吹填土固结过程中结构与物理性质变化

张中琼，王 清，张 泽，李小茹，宋 晶(. 吉林大学建设工程学院，长春 006；. 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室，兰州 70000；. 天津市地质调查研究院，天津 009)

吹填土固结过程中结构与物理性质变化

张中琼1,2，王 清1，张 泽2，李小茹3，宋 晶1
(1. 吉林大学建设工程学院，长春 130026；2. 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室，兰州 730000；3. 天津市地质调查研究院，天津 300191)

吹填土的固结过程是土颗粒从无序不规则排列到有序较规则排列，直到絮凝并形成较稳定土结构的过程.在吹填土室内模拟加固试验的过程中，在指定位置和深度采取土样，进行土样的基本物理性质和微结构的测试．对土样微观结构、颗粒粒度、颗粒丰度、颗粒定向性以及宏观基本物理性质变化进行分析．结果表明：深部颗粒团聚程度大于浅部．浅部颗粒水平向的变化大于竖向，深部竖向和水平向的变化程度相似．结构单元体粒径＜2,µm的颗粒数量不断减小，＞20,µm颗粒数量不断增加．颗粒丰度有减小趋势．土颗粒定向于某个或某几个方向．定向性和丰度的增加促使颗粒的团聚．该过程是土颗粒由不稳定向稳定状态不断过度的过程．集粒的形成大幅度改善宏观物理性质，表现为含水率的减少和密度的增加．

吹填土；微观结构；颗粒；物理性质

吹填土的固结过程是土颗粒之间位置相互调整、孔隙不断减小的过程．在近海地区吹填淤泥后，土样完全不具有土结构，不能承受任何外力．吹填土自然固结需要2～3年时间才能作为建筑地基使用，外力是吹填土短时间固化的必要条件．土强度的增长和土结构的演化密切相关．当外力接近或略大于吹填土所承受的应力时，施加荷载引起的超静孔隙水压力将转化为有效应力，吹填土得到固化．当外力过大时，将会在竖向排水体附近形成低渗透性的黏土层引起较大的孔隙水压力，影响吹填土的固结．

吹填土(软土)固结过程中土微观结构的变化引起学者们的不断重视．国内外诸多学者利用分形理论对土体孔隙结构的研究做了许多工作．主要是根据土孔隙具有的自相似性，分析在荷载作用下土孔隙的变化特征[1-4]．通过探讨软土中孔隙的分形特征，将孔径0.03,µm、0.1,µm、0.3,µm、5,µm作为孔隙分界值，并根据这些分界点将珠江三角洲软土划分为微小孔、小孔、中孔、大孔及超大孔5类，反映软土加固过程中微结构的变化规律[5]．一些学者从颗粒的角度，提出描述土体微观结构的指标性因素，如粒度分维、颗粒表面起伏分维、颗粒的分布分维、颗粒的定向分维等，全面反映黏性土固结特征，并做了定量的评价[6-9]. 通过土样加载试验得出微观结构的各项参数，将其与工程监测获得的观测数据进行对比分析，就工程施工的沉降量、工后沉降、沉降速率、强度变化及其发展趋势的预测得出了许多有价值的成果，对工程施工和相关措施的采取起到指导作用[10]．随着研究的深入，发现吹填土的固结及强度的形成具有明显的阶段性[11-12]．室内模拟试验结果表明：不同渗流压力对吹填土固结和土结构的形成有密切的关系，并具有明显的阶段性，并对孔隙分界值进行了重新分类[9-13]．

根据吹填土固结过程工程性质的变化，笔者在室内开展3阶段吹填土固结试验，在不同试验阶段采集土样进行吹填土微观结构和土物理性质的测试．解释吹填土微观结构演化与吹填土物理性质改变之间的相互关系．

