沿海地区典型吹填土物化特征的对比*

宋 晶，汤连生，王 清，张 鹏

(1.中山大学地球科学与地质工程学院∥广东省地质过程与矿产资源探查重点实验室，广东 广州 510275；2.吉林大学建设工程学院，吉林 长春 130026;3. 中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510032)

吹淤造陆方法是一种变废为利的地基处理方式。它利用海积软土或淤泥作为围海造陆的基础物源，既清理了海港码头的淤泥，疏浚了航道，保护了环境[1-3]，又降低了运输物源砂料的工程造价，提高地基处理效率，满足了工期需要[4]。这些以淤泥为主的超软土地基加固是目前地基处理的热点之一[5-6]。

但是，其中海积软土或吹填淤泥具有特殊的工程地质性质，即含水率高、压缩性大、有机质含量高、黏粒含量高等特性。针对该土质特征，科研工作者进行了全面深入研究。彭涛等[7]对吹填淤泥进行研究，分析吹填土自重沉积固结后的孔隙特征。刘莹等[8]进行模型试验和快速结壳试验，结果表明，随着泥浆稠度增加，沉降速率减小，沉积后的泥浆容重增加。杨爱武、杜冬菊等[9]探讨了天津地区吹填土特征，进行吹填土改良加固。之后，杨静、张中琼等[10-11]在此基础上研究不同静置时间、不同水土比试样的固结特征，并研究不同深度和不同距离条件下的监测指标，分析孔隙水压力、有效应力和沉降量等变化特征。

但是，针对高黏性吹填土而言，实际施工过程中，常常由于不同地区土体差异导致土体工程地质性质差别很大[12]。在工程建设过程中发现，长时间地晾晒吹填土，虽然固结效果好，但是会耗费大量工期。另外该土质可能导致排水体四周淤堵，排水效率降低的问题，因此有必要深入研究高黏性吹填土基本性质，才能针对性地缓解排水体四周淤堵状况。

由于吹填土是经过水力吹填形成的填土，是吹淤造陆的物源材料。因此，吹填土工程地质性质与所吹填的泥砂来源、吹填时的水利条件等因素密切相关[13]。本研究取用渤海沿岸的大连、曹妃甸、天津和黄骅四个地方的吹填土进行测试、分析。同时借鉴黄海沿岸的青岛、连云港，及东海沿岸的福建、广东等省区的吹填土研究结果[14-15]，对比分析不同地区吹填土工程地质性质。

1 不同地区吹填土成分特征

1.1 粒度成分

粒度成分测定方法参照规范要求，采用乙种密度计测试[16]。测试之前土样易溶盐含量大于5‰时，需要洗盐后继续进行试验。

为了定量分析土体中颗粒组成情况，通常用等效的球体直径表示颗粒大小[17]。结合《地质矿产部土工试验规程》中土的分类标准，按照粒径大小将工程地质性质相似的土粒归类，粒组划分为漂石、卵石、砾粒、砂粒、粉粒、黏粒。由于本次研究的吹填土主要是细粒土，颗粒大小组成中“漂石粒、卵石粒、砾粒”组的颗粒含量微小，因此仅就“砂粒、粉粒、黏粒”三个粒组进行粒度组成分析，并根据国土资源部分类标准对土定名，见表1。

从表1可见，取自曹妃甸、黄骅和青岛的吹填土，无论是否添加分散剂，其对应颗粒分布类似，说明这两个地区的吹填土颗粒组成受分散剂影响很小。而取自大连、天津和大亚湾的吹填土，添加分散剂后颗粒分布与不加分散剂的颗粒分布相比较，发现添加分散剂后，粉粒组含量减少，黏粒组含量增加，可见大连、天津和大亚湾地区的吹填土颗粒受分散剂影响很大。

表1 不同地区吹填土粒度成分表1)

1)a表示不加分散剂；b表示加分散剂

由于分散剂主要是将集合体颗粒分散，并还原为细小颗粒，所以一般认为土体中具有絮凝作用的黏粒，大量地团聚在一起，被视为大颗粒，称为“假粉粒”。但实际上，土体加分散剂以后，“假粉粒”分散还原为黏粒，所以黏粒含量增多、“假粉粒”含量减少。因此，渤海湾地区的大连、天津吹填土颗粒分布发生了明显地差异性变化。连云港和大亚湾地区也具有相似的性质。

1.2 矿物成分

测定了不同地区吹填土矿物成分[10-12，14-15]，见表2，其中取样地点按从北至南的顺序排列。由于沿海地区海湾分布广泛，水动力条件变化剧烈，海湾沉积物矿物分布复杂，造成各矿物变化规律不明显。

