填海作用对海积软土的抗剪强度影响试验研究

刘汉民，周东，吴恒，焦文灿，王业田

(1.广西大学 土木建筑工程学院；工程防灾与结构安全教育部重点实验室，南宁 530004；2.湖南科技学院 土木与环境工程学院，湖南 永州 425199 )

进入21世纪以来，中国进行了大规模的填海造地工程[1-3]，其中很大一部分成为工业及城市建设用地。钦州港临海园区和防城港企沙工业园填海造地工程形成的陆域就是用来作为工业及城市建设用地，填海区域分布大量的海积软土[4-6]。这类填海造地工程有几个特点：1)填海形成的陆域面积大。钦州湾填海面积截止2011年已达约20 km2[7]，根据钦州市城市总体规划，2008—2025年期间的总围填海工程面积将达到约79 km2。2)填海造陆的速度快。从施工到形成陆域，再到用于工业及城市建设用地的时间较短，钦州港临海园区和防城港企沙工业园填海造地工程由吹砂填海完成，然后进行地基处理[8-9]，之后直接用于相应的工程设施建设。3)填海造地过程中填海层对下伏地层施加的荷载重。随着填海造陆施工工艺技术的成熟，以及对土地使用面积的需求，迫使填海由滩涂逐渐向浅海延伸，填海层的厚度大幅增加，因此，填海层对下伏地层的荷载也大幅增加，其中钦州大榄坪至保税港区铁路支线的吹填工程，吹填深度深达十几米。与海积软土地质形成的自然演变过程相比，填海造地对海积软土赋存环境的扰动极其剧烈。海积软土与其形成的自然地质环境在填海造地之前处于相对稳定的动态平衡状态，经过填海造地的剧烈扰动之后，海积软土的赋存状态迅速地发生变化，并与环境达到一种新的动态平衡状态。

海积软土具有高含水量、高压缩性、低抗剪强度的特点。已有学者对海积软土的抗剪强度进行了研究，并取得了一些成果[10-14]。填海造地工程对海积软土的赋存环境造成了极大的扰动，随着赋存环境的变化，作为海积软土力学性状之一的抗剪强度也随之发生改变，但尚未见到关于填海作用引起的海积软土的赋存环境变化对海积软土的抗剪强度影响研究的报道。

1 填海场地所取扰动土样的基本物理性质

填海场地所取扰动土样基本物理性质见表1。

采用筛分法和静水沉降法中的密度计法综合测定钦州港临海园区和防城港企沙工业园填海场地海积软土的颗粒级配，密度计法测试试样中加入分散剂为4%的六偏磷酸钠，颗粒级配试验分析结果如图1所示。

图1 钦州港临海园区和防城港企沙工业园颗粒级配累积曲线Fig.1 Cumulative curve of grain size in Qinzhou

钦州港临海园区海积软土样本中粒径小于0.075 mm的细粒土含量达到80.55%，粒径小于0.005 mm的粘粒含量达到43.69%。防城港企沙工业园海积软土样本中粒径小于0.075 mm的细粒土含量达到82.2%，粒径小于0.005 mm的粘粒含量达到33.3%。

2 “印记”填海作用下环境要素变化“痕迹”的人工软土土样的制取

2.1 试验方案

人工软土土样赋存环境要素变化“痕迹”的“印记”通过机制模拟装置“一种土的浸泡荷载联动装置[15]”来实现。填海层对海积软土层的附加荷载应力采用80、130、180 kPa共3种荷载等级工况进行加载模拟；水力联系变化通过“一种土的浸泡荷载联动装置”四周侧壁密布细孔进行模拟；水化学场变化通过改变浸泡液的化学组分来进行模拟。填海前海积软土与海水直接相接处，海积软土孔隙水的游离态离子化学组分与海水的游离态离子化学组分相同，浓度也一样。因此，可以用海水的游离态离子化学组分及其浓度作为填海前海积软土孔隙水的游离态离子化学组分及其浓度的初始情况。钦州港临海园区和防城港企沙工业园区填海区域的海水离子组分见表2。