1 宏观及微观参数测试

本次试验土样取自天津临港工业区内，该区吹填土主要由海河河道和近海岸的沉积物搅拌吹填形成.土样表现出高含水率、高液限的特征(见表1)．土的粒度成分和颗粒形状与土的成因类型有密切关系，各种成因的土都具有一定的粒度组成特点．通过对试验土样进行颗粒分析试验，黏粒含量达65%．由加分散剂和不加分散剂的对比试验可以看出，加入分散剂后，滨海地区吹填土黏粒组百分数有所改变．其主要原因是原状土中含有一定量的由黏粒、粉粒结合形成的具有一定抗水性能的“团粒”，团聚度较高．土样钠盐含量较高，有一定的分散作用，但是钠盐浓度较高，反而影响其分散作用，所以仅改变其黏粒的百分数(见表2)．

表1 试验土样基本性质Tab.1 Basic properties of experimental soil

表2 试验土样的粒度组成Tab.2 Granulometric composition of experimental soil %

结合吹填土土结构阶段性形成的特点与外荷载的情况，将试验分为3个试验段：静水沉降、自重排水、真空加压排水阶段[11]．试验过程中在试验槽内不同位置取测试土样进行微观结构和基本物理性质测试．采用SEM扫描电子显微镜对吹填土的加固过程中水平和竖直方向的试验进行微观结构测试．并对微观结构照片进行微观结构定量分析，以结构单元体为研究对象，利用图像处理系统，对土的SEM照片进行结构单元体的形态、定向性等综合特征进行量化的分析和评价．将微观结构测试数据与宏观的含水和密度性质进行对比．

2 吹填土的微观结构性质分析

2.1 微观结构定性描述

图1给出了不同试验阶段微观结构的变化情况.在静水沉降阶段，以固体颗粒自由絮凝下沉为主要特征，该阶段的吹填泥浆与水共同受到表面分子解离、同晶置换、选择性吸附和其他的物理化学作用使得泥浆中的粉粒、黏粒间相互吸附、絮凝形成分散性较高的絮凝结构单元体沉积下来．由于天津滨海地区淤泥的主要矿物成分为伊蒙混层矿物和伊利石，离子交换的能力较强，并且在海水中沉积，水溶液含盐量较高，电解质浓度高，这样使得细颗粒更容易再絮凝成絮凝团．不论是水平方向还是竖直方向均出现显著的盐分的凝聚和结晶．随着沉积作用的继续，重力水的排出，颗粒之间大面积接触，固体颗粒已逐渐沉积，形成相互接触的、具有一定结构连结的结构单元体，即开始形成土体的骨架．这时的连结类型以结合水连结为主，这种连结是固体颗粒通过吸附水膜-结合水间接地接触连结，颗粒间主要以少量弱结合水形成的公共水化膜连结．颗粒表面的离子静电引力、静电引力等力把水分子牢牢地吸附在颗粒表面，这种接触连结也会产生一定的抗剪强度，这种强度随着吸附水膜的厚度而变化．海水中由于钠、镁阳离子和氯、硫酸根阴离子的存在，在沉降过程中起到了胶结物的作用，使连结类型由接触连结转变为胶结连结．随着固结时间的继续，颗粒之间公共水化膜不断增多，从而结构连结不断增强，土体完全进入到以自重应力为主要影响荷载的固结阶段．由于土体间设置了排水管道，土体产生水平向渗流，土体在一定的渗透压力作用下颗粒重新排布．此时，通过微观结构观察发现土体剖面上的孔隙大于水平面的孔隙，且随着固结程度的增加，土体中部分盐分被排出，尤其在水平面上电镜下观察发现盐的结晶体减少，黏粒的结构单元体较清晰，由黏土矿物构成的絮凝体形成较为显著，有部分黏粒已形成了较大的蜂窝体、团聚体，土体的结构类型为蜂窝状结构、絮凝状结构以及这两种结构的过渡类型．结构单元体体积有增大的趋势，结构单元体主要是以薄膜水连结为主，土结构在较小的压力作用下是稳定的．

