不同硫酸钠含量条件下吹填超软土的力学特性试验研究

雷华阳，屠慈科，王 磊，李宸元

不同硫酸钠含量条件下吹填超软土的力学特性试验研究

雷华阳1, 2，屠慈科1，王 磊1，李宸元1

(1. 天津大学建筑工程学院，天津 300354；2. 滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室(天津大学)，天津 300354)

吹填土中所含的丰富的可溶盐对其物理力学特性有着极大的影响．通过配置不同硫酸钠掺量的含盐吹填土试样，研究了可溶盐含量对吹填土强度及变形特性的影响，并利用SEM电镜扫描试验分析了吹填土微观结构特征的变化规律，从微观角度分析了其宏观力学特性的变化机理．研究结果表明：由于钠离子作用，土颗粒吸附水膜的厚度不断增大，粒间吸引团聚作用减弱，吹填土试样内部孔隙增大，结构更加疏松，宏观上表现为强度不断减小(最大降低幅度达44.1%)，压缩性相应增大；随着含盐量的不断增加，由于硫酸钠的结晶及相关离子反应导致硫酸钙的生成，吹填土试样内部胶结作用有所增强，强度会出现约29.6%的增长，压缩性相应减小．而当含水量增大时，钠离子对土颗粒团聚作用的影响以及硫酸钠的结晶作用被弱化，硫酸钙对吹填土的增强作用对其力学特性有更显著的影响．试样内部开始有明显的粒间胶结物生成，粒间孔隙减小，颗粒团聚，形成了较明显的团粒结构，土骨架效应显著，宏观上呈现出抗剪强度不断增大(最大增幅约335.5%)、压缩性不断减小的变化特点．吹填土试样在可溶盐环境下的应力-应变关系呈现应变硬化特征．

吹填超软土；含盐量；力学特性；微观结构

近年来土地资源紧张问题已经成为制约我国沿海各城市发展的重要瓶颈，如何有效进行土地资源扩张愈来愈受到城市建设者们的重视．与此同时，吹填造陆作为一种可以充分利用海岸资源又成熟高效的技术为解决此问题提供了新的思路[1-4]．吹填土是由河口、航道以及浅海底泥经水力吹填形成的特殊沉积土，其内部含盐量较为丰富[5]，大量的可溶盐在水的作用下会以离子形式存在于土中，并与土颗粒发生复杂的水化学反应，进而在一定程度上影响着吹填土的物理力学特性[6]．国内外学者针对盐环境对土体物理力学性质的影响已开展了大量研究．Wahid等[7-8]在经过大量的试验后发现盐环境对高岭土的物理力学特性影响较小．Arasan等[9]研究了4种不同的盐溶液对低塑性和高塑性黏土的液塑限的影响，结果表明随着孔隙溶液浓度的增加，低塑性黏土的液限和塑限均随之增加，而高塑性黏土的液限相应减小，塑限则呈现先减小后增大的变化趋势．Moore等[10]在研究滨海黏土滑坡时发现滑坡的活动特性与地下水化学成分的波动情况存在一定的联系，通过室内试验进一步发现孔隙水中的离子浓度高低直接影响土体的残余强度，进而影响土坡的稳定性．Ajmera等[11]配置了蒙脱石、高岭石和石英掺量不同的几种土样，并对比了孔隙液体分别为NaCl溶液和蒸馏水时几种土样的完全软化强度，试验结果表明孔隙液体中NaCl的存在可以在一定程度上提高土样的完全软化强度．付江涛等[12]通过室内直接剪切试验研究含盐量对硫酸盐盐渍土抗剪强度的影响规律时发现土体的抗剪强度参数随含盐量的增加表现出先减小后增加的变化特征．陈炜韬等[13]在试验中也发现了相似的变化规律，并在试验基础上进一步分析了含盐量和含水量对盐渍土抗剪强度影响的内在机理．梁健伟等[14]也对不同孔隙液离子浓度的人工土进行了直剪试验，试验结果表明膨润土的抗剪强度随孔隙溶液浓度的提高呈快速增长的趋势，混合土试样的抗剪强度的增长速度减缓而趋于稳定，石英试样的强度则基本不变．此外，欧孝夺等[15]还对孔隙液体的种类、浓度以及热力作用等因素对黏土抗剪强度的影响进行了探究．