表2 填海区海水主要化学成分Table 2 Chemical composition of seawater in coastal reclamation district

注：游离态的Fe3+或Fe2+、Al3+离子成分含量接近零。

试验主要对海水中的Ca2+和Mg2+离子含量对海积软土性状的影响进行研究。已有研究[16-17]表明，Ca2+和Mg2+的溶解度较大。作为工业用地，尤其是化工业用地的填海造地区域，有可能出现大浓度Ca2+和Mg2+的情况。相对于Ca2+和Mg2+的溶解度，海水中Ca2+和Mg2+的含量很小。在实验过程中采用较大的级差，即以填海区的海水中Ca2+和Mg2+的浓度为基准，以海水中Ca2+和Mg2+浓度的10倍和100倍作为浸泡液。填海区海积软土浸泡液方案如表3所示。

表3 填海区海积软土浸泡液方案Table 3 Soak liquid of marine soft soil in coastal reclamation district

填海区浸泡荷载联动试验的加载荷载为80、130、180 kPa共3种工况，浸泡液为表3所示8种工况；浸泡荷载联动试验制备土样工况组合，钦州为15种工况组合，防城港为9种工况组合，共24种工况组合。

2.2 试验步骤

浸泡加载过程如图2所示。

图2 土样浸泡加载联动试验Fig.2 The soaking-load experiments of soil

1)容器采用不锈钢容器，并在不锈钢的内壁刷一层防腐漆。刚性土模采用不锈钢制造，并在土模上刷一层防腐漆。刷防腐漆是为了防止容器和土模在浸泡液的作用下出现腐蚀。

2)按方案要求配置好相应的浸泡溶液。

3)在刚性土模内侧壁垫一层透水土工布膜，目的是为了防止软土在加载的过程中从刚性土模的侧壁细孔挤出。

4)将填海场地所取扰动土样装入刚性土模，将土模置于容器中进行初始加载(30 kPa)，倒入准备好的浸泡溶液，浸泡液须淹没整个土模。

5)加载过程中同时按要求记录百分表的读数，以监测土模内土样的竖向位移变形。

6)待土样竖向变形稳定(稳定标准为竖向变形速率≤0.005 mm/d)后施加下一级荷载，每级荷载为25 kPa，直到最后一级荷载值。加载方案如表4所示。

表4 浸泡荷载联动制样加载方案Table 4 Loading scheme of the soaking-load experiments of soil samples

7)模拟荷载工况为180 kPa完成最后一级荷载加载，在最后一级荷载(180 kPa)作用下竖向变形达到稳定要求之后，再继续浸泡15 d，让浸泡液中的离子与土样中的离子进行充分交换。整个制样过程约需3个月时间。荷载工况为80 kPa和130 kPa的试样在完成荷载加载后，在最终的荷载加载作用下持续浸泡，保持浸泡时间与荷载工况为180 kPa的浸泡荷载联动制样时间相同，都为约3个月。

8)整个制样过程当中，为了弥补蒸发导致的容器内溶液减少，进而引起离子成分的浓度变化，每天定时监测水位变化，通过补充去离子水平衡蒸发造成的影响。“一种土的浸泡荷载联动装置”还可以进一步进行优化，对容器进行密封处理可以解决蒸发问题。由于制造工艺比较复杂，试验未对容器进行密封处理，而是采用通过定时补充去离子水的方式来解决这个问题。

9)整个制样过程完成之后，即得到“印记”有不同赋存环境要素的人工土样，可用于后续物理力学性质试验(抗剪强度、固结试验、蠕变试验、渗透试验、离子组分的测定等)和细观结构试验(压汞实验、扫描电镜等)，以研究填海作用下环境要素扰动对物理力学性质和细观结构的影响，进而基于物理力学性质试验和细观结构试验数据研究填海作用下环境要素扰动对物理力学性质和细观结构影响机理。

