盐分浸析对我国海相沉积土物理性质的影响

宋苗苗 王 超 洪振舜 丁建文

(东南大学岩土工程研究所,南京 210096)



盐分浸析对我国海相沉积土物理性质的影响

宋苗苗 王 超 洪振舜 丁建文

(东南大学岩土工程研究所,南京 210096)

为了研究盐分浸析对我国海相沉积黏土劣化性状的影响,分别采用NaCl溶液和蒸馏水来改变温州黏土和连云港黏土孔隙水溶液盐分浓度．测定土体的界限含水率、活性指数等物理指标,分析我国海相沉积黏土物理性状随孔隙水溶液盐分浓度的变化规律．研究结果表明,土体液限和活性指数随着孔隙水溶液盐分浓度的降低而减小,塑限几乎不变,液性指数增加．物理性质随孔隙水溶液盐分浓度的变化曲线存在一阀值浓度4.1 g/L;当孔隙水溶液盐分浓度小于4.1 g/L时,液限和活性指数急剧减小,且液限减小率为1.6～2.3,液性指数大于1.0;当孔隙水溶液盐分浓度大于4.1 g/L时,液限减小率显著降低,仅为0.2～0.8．

海相沉积土;盐分浸析;界限含水率;液性指数;活性指数

大约1万年前,全球气候变暖,海平面上升,世界各地平原地区发生了大规模的海进(transgression),之后发生冰后期海退(post-glacial regression)[1-3]．天然沉积海相黏土露出海面,长期经受雨水、河水、雪融水等淡水的入侵,导致海水环境下沉积(depositional process)形成的土体骨架中高盐分浓度孔隙水在沉积后过程(post-depositional process)中被低盐分浓度孔隙水置换[4-5],发生盐分浸析(salt leaching)．

盐分浸析作用下,天然沉积海相黏土力学性状经常发生劣化,主要体现在液限的大幅度降低,导致天然含水率高于液限[4-7]．外部环境(如建筑物荷载、基坑开挖、施工扰动、交通荷载、地震荷载等)作用下,天然含水率高于液限的土体容易遭受破坏而失稳．加拿大、挪威、瑞士等地的许多工程实例表明,盐分浸析作用是天然沉积海相黏土地基经常发生滑动破坏、建筑物倾斜、沉降量过大等工程事故的重要原因[8-12]．

已有研究表明,我国海相沉积软黏土也曾经受盐分浸析作用[13-14],在部分海相软黏土地区不时发生滑坡等工程事故[15]．因此,有必要开展盐分浸析对我国海相沉积土工程性质影响的研究．本文以我国温州和连云港地区海相土为对象,通过室内试验改变土中孔隙水溶液盐分浓度,研究我国天然沉积海相土物理性质随土体孔隙中盐分浓度的变化规律．

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验土样取自我国温州市和连云港市,其中温州土取自温州市鹿城区,连云港土取自连云港市临海高速公路埒子口特大桥南段．温州1#土样(编号为W1)由深度为5.0,7.5,10.0 m的土按等质量混合而成;温州2#土样(编号为W2)由深度为10.0,12.5,15.0 m的土按等质量混合而成;连云港1#土样(编号为L1)的取样深度为5 m．

试验土样的基本物理指标见表1．其中,液限采用碟式液限仪法获得,塑限采用搓条法获得,颗粒粒径分布采用密度计法测定,孔隙水溶液盐分浓度采用烘干法测定．

表1 试验土样基本物理指标

1.2 试验方法

将取回的试验土样搅拌均匀,测定含水率、液限和盐分浓度．取2 kg湿土,计算土中原有水和盐分的质量．令初始含水率为6倍液限,根据表2～表4中的目标盐分浓度,计算总盐分质量和外加蒸馏水质量．当总盐分质量大于土中原有盐分质量时,两者差值即为所需外加的NaCl质量;当总盐分质量小于土中原有盐分质量时,先对湿土进行洗盐,直至多余盐分被洗出后再添加蒸馏水．

表2 温州1#土样孔隙水溶液盐分浓度 g/L

表3 温州2#土样孔隙水溶液盐分浓度 g/L

表4 连云港1#土样孔隙水溶液盐分浓度 g/L

将配制好的混合物倒入10 L塑料桶中,使用手动搅拌器搅拌5 min至均匀．用保鲜膜密封后,于室温(20±2)℃下静置30 d．试验前,将混合物再次搅拌均匀,取小于500 mL的混合物放入600 mL离心杯中,置入LXJ-ⅡB型离心机内进行分离脱水,取约100 g上清液测定盐分浓度．对脱水后的土样测定液限和塑限．