加压压密固结阶段是在加压的条件下土体的强度不断增长的阶段．当土体在自重作用下固结到一定程度后，分级给土体施加竖向压力和真空压力．在外加荷载作用下，土体中附加应力增加，产生超静孔隙水压力，当孔隙水通过排水通道排出后，土体中有效应力相应增加，从而土体强度得以增加．加压固结过程中，土体水平面与竖直剖面上的孔隙由于在外部荷载作用下均变小，结构单元体增大的趋势显著，土体的团聚性较强，肉眼可见土体中水平层理，结构单元体在外力作用下进行调整，向更有序的方向发展，形成较好的定向性，此时土体已具有较高的强度．其中在自重加固条件下所看到的盐的结晶在加压阶段已观察不到．盐类在压力条件下的物理化学作用对吹填土加固关系密切．

图1 不同试验阶段微观结构的变化Fig.1 Microstructure changes in different experimental stages

2.2 颗粒性质定性分析

2.2.1 粒度成分

结构单元体的粒度用等效直径来评价．结构单元体等效直径等价于与其面积相等的圆的直径，用D表示．表3和表4是在不同加固阶段吹填土土样微观结构单元体粒度定量的分析结果．从表3和表4中数据可知，加压固结前该地区吹填土微观结构单元体粒径优势区间集中在＜2,µm与2～5,µm，占70%以上．取样时间不同，试样的结构单元体测试结果也发生相应变化，主要表现在随着排水固结的进行，自重固结中间阶段与完成阶段试样中较大粒径(5～10,µm，10～20,µm，＞20,µm)含量与排水前第1次取样相比总体上呈增加趋势，这一特征在加压固结阶段更加明显，在该阶段大粒径结构单元体含量有较大幅度提高．这说明在排水固结阶段或加压阶段，试样中较小粒径的黏粒在自重应力或真空压力作用下结合成较大的团粒，从而增加了试样中较大粒径结构单元体的含量．试样水平面和剖面上微观结构粒度分布具有相同的特点．在试验过程不同深度的测试数据上，表现出深度越大颗粒团聚性越强的特点．该现象说明吹填土的结构单元体主要以集粒为主．吹填土的加固过程是颗粒所占面积增加、孔隙所占面积减小的过程．研究表明：孔隙分布由大孔隙集中分布(占50%以上)，向中孔隙(占35%以上)和小孔隙(占35 %以上)发展[3,14]，下部结构单元体的形态分形维数小于上部，说明下部颗粒团聚性越高越均一[4]．

表3 各试样微观结构水平面粒度成分分析结果Tab.3 Microstructure particle size analysis of each specimen on the horizontal plane %

表4 各试样微观结构剖面粒度成分分析结果Tab.4 Microstructure particle size analysis of each specimen on the vertical plane %

2.2.2 丰度

结构单元体丰度是指结构单元体短轴B与长轴L之比，用C来表示，即

结构单元体丰度可以表示结构单元体在二维平面中所展示的几何形状特征．丰度值C在0～1之间，C值越小，反映结构单元体越趋向于长条形；C值越大，则结构单元体越趋向于等轴形．对不同加固阶段吹填土试样的微观结构照片进行处理，得到结构单元体丰度值．

图2给出了不同试验阶段颗粒丰度的变化．由图2可以看出，试样在自重固结排水前后，水平面上结构单元体的丰度值变化不大，主要集中在0.4～0.6和0.6～0.8区间，以扁圆颗粒为主．在竖直剖面上，加固前扁圆颗粒较多，加固后试样中剖面上出现较大含量的细长颗粒，这是因为在自重固结及加压过程中，单独的土颗粒不会压缩，但试样中扁圆的集合体或团粒在外力作用下被进一步压缩成细长颗粒，从而在较小的丰度区间内结构单元体含量有一定增加．在加固初期，丰度在增加．随着加固程度的增加，丰度有减小的趋势．在上海软土的固结试验中发现同样的规律：随着固结压力的增大，土团粒越来越呈现椭球状，由初始的形状比(长轴比短轴)1.0～2.0变化到2.5～3.0，且当荷载为800,kPa时，狭长而扁的土团粒数量急剧增多[15]．本文试验的最大压力仅80,kPa，所以丰度的减小幅度较小．

