连云港滨海地区沉积物含盐特征及其对工程基础的影响*

苟富刚 陆徐荣 龚绪龙 杨露梅 刘明遥

(江苏省地质调查研究院,自然资源部地裂缝地质灾害重点试验室,南京 210049,中国)

0 引 言

本文研究区主要位于连云港滨海地区,根据实际调访,土壤盐渍化较为严重,特别是近海区域,受海潮影响,港口建筑基础受到了强烈腐蚀,严重制约了城市的高质量发展(夏文俊等,2011)。盐渍土按化学成分分为氯盐渍土、亚氯盐渍土、亚硫酸盐渍土、硫酸盐渍土及碱性盐渍土。土壤盐渍化受多种因素影响,研究区土体盐渍化主要受海水入侵的影响,盐土类型主要为氯盐渍土。海水入侵受多种因素影响,比如说河势、风应力、海平面上升和人类活动等(Li et al.,2014; 张二凤等,2014)。王慧等(2011)的研究表明近31年(1980年～2010年)中国近海冬季海平面平均上升速率为3.1mm·a-1。海水入侵后,水土易盐化,土壤盐渍化已经演化为一个生态问题(李攻科等,2016)。全球范围内盐渍土面积达到了10×108hm,分布在100多个国家和地区(Ghassemi et al.,1995)。盐渍土在我国分布广泛,盐渍土总面积约为3.6×105km2,占全国可利用土地面积的4.88%(王遵亲等,1993)。我国现阶段滨海盐碱地面积约1500万亩具有改良利用的潜力(赵其国等,2020)。滨海相盐渍土(氯盐渍土)主要分布在我国长江以北的广大滨海平原,其学术关注度和传播度大于其他类型盐渍土,在2008达到顶峰,这与社会需求和国家政策有关。

目前还没有对研究区各土层含盐特征进行系统分析的相关研究。一般工程勘察仅研究潜水位以上土体,研究深度仅为1m左右,个别达到了5m(葛云等,2012)。研究区浅部土层黏粒含量高,约占土体50%(苟富刚等,2018a),渗透系数为10-7～10-8cm·s-1,为弱透水层。该层是下伏含水层的天然保护屏障,该类型土层已被用来研究污染物的迁移转化(Racchetti et al.,2010)。Ge et al.(2017)通过分析土体孔隙水中的主要离子的变化特征进行水化学演变以及沉积环境分析。蔡国军等(2008)基于电阻率静力触探进行了海相软土地质成因分析,进行了土体离子化学分析,离子组成较为单一,为NaCl型盐土,土体孔隙液呈碱性。海水浸渍是滨海相盐渍土形成的一个最主要的原因,土体含盐特征与海水含盐特征基本一致。苟富刚等(2018b)通过的水土进行耦合分析,研究对像为含水砂层及其孔隙水,得出了水土体含盐指标呈线性正相关。滨海盐渍土盐分以NaCl占绝对优势,具有溶陷性和腐蚀性等工程性质。连云港地区土体随着氯盐的增加,土体强度降低且破坏应变增加(范礼彬等,2012)。魏丽等(2018)评价了SH固化剂对滨海盐土的固化作用。盐渍土中的氯离子对混凝土中的钢筋腐蚀最为显著(Vu et al.,2000; 中华人民共和国国家标准编写组,2009; 李超等,2014; Li et al.,2016)。近些年来,港口地区(连云港杂货一、二码头、宁波北仑港矿石码头)出现了氯盐侵蚀诱发构造物裂缝现象(夏文俊等,2011)。裂缝出现时间约4～10a,远低于码头设计使用年限(50a)。

