对渤海地区吹填土基本性质的对比分析

宿晓萍，宋 晶，潘明远

（1.长春工程学院土木工程学院，长春130012；2.中山大学地球科学系，广州510275）

0 引言

吹淤造陆方法是一种变废为利的地基加固方法。它利用海积软土或淤泥作为围海造陆的基础物源，既可清理海港码头的淤泥，疏通航道，又能降低运输物源砂料的工程造价，提高地基处理效率，加快工期[1－2]。但是，海积软土或淤泥具有含水率高、压缩性大、有机质多、黏粒含量高等特性，对其沉积固结的工程地质性质影响很大。对于高黏性吹填土而言，常常由于地区不同而土体差异性大导致土体工程地质性质差别很大[3]。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。另外该土质可能出现排水体四周淤堵而排水效率低的问题，因此有必要深入研究高黏性吹填土基本性质，有针对性地缓解排水体淤堵的问题。由于吹填土是经过水力吹填形成的填土，其工程地质性质与其泥砂来源、吹填时的水利条件等因素密切相关[4]。本文选取渤海沿岸的4个地区，即黄骅、曹妃甸、天津和大连的吹填土土样进行试验测试，对渤海湾地区吹填土的工程性质进行对比分析。

1 渤海地区吹填土的粒度成分对比与分析

采用乙种密度计参照规范要求测试这4组吹填土土样的粒度成分[5]。当土样中易溶盐含量大于5‰，需经过洗盐处理后再进行试验。

为了定量分析土中颗粒组成，采用等效的球体直径表示土的颗粒大小，即等效径，简称粒径[6]。根据《地质矿产部土工试验规程》，土粒按粒径大小划分为漂石、卵石、砾粒、砂粒、粉粒、黏粒。本文的吹填土属于细粒土，土中“漂石、卵石、砾粒”组的颗粒含量十分微小，因此仅就“砂粒、粉粒、黏粒”3个粒组进行粒度成分分析，测试结果见表1。

结果显示，取自黄骅和曹妃甸的吹填土土样，添加与不添加分散剂的颗粒分布情况相似，说明分散剂对这两处吹填土颗粒组成的影响很小。对于天津、大连的吹填土土样，不添加分散剂的颗粒分布均大于添加分散剂时颗粒分布，说明分散剂对这两处吹填土颗粒组成的影响较大。土中具有絮凝作用的黏粒如果大量团聚而形成大颗粒，称为“假粉粒”，由于分散剂的作用是将集合体颗粒分散，还原成细小颗粒，所以“假粉粒”在添加了分散剂以后，被分散还原成黏粒。因此，土中黏粒含量增多、而“假粉粒”含量减少。可见，渤海沿岸的天津、大连地区的吹填土颗粒组成出现了较为明显的差异性变化。

2 渤海地区吹填土的矿物成分对比与分析

对渤海地区吹填土中矿物成分的测试结果见表2所示。由于沿海地区海湾分布较广，水动力条件变化剧烈，海湾区域的沉积物矿物分布与成分组成都十分复杂，因此矿物成分的变化规律不明显。

表1 不同地区吹填土的粒度成分测试结果

表2 不同地区吹填土的矿物成分测试结果

由于X射线衍射分析测试的矿物以结晶矿物为主，对土中的无定形、非晶体矿物没有进行定量测试，因此，测试结果中以原生矿物为主，且以石英含量最高，次生矿物含量次之，黏土矿物含量变化较大。但是，天津、大连两地吹填土中的石英含量相对较少，而黏土成分相对较多，这一结果与粒度成分测试中黏粒组含量较大是一致的。由于黏土矿物是影响土体工程性质的重要因素，黏土矿物又以伊利石为主，伊利石具有亲水性强、压缩性高，而透水性差、抗剪强度低的特性，因此天津、大连等地的高黏性吹填土也就具有了这些基本性质[6]。

3 渤海地区吹填土的化学成分对比与分析

吹填土中液体的化学成分采用提取液进行测试[5]，即采用一定量的溶剂按照规定的标准时间和方法，将土样中的可溶盐溶解过滤，对滤液的化学成分进行分析。分析内容主要有土样中易溶盐的总量、8大离子含量、提取液的pH值等，测试结果及测试方法见表3。由于吹填土固结过程中不存在气相状态，因此本文不对气相的化学成分进行测试。

表3结果显示，黄骅、曹妃甸地区土样中的各项化学性质指标含量均较低。其中易溶盐含量低会导致土粒间的胶结能力下降，土体的活动性较差，因此黄骅、曹妃甸地区的吹填土属于中等亲水性土体。与其相反，天津、大连两地吹填土的各项化学性质指标含量相对高些。由于土中阳离子交换容量较大，所以土体的活动性和亲水性较强；较高的有机质含量，使土体的孔隙比大、压缩性高；化学成分中Na＋与Cl－含量较高，又使土的结构单元体具有一定的胶结作用。但由于易溶盐会随水的流动而产生变化，又造成天津、大连两地吹填土的物理化学性质不稳定，从而使其土体的力学性质下降。

