对广州南沙原状软土工程性质的影响*

阙家平，张澄博， 黎嘉熙，衡松

(中山大学地球科学与工程学院，广东 广州 510275)

根据双电层理论，可溶盐离子可通过土颗粒表面的电场作用改变结合水膜的厚度，进而影响土体的工程性质。前人研究已经发现多种离子对于土体工程性质的影响，例如:在研究金属离子K+、Na+、Ca2+、Fe3+以及Mg2+对于土体工程性质的影响时,Cao等[1]发现离子浓度越高，土体渗透性越大；在进行滨海盐渍土的含盐量对粘土强度的影响研究时,梁健伟等[2]发现溶液中的阳离子浓度越高，结合水膜越薄，使得土体抗剪强度提高。Holthusen等[3]发现黏土孔隙液中的K+浓度越高，黏土的抗剪强度越大；周晖等[4]研究了蒸馏水以及不同NaCl浓度溶液对于饱和人工土渗透性的影响，发现:随着离子浓度的提高，土体渗透性显著提高；储诚富等[5]发现土体的压缩系数有随着Zn2+浓度升高而增大的趋势。在研究KCl改良高灵敏土时,Helle等[6]发现:随着含盐量的提高，土体的抗剪强度增大；de Rosa等[7]在进行黏土的化学改良时亦发现，无论是在实验室内，抑或是现场试验，当Na+和K+的浓度越高时，黏土的抗剪强度越大。

1 试样制备及试验方法

1.1 试样的选择

取样点位于广州市南沙区万顷沙镇，取样钻孔属广州地铁18号线地质勘探钻孔，编号分别为CR58、CR59，两钻孔均可见在5～20 m与25～40 m深度存在两层粘性土层。试验土样选取来源于CR58、CR59钻孔上下两层粘性土层，一共4组，分为CR58上、CR58下、CR59上和CR59下。为保证组内样品性质的均一性，每组分别在1 m深度范围内用TST-55型渗透仪的环刀各切样5个，共20个样品。试样的编号依次为58-1至58-10，共10个；59-1至59-10，共10个。其中，序号1-5代表上粘性土层，6-10代表下粘性土层，各组取样深度见表1。

表1 取样深度Table 1 Sampling depth

环刀切样后取剩余样测基本物性指标和矿物组成，结果分别见表2和表3。从表2的数据可以看出，广州南沙地区上下两层粘性土层在含水率以及天然密度的指标上存在明显差异。CR58、CR59钻孔上层粘性土含水率分别为44.64%、42.00%，下层土含水率分别为27.62%、 26.75%，同一钻孔上下两层粘性土含水率的差值分别为17.02%、15.25%，上层土的富水程度明显高于下层土。而CR58、CR59钻孔上层土天然密度分别为1.56、1.61 g/cm3,下层土天然密度分别为1.88、1.87 g/cm3,下层土的天然密度明显大于上层土。在颗粒密度上，上下两层土并无明显区别。

表2 试样基本物性指标Table 2 Basic physical indexes of samples

表3 XRD矿物定量分析结果Table 3 XRD quantitative analysis of minerals w/%

通过计算可知，上下两层土的孔隙比差别明显，CR58、CR59钻孔上层土孔隙比分别为1.37、1.28，下层土孔隙比分别为0.78、0.77，各钻孔上层土的孔隙比比下层土分别大了75.6%和66.2%，结合含水率、天然密度以及孔隙比的差别，可知广州南沙地区下粘性土层的固结程度要明显高于上粘性土层。从表3看，试样的矿物组成主要为石英、伊利石、高岭石、绿泥石等。

1.2 试样制备

1.2.1 试样制备方法 前人研究土的离子效应时，通常采用的是重塑土制样[9-13]，即将土颗粒与一定离子浓度的溶液进行拌合，待击实后放置一段时间[14]，或者自然沉降一段时间[15]，用制成的重塑土进行固结和直剪试验，以研究离子浓度与土体工程性质的关系。本次试验为了更好地贴近工程实际，采用原状土进行试验。以TST-55型渗透仪为主要组件，进水口连接渗入溶液装样袋，出水口连接渗出溶液收集瓶，据此制作了一套试验装置，装置如图1所示。

图1 试验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of experiment equipment

由于TST-55型渗透仪所采用的环刀直径为6.18 cm，与固结剪切试验所用到的环刀直径一致，而其高度为4 cm,是固结剪切试验所用环刀高度的2倍，所以样品在完成制备后，可一分为二，一个作固结试验样，另一个作直剪试验样。

在酸洗液放置好且装置排气后，开始观察渗透仪出水口情况，待出水口有少量液体流出时开始记录时间，并在渗出液体大于20 mL后，对渗出液体利用便携式pH计进行pH测试，采样时间间隔每组内、各组间并不完全一致，这是土样的渗透性不完全一致造成的。

由于选择的渗入溶液是pH=1的HCl溶液，理论上试样在离子交换完全平衡后，渗出溶液pH也应是1，但在实际的整个渗透路径上，考虑HCl溶液的非活塞式渗透，与土样矿物颗粒反应等，当pH渗出≤1.5时，便认为土样的离子交换已完成，酸洗结束。

电解质溶液的溶解性固体总量TDS(total dissolved solids)与电导率在一定范围内显著正相关，根据电导率与TDS的换算关系:当σ<10 mS/cm时,TDS(mg/L)=0.5×σ(μS/cm)。水洗阶段最后得到的渗出溶液电导率均小于10 mS/cm，所以选用电导率来衡量试样中土颗粒表面吸附和孔隙水中的离子总浓度大小。