综上，已有大量学者在关于盐性环境对土体物理力学性质影响方面进行了研究，并取得了显著的进展，但是现有研究大都针对成土时间较长的含盐土，对于吹填土这类成土时间较短、结构较不稳定的特殊沉积土的相关研究则鲜有文献提及．同时，由于吹填土一般是由浅海底泥经人工吹填形成，其通常经历了长期的海蚀作用而富盐，因此研究可溶盐对吹填土力学特性的影响是十分必要的．

本文以滨海地区新近吹填土为研究对象，采用发射光谱元素分析试验(ICP-OES)测定了吹填土的元素组成情况，利用室内直剪试验、三轴试验和一维固结压缩试验进行了可溶盐环境下吹填土的强度及变形特性的研究，并利用SEM电镜扫描试验探讨了吹填土微观结构特征的变化，从微观角度解释了吹填土在可溶盐环境下宏观力学特性变化的内在机理．

1 试验土样

试验用土取自天津临港工业区内的某处吹填场区，其基本物性参数如表1所示．

表1 试验土样基本物性参数

Tab.1 Main physical properties of dredged fill

土样的ICP元素组成分析结果如图1所示．由图1可以看出，吹填土中含量最高的化学元素为Si，其含量达50.9%．与文献[16]中的正常沉积土对比分析后可以发现，吹填土中的Si和K元素与正常沉积土中的含量基本一致，Al和Fe含量则较正常沉积土相对偏低，但Na、Ca、Mg元素含量则明显高于正常沉积土．

图1 试验土样化学元素含量

2 试样制备及试验方案

吹填土中的可溶盐通常以钠盐为主，并含有大量的Cl1-、SO42-等阴离子，其全盐含量可达到2%～3%．同时，考虑到在吹填土的改性加固过程中常常用到脱硫石膏等硫酸盐类化学掺加剂，因此本文采用硫酸钠作为试验所用可溶盐．此外，实际工程中加固处理以后的吹填土的含水量通常在30%～40%左右，因此本文中选取了30%和35%两个含水量条件，并在不同含水量情况下分别设置了0～6%的含盐量条件．

直剪试验采用ZJ型应变控制式直剪仪(四联剪)，剪切速率设置为1.2mm/min，破坏剪切位移设定为6mm，相应的竖向应力分别为50kPa、100kPa、150kPa、200kPa．

三轴剪切试验采用SLB型应力应变控制式三轴剪切试验仪，剪切形式为不固结不排水剪切试验，围压设置为100kPa，轴向剪切速率设定为0.5mm/ min，以轴向应变达到15%作为试验结束标准．

表2 试验方案

Tab.2 Experimental schemes

注：①含盐量是指Na2SO4质量占干土颗粒质量的百分比；②试验组号按照“含水量-含盐量-试验内容”进行编号，其中A表示含水量为30%的试样，B表示含水量为35%的试样；含盐量根据具体掺量分别编号0～6；试验内容按照直剪试验、三轴剪切试验、固结试验、电镜扫描试验的顺序分别编号1～4．

一维固结压缩试验采用三联杠杆式高压固结仪．试验加荷顺序为：12.5kPa→25kPa→50kPa→100kPa→200kPa→400kPa→800kPa→1600kPa．每级荷载以加载24h为稳定标准．

由于在直剪试验、三轴剪切试验和固结试验中均发现，随着含盐量的增加，当Na2SO4掺量为4%时，含水量为30%和35%的吹填土试样的强度和变形特性均与未掺加Na2SO4的对照组试样有显著不同，因此，选择Na2SO4掺量为4%的试样与未掺加Na2SO4的对照组试样进行电镜扫描试验．所有电镜扫描试验的吹填土试样均未经任何力学试验．

3 试验结果分析

3.1 强度特性

图2为含水量＝30%条件下，吹填土试样在不同竖向应力v下的抗剪强度随硫酸钠掺量变化的曲线．从图中可以发现，不同竖向应力状态下抗剪强度的变化规律大致相同．为便于分析说明抗剪强度与硫酸钠掺量之间的变化关系，本文将抗剪强度取为 4种竖向应力状态下抗剪强度的平均值，并将抗剪强度随硫酸钠掺量的变化大致划分为两个阶段．