将初始盐分浓度为36.5 g/L的 W1泥浆均匀搅拌,取含干土质量500 g的泥浆置于5 L塑料桶中．采用等质量置换法,用蒸馏水置换混合物静置后的上清液,将其盐分浓度降低到14.6 g/L．采用相同方法对初始盐分浓度为15.9和4.1 g/L的W1泥浆进行处理．其中,对于初始盐分浓度为15.9 g/L的土样,将其盐分浓度降低到9.5 g/L;对于初始盐分浓度为4.1 g/L的土样,将其盐分浓度降低到1.8 g/L．研究盐分浓度增加(增盐)和盐分浓度减小(减盐)2种方式下盐分浸析对土体液限的影响．

2 试验结果分析

2.1 盐分浸析对界限含水率的影响

图1给出了土体液限wL、塑限wP与孔隙水溶液盐分浓度S间的关系曲线．由图可知,随着孔隙水溶液盐分浓度的降低,土体液限逐渐减小,二者非线性相关, 塑限则几乎不变． 这一变化规律与Skempton等[16]的研究结论一致．

本文引入参数ΔwL/ΔS来表征不同孔隙水溶液盐分浓度范围内液限的减小率,以分析温州土液限随孔隙水溶液盐分浓度的变化规律,结果见表5．其中,ΔS为孔隙水溶液盐分浓度变化范围．由表5可知,土体液限减小率随孔隙水溶液盐分浓度的降低而增加.当孔隙水溶液盐分浓度低于4.1 g/L时,不同温州土样的液限减小率不同;当孔隙水溶液盐分浓度高于4.1 g/L时,则基本相同．

(a)液限wL

(b)塑限wP

土样编号ΔS/(g·L-1)ΔwL/ΔSW11．8～4．11．64．1～15．90．415．9～36．50．2W22．2～4．12．34．1～16．30．416．3～36．90．2

不同盐分浓度改变方式的影响结果见表6．由表可知,与添加NaCl改变孔隙水溶液盐分浓度的方法相比,直接加蒸馏水改变孔隙水溶液盐分浓度所引起的液限减小量更大．不同盐分浓度改变方式下,当孔隙水溶液盐分浓度大于4.1 g/L时,ΔwL/ΔS在0.2～0.8之间变化;而在低浓度范围内,ΔwL/ΔS值则增大至1.6．由此可见,存在一个阀值浓度,当孔隙水溶液盐分浓度小于该值时,液限减小率显著增大,液限急剧减小．

表6 盐分浓度改变方式的影响

2.2 盐分浸析对液性指数的影响

与wL和wP相比,液性指数IL=(w-wL)/(wL-wP)能更好地描述土体天然状态工程特性,其中,w为土体的天然含水率．

Skempton等[16]通过室内试验和现场调研得出,在海相沉积土盐分浸析过程中,土体含水率几乎不发生改变．基于此结论以及2.1节中的液塑限试验结果,得到温州土和连云港土液性指数随孔隙水溶液盐分浓度的变化关系(见图2)．由图可知,土体液性指数随孔隙水溶液盐分浓度的降低而增加,且增加趋势逐渐增大．低浓度时,液性指数普遍大于1.0．

图2 孔隙水溶液盐分浓度和液性指数间关系曲线

2.3 盐分浸析对土体活性指数的影响

引入活性指数A=Ip/P0.002来分析盐分浸析对黏土矿物活性的影响,其中IP=wL-wP为塑性指数,P0.002为土中粒径小于0.002 mm颗粒的质量分数.将试验土样中原有盐分洗出,测定洗盐后土样颗粒粒径分布,结果见图3．由图3中结果计算可得试验土样的P0.002．

图3 土样颗粒粒径分布曲线

由图4可知,活性指数随着孔隙水溶液盐分浓度的减小而减小,且减小幅度逐步增大,二者呈非线性相关．当孔隙水溶液盐分浓度小于4.1 g/L后,温州土活性指数的减小幅度急剧增大．