对制得的人工土样进行后续物理力学性质试验和细观结构试验的取样及其编号如图3。抗剪强度试验仅为后续试验的一部分。

图3 浸泡荷载联动试验所得人工土样Fig.3 Soil samples obtained through soaking-load

3 人工土样的含水率和孔隙比

钦州港临海园区和防城港企沙工业园区填海场地所取扰动土样在不同工况条件下通过浸泡荷载联动试验获得的人工土样的含水率ω和孔隙比e见表5和表6。

表5 人工土样含水率Table 5 Moisture content of artificial soft soil samples

表6 人工土样孔隙比Table 6 The void ratio of artificial soft soil samples

土样的孔隙比e随附加荷载应力的变化规律如图4所示。由图4可知，在同一浸泡液工况条件下，人工土样的孔隙比e均随附加荷载应力的增加而减少。其原因是,在附加荷载应力的作用下发生了压缩变形，从而孔隙比减小。

图4 人工土样孔隙比e随附加荷载应力的变化Fig.4 Change of void ratio of artificial soft soil samples along with the additional load stress of coastal reclamation

钦州土样浸泡荷载联动试验的工况1、工况2和工况3是浸泡液离子组分中的Ca2+离子浓度发生了变化，其他离子浓度未变；工况1、工况4和工况5是浸泡液离子组分中的Mg2+离子浓度发生了变化，其他离子浓度未变；防城港土样浸泡荷载联动试验的工况6、工况7和工况8是的浸泡液离子组分中的Ca2+离子浓度发生了变化，其他离子浓度未变。人工土样的孔隙比e随浸泡液中的Ca2+离子与Mg2+离子浓度的变化规律如图5所示。

图5 人工土样孔隙比e随浸泡液离子浓度的变化Fig. 5 Change of void ratio e of artificial soft soil samples along with the ionic concentration of soak

由图5可知，在附加荷载应力相同的情况下，除钦州土样在180 kPa的情况下外，人工土样的孔隙比e随浸泡液Ca2+离子与Mg2+离子浓度的增加略有减少,其原因可能是一部分孔隙由于Ca2+离子与Mg2+离子的沉淀作用形成的胶结物质填充所致。

只有钦州土样在180 kPa附加荷载应力下出现不一致的情况，以Ca2+成分为变化量的浸泡液工况分别为工况1、工况2和工况3，孔隙比分别为0.85、0.94、0.77；以Mg2+成分为变化量的浸泡液工况分别为工况1、工况4和工况5，孔隙比分别为0.85、0.89、0.72。采用“一种土的浸泡荷载联动装置”制样试验是采用同一批土样进行平行试验制样，存在一定的离散差异性，从数据上看，这种差异也较小，由土样的离散差异性引起的可能性较大。

4 土样直接剪切快剪试验及其结果分析

根据《土工试验方法标准》(GB/T 50123—1999)，采用南京土壤仪器厂生产的ZJ型应变控制式直剪仪对钦州港临海园区和防城港企沙工业园区人工土样进行快剪试验。直剪试样的直径为61.8 mm，高为20 mm。钦州和防城港软土在不同工况条件下，通过浸泡荷载联动装置获得的人工制备土样的黏聚力c如表7、图6和图7所示。

表7 人工土样黏聚力Table 7 Cohesive force of artificial soft soil samples

人工制备土样的黏聚力c随附加荷载应力的变化规律如图6所示。

图6 人工土样粘聚力c随附加荷载应力的变化Fig.6 Change of cohesive force of artificial soft soil samples along with the additional load stress of coastal reclamation

由表7和图6可知，在同一浸泡液工况条件下，人工土样的粘聚力c均随附加荷载应力的增加而增大。粘聚力c增长的原因，是随着附加荷载应力的增加，土样的压缩变形进一步增加，土样的孔隙比和含水率进一步减少，从而造成粘聚力c进一步增大。