(1)阶段Ⅰ：此阶段抗剪强度随硫酸钠掺量的增加而逐渐减小，当硫酸钠掺量达到4%时，抗剪强度达到最小值11.74kPa，与未掺加硫酸钠的对照组A-0-1(抗剪强度为21.01kPa)相比，强度降低了9.27kPa，降幅达44.1%．

(2)阶段Ⅱ：当硫酸钠掺量超过4%时，试样的抗剪强度出现小幅的增长．当硫酸钠掺量为6%时，试样的抗剪强度较4%掺量的增长了3.48kPa，增幅为29.6%．

图2 抗剪强度与硫酸钠掺量关系(ω＝30%)

图3为35%含水量条件下，吹填土试样在不同竖向应力状态下的抗剪强度随硫酸钠掺量变化的曲线．与图2所示的变化规律显著不同，35%含水量条件下，抗剪强度随着硫酸钠掺量的增加近似呈线性增长趋势．试样B-6-1(Na2SO4：6%)的抗剪强度达28.09kPa，较未掺加硫酸钠的对照组B-0-1(抗剪强度为6.45kPa)增加了21.64kPa，增幅为335.5%．

图3 抗剪强度与硫酸钠掺量的关系(ω＝35%)

图4为两种含水量条件下吹填土试样的黏聚力与硫酸钠掺量的关系曲线．从图中可以看出，30%含水量情况下，黏聚力随硫酸钠掺量的变化规律与前文分析的抗剪强度的变化规律类似，同样可以分为两个变化阶段：当硫酸钠掺量不超过4%时，黏聚力随硫酸钠掺量的增加而显著减小，至硫酸钠掺量为4%时，黏聚力达到最小值3.14kPa，较对照组降低7.175kPa，降幅为69.6%；当硫酸钠掺量大于4%后，黏聚力又出现一定程度的增长，6%掺量时的黏聚力比4%掺量时增加2.51kPa，增幅达79.9%．当含水量为35%时，由图4可以看出随硫酸钠掺量的增加，黏聚力大致呈线性增长．经线性拟合后可以发现，硫酸钠掺量每增加1%，黏聚力平均增长约2.54kPa，增长速率较快．当硫酸钠掺量达到6%时，黏聚力较对照组增长15.78kPa，增幅达10倍以上，黏聚力变化较为明显．

图4 黏聚力与硫酸钠掺量的关系

图5为两种含水量条件下吹填土试样的内摩擦角与硫酸钠掺量的关系曲线．从图中可以发现，30%含水量情况下，硫酸钠掺量对内摩擦角的影响与对黏聚力的影响类似．但是相比黏聚力的变化，内摩擦角的波动幅度较小．当硫酸钠掺量为4%时，内摩擦角达到最小值3.9°，与未掺加硫酸钠的对照组A-0-1相比，最大降幅仅为20.4%．当含水量为35%时，其变化规律与黏聚力有所不同．如图5所示，当硫酸钠掺量为1%时，与对照组相比，内摩擦角几乎没有变化．而当硫酸钠掺量继续增加时，内摩擦角开始不断增大.当硫酸钠掺量为1%～6%时，内摩擦角随硫酸钠掺量的增加近似呈线性增长，硫酸钠掺量每增加1%，对应的内摩擦角增长约为0.55°，单位增幅约为22.9%．最终当硫酸钠掺量为6%时，内摩擦角较对照组B-0-1增长约2.7°，增幅为112.5%．

图5 内摩擦角与硫酸钠掺量的关系

综上分析，可以认为在30%含水量条件下，黏聚力的变化是抗剪强度受硫酸钠影响的主要原因，而内摩擦角的影响相对较小；在35%含水量条件下，硫酸钠掺量对黏聚力和内摩擦角均有显著影响，可以认为含水量为35%时，黏聚力和内摩擦角的变化均是导致抗剪强度受硫酸钠掺量影响的重要原因，特别是当硫酸钠掺量较大时，内摩擦角的影响不容忽视．