表2 不同地区吹填土矿物成分统计表1)

1)“—”表示数据缺失或不可测

整体而言，由于X射线衍射分析测试的矿物主要为结晶矿物，而对于土体中无定形、非晶体没有进行定量测试，因此测试结果中以原生矿物为主，石英含量最高；次生矿物含量次之，黏土矿物含量变化较大，其中伊利石含量较高。

另外，大连、天津、连云港、福州和大亚湾的吹填土中石英含量相对较少，黏土矿物含量明显较多，这和粒度成分中黏粒组含量较大的规律吻合。

黏粒组的矿物成分多以黏土矿物为主，因此黏土矿物的性质特征也成为土体工程地质性质的重要影响因素。黏土矿物中的伊利石亲水性强、透水性差、压缩性高、抗剪强度低，因此作为高黏性吹填土研究对象，大连、天津等地区的高黏性吹填土也具有这一系列基本性质[15]。

1.3 化学成分

吹填土固结过程中基本不存在气相状态，因此不研究气体相化学成分。具体测试结果及使用的测试方法见表3。

从表3中看出，黄骅和青岛地区各项化学指标含量均较低，其中较低的易溶盐含量导致土粒间的胶结作用相对较弱，土体的活动性较弱，属于中等亲水性土体。

相反地，大连、天津、连云港几处高黏性吹填土的化学性质指标相对最高，其中阳离子交换容量比较大，将使土体表现出较强的活动性和亲水性；有机质含量较大，导致土体表现出孔隙比大、压缩性高的特征；易溶盐含量中，尤其以钠离子和氯离子为主要的化学成分，使处于松散状态的土的结构单元体或结构单元体内部具有一定的胶结作用，但易溶盐随水的流动产生变化，因此造成土体物理化学性质不稳定，降低了土体的力学性质。

2 不同地区吹填土的物理性质

物理性质是三相物质在质量与体积间的相互比例关系和固液两相相互作用表现出来的性质，即基本物理性质和水理性质[18-19]。依据土工试验规范，对不同地区吹填土的密实程度、干湿状况、稠度与塑性做相关测试，结果见表4。

黄骅和青岛吹填土属于粉土，塑限含水率和塑性指数等稠度指标不易提取。试验过程中，黄骅吹填土用手捻摸时的感觉粗糙，无黏滞感，不黏着物体，所以液限含水率也未提取。

表3 不同地区吹填土化学成分表1)

1)“—”表示数据缺失或不可测

表4 不同地区吹填土物理性质指标综合成果表

1)“—”表示数据缺失或不可测；2)<0.002 mm粒度的胶粒含量

从表4可以看出，所测吹填土的塑性指数普遍较高。其中活动性指数反映土的塑性与黏粒含量和黏土矿物亲水性关系，黏粒含量多、蒙脱石含量高时黏性土活动性较强，反之较弱。曹妃甸和连云港地区吹填土活动性指数0.75

值得注意的是，大连、天津两地黏性土活动性指数A<0.75，数值较低，两者的黏土矿物中以伊利石为主，黏粒含量高，理论上讲活动性不应该较低，但测试结果中，这两种土同时出现了这种结果。分析后发现这是由于液塑限试验过程中土样易溶盐含量高，强烈的胶结作用造成。也就是说高含盐量导致高黏性吹填土的胶结作用强，所以反映出黏粒活动性偏低的特征。

另外，对于细粒土而言，单纯依靠粒度成分为土体定名，不能准确反映吹填土工程地质性质。采用塑性指数和液限联合法将土体分类，有一定的参考价值，因此试用塑性图分析不同地区的吹填土。

根据表4中不同地区吹填土物理力学性质指标，绘制塑性图。土工规范中使用的塑性图是分析国外碟式液限仪所测得的液限值，本次试验采用锥式液限仪，故采用塑性图的参考处理方法如下[20]，确定A线Ip=0.66(wL-20)，B线为wL=42%，并增划C线方程式为wL=26%。其中，Ip表示塑性指数；wL表示液限含水率；结果见图1。

图1 塑性分布图

天津、连云港与大亚湾地区吹填土均属于高液限黏土，天津地区吹填土位于高液限黏土与高液限粉土的交界区，曹妃甸地区吹填土属于中液限黏土。天津、连云港和大亚湾地区的粒度成分、矿物成分、化学成分以及基本物理力学性质等指标都非常相近，由此判断大亚湾工程区分布于高液限黏土区，同样也具有相似的工程地质性质。同时，室内力学试验结果显示，大亚湾地区吹填土固结快剪的抗剪强度指标较低，内聚力平均值为3.3 kPa，内摩擦角10°，与以上沿海各地区吹填土具有类似力学强度低的特征。

