荷密度,不同矿物成分的阳离子交换当量差异较大。颗粒表面电荷密度大,颗粒表面的结合水膜厚度就大,使土体具有较高的液塑限和塑性指数以及较小的内摩擦角。一般而言,黏土矿物等相应的阳离子交换当量通常较大,即强亲水矿物含量越多,液塑限和塑性指数就越高,内摩擦角通常就越小;反之,表现出液塑限和塑性就较低,内摩擦角就较大。南沙软土表现出较高的阳离子交换量、液塑限和塑性指数,以及较小的内摩擦角,这主要是因为其强亲水矿物含量达 68%,接近科威特盐渍土的2倍;而科威特盐渍土样中的强亲水矿物较少,特别是蒙脱石含量较少,非黏土矿物成分较多(＞60%),因而其颗粒表面电荷密度明显较低,将导致较低的液塑限和塑性指数以及较大的内摩擦角。

4 结 论

对科威特 Bubiyan岛场地土样进行了现场和室内试验以及相应的分析,并与广州南沙软土试验作比较,阐明了影响土体强度特性的物理机制,得出以下主要结论:

(1)科威特 Bubiyan岛场地软土属于滨海超氯盐渍土,具有高含盐量、低液塑限、低强度、遇水易软化失稳等盐渍土的典型特性。

(2)科威特滨海盐渍土及其工程特性的形成与当地的水文地质条件密切相关。虽然其颗粒细小,但可溶盐含量高、强亲水矿物含量低,这是使其具有液塑限低、塑性指数小、内摩擦角较大、粘聚力小的“砂性土”特性的物质因素。

(3)含盐量和黏土矿物成分对滨海盐渍土的强度特性有显著的影响,本文从黏土-水-电解质系统的Gouy-Chapman理论对盐渍土的不良工程特性的物理机制作出了合理解释。

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