赋存环境变化对海积软土特性影响试验
2016-08-30陈宏飞梁腾龙焦文灿袁海波王业田
陈宏飞,梁腾龙,焦文灿,吴 恒,袁海波,周 东,王业田
(1.广西大学土木建筑工程学院, 广西南宁530004;2.广西大学工程防灾与结构安全教育部重点实验室, 广西南宁530004)
赋存环境变化对海积软土特性影响试验
陈宏飞1,2,梁腾龙1,2,焦文灿1,2,吴恒1,2,袁海波1,2,周东1,2,王业田1,2
(1.广西大学土木建筑工程学院, 广西南宁530004;2.广西大学工程防灾与结构安全教育部重点实验室, 广西南宁530004)
填海造陆对海积软土赋存环境产生的改变是多方面的,它使海积软土受到多种因素影响且以不同程度同时作用。本文以广西钦州港填海区海积软土为研究对象,采用“浸泡—加载”模拟制样技术,从孔隙液化学组分、面状荷载耦合作用角度研究赋存环境变化要素对海积软土压缩性、渗透性以及强度的影响。研究表明:孔隙液中Ca2+、Mg2+的作用使海积软土孔隙比减小、压缩性和渗透性降低,其浓度越高海积软土的压缩性和渗透性越低,相同浓度下,Ca2+对土的压缩性影响较Mg2+大,但Mg2+对土的孔隙比和渗透系数的影响比Ca2+显著;上覆荷载影响海积软土与浸泡液之间的离子交换,其影响程度与上覆荷载大小和浸泡液离子浓度有关;上覆荷载对土的粘聚力c值的变化起决定作用,而化学组分对土的内摩擦角φ值影响显著。
海积软土;物理力学特性;赋存环境;化学组份;上覆荷载;填海造陆
0 引 言
填海造陆是人类开发利用海洋的重要方式,新一轮填海造陆获得的新陆域多为工业及城市建设用地,它具有填海面积大、造陆速度快、施加荷载重等三个特点。进入21世纪,随着我国经济快速持续增长,特别是第二次工业化浪潮和用地紧缩情势下,我国正掀起新一轮的大规模围填海热潮[1-2]。
目前,关于海积软土的研究众多,取得了丰硕的成果。李作勤[3]提出有结构强度的欠压密土的概念,并指出作用在这类土上的外荷载一旦超出其结构屈服应力将是十分危险的;吴恒[4-5]通过对城市环境下的水土作用研究得出,结构性土的颗粒间胶结状态与地下水的化学组分有关,对土的细观结构强度产生影响;孔令伟等[6]将海积软土孔隙液中的pH值变化与土粒表面的扩散双电层的变化相联系,以研究海积软土赋存环境所产生的问题;陈晓平[7]、Alexis[8]等研究关于软土孔隙水排泄条件对软土结构强度的影响;王军等[9]通过对土样进行水化学试验、物理力学常规试验,得出K+、Na+等对土体原始粘聚力和固有粘聚力有明显的减弱作用;唐晓武等[10]通过比较吸附离子前后的变化,发现黏土的渗透系数随K+、Cu2+含量的增加而增大。目前大多数研究工作都是直接以原状软土为研究对象,主要研究海积软土的宏观物理力学特性与,较少考虑赋存环境变化的影响作用。
海积软土在力学强度上划归为软土类,属于典型的结构性土[11-13],软土的结构性对其宏观力学性质具有显著影响,它是在赋存环境条件影响下经历漫长历史时期所形成的。填海造陆作用使海积软土的赋存环境产生了极大的改变,由此必然引发土体微细观层面的物理化学反应,直接影响土体的结构强度和工程性质。
本文从孔隙液化学组分、面状荷载以及排水条件共同作用角度出发,通过“浸泡—加载”模拟制样技术,获得“印记”有赋存环境变化要素的人工制备样,对该制备样进行相关室内试验,进而分析赋存环境要素对海积软土物理力学性质的影响规律。
1 土的物性指标和试验方案
1.1土的基本性质指标
试验用土料取自钦州保税港区填海造陆区域滩涂,属广西北部湾海积相软土,定名为淤泥质粘土。土体呈褐色及灰黑色,颗粒细腻,软塑~流塑状态,掺杂贝壳等海洋生物碎屑,具高含水率、高压缩性、大孔隙比、低强度、高饱和度等特性,其主要物性指标见表1。
表1 试验用土的基本物理性质指标Tab.1 Physical property index of the test soil
1.2环境模拟制样与测试
1.2.1赋存环境模拟
填海造陆使海积软土的赋存环境发生了变化:由海水覆盖变成由填海物料层覆盖,原来具有的与海水充分接触的空间被岩土介质所阻断,将原地沉积的海积软土变成了大面积新陆域的软弱下卧层。由此,表征海积软土赋存环境变化的要素主要包括外部水化学组份及其浓度、面状荷载、孔隙水排泄条件以及各因素的作用时间。环境要素作用是一个长期过程,为使各要素特别是化学组份的作用结果在有限时间内显现出来,研究采用“以空间换时间”的模拟方法,即,面状荷载和孔隙排水条件采用正常值,化学浸泡液采用强化离子浓度。