4 渤海地区吹填土的物理性质对比与分析

物理性质是三相物质在质量与体积之间的相互比例关系和固液两相相互作用表现出来的性质[6]。表4所示为依据土工试验规范对这4组吹填土土样的密实程度、干湿状况、稠度与塑性指标的试验结果。由表1结果可知黄骅地区的吹填土属于粉土，塑限含水率和塑性指数等稠度指标不易提取，未测结果。

表3 不同地区吹填土的化学成分测试结果

表4 不同地区吹填土的物理性质测试结果

表4结果显示，曹妃甸、天津、大连地区吹填土土样的塑性指数均大于20，说明土的塑性较高。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，黏粒含量越多、蒙脱石含量越高，则土的活动性越强，反之越弱。由表4可知，曹妃甸地区吹填土的活动性指数A＝0.76，在0.7～1.5范围内，属于正常范围，但其易溶盐的含量却低于天津与大连地区的吹填土（见表3），且黏土矿物成分中以伊利石为主（见表2），可见黏性土的活动性属中等，为正常活动性。而天津、大连两地土样的活动性指数A分别为0.42，0.43，均小于0.75，黏土矿物以伊利石为主，黏粒含量高，但活动性却很低，这一测试结果与理论不符。这是由于土中易溶盐的含量高，强烈的胶结作用导致高黏性吹填土的胶结能力加强，从而呈现出黏粒活动性偏低的特点。

对于细粒土而言，仅靠土中的粒度成分为土体定名，并不能准确地反映吹填土的工程地质性质。采用塑性指数和液限联合法对土体进行分类，有一定的参考价值，因此本文采用塑性图分析这几类吹填土。根据表4中4处地区吹填土的物理力学性质指标，绘制塑性分布图（如图1）。本文试验采用锥式液限仪，采用塑性图的处理方法[5]为：A线方程式Ip＝0.73（ωL－20），B线方程式ωL＝50%，C线方程式Ip＝10。其中，ωL为液限含水率，Ip为塑性指数。

图1 不同地区吹填土的塑性分布图

由图1可知，大连地区的吹填土属于高液限黏土，天津地区的吹填土属于中液限黏土但接近高液限黏土；大连天津两地土的粒度成分、矿物成分、化学成分及其物理力学性质等指标都很相近，因此两者有着相似的工程地质性质。可见，利用塑性分布图来划分高液限黏土更直观、更简洁。

5 分析与讨论

我国沿海沉积物可划分为泥质沉积、砂质沉积和混合沉积3种类型[7－8]。渤海湾地区大陆架地质类型多属于泥质沉积，受河口冲击和沿岸流的影响很大。由于土样取自海边，沿岸水动力条件剧烈，海湾沉积物矿物分布及其组成十分复杂，粒度成分和矿物成分的变化规律也不明显。

从粒度成分与矿物成分特征来看，虽然研究区内的吹填土类型多样，但黏粒组的矿物成分以黏土矿物为主，因此，黏土矿物的性质特征是影响土体工程地质性质的重要因素。另一方面，由于研究区属于渤海湾沿岸流系统，盐度分布呈现湾中（29‰～31‰）高于近岸（23‰～29‰）的趋势，但受沿岸盐田排卤的影响，天津、大连两地的吹填土含盐量较高，紧邻岸滩一带的盐度高达33‰。

从化学成分来看，天津、大连两地的高黏性吹填土的化学性质指标相对较高。阳离子交换容量比较大，使土体呈较强的活动性和亲水性；其较高的有机质含量又导致土体呈孔隙比大、压缩性高的特征；较高的易溶盐含量（以Na＋和Cl－为主）使土体结构单元具有一定的胶结能力。但易溶盐易随水的流动而变化，导致土的物理化学性质不稳定，土的力学性质降低。

对于细粒土来说，仅依据粒度成分来定名土体，并不能准确地反映吹填土的工程性质，结合塑性指数和塑性分布图来分析更准确。

可见，高黏性吹填土具有吹填土“三高两低”的工程性质，即高含水率、高孔隙比、高压缩性及低渗透性、低强度特征。同时，还具有高黏粒含量、高塑性指数、高液限含水率等特征。鉴于高黏性吹填土的含盐量较大会影响土体活动性指数，建议高黏性吹填土做液塑限指数时，进行洗盐处理。吹填土在固结后随着盐分的流失，土体性质的分析结果才会更加真实有效。

6 结论

综上分析，可以得出如下结论：

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；从粒度成分和矿物成分特征上看，渤海地区的吹填土类型多样，如重黏土、粉土、轻黏土、粉质亚黏土等；不同地区吹填土的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；从化学成分来看，吹填土的化学成分特征值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，导致天津、大连的高黏性吹填土工程地质性质不稳定，有必要进行快速有效的排水固结作用。

[1]王清，肖树芳.海积软土的工程地质研究现状[J].世界地质，2000，3：253－257.

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[4]刘建炎，李景林，吴春勇，等.吹填砂土地基的不同加固方法效果评价[J].世界地质，2006，1：81－85.

[5]DL／T 5355—2006水电水利工程土工试验规程[S].北京：中国电力出版社，2007.

[6]唐大雄，王清，张文殊，等.工程岩土学[M].北京：地质出版社，1999.

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