3.2 应力-应变特性

图6为30%含水量条件下，不同硫酸钠掺量的吹填土试样的应力-应变关系曲线．由图6可以发现，不同硫酸钠掺量的试样的应力-应变曲线发展趋势非常相近，均呈现典型的应变硬化特征：在加载前期，试样的主应力差随轴向应变增长迅速，曲线近似呈线性增长；当轴向应变约为2%时，曲线出现转折，主应力差的增长速率逐渐减小；随后主应力差随轴向应变线性增大直至破坏．鉴于各试样的应力-应变关系均呈应变硬化特征，故以轴向应变为15%时试样的主应力差作为试样的破坏强度．由图6可以看出，当硫酸钠掺量小于等于4%时，随着硫酸钠掺量的增加，试样的破坏强度逐渐减小，且硫酸钠掺量每增加1%，破坏强度平均降低约2.3kPa，平均降幅约为4.8%.当硫酸钠掺量进一步增加至6%时，试样的破坏强度出现一定程度的增长，试样A-6-2的强度较试样A-4-2增长约6.2kPa，增幅为16.2%．这一强度变化规律与直剪试验的结果一致．

图6 不同硫酸钠掺量条件下试样的应力-应变关系曲线(ω＝30%)

图7为35%含水量条件下，不同硫酸钠掺量的吹填土试样的应力-应变关系曲线，可以发现与图6呈相似的应变硬化特征．此外，图7同样反映了与直剪试验一致的强度变化规律，即在该含水量条件下，试样的三轴剪切强度随硫酸钠掺量的增加而持续增长．当硫酸钠掺量为6%时，试样B-6-2的强度较对照组B-0-2增长约19.5kPa，增幅约为63.7%．

图7 不同硫酸钠掺量条件下试样的应力-应变关系曲线(ω＝35%)

3.3 变形特性

图8为30%含水量条件下的-lg曲线．从图中可以看出，不同硫酸钠掺量条件下，试样的压缩曲线发展规律大致相同：①加载前期试样所受竖向固结压力较小，土样仅发生微小的变形，压缩曲线近似为水平直线；②随着竖向固结压力的不断增加，压缩变形发展明显加快，曲线出现转折，斜率逐渐增大；③加载后期压力进一步增大，曲线近似呈线性下降趋势．

此外，如图8所示，在30%含水量条件下，随着硫酸钠掺量的增加，吹填土试样的最终孔隙比变化量先随之增大．当硫酸钠掺量为4%时，试样A-4-3的压缩变形最大，其孔隙比变化量达0.72，与对照组A-0-3(最终孔隙比变化量为0.48)相比，变形增长50%．而当硫酸钠掺量进一步增大至6%后，试样A-6-3的压缩变形开始减小，其孔隙比变化量为0.59．

图8 孔隙比e与lg p关系曲线(ω＝30%)

图9为35%含水量条件下的-lg曲线，各试样压缩曲线的发展规律与图8所示规律相似．同时，由图9可以明显看出，当含水量为35%时，吹填土试样的压缩变形随着硫酸钠掺量的增加而不断减小．当硫酸钠掺量达到6%时，试样B-6-3的孔隙比变化量仅为0.37，压缩变形较对照组B-0-3(孔隙比变化量为0.58)减少约36%．

图9 孔隙比e与lg p关系曲线(ω＝35%)

为进一步说明吹填土压缩特性的变化规律，表3给出了不同硫酸钠掺量条件下两种含水量试样的压缩系数与结构屈服应力．其中，压缩系数采用压力段由1＝100kPa增加到2＝200kPa时的压缩系数1-2；结构屈服应力采用Butterfield的ln(1＋)-lg双对数坐标法[18]进行计算，具体的计算结果见表3．

由表3可以发现，在30%含水量条件下，当硫酸钠掺量小于或等于4%时，压缩系数随硫酸钠掺量的增加而增大；当硫酸钠掺量大于4%时，压缩系数出现一定程度的下降，亦即吹填土的压缩性随硫酸钠掺量的增加先增大然后逐渐减小．当硫酸钠掺量为4%时，吹填土试样的压缩性最大，此时的压缩系数1-2为1.29MPa-1，较对照组A-0-3(压缩系数1-2为0.70MPa-1)增大约84.3%．当含水量为35%时，压缩系数的变化规律与含水量为30%时的情况不同．可以发现在35%含水量条件下，随着硫酸钠掺量的增加，压缩系数逐渐减小，试样的压缩性减小．当硫酸钠掺量为6%时，压缩系数为0.58MPa-1，与对照组B-0-3(压缩系数1-2为0.95)相比减小约38.9%．