由此可见，根据塑性图划分的高液限黏土能够更直观、简洁的反映高黏性土的基本特征，因此，综合成分分析和物理性质分析，也将具备以上性质的吹填土定名为高黏性吹填土。

3 分析与讨论

根据前人研究发现，我国沿海沉积物划分为三种主要类型：泥质沉积、砂质沉积和混合沉积[21]。其中，渤海湾地区大陆架底质类型多为泥质沉积，受河口冲击和沿岸流的影响较大。因为吹填土取样地点均位于海边，沿岸水动力条件剧烈，海湾沉积物矿物分布复杂，造成粒度成分和矿物成分规律不明显。

从粒度成分和矿物成分特征上看，研究区内吹填土类型多样，如重黏土、粉土、轻黏土、粉质亚黏土等。黏粒含量和黏土矿物分布与地理位置关系不大。同时，海湾沉积物矿物分布复杂造成矿物变化规律不明显，黏粒组的矿物成分多以黏土矿物为主[22]，黏土矿物的性质特征也成为土体工程地质性质的重要影响因素。

另外，由于大连、曹妃甸、天津和黄骅都位于渤海湾，属于渤海湾沿岸流系统，盐度分布趋势是湾中高于近岸，分别为29‰～31‰和23‰～29‰，但紧邻岸滩一带，受沿岸盐田排卤的影响，盐度高达33‰，盐度的年变差为8‰。而大亚湾地区水体由于受人类活动影响，包括沿岸居民和工业废水的排放，在过去20多年间水体营养盐状况发生了很大变化，大亚湾海域营养盐含量较前期调查略有上升[23-25]。因此大亚湾地区吹填土与天津等地吹填土的盐分影响具有相似特征。高黏性吹填土就是对易溶盐含量低于0.5%的细粒土通过密度计法测定粒度成分，其中加分散剂的黏粒组含量占土体的质量百分比大于60%，同时在塑性图位于高液限黏土区。如果易溶盐含量高于0.5%，细粒土中易溶盐对土颗粒产生胶结作用，此时建议参照规范中的方法进行洗盐，然后进行粒度成分分析。

从化学成分来看，大连、天津、连云港、大亚湾地区高黏性吹填土的化学性质指标相对最高，阳离子交换容量比较大，使土体表现出较强的活动性和亲水性；同时，有机质含量较大，导致土体表现出孔隙比大、压缩性高的特征；易溶盐含量较高，尤其以钠离子和氯离子为主要化学成分，使处于松散状态的土的结构单元体或结构单元体内部具有一定的胶结作用，但易溶盐随水的流动产生变化，同时盐分、有机质含量的变化造成黏土颗粒结合强度发生改变，因此会造成土体物理化学性质不稳定，降低土体力学性质。

另外，对于细粒土而言，单纯依靠粒度成分为土体定名，不能准确反映吹填土的工程地质性质，联合使用塑性指数和液限(塑性图)得到的结果更准确。通过采用塑性分布图为土体定名，可以直观反映土体性质。大连、天津、连云港地区吹填土均属于高液限黏土，曹妃甸地区吹填土属于中液限黏土。

综上分析，可见高黏性吹填土本身具有吹填土“三高两低”的工程地质性质，即高含水率、高孔隙比、高压缩性、低渗透性和低强度特征。同时，根据室内测试分析，发现它还具备高黏粒含量、高塑性指数、高液限含水率的特征。另外，高黏性吹填土中含盐量较大时，会影响土体活动性指数。借鉴易溶盐试验洗盐的方法，建议高黏性吹填土做液塑限指数时，进行洗盐步骤。这样，吹填土在固结后随着盐分的流失，土体性质的分析结果可能更加真实有效。

4 结 论

根据以上研究，可以得到如下结论：

1) 渤海湾地区的土样颗粒相对较细小，粒度组成以黏粒组为主；

2) 从粒度成分和矿物成分特征上看，研究区内吹填土类型多样，如重黏土、粉土、轻黏土、粉质亚黏土等；

3) 取样地区矿物成分变化规律不明显，但黏土矿物含量高的地区，伊利石矿物含量也较多，影响土体的工程地质性质；

4) 从化学成分来看，吹填土的化学成分特征值也同样与黏粒含量密切相关，尤其是易溶盐含量直接影响土体胶结性质，导致大连、天津大亚湾等地的高黏性吹填土工程地质性质不稳定，固结排水过程中容易造成淤堵问题，有必要进行快速有效的排水固结作用；

5) 文中采用的大亚湾吹填土数据为正在进行施工的区域，因此建议其工程加固方案参照天津、大连、连云港等相似地区，以便大大提高加固效率。

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