2.2.3 定向性

图3给出了不同试验阶段颗粒定向性的变化．选用结构单元体的定向频率对结构单元体定向性进行评价．结构单元体定向频率Fi(α)表示单元体在某一方向的分布强度，将0°～180°分成n个等分(区位)，则每一区位所代表方向的角度范围为α=180°/n，由此可求出在0°～180°范围内第i个区位单元体的定向频率，其计算公式为

式中：mi为单元体(或孔隙)的长轴方向在第i个区位内的个数；M为结构单元体的总数．式(2)中改变α的数值，即可以改变划分区位的个数，由此可得到不同的频率分布情况，一般取α=10°．

采用上面的方法对所采集的SEM照片进行结构单元体的定向频率分析，得到吹填土不同加固阶段各试样结构单元体定向性的变化，如图3所示．由结构单元体定向频率分布曲线中可以看出，加固前后各试样水平面结构单元体均没有明显的定向性，这主要是由于原样是在天然沉积条件下，黏土矿物在重力及外部压力作用下沉降固结，以面-面接触的为主，因而从试样的水平面来看，定向性较差．从竖直剖面来分析，由于排水过程中水的渗透压力及加压过程中外部荷载的作用，结构单元体及土颗粒进行相应的排列调整，从最初的无序混乱状态向有序状态转变，反映在微观结构上就是剖面上结构单元体的定向排列随着土样排水的进行，固结度的增大在某一个角度或几个角度区间相对集中．苑晓青等[3]通过压汞试验从孔隙变化的角度也证明了这一点，即在吹填土固结过程中孔隙不断调整，逐渐贯通形成渗流通道．

图2 不同试验阶段颗粒丰度的变化Fig.2 Abundance changes of particles in different experimental stages

图3 不同试验阶段颗粒定向性的变化Fig.3 Orientation changes of particles in different experimental stages

3 吹填土物理性质的变化

随着吹填土固结程度的增加，含水率明显减小、重力密度明显增大．水分变化表现为上部和下部小、中间大的特征，在20～30,cm深度出现水分变化的转折点．静水沉降阶段与初始状态相比，上部水分减小了10%～15%，下部水分减小约20%～30%．自重固结阶段与静水沉降阶段相比，上部水分减小了7%～10%，下部水分减小了2%～4%．加压固结阶段与自重固结阶段相比，各个位置水分大幅度减小，减小幅度为15%～30%(见图4(a))．重力密度随着加固时间延长而不断增加．重力密度与水分分布正好相反，但是变化趋势与含水率变化一致，静水沉降与初始状态相比重力密度的增加量约为0.1～0.5,kN/m3，自重固结阶段相对静水沉降阶段的增加量为0.1～0.4,kN/m3，加压固结阶段相对自重阶段的增加量为0.6～0.9,kN/m3(见图4(b))．在吹填土加固初期，孔隙间含有大量的自由水，处于液流状态．当含水率进一步减小时，土处于黏流状态．当含水率进一步减小达到液限时，自由水不能被排除．

在加固初期，自由水大量排出仅引起重力密度的小幅增加．在加固后期，随着水分的排出，重力密度的增加速率不断增加．密度增加过程也是微观结构不断强化的过程．

图4 不同试验阶段吹填土物理性质的变化Fig.4Changes in physical properties of dredger fill in different experimental stages

4 讨 论

吹填土的加固过程是物理性质不断改善、颗粒不断团聚、从无序到有序的排列过程．通过对同一深度不同阶段微观参数与宏观含水量、密度相对变化量的相关性进行分析，建立相应的多元一次方程．密度变化与颗粒变化正相关，水分变化与颗粒变化负相关．发现密度的变化与5～10,µm和＞20,µm的颗粒的增加关系较大．与＜2,µm颗粒的减少和10～20,µm颗粒的增加关系较前两个粒径稍弱，从小到大5个粒级的相关性的比值为18.9∶20.1∶25.5∶14.2∶21.2．5～10,µm颗粒的水分的变化关系较大，与10～20,µm颗粒的变化量关系稍差，从小到大5个粒级的相关性的比值为21.1∶19.3∶22.9∶16.7∶20.9．单粒对宏观性质的影响小于集粒．丰度和定向性的变化在整个加固试验中变化量较小，这两个微观参数的变化是土颗粒微观结构调整的结果. 单元体大小的变化是这两个参数变化后的综合反应，进而影响吹填土的宏观性质．从宏观角度来讲，黏粒由于其比表面积较大，颗粒之间在双电层作用下，最容易不断发生团聚和聚沉，之后形成较为稳定的粉粒，即集粒．集粒的大量形成就是吹填土稳定结构的形成和性质不断强化的过程．吹填土颗粒集粒的形成情况直接影响其加固效果．如果吹填土颗粒以单粒为主，在加固过程中，容易出现细颗粒在竖向排水体周边累积形成土柱，而导致竖向排水体失效，影响加固效果．当吹填土颗粒较大时，在一定压力下它的固结情况和力学性质较好，可承受更大的压力，可以在较短的时间内达到较好的加固效果[16]．本次试验虽然取得大量微观结构试验数据，但是宏观微观参数变化的关系还需要更多的数据支持．