当水洗阶段结束时，理论上渗出溶液电导率应该与渗入溶液σ一致，但是实际在渗透的整个路径上，由于去离子水与装置组件的接触、渗出溶液在收集过程中与空气的接触，以及H+交换程度无法达到百分之百等原因，当渗出溶液的σ下降到小于0.1 mS/cm(即100 μS/cm)后，便认为土颗粒表面吸附以及孔隙水中的H+已经被完全清洗，水洗阶段结束。

1.3 固结及直剪试验

1.3.1 固结试验 固结试验采用的是全自动气压固结仪，将预处理好的样品从渗透仪环刀中取出一分为二，一份作固结试验样，另一份作直剪试验样。固结试验选择的实验方法为标准固结，垂直荷载加载序列选为50、100、200、400、800 kPa，每一级荷载固结稳定的标准为每2 h的变形量不大于0.01 mm，试样在达到变形稳定之后便自动加载到下一级荷载，待最后一级荷载变形稳定后，试验自动结束，并保存固结试验数据。

1.3.2 直剪试验 直剪试验使用的是ZJ-2型直剪仪，量力环校正系数为1.626 kPa/0.01 mm。CR58上层、CR59上层试样，取样深度在15 m左右，试样原状的上覆荷载可取300 kPa。CR58下层、CR59下层试样，取样深度为29 m左右，试样原状的上覆荷载可取600 kPa。但是由于ZJ-2型直剪仪的最大垂直荷载为400 kPa，所以为了方便比较，统一选择垂直荷载为400 kPa。

2 实验结果分析

2.1 酸洗结果

从图2可知，CR58、CR59上层土酸洗阶段第一次采样得到的初始渗出溶液pH主要集中在5.0～8.31范围内，而CR58、CR59下层土主要集中在4.86～7.87范围内，这样的结果说明采样区上下两黏土层的酸碱环境基本一致。

随着pH=1的HCl溶液不断经由渗透仪底部进入土样，土颗粒表面早先吸附的各种类型阳离子不断地被H+交换到孔隙水中。随着这个过程的进行，试样中的其他类型阳离子会越来越少，渗入溶液中的H+也将会越来越少的被消耗，从而渗出溶液的H+浓度将会越来越高，即是说其pH值变得越来越小；并最终在离子交换达到平衡后，渗出溶液的pH不再下降。

通过渗出溶液的最终pH(表4)可看出，CR58、CR59上层土最终pH主要集中在1.5以下，但CR58-4与CR59-3的最终pH出现了较大异常，这可能是由于土体性质局部不均一性造成的。至于CR58、CR59下层土最终pH也主要集中在1∶5以下。从多个试样的最终pH来看，选择酸洗完成的标准为pH渗出≤1.5是合理的。

表4 土样最终pH值表Table 4 The final pH of samples

2.2 去离子水水洗结果

随着去离子水不断经由渗透仪底部进入土样，土颗粒表面吸附的H+不断进入到孔隙水中，随着过程的进行，试样中的H+将会越来越少，从而渗出溶液中的H+浓度也会越来越低，表现为渗出溶液的电导率会越来越小，并最终在所有土颗粒表面吸附和孔隙水中的H+被清洗完后，渗出溶液的电导率值不再下降(图3)。

图2 土样酸洗结果Fig.2 Result of acid pickling of samples

通过最终电导率值σ最终(表5)可看出，CR58、CR59上层土最终电导率值主要集中在0.1 mS/cm以下，但58-4与59-3的最终值出现了较大异常，一个为0.15 mS/cm，另一个为0.182 mS/cm，这可能是由于土体性质局部不均一性造成的。至于CR58、CR59下层土的最终电导率值也主要集中在0.1 mS/cm以下。从多个试样最终的电导率来看，选择土中H+清洗完成的标准为最终电导率值到0.1 mS/cm以下是合理的。

而且,σ为0.1 mS/cm时，经换算后相当于TDS为50 mg/L，这样的质量浓度相较于下一阶段加入的NH4Cl质量浓度(297、594、891、1 188 mg/L)来说较小，可认为不对最终的试验结果产生决定性影响。

表5 土样最终电导率值Table 5 The final conductivity of samples

图3 去离子水水洗结果Fig.3 Result of deionized water washing

2.4 固结试验结果

表6 土样最终浓度值Table 6 The final ammonium concentration of samples

图渗透结果Fig.4 Result of ammonium permeation

图5 不同土样的固结试验结果Fig.5 Result of consolidation test of samples with different ammonium concentrations

表7 土样压缩系数表Table 7 Compressibility coefficient of samples

表8 800 kPa荷载下土样孔隙比值Table 8 Void ratio of sampeles under 800 kPa load

2.5 直剪试验结果

图6 不同下土抗剪强度Fig.6 Result of direct shear test of samples with different ammonium concentrations

表浓度数分别为0和 400 mg/L的土样的抗剪强度对比Table 9 Contrast of shear strength of samples with 0 mg/L and 400 mg/L ammonium concentration

3 结 论

1)广州南沙地区软土主要为上下两层黏土层，上黏土层的含水率、孔隙比显著大于下黏土层，而天然密度又较小，综合可知广州南沙地区下黏土层的固结程度明显高于上黏土层。