此外，表3中试样的结构屈服应力随硫酸钠掺量的变化规律与压缩系数的变化情况相反：当含水量为30%时，试样的结构屈服应力随着硫酸钠掺量的增加而先减小后增大，至硫酸钠掺量为4%(A-4-3)时，结构屈服应力达到最小值48kPa，相比对照组A-0-3减小19kPa，降幅约28.4%．当含水量为35%时，试样的结构屈服应力随着硫酸钠掺量的增加逐渐增大，硫酸钠掺量为6%(B-6-3)时，结构屈服应力为74kPa，较对照组增大27kPa，增幅为57.4%．

表3 吹填土试样的压缩系数和结构屈服应力

Tab.3 Compressive coefficient and structural yield stress of dredged-fill specimens

3.4 微观结构特征分析

3.4.1 定性分析

图10和图11分别为未掺加硫酸钠的对照组试样A-0-4和B-0-4的电镜扫描结果．由图10和图11可以发现，两组不同含水量的对照组试样的土颗粒结构大都呈现片状结构或粒状结构，无明显的颗粒团聚现象，粒间胶结物发育不完全，颗粒间的连接形式以点-边连接和边-边连接为主，颗粒间存在较多的架空结构，土体内未形成结构强度较高的土骨架．

图12、图13分别为两种不同含水量条件下掺加了4%硫酸钠的试样(A-4-4、B-4-4)的电镜扫描结果．对比图10和图12可以发现，30%含水量条件下，试样A-4-4(硫酸钠掺量为4%)的微观结构形态较对照组A-0-4发生了一定的变化：土颗粒集合体呈现絮状结构，颗粒间更加松散，存在较多的架空结构，无明显粒间胶结物发育，未形成显著的团状结构，骨架现象不显著．此外，对比图11和图13则可以发现，35%含水量条件下，试样B-4-4(硫酸钠掺量为4%)的微观结构形态较对照组B-0-4发生了显著的变化：粒间胶结物发育良好，土颗粒在胶结物作用下出现颗粒聚集，形成了强度较高的团粒结构，颗粒间的孔隙逐渐被填充，粒间连接形式开始以面-面连接为主，粒间架空结构明显减少，土体结构强度显著提高.

图10 试样A-0-4(ω＝30%，硫酸钠掺量为0)的电镜扫描结果

图11 试样B-0-4(ω＝35%，硫酸钠掺量为0)的电镜扫描结果

图12 试样A-4-4(ω＝30%，硫酸钠掺量为4%)的电镜扫描结果

图13 试样B-4-4(ω＝35%，硫酸钠掺量为4%)的电镜扫描结果

3.4.2 定量分析

本文采用专业图像分析软件IPP(Image-Pro Plus)对上述电镜扫描结果图像进行了二值化处理，并选取孔隙等效直径和孔隙丰度两个定量化指标，对不同硫酸钠掺量条件下吹填土试样的微观孔隙结构变化特征作了量化分析．

孔隙等效直径是指与孔隙实际面积(可通过IPP软件测得)相等的圆的直径，该指标直接反映了孔隙的大小．图14和图15分别为含水量为30%和35%时，对照组试样与硫酸钠掺量为4%的试样的孔隙等效直径分布比例．由图14可知，当含水量为30%时，未掺加硫酸钠的对照组试样A-0-4的孔隙等效直径主要分布在0.04～0.40mm和0.40～4.00mm范围内.而当掺加4%的硫酸钠后，吹填土试样内部等效直径为0.04～0.40mm的孔隙比例减少约57.5%，等效直径为0.400～4.00mm的孔隙比例则显著增加．这说明当含水量为30%时，随着硫酸钠掺量的增加，吹填土试样内部颗粒团聚作用被削弱，小孔隙逐渐向大孔隙转化，颗粒结构更松散．图15中，当含水量为35%时，随着硫酸钠掺量的增加，试样内部等效直径为0.40～4.00mm的大孔隙比例明显减少，而等效直径为0.04～0.40mm的小孔隙比例显著增加．这表明随着硫酸钠掺量的增加，试样内部颗粒团聚，形成了结构强度较高的团粒结构，大孔隙被不断填充，并发展成为小孔隙．

图14 试样A-0-4和试样A-4-4孔隙等效直径分布比例 (ω＝30%)

图15 试样B-0-4和试样B-4-4孔隙等效直径分布比例 (ω＝35%)