图4 孔隙水溶液盐分浓度和土体活性指数间关系曲线

3 结论

1) 随着孔隙水溶液盐分浓度的降低,土体液限逐渐减小,且减小幅度逐渐增大,二者呈非线性相关;塑限则几乎不变．

2) 土体液限与液性指数随着孔隙水溶液盐分浓度的减小而减小,且存在一阀值4.1 g/L．当孔隙水溶液盐分浓度小于4.1 g/L时,ΔwL/ΔS急剧增大,液性指数普遍大于1.0．

3) 活性指数随着孔隙水溶液盐分浓度的减小而减小,尤其在低浓度范围内,活度指数的减小幅度急剧增大．

References)

[1]Quigley R M. Geology, mineralogy, and geochemistry of Canadian soft soils: a geotechnical perspective [J].CanadianGeotechnicalJournal, 1980, 17(2): 261-285.

[3]沈明洁, 谢志仁, 朱诚. 中国东部全新世以来海面波动特征探讨[J]. 地球科学进展, 2002, 17(6): 886-894. Shen Mingjie, Xie Zhiren, Zhu Cheng. Characteristics of sea-level fluctuations since holocene in the regions of eastern China [J].AdvanceinEarthSciences, 2002, 17(6): 886-894. (in Chinese)

[7]Torrance J K. On the role of chemistry in the development and behavior of the sensitive marine clays of Canada and Scandinavia [J].CanadianGeotechnicalJournal, 1975, 12(3): 326-335.

[10]Eden W J, Fletcher E B, Mitchell R J. South Nation River landslide, 16 May 1971 [J].CanadianGeotechnicalJournal, 1971, 8(3): 446-451.

[11]Ter-Stepanian G. Quick clay landslides: their enigmatic features and mechanism [J].BulletinofEngineeringGeologyandtheEnvironment, 2000, 59(1): 47-57.

[12]Locat A, Leroueil S, Bernander S, et al. Progressive failures in Eastern Canadian and Scandinavian sensitive clays [J].CanadianGeotechnicalJournal, 2011, 48(11): 1696-1712.

[13]任美锷, 丁方叔, 万延森, 等. 江苏省海岸带和海涂资源综合调查:报告 [M]. 北京: 海洋出版社, 1986:517.

[14]汪品先, 闵秋宝, 卞云华, 等. 我国东部第四纪海侵地层的初步研究 [J]. 地质学报, 1981(1): 1-13. Wang Pinxian, Min Qiubao, Bian Yunhua, et al. Strata of Quaternary transgressions in East China: a preliminary study [J].ActaGeologicalSinica, 1981(1): 1-13. (in Chinese)

[15]魏汝龙. 软粘土的强度和变形 [M]. 北京:人民交通出版社, 1987: 5-23.

Effects of salt leaching on physical properties of marine clays in China

Song Miaomiao Wang Chao Hong Zhenshun Ding Jianwen

(Institute of Geotechnical Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China)

To investigate the effects of salt leaching on the degradation of natural sedimented marine clay’s properties in China, the pore salt concentrations of Wenzhou clay and Lianyungang clay were changed by using NaCl solution and distilled water respectively. The physical indexes such as Atterberg limits, activity and so on were measured to study the variation rules of the physical properties of marine clays affected by salt leaching. The results show that the liquid limit and activity decrease and the liquidity index increases with the decrease of the pore salt concentration, while the plastic limit is almost unchanged. The variation curves of the physical properties during salt leaching indicate a threshold concentration 4.1 g/L. When the pore salt concentration is lower than 4.1 g/L, the liquid limit and the activity index decreases drastically. The decreasing rate of the liquid limit is 1.6 to 2.3, and the liquidity index is larger than 1.0. When the pore water salinity is larger than 4.1 g/L, the decreasing rate of the liquid limit decreases to 0.2 to 0.8.

marine clay; salt leaching; Atterberg limit; liquidity index; activity

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.03.031

2015-01-08. 作者简介: 宋苗苗(1987—)，女，博士生；洪振舜(联系人)，男，博士，教授，博士生导师，zshong@seu.edu.cn.

水利部公益性行业科研专项经费资助项目(201401006)、国家自然科学基金重点资助项目(41330641)、江苏省普通高校研究生科研创新计划资助项目(KYLX-0145).

宋苗苗,王超,洪振舜，等.盐分浸析对我国海相沉积土物理性质的影响[J].东南大学学报:自然科学版,2015,45(3):591-594.

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.03.031

TU43

A

1001-0505(2015)03-0591-04