孔隙液化学组分变异的模拟:以现时海水化学组分为基准,取其中含量最大的两个阳离子Ca2+、Mg2+含量为变量(这里不考虑Na+的作用),分别按质量浓度10倍和100倍于原海水配置不同浓度的浸泡液。
面状荷载变化的模拟:以填海造陆前海积软土所承受的海水荷载30 kPa为起始荷载值,以六倍的海水荷载值为最终荷载值,等分为四级荷载,作为浸泡—加荷联动试验时的加荷值。
孔隙水排水条件的模拟:将海积软土土样装入事先加工成型、四面分布有密集小孔的塑料土模(尺寸为15 cm×15 cm×15 cm)内,土样周边用土工布包裹,土样顶底面设置为隔水边界。这样,土样在浸泡—加载联动过程中不发生侧向变形,其孔隙液与浸泡液的化学组分能自由交换。显然,随作用在土样上的荷载逐渐增大,由土样边缘到土样中心区,其孔隙水的排泄阻力逐渐增大,这与填海陆域的实际状况吻合。
试验设计采用正交方案,共4种荷载值、5种浸泡液,模拟制样20组。
1.2.2试验土样制备
根据上述模拟试验要求,采用“浸泡—加载”模拟制样技术(试验装置如图1,已获国家发明专利),分级加载,采用百分表量测土样的轴向压缩量,当土样轴向变形小于0.01 mm/d时施加下一级荷载,直到设计值。制样时间视土样压缩变形情况决定,当连续两周土样轴向变形保持不变时,制样工序完成。试验实际历时3个月,获得20组“印记”有不同赋存环境变化要素的人工制备样,各人工制备样编号及其对应的环境要素值见表2。
图1 “浸泡—加载”联动装置
浸泡液1上覆荷载30kPa80kPa130kPa180kPaA1号土样2号土样3号土样4号土样B5号土样6号土样7号土样8号土样C9号土样10号土样11号土样12号土样D13号土样14号土样15号土样16号土样E17号土样18号土样19号土样20号土样
1. A为原海水;B为Ca2+浓度为原海水10倍的海水溶液;C为Ca2+浓度为原海水100倍的海水溶液;D为Mg2+浓度为原海水10倍的海水溶液;E为Mg2+浓度为原海水100倍的海水溶液。
1.2.3相关室内试验
对“印记”有不同赋存环境变化要素的人工制备样,采用以下试验方法测定其离子交换量、渗透系数和强度参数等。
①离子交换测定试验
采用ICPS法测试海积软土中特定元素含量。具体步骤如下:
待测土样处理:将待测土样放入烘箱低温烘干,然后把土样碾散过100目筛网,称取5 g放入烘箱继续低温烘烤,直至相邻两次称量差值小于0.001 g。
待测土样的溶液预制备:将上述烘干土样精确称量0.5 g(精确至0.001 g)放入烧杯中,加入100 mL去离子水,常温下使用搅拌器搅拌30 min,然后静置24 h。
测试溶液终制备:吸取上一步操作所得溶液上层清液10 mL放入离心管中,将离心玻管放入离心机中离心30 min,待离心机停稳,取下样品离心管,把溶液过滤后保存在干净干燥带塞子的试管中,放在试管架上待测。
上机测试:将上述溶液按ICP仪器的操作流程进行测试,获得土样特定离子浸出浓度值。
②渗透试验
采用变水头渗透试验,研究环境要素变化对海积软土渗透性的影响。试验用环刀内径61.8 mm,高40 mm,具体操作按照《土工试验方法标准》GB/T 50123—1999进行。
③强度试验
选择快剪试验测定土样的抗剪强度。试验过程:从每个加工成型的人工制备样中,切取4个直剪试样;将试样安装至应变控制式直剪仪上,并垫上硬塑料薄膜;根据直剪试样的软硬程度,在25~250 kPa区间内选取四种荷载作为垂向压力;以0.8 mm/min的剪切速率匀速剪切,使试样在3~5 min内剪坏。
2 “浸泡—加载”联动制样过程分析
2.1上覆荷载对海积软土竖向压缩性的影响