孔隙丰度是指孔隙在测量窗口内的短轴与长轴之比，其值在0～1之间，且值越小说明孔隙形状越趋于长条形，值越大则形状越趋于等轴圆形．图16和图17分别为含水量为30%和35%时，对照组试样与硫酸钠掺量为4%的试样的孔隙丰度分布比例图.如图16所示，当含水量为30%时，未掺加硫酸钠的对照组试样的孔隙丰度主要集中分布在0.2～0.4、0.4～0.6和0.6～0.8范围内，而较少分布在0～0.2及0.8～1.0区间内．由此可见，试样内部以扁圆形的孔隙居多，而长条形和圆形的孔隙数量较少．当硫酸钠掺量为4%时，孔隙丰度在0.4～0.6及0.6～0.8区间内的孔隙比例有所减少，而孔隙丰度在0.2～0.4区间内的孔隙比例则相应增加．这表明随着硫酸钠掺量的增加，吹填土试样内部的孔隙更趋于扁平化发展.这主要是由于此时试样内部团聚作用较弱，未形成明显的团粒结构，因此孔隙更扁平．由图17可以发现，当含水量为35%时，随着硫酸钠掺量的增加，孔隙丰度在0～0.2、0.2～0.4和0.4～0.6范围内的扁平型孔隙比例均明显减小，而孔隙丰度在0.6～0.8及0.8～1.0范围内的近圆形孔隙比例则显著增加．这主要是由于此时随着硫酸钠掺量的增加，粒间胶结物发育，颗粒团聚作用显著，形成了明显的团粒结构，因此粒间孔隙也相应地更趋于圆形化发展．

基于上述对吹填土微观结构的认识，可以从微观化学角度对吹填土在可溶盐环境下力学特性的变化机理作进一步分析．当吹填土中掺加了硫酸钠后，盐在孔隙水作用下溶解、电离，使孔隙溶液中的Na＋含量显著升高，而Na＋水化半径较大，当带负电荷的土颗粒表面吸附了大量Na＋后，土颗粒表面的吸附水膜厚度显著增大[19]．水膜厚度的增大不仅对土颗粒间的摩擦起到润滑作用，同时减小了颗粒间的吸引和团聚作用[12, 20]．因此在30%含水量条件下，随着硫酸钠掺量的增加，吹填土内部孔隙增大，结构更加松散，未见明显的胶结物发育，土颗粒未形成团粒结构，土骨架效应不明显，进而也导致试样在宏观上表现出抗剪强度及结构屈服应力逐渐减小，而压缩性则相应增大的变化特征．

图16 试样A-0-4和试样A-4-4孔隙丰度分布比例(ω＝30%)

图17 试样B-0-4和试样B-4-4孔隙丰度分布比例(ω＝35%)

然而，当硫酸钠掺量不断增加，孔隙溶液逐渐趋于饱和，硫酸钠便开始析出，以晶体的形式赋存于土中．此时，析出的晶体不仅起到类似土骨架的支撑作用，同时还可以对土颗粒起到胶结的作用[12,20]．此外，由ICP分析结果可知，吹填土中Ca2+含量较高.当加入硫酸钠以后，电离出的SO42-将与Ca2+发生如下反应：

反应生成的CaSO4是一种微溶物质，可以增强土颗粒间的胶结作用[21]．因此在30%含水量条件下，当硫酸钠掺量超过4%时，吹填土的抗剪强度、结构屈服应力开始出现增长，土体压缩性逐渐减小．

当试样的含水量为35%时，由于含水量升高，孔隙液体中的阳离子浓度相对较小，相较于含水量为30%的情况，Na＋对土颗粒吸附水膜厚度的影响相对较小．同时，由于土颗粒自身所吸附的水膜厚度本就较大，所以盐溶解对土粒吸附水膜的影响效应被进一步弱化．此外，由于含水量的增大，硫酸钠不易达到饱和而析出．因此反应式(1)生成的CaSO4的胶结作用对吹填土强度特性、变形特性以及微观结构特征有更显著的影响，总体上表现为随着硫酸钠掺量的增加，粒间胶结物充分发育，土颗粒由片状和粒状结构向团状结构发展，形成了强度较高的土骨架，从而导致土体抗剪强度和结构屈服应力增大，压缩性相应 减小．

4 结 论

本文通过直剪试验、三轴试验、一维固结压缩试验系统地分析了吹填土在不同硫酸钠掺量环境下的强度及变形特性，并通过电镜扫描试验，对比了微观结构的变化情况，从微观角度分析了宏观力学特性的变化机理，得到以下结论．