钦州土样浸泡荷载联动试验的工况1、工况2和工况3是浸泡液离子组分中的Ca2+离子浓度发生了变化，其他离子浓度未变；工况1、工况4和工况5是浸泡液离子组分中的Mg2+离子浓度发生了变化，其他离子浓度未变；防城港土样浸泡荷载联动试验的工况6、工况7和工况8是的浸泡液离子组分中的Ca2+离子浓度发生了变化，其他离子浓度未变。人工土样的黏聚力c，随浸泡液中的Ca2+离子与Mg2+离子浓度的变化规律如图7所示。

图7 人工土样粘聚力c随浸泡液离子浓度的变化Fig.7 Change of cohesive force of artificial soft soil samples along with the ionic concentration of soak

由图7可知，在附加荷载应力相同的情况下，除钦州土样在180 kPa情况下，人工土样的粘聚力c随浸泡液Ca2+离子与Mg2+离子浓度的增加而增大。推测其原因，可能是一部分孔隙由于Ca2+离子与Mg2+离子的沉淀作用而形成了胶结物质，新增的这一部分胶结物使得土颗粒之间的胶结连接加强，进而使得土样的粘聚力c增大。在180 kPa的情况下，钦州土样出现了例外情况，是加载过程出现了误差导致，后面的防城港的浸泡加载试验，注意了这一问题，保证了加载的准确精度，未出现相应的偏差。

由表7数据可知，工况2与工况4相比，浸泡液工况2的Ca2+离子变化情况是在海水的基础上增加到原来的10倍，浸泡液工况4的Mg2+离子变化情况是在海水的基础上增加到原来的10倍，在荷载相同的情况下，Ca2+离子变化对粘聚力c变化影响均大于Mg2+离子变化对粘聚力c变化影响。工况3与工况5相比，浸泡液工况3的Ca2+离子变化情况是在海水的基础上增加到原来的100倍，浸泡液工况5的Mg2+离子变化情况是在海水的基础上增加到原来的100倍，在荷载相同的情况下，也出现了Ca2+离子变化对粘聚力c变化影响均大于Mg2+离子变化对粘聚力c变化影响。仅从地基处理加固的角度来看，如果采用化学加固的方法，对粘聚力c的影响，Ca2+离子比Mg2+离子的效果要好。

土的内摩擦角φ试验结果如表8、图8和图9所示。

表8 人工土样内摩擦角Table 8 Internal friction angle of artificial soft soil samples

图8 人工土样内摩擦角φ随附加荷载应力的变化Fig.8 Change of internal friction angle of artificial soft soil samples along with the additional load stress of coastal reclamation

由表8、图8可知，除工况3在同一浸泡液工况条件下外，人工土样的内摩擦角φ均随附加荷载应力的增加而增大。推测其内摩擦角φ增大的原因是，随着附加荷载应力的增加，土样的压缩变形进一步增加，土样的孔隙比和含水率进一步减少，其内摩擦角φ进一步增大。

工况3的内摩擦角φ值分别为4.7、4.39、4.29，没有明显的变小的趋势，推断其原因，可能是由于附加荷载应力和浸泡液中的Ca2+成分相互耦合影响的关系，附加荷载应力的压密作用下孔隙比减少(孔隙比分别为0.90、0.83、0.77)，渗透系数减少，浸泡液中的Ca2+成分对土样的影响减弱。

人工土样的内摩擦角φ，随浸泡液中的Ca2+离子与Mg2+离子浓度的变化规律，如图9所示。

由图9可知，在附加荷载应力相同的情况下，人工土样的内摩擦角φ随浸泡液Ca2+离子浓度的增加而略有增大，而随浸泡液Mg2+离子浓度的增加反而略有减少，其原因尚需进一步的实验探明。仅从地基处理加固的角度来看，如果采用化学加固的方法，在增加抗剪强度时对内摩擦角φ的影响方面，Ca2+离子比Mg2+离子的效果要好。

综合对比Ca2+离子与Mg2+离子对粘聚力c和内摩擦角φ的影响，在防城港的浸泡实验过程中未进行镁离子变化影响的浸泡实验。

5 赋存环境要素对抗剪强度指标的耦合分析

赋存环境要素对黏聚力c的耦合分析，如表9所示。

表9 不同环境要素之间对人工土样黏聚力c的影响耦合分析表Table 9 Coupling analysis of impact on cohesive force c of artificial soft soil samples among environmental elements