本次采集样品深度最大值为80m,采集616件土样易溶盐样品,通过样品测试结果进行土体含盐特征、沉积环境以及其对工程基础的影响分析。

1 地质背景

研究区位于连云港东部沿海一带,隶属苏鲁造山带地层分区(吴燕开等,2004)。苏鲁造山带位于淮阴-响水断裂以北西,其是一个长期隆起剥蚀区,从震旦纪至三叠纪均为古陆(图1)。中生代以来以岩浆侵入和块断作用为其特色(顾家伟,2015)。大部分地区被第四纪地层所深覆盖。地面标高一般为2～3m。本文研究土体为中更新世以来的沉积物。根据沉积时代土层可以概化为7个层组; 再根据岩性,进一步再细分为16层(表1,图2)。

表1 地层划分表

图2 工程地质剖面图

土层自下而上,更新统分布12个土层,小腰庄组Qp2χ2包含8-1和8-2两个土层(陆相地层)。灌南组下段Qp3g1为海侵地层,地层代号为7-1和7-2。灌南组上段分别3个小段,分别为Qp3g2-1、Qp3g2-2、Qp3g2-3。Qp3g2-1包含两个土层,分别为6-1和6-2层,为陆相沉积物。Qp3g2-2包含2个土层,分别为5-1层和5-2层,为海相沉积物。Qp3g2-3包含4个土层,为2个陆相沉积旋回,分别为4-1、4-2、4-3和4-4。

全新统分布4个土层,为海相沉积层,Qhy2分布3个土层,分别为3-1、3-1A、3-1B,Qhy3分布1个土层,代号为2-1层。填土为1-1层。

2 样品采集及分析方法

采集样品共616件,采样位置见图1。采样深度为0～80m,垂向上采样间距1～3m。对所采土样进行全盐量、易溶盐8大离子和pH值进行测试。

在对研究区土层按照沉积时代、沉积环境概化的基础上,对16个土层进行单独统计分析。对每一土层进行含盐量、8大离子含量、重要比例系数进行统计分析,统计项目包含最大值、最小值、平均值等。土体含盐的化学成分分类参考GB/T 50942-2014,目前一般采用0.l kg土中阴离子含量的比值作为分类标准。两套标准:一套为氯盐渍土、亚氯盐渍土、亚硫酸盐渍土、硫酸盐渍土判定标准(式1),另一套为碱性盐渍土判定标准(式2)。

(1)

(2)

式中:各离子浓度单位为:每100g土中所含离子毫摩尔数(mmol/0.1kg),其中,C(Cl-)代表氯离子浓度,其他类推。

3 测试结果分析

3.1 各土层含盐特征分析

对研究区80m以浅16个概化土层含盐特征进行系统分析。分析内容包括各层土统计样本个数、含盐量最大值、最小值、平均值、各离子含量平均值(表2)。按式(1)与式(2)进行盐土类型判定。根据盐土类别进行含盐量是否达到盐渍土级别,进行弱盐渍土、中盐渍土、强盐渍土分类(表3)。

表2 土体含盐特征统计表

表3 各土层含盐特征分类统计

图3为典型钻孔揭露的研究区土层含盐特征。根据图3可以看出,随着深度的增加,土体含盐量有着递减的趋势。全新世土层(2-1、3-1)含盐量高,主要为中盐渍土。更新世土层盐渍土类型以弱盐渍土为主。

下面介绍各土层含盐特征。

图4 各土层岩芯照片及微观结构

3.2 土体含盐特征分析

图5 细粒土层含盐量随深度分布特征

图6 粗粒土层含盐量随深度分布特征

更新世土层(4-1层及其以下土层)含盐量较高,除了8-2砂层外,均有弱盐渍土出现,盐渍土最高占比达到了86%。根据表2可知,同一层组的土层,黏性土含盐量一般大于砂土。各土层盐分均以Cl-和Na+含量为主,其中Cl-含量占比最高达到了62.01%,NaCl含量占比最高达到了94.25%。