(1) 随着含盐量的不断增加，吹填土试样的抗剪强度呈现先减小后增大的变化趋势，最大降幅为44.1%，压缩性相应呈现先增大后减小的变化特征，最大增幅为84.3%；而当含水量增大时，其抗剪强度则随之不断增大，最大增幅为244.3%，压缩性相应逐渐减小，最大降幅为36.8%．吹填土试样的应力-应变关系均呈现典型的应变硬化特征．

(2) 随着含盐量的不断增加，吹填土试样内部孔隙增大，颗粒更加分散，无明显粒间胶结物产生，未形成明显的团粒结构，土骨架效应不显著；而当含水量增大时，其内部有明显粒间胶结物生成，颗粒团聚作用明显，形成了强度较高的团粒结构，土骨架效应显著．

(3) 硫酸钠对吹填土的力学特性存在两方面的影响：一方面，由于Na+作用导致土颗粒表面吸附水膜的厚度增加，颗粒间的吸引减弱，土颗粒分散，从而使强度降低；另一方面，随着掺量的增加，部分硫酸钠以晶体形式析出，起到类似土骨架的作用，并具有一定的胶结能力，同时Ca2+与SO42-结合生成微溶的CaSO4，也可以起到胶结作用，这均可增强土体强度和抵抗变形的能力．吹填土在不同硫酸钠掺量条件下的强度、变形以及微观结构的变化规律是上述两种效应共同作用的结果．

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Experimental Study on Mechanical Properties of Ultra-Soft Dredged Fill with Different Sodium Sulfate Contents

Lei Huayang1, 2，Tu Cike1，Wang Lei1，Li Chenyuan1

(1. School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300354，China；2. Key Laboratory of Coast Civil Structure Safety of Ministry of Education(Tianjin University)，Tianjin 300354，China)

The abundant soluble salts contained in dredged fill greatly influence its physical and mechanical properties．In this study，we investigated the effect of the soluble salt content on the strength and deformation characteristics of dredged fill by configuring salt-filled dredged fill samples with different sodium sulfate contents．We used scanning electron microscopy to analyze changes in the microstructure of the dredged fill and the change mecha-nism of the macroscopic mechanical properties from the microscopic point of view．The results show that due to the effect of sodium ions，the thickness of the water film absorbed onto soil particles continuously increases，which weakens the agglomeration effect of the particles such that the pores in the dredged fill sample become larger and the structure becomes looser．Macroscopically，the strength continuously reduces(the maximum reduction was 44.1%)，and the compressibility increases accordingly．As the salt content continues to increase，the crystallization of sodium sulfate and the formation of calcium sulfate caused by the reaction of related ions enhance the internal cementation of the dredged fill sample．As a result，its strength increases by about 29.6% and the compressibility decreases accordingly．However，when the water content increases，the effects of the sodium ions on the agglomeration of soil particles and the crystallization of sodium sulfate are weakened，and the enhancement effect of the formation of calcium sulfate has a more significant influence on the mechanical properties of the dredged fill. In our tests，we observed the formation of an obvious intergranular cement in the samples，with smaller intergranular pores，and the agglomeration of particles formed a relatively obvious agglomerate structure．The soil skeleton effect was significant．Macroscopically，the shear strength increased(the maximum increase is about 335.5%)and the compressibility continuously reduced．We can conclude that the stress-strain relationship of dredged fill in a soluble salt environment exhibits strain hardening characteristics．

ultra-soft dredger fill；salt content；mechanical properties；microstructure

TU43

A

0493-2137(2020)07-0685-10

10.11784/tdxbz201905088

2019-05-23；

2019-07-01.

雷华阳（1974—  ），女，博士，教授.

雷华阳，leihuayang74@163.com.

国家自然科学基金资助项目(51578371)；土木工程防灾国家重点实验室开放基金资助项目(SLDRCE17-01)；京津冀合作专项项目(16JCJDJC40000).

Supported by the National Natural Science Foundation of China(No.51578371)，the Open Project of State Key Laboratory of Disaster Reduc-tion in Civil Engineering(No.SLDRCE17-01)，the Beijing-Tianjin-Hebei Special Projects of Cooperation(No.16JCJDJC40000).

(责任编辑：樊素英)