续表9

由表9可知：

1)填海层附加荷载应力与浸泡液离子浓度同时变化对黏聚力c变化的总效应并不简单等于填海层附加荷载应力单独变化引起的效应与浸泡液离子浓度单独变化引起的效应之和，总效应小于填海层附加荷载应力单独变化引起的效应与浸泡液离子浓度单独变化引起的效应之和。

2)环境要素填海层附加荷载应力与浸泡液离子浓度对黏聚力c的影响存在某种相互耦合的关系。相互耦合的机理尚不清楚，须进一步试验研究探明。

赋存环境要素对内摩擦角φ的耦合分析，如表10所示。

表10 不同环境要素之间对人工土样的内摩擦角的影响的耦合分析表Table 10 Coupling analysis of impact on internal friction angle of artificial soft soil samples among environmental elements

由表10可知：填海层附加荷载应力与浸泡液离子浓度同时变化，对内摩擦角φ变化的总效应，并没有出现一致大于或者小于填海层附加荷载应力单独变化引起的效应与浸泡液离子浓度单独变化引起的效应之和的现象，由此初步推测，这两种环境要素对土样的内摩擦角的影响相互之间的影响较弱，对内摩擦角φ的耦合效应较小，其试验结果主要受试验精度控制。

6 填海作用下环境要素变化对海积软土抗剪强度影响的机理

海积软土的赋存环境在填海作用下将发生变化，由室内模拟试验结果可知，土样的抗剪强度受到赋存环境要素变化的影响。当附加荷载应力(填海场地由填海层的自重荷载引起的应力)增大时，土样发生压缩变形，孔隙比减小，土样的抗剪强度增大，粘聚力c和内摩擦角φ都随之增大。当浸泡液的离子组分(填海场地海积软土的孔隙液化学组分)发生变化时，不同的离子组分发生变化，对软土抗剪强度的效应有所不同，根据改变浸泡液中的Ca2+离子和Mg2+离子浓度的实验结果对比分析可知，Ca2+离子和Mg2+离子的浓度增大过程中，土样的胶结连接增强，粘聚力c增大，但Ca2+离子对抗剪强度的影响大于Mg2+离子的影响。

对抗剪强度的影响，赋存环境要素之间存在相互耦合作用。基于室内试验模拟结果来看，附加荷载应力与浸泡液的离子组分之间对粘聚力c的相互影响作用较大，对内摩擦角φ的相互影响作用较小。

7 结论

以钦州港临海园区和防城港企沙工业园填海场地海积软土为研究对象，分析了填海造地对填海场地海积软土赋存环境变化的影响，采用“一种土的浸泡荷载联动装置”对填海场地在填海层附加荷载应力与海积软土孔隙水化学组分发生变化时进行了人工模拟制样，并对“印记”了赋存环境要素的人工软土样品进行了抗剪强度室内土工试验。

1)填海造地对填海场地海积软土的赋存环境变化产生影响，从岩土工程地质的角度，主要有填海层对海积软土层的附加荷载应力、水力联系变化、水化学场变化三大赋存环境要素变化。

2)填海层对海积软土层的附加荷载应力、水力联系变化、水化学场变化三大赋存环境要素，可采用“一种土的浸泡荷载联动装置”进行模拟。

3)随着填海层附加荷载应力的增大，人工软土样的粘聚力c和内摩擦角φ随之增大；随着浸泡液不同的离子成分浓度变化，对人工软土样的抗剪强度指标影响效果不一。试验结果显示，随着离子浓度的增加，Ca2+比Mg2+对抗剪强度指标的影响大。

4)填海层附加荷载应力与浸泡液离子组分双因素同时作用下，对土样的抗剪强度指标存在相互耦合效应，其耦合效应对黏聚力c影响明显，对内摩擦角φ影响较小。