相同浸泡液、不同上覆荷载下土样竖向应变随时间变化曲线如图2所示。可以看出,施加每级荷载时,竖向应变均会表现出加荷瞬间陡升、然后趋于稳定,呈阶梯型趋势。在相同浸泡液环境中,土样轴向应变总体上表现出随上部荷载提高而增大的趋势,只是变形量差异较大。在原海水浸泡液环境下,各土样轴向应变与时间的关系曲线,随荷载大小的改变,阶梯曲线间区分度明显,而在离子浓度较高的浸泡液环境中,各阶梯曲线间区分度降低甚至重叠。对比图2(b)和图2(c)可见,图2(c)中轴向应变整体上较图2(b)减小,尤以中间两级荷载,即80 kPa与130 kPa荷载条件下土样轴向应变变化最为明显。不同Mg2+海水浸泡液环境中土样竖向压缩也表现出类似的规律,如图2(d)和图2(e)所示。
(a) 原海水溶液
(b) Ca2+浓度10倍于原海水浸泡液
(c) Ca2+浓度100倍于原海水浸泡液
(d) Mg2+浓度10倍于原海水浸泡液
(e) Mg2+浓度100倍于原海水浸泡液
2.2不同浸泡液对土样竖向压缩性的影响
相同上覆荷载、不同浸泡液条件下土样轴向应变与时间关系曲线如图3所示。可以看出,30 kPa荷载条件下,除原海水浸泡环境中土样轴向应变较大外,其余四种浸泡液环境中土样轴向应变大体相同。在80 kPa与130 kPa荷载条件下,唯有图3(b)和图3(c)中10号、11号曲线对应的轴向应变显著低于其余曲线,即80 kPa与130 kPa荷载作用下,浓度2.5%Ca2+海水浸泡液环境中土样的轴向压缩变形显著低于其余土样的变形量。在180 kPa荷载条件下,各浸泡液环境中土样轴向应变值变化趋势大体相同。
(a) 上覆荷载30 kPa
(b) 上覆荷载80 kPa
(c) 上覆荷载130 kPa
(d) 上覆荷载180kPa
图3相同上覆荷载不同浸泡液条件下土样轴向应变随时间变化曲线
Fig.3Strain change curve over time of axial compression of marine soft soil in different soaking liquid withsame overlying load conditions
3 浸泡试验离子交换测定结果分析
为研究人工制备样不同位置化学组份迁移的差异,在20组人工制备样的边缘和中心处分别采取样品进行测试分析,记1号人工制备样所采取的样品编号为K1-边、K1-中,以此类推,直至K20-边、K20-中。
①不同浸泡液环境下土样边缘与中心处钙、镁元素浸出量随上覆荷载变化规律
为描述不同浸泡液中人工制备样在不同位置处钙、镁元素浸出量与上覆荷载的关系,以浸泡荷载为横坐标,离子浸出量为纵坐标,绘制相同浸泡液环境下土样边缘与中心处离子浸出量与上覆荷载关系曲线,如图4所示。由图4(a)和图4(b)可看出,C曲线显著高于其他曲线,其Ca2+浸出量随荷载增加而降低,并表现出随荷载增加斜率逐渐降低;其余三条曲线则基本重合,钙元素浸出量没有明显差异。由图4(c)和图4(d)可知,镁元素浸出量随荷载的变化具有相同规律。
(a) 土样边缘Ca元素浸出量
(b) 土样中心Ca元素浸出量
(c) 土样边缘Mg元素浸出量
(d) 土样中心Mg元素浸出量
图4不同浸泡液环境下试样边缘与中心处钙、镁元素浸出量随上覆荷载变化关系曲线
Fig.4Change curve of calcium and magnesium leaching content from edge and center of marine soft soil as the change of overlying load in different soaking liquid
②相同浸泡液环境下土样边缘与中心处钙、镁元素浸出量随上覆荷载变化规律
以上覆荷载为横坐标,离子浸出量为纵坐标,绘制相同浸泡液环境下土样边缘与中心处离子浸出量与上覆荷载关系曲线,如图5所示。由图5可知,所有曲线均表现出随荷载增大而下降的趋势。原海水浸泡液下试样中心与边缘处Mg2+浸出值均大于Ca2+浸出值,且中心处Ca2+、Mg2+浸出值均大于边缘处相应离子浸出值,而这些浸出值都小于原海积软土本底值,说明浸泡过程中离子是从土样扩散到溶液中。其余配制的加强相关离子浓度的浸泡液环境中,均表现出高浓度的外界浸泡液环境会使土样的相关离子浸出值显著提高,而且边缘处高于中心处,Mg2+提高程度大于Ca2+。
由图5(b)得出,Ca2+浓度10倍于海水浸泡液环境下,当上覆荷载加大后,土样边缘处Ca2+浸出值急剧下降,甚至低于中心处,图5(d)变具有同样的变化规律。