5 结 论

通过对吹填土不同试验微观结构和宏观物理性质的分析得出以下结论．

(1) 在加固初期，吹填土以蜂窝状结构为主，存在絮凝状结构，结构较为松散．随着加固时间和加固荷载的增加，逐渐过渡为面-边接触，部分出现面-面形式接触．盐类结晶并形成盐桥，加强颗粒之间的连结．土结构从松散的絮凝状结构逐渐向较为紧密的絮凝状结构过渡．

(2) 在加固过程中，由于试样黏土矿物含量高，在加固初期大量＜2,µm的土颗粒以单粒存在，随着加固时间的延长，＜2,µm的土颗粒不断减少，

＞20,µm的颗粒不断增加．丰度主要集中在0.4～0.6和0.6～0.8区间，以扁圆颗粒为主，在压力作用下丰度略有减小．加固前各试样水平面结构单元体均没有明显的定向性，加固过程中颗粒逐渐集中于某个或某几个方向．

(3) 吹填土的加固过程是颗粒不断调整不断团聚的过程．丰度和定向性反映了颗粒相互位置的调整过程．颗粒之间相互位置的调整促使颗粒的团聚．集粒的形成大幅度改善吹填土宏观工程地质性质．

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(责任编辑：樊素英)

Changes of Structure and Physical Properties in the Process of Dredger Fill Consolidation

Zhang Zhongqiong1,2，Wang Qing1，Zhang Ze2，Li Xiaoru3，Song Jing1
(1. Construction Engineering College，Jilin University，Changchun 130026，China；2. State Key Laboratory of Frozen Soil Engineering，Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou 730000，China；3. Tianjin Iinstitute of Geological Survey，Tianjin 300191，China)

The consolidation process of dredger fill is one in which soil particles change from disorder and irregularity to order and regularity，flocculate and form a more stable soil structure. In the process of indoor simulation consolidation test for dredger fill，soil samples were taken at the specified position and depth，and the basic physical properties and micro-structure of the samples were tested. The microscopic structure，particle size，particle abundance，particle orientation and the change in macroscopic physical properties of dredger fill were analyzed. The results showed that the agglomeration degree in the deep part is greater than that in the shallow part. In the shallow part，the change of particles in the horizontal direction is greater than that in the vertical direction，while in the deep part，the change degrees in both vertical and horizontal directions are similar. The number of particles ＜2,µm decreases continuously，while the number of particles＞20,µm keeps increasing. The abundance of particles decreases. Soil particles are directed at one or several directions. The increase of orientation and abundance prompted the agglomeration of particles. This process is a transformation process of soil particles from unstable to stable state. The formation of set particles would significantly improve the macroscopic physical properties，with a reduction of moisture content and an increase of density.

dredger fill；microstructure；particles；physical property

TU447

A

0493-2137(2014)06-0504-08

10.11784/tdxbz201207001

2012-07-01；

2012-10-15．

国家自然科学基金资助项目(41172236)；天津市滨海新区“十大战役”重大科技支撑项目资助．作者简介：张中琼（1984— ），女，博士，助理研究员，zhongqionghao@163.com．

王 清，wangqing@jlu.edu.cn．