按照式(1)进行盐土类别类型判定,氯盐盐土类型占绝对优势,各土层均有分布,亚氯盐土类型和亚硫酸盐土类型个别土层有分布,硫酸盐土类型各土层均未见分布。全新世土体均为氯盐与亚氯盐土类型,且以氯盐盐土类型为主,最高达到了100%。更新世土层除了上更新世上段陆相黏性土层(4-1、4-3、6-1)出现了少量亚硫酸盐土类型,其他均为氯盐与亚氯盐土类型,且以氯盐盐土类型为主,其中绝大多数氯盐盐土类型达到了100%。各土层含盐量达到盐渍土的百分占比,见表3。其中全新世土层强盐渍土、中盐渍土、弱盐渍土均有分布,其中中盐渍土分布最为广泛,全新世土体盐渍土合计占比82%。更新世土层未出现强盐渍土和中盐渍土,仅分布非盐渍土和弱盐渍土。仅8-2层砂层含盐量未达到盐渍土。更新世土体含盐量较高,弱盐渍土占比49%(图7)。

图7 不同沉积时代土体含盐特征

按照式(2)进行盐土类别类型判定,碱性盐土类占比不大,最高占比60%。且土体含盐量达到盐渍土级别的样本数量少,最高达到33%。其中8个土层未见碱性盐渍土分布。

4 讨 论

4.1 基于土体盐分的沉积环境分析

研究区第四纪地层沉积受到了5次的海侵影响,80m以浅土层盐分主要受3次海侵控制(吴燕开等,2004)。特别是全新世海侵,海侵范围到达了墩尚镇—灌云县以西,对30m以浅土层盐分起着决定性作用,盐分以NaCl为主(图1)。30m以浅主要为中盐渍土,30m以下为弱盐渍土和非盐渍土(图3)。受第Ⅴ次海侵影响,全新世土层包含4个土层含盐量均很高,3个土层平均含盐量达到了中盐渍土,仅3-1A土层含盐量较低,但土体平均含盐量也达到了弱盐渍土级别,这主要受控于土体沉积时的水动力条件。受第Ⅳ次海侵影响的5-1、5-2土层含盐量均高于其上覆和下伏土层。受第Ⅲ次海侵影响的7-1、7-2土层含盐量均高于其上覆和下伏土层(图8)。

图8 各土层含盐量与沉积环境变化图

海相地层沉积时,当海水与土颗粒接触时,海水中的Na+可以交换土中的Ca2+离子,产生离子交换作用。同时,海相地层沉积时,海水对下伏地层具有侵染作用,使得陆相地层含盐量增加。Na-Ca交换是一种进行得最广泛的阳离子交换。可按式(3)双向反应。SAR是Na-Ca交换的一个重要参数,ESR为土壤交换性钠,可以采用式(4)计算。研究区地表淡水SAR平均值为3.23。根据表4可以看出,研究区各土层ESR值较高,均大于当地地表淡水,ESR最大值103出现在3-1软土层,为当地地表淡水ESR值的32倍(图9,表4)。土体盐分主要为NaCl,盐分最主要来源为海水浸渍,受全新世海侵的影响。

表4 各土层及地表淡水沉积环境分析指标统计

图9 各土层ESR平均值

(3)

(4)

ESR=K·SAR

(5)

式中:γNa单位为meq·L-1,其他指标相同;K为交换平衡常数;SAR为钠吸附比;ESR为土壤交换性钠。

γMg/γCa是一个表示海侵范围和程度的指标,海水中Mg2+含量总高于Ca2+含量高。各土层统计平均值γMg/γCa范围值为0.80～2.67,均大于研究区地表淡水的γMg/γCa值,说明研究区土层不同程度受到海水入侵的影响。各层土γMg/γCa最大值出现在3-1软土层,说明该层土沉积受控于最后一次海侵。

根据16个土层pH统计结果,取每层土的平均值,pH分布范围为7.7～8.7(表1)。整体看来,各层土pH均大于7,为碱性。pH最大值出现在5-2灰色粉砂。浅部土层对农业(一般农作物及草坪根系涉及深度为20cm,灌木根系涉及深度为80cm,乔木根系涉及深度为1.2m)和工程建设影响最大,浅表土层2-1层与3-1层pH值均为8.3,碱性较大。2-1层pH值最大为9.0,3-1层pH值最大为9.2,当pH大于8且小于8.5时,土体改良需施加酸性改良剂。当pH大于8.5时,土体改良需施加钙质改良剂(CJJT 283-2018)。