③不同上覆荷载条件下浸泡液中Ca2+、Mg2+及其浓度对土样离子浸出量的影响规律
以浸泡液离子浓度为横坐标,以Ca2+和Mg2+浸出量为纵坐标,绘制不同上覆荷载条件土样边缘与中心处离子浸出量与浸泡液离子浓度之间的关系曲线,如图6所示。
由图6可以看出,离子浸出量均随浸泡液离子浓度增大而增加;相同浓度浸泡液因离子种类和浸入土体位置不同浸出量存在差异,在上覆荷载和离子浓度相同的条件下,离子浸出量大小关系为:边Mg2+>中Mg2+>边Ca2+>中Ca2+。说明在相同条件下,Mg2+更容易进入土样。
(a) 原海水浸泡液
(b) Ca2+浓度10倍于原海水浸泡液
(c) Ca2+浓度100倍于原海水浸泡液
(d) Mg2+浓度10倍于原海水浸泡液
(e) Mg2+浓度100倍于原海水浸泡液
(a) 上覆荷载30 kPa
(b) 上覆荷载80 kPa
(c) 上覆荷载130 kPa
(d) 上覆荷载180 kPa
图6不同上覆荷载环境下浸泡液强化离子种类与海积软土离子浸出量关系曲线
Fig.6relationship curve between ion leaching content of marine soft soil and strengthening ion species in overlying load environment with different levels
4 赋存环境变化对海积软土渗透性影响的分析
①不同浸泡液环境下海积软土孔隙比和渗透系数随上覆荷载的变化规律[8]
以上覆荷载为横坐标,相应环境要素下孔隙比和渗透系数为纵坐标,绘制不同浸泡液环境中海积软土孔隙比和渗透系数随上覆荷载变化曲线,如图7所示。
由图7可看出,不同浸泡液环境下海积软土孔隙比和渗透系数均随上覆荷载的增加呈减小趋势,同时,图7(a)和图7(b)中关系曲线的排列与趋势也大体相同。原海水浸泡液环境下海积软土的孔隙比和渗透系数均大于其余赋存环境下的海积软土,其余四种环境下海积软土的孔隙比和渗透系数由大到小排列顺序依次为:Ca2+浓度10倍于海水的浸泡液、Mg2+浓度10倍于海水的浸泡液、Ca2+浓度100倍于海水的浸泡液、Mg2+浓度100倍于海水的浸泡液。
②不同上覆荷载条件下海积软土渗透系数随浸泡液离子浓度的变化规律[9]
为描述渗透系数与浸泡液离子浓度之间的关系,以Ca2+、Mg2+浓度为横坐标,渗透系数为纵坐标,绘制关系曲线,如图8所示。
由图8可知,相同浓度的Ca2+、Mg2+浸泡液中,海积软土渗透系数均随其上覆荷载的增加而减小。除180 kPa上覆荷载外,不同上覆荷载条件下海积软土渗透系数均表现出随浸泡液中离子浓度增大而减小的趋势。对比图8(a)和图8(b)可知,Mg2+对海积软土渗透性的减弱作用要强于Ca2+。此外,从图8中也可看出,海积软土上覆荷载由30 kPa加到80 kPa时,其渗透系数的减小最为显著。
(a) 孔隙比与上覆荷载关系
(b) 渗透系数与上覆荷载关系
图7不同浸泡液环境下海积软土孔隙比和渗透系数与上覆荷载的关系
Fig.7Relationship between void ratio and permeability coefficient of marine soft soil and overlying load in different soaking liquid
(a) 浸泡液中Ca2+浓度强化
(b) 浸泡液中Mg2+浓度强化
图8不同上覆荷载环境下海积软土“渗透系数-强化离子浓度”变化规律
Fig.8Change curve of permeability coefficient-enhanced ion concentration of marine soft soil in different overlying load
5 赋存环境变化对海积软土力学强度影响的分析
①相同浸泡液、不同上覆荷载条件下海积软土抗剪强度变化规律[10-11]
以快剪试验所施加垂直压力为横坐标,抗剪强度为纵坐标,绘制相应关系曲线,如图9所示。其中J1、J2、…、J20依次表示1~20号海积软土制备样对应的直剪环刀试样。
由图9可知,相同浸泡液条件下,各曲线变化趋势基本一致,上覆荷载越大,曲线在图中所处位置越高,各曲线拟合直线斜率变化不明显,但纵坐标截距有较大差异。此外,Ca2+浓度100倍于海水的浸泡液环境下土样的抗剪强度有明显提高。
(a) 原海水溶液
(b) Ca2+浓度10倍于原海水浸泡液
(c) Ca2+浓度100倍于原海水浸泡液
(d) Mg2+浓度10倍于原海水浸泡液
(e) Mg2+浓度100倍于原海水浸泡液
②相同上部荷载、不同浸泡液环境下海积软土抗剪强度变化规律
以快剪试验所施加垂直压力为横坐标,抗剪强度为纵坐标,绘制相应关系曲线,如图10所示。
由图10可以看出,Ca2+浓度100倍于海水的浸泡液环境下土样抗剪强度曲线(曲线J9、J10、J11、J12)均位于各组曲线图最上方,抗剪强度最高。
(a) 上部荷载30 kPa
(b) 上部荷载80 kPa
(c) 上部荷载130 kPa
(d) 上部荷载180 kPa
图10相同上部荷载不同浸泡液环境下海积软土抗剪强度变化曲线
Fig.10Change curve of the shear strength of marine soft soil in diffrent soaking liquid with the same overlying load conditions
③不同环境要素作用下海积软土的快剪强度参数c、φ值
不同环境要素作用下海积软土快剪强度参数c、φ值测试结果见表3。
表3 不同环境要素作用下海积软土抗剪强度参数c、φ值Tab.3 The cohesive force and Internal friction angle of marine soft soil in different environmental elements
由表3可以看出,随上覆荷载增加,土样粘聚力c值均呈增大趋势;除Ca2+浓度100倍于海水的浸泡液环境下土样内摩擦角φ值随上覆荷载增大呈递减趋势外,其余四种浸泡液下土样的φ值均随荷载增加而呈递增趋势。Ca2+浓度100倍于海水的浸泡液环境下土样的c、φ值均明显高于其余四种浸泡液下的土样,并取得最大值,分别为22.10 kPa与5.29°。
6 结 语
①浸泡液中Ca2+、Mg2+的作用使海积软土孔隙比减小、压缩性和渗透性降低,其浓度越高海积软土的压缩性和渗透性越低;相同浓度下,Ca2+对土的压缩性影响较Mg2+大,但Mg2+对土的孔隙比和渗透系数的影响比Ca2+显著。这可能与Ca2+的结晶胶结作用以及Mg2+更容易通过海积软土的细密孔隙进入土体内有关。
②上覆荷载对海积软土的压缩性、孔隙比以及渗透性影响显著,上覆荷载越大,海积软土的轴向变形越大,孔隙比、渗透系数越小。
③上覆荷载影响海积软土与浸泡液之间的离子交换;上部荷载由30 kPa增加到80 kPa时,对高浓度浸泡液环境下海积软土与外界进行离子交换的影响最为显著;在低浓度浸泡液环境下,上覆荷载对海积软土与浸泡液间离子交换的影响大于浸泡液离子浓度本身的影响。
④海积软土粘聚力c值随上覆荷载和Ca2+、Mg2+浓度的增加而增大,但上覆荷载的影响起决定作用;化学组分对海积软土的内摩擦角φ值影响显著。Ca2+对海积软土抗剪强度参数c、φ值的增强作用比Mg2+明显。
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(责任编辑唐汉民梁碧芬)
Experimental study on physical and mechanical properties of marine soft soil under environmental changes
CHEN Hong-fei1,2, LIANG Teng-long1,2, JIAO Wen-can1,2, WU Heng1,2, YUAN Hai-bo1,2, ZHOU Dong1,2, WANG Ye-tian1,2
(1. College of Civil Engineering and Architecture, Guangxi Universiy, Nanning 530004, China;2. Key Laboratory of Disaster Prevention and Structural Safety of the Ministry of Education, Guangxi University, Nanning 530004, China)