4.2 土体含盐对工程基础的腐蚀性评价

连云港地下空间开发尚处于初级阶段,利用类型主要有地下综合管廊、地下停车场等,开发深度一般为0～5m,且不超过10m。连云港滨海地区存在浅埋(约2m)厚层海相软土,层厚约15m,采用天然地基易出现工后沉积过大的问题,多层或高层建筑要采用预制桩基础穿越软土层。宜选择密实而稳定的4-2、4-4、4-6、5-2砂层或4-1、4-3硬塑黏性土层作为桩基持力层。以大陆桥国际会议中心为例,软土底板埋深19.4m,对于拟建的3层建筑物,由于荷载较小建议优先考虑采用4-2层粉土夹粉砂(埋深26～28m)作为桩端持力层; 拟建酒店客房7层,优先选择5-2层粉土夹粉砂(埋深36～38m)作为桩端持力层。

根据土体沉积环境分析,土体盐分主要来自海水浸渍和海水入侵,土体盐分主要为NaCl,土体最高的离子含量为Cl-。土中Cl-对工程基础的腐蚀性,主要表现在Cl-对混凝土结构中钢筋的腐蚀性。由于Cl-是一种强腐蚀介质,腐蚀性极强,当Cl-接触到钢筋表面,在氧和水充足的情况下,在钢筋表面形成一个小阳极,形成点腐蚀反应,反应后形成腐蚀坑。根据GB50021-2009进行腐蚀性分类评价,评价结果显示:微腐蚀性占比7%,弱腐蚀性占比5%,中腐蚀性占比46%,强腐蚀性占比42%。强腐蚀性土层主要分布在25m以浅土层,对应土层层号主要为3-1层软土和2-1层黏土(图10)。根据统计结果,土体中Cl-对混凝土结构中钢筋的腐蚀性界限含盐量见表5。

表5 腐蚀性界限含盐量统计表

图10 腐蚀性随深度变化特征

各土层pH均为碱性,由于钢筋混凝土中的水泥能产生一种高碱性物质(氢氧化钙),所以混凝土结构自身呈碱性,评价结果显示土体pH对刚结构腐蚀性均为微腐蚀性。

根据(中华人民共和国国家标准编写组,2009)按土体Mg2+对混凝土结构评价结果,仅1个2-1层样本(埋深0.9m)评价结果为弱腐蚀,其他均为微腐蚀性。

5 结 论

本文通过采集616件易溶盐样品测试结果,对连云港滨海地区中更新世以来(80m以浅)土层(16个土层)含盐特征进行了系统研究,探讨了土层盐分来源及其对工程基础的影响,获得了以下结论:

(1)研究区80m以浅土层盐分主要受3次海侵控制,特别是最后一次海侵对30m以浅土层含盐特征起着决定性作用,盐分最主要来源为海水浸渍,盐分以NaCl为主,各土层含盐量介于0.020%～7.149%。全新世土层含盐量高,以中盐渍土为主。随着深度的增加,土体含盐量有着递减的趋势。

(2)受海侵影响,海相土层含盐量均高于其上覆和下伏土层。海侵对下伏地层具有侵染作用,使得陆相地层含盐量增加。同一层组的土层细粒土含盐量一般大于砂土。各土层ESR值均大于当地地表淡水SAR,γMg/γCa值均大于研究区地表淡水的γMg/γCa值,说明研究区土层不同程度受到海水入侵的影响。

(3)80m以浅土层易溶盐的腐蚀性主要表现在Cl-对混凝土结构中钢筋的腐蚀性,具有弱腐蚀性以上的占比88%。强腐蚀土层主要分布在25m以浅土层,分布在3-1层软土和2-1层黏土中。给出了土体中易溶盐腐蚀性的界限含盐量。