The sea reclamation, in many ways, changes the environment around marine soft soil. The marine soft soil is influenced by many factors in different levels, and the factors work simultaneously. This paper focuses on the marine soft soil, which lies in the reclamation area of Qinzhou port, Guangxi Province. The “soaking-loading” sample preparation technology is used to study the effect of Environmental factors on the compressibility, permeability and strength of the marine soft soil, from the aspects of pore solution and planar load coupling. Research shows that the Ca2+and Mg2+in the pore solution decrease the void ratio, compressibility and permeability of marine soft soil. The higher the concentration is, the lower the compressibility and permeability of the soft soil will be. Under the same concentration, Ca2+has more influence on the compressibility of the soil than Mg2+, but Mg2+has a stronger effect on the void ratio and permeability coefficient. The overlying load affects Ion exchange between marine soft soil and soaking liquid. The effect depends on the magnitude of overlying load and the concentration of soaking liquid. The overlying load has a decisive effect on the change of cohesion (c), and the chemical composition has significant effects on the intrinsic friction angle (φ).
marine soft soil; physical and mechanical properties; environment; chemical components; overlying load; Sea reclamation
2015-12-12;
2016-02-28
国家自然科学基金资助项目(51178124、51378132)、广西科技计划重点资助项目(0895004-2、0992027-3)资助
周东(1962—),男,广西大学教授,博士生导师;E-mail:zhd516@163.com。
10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.1082
TU411
A
1001-7445(2016)02-1082-13
引文格式:陈宏飞,梁腾龙,焦文灿,等.赋存环境变化对海积软土物理力学性质影响试验[J].广西大学学报(自然科学版),2016,41(2):1082-1094.