土体含盐量对长江口地区软黏土特性的影响

周 洁, 李泽垚

(1.同济大学土木工程学院, 上海 200092； 2.同济大学， 岩土及地下工程教育部重点实验室， 上海 200092)

长江口地区由于其地层沉积为滨海相，其土体中大部含氯盐。受长江水文、东海海流潮汐的作用、季节降雨、人为建筑等原因的影响，长江三角洲滨海地区土体中含盐量将受建设地点、时间与季节[1]、人为建筑(石灰固化)[2]的影响而出现波动，从而对其力学特性产生较大影响[3]。在瑞典、加拿大等国家，也发生过由于盐分溶脱，而造成软黏土地基上的公路变形加大、边坡失稳等现象[4-5]；在中国滨海地区，盐渍土盐分变化也会使地基发生失稳[6]、变形增大等现象。现滨海地区进行的工程设计依据为：现有盐分状态下土样指标或原位测试指标。并未考虑盐分变化使得土体工程性质产生的改变[7-11]，这有可能给工程带来潜在的危害。

针对含盐量对土体物理特性的影响研究，柴寿喜等[2]通过单轴抗压试验与不固结不排水试验研究了含盐量对石灰固化滨海盐渍土力学强度影响，研究表明随着含盐量的增加，石灰固化致使滨海土体的无侧限抗压强度降低、抗剪强度降低；牛江宇等[7], 通过对兰州盐渍砂土重塑土添加不同量的盐分来模拟不同含盐量的盐渍土，并对其进行单轴抗压试验；席人双[10]针对含盐量对西北盐渍土固结特性、抗剪特性的影响进行试验，并根据双电层理论，从微观物理化学方面对含盐量对土体力学特性的影响机理进行了分析，结果表明含盐量增大，双电层厚度变薄，土颗粒之间的吸附力减小，从而致使孔隙比降低，抗剪强度增大；赵宏兴[11]通过重塑土试验，对粉质黏土中含盐量对透水特性、击实特性、抗剪特性的影响进行了研究；赵海艳等[12]针对滨海地区沧黄高速公路沿线的含盐粉土进行了不同含盐量的力学特性测试，结果表明含盐粉土压缩系数呈上升趋势，抗剪强度略微降低；Arasan等[13]研究了硫酸盐溶液的对黏土的塑限的影响，硫酸盐含量越高，土体塑限越高；Jo等[14]研究了无机盐溶液的对黏土的渗透性的影响；Ye等[15]研究了氯盐溶液对压实GMZ01膨润土渗透性能的影响，结果表明盐浓度越大，膨润土渗透性先增大后减小。可以看出，前人研究主要为西北含硫酸盐地区土体的力学特性、渤海地区含盐土体的抗剪特性与固结特性的研究。针对东南沿海长江三角洲地区特有的含氯盐软黏土的抗剪、压缩特性的研究，特别是能直接指导工程实际勘察设计的研究很少。为此，针对长江口沿岸特有的软黏土进行试验，并根据试验结果为工程设计提出了参数的设计取值建议。研究软黏土孔隙水含盐量对软黏土土体特性的影响，可以准确预测土体性质的变化规律，从而弥补无法全年各个时段勘察土体特性所带来准确性的不足。有助于减少因土体含盐量变化所带来的路基过量沉降、不均匀沉降、路堤整体失稳，桥头跳车等灾害。

1 研究区概况

针对长江口上海某沿江项目，对该工程区域的软黏土进行研究。建设区域内内存在大量的潮滩地貌、水下浅滩地貌，如图1、图2所示。土体地下水位较高，滨海相沉积的淤泥质黏土分布广泛。

图1 潮滩Fig.1 Tidal beach

图2 水下浅滩Fig.2 Underwater shoal

研究对象淤泥质土是一种软黏土，该土层分布广泛、厚度较大、含水量高、孔隙比大、压缩性高、强度低。该土层(深度为1 m某钻孔原状样)于2018年8月19日取样后使用铝盒烘干法、侧限压缩试验、直剪试验等测试手段对软黏土进行试验测定，结果如表1所示。

表1 土层参数

表2 土体易溶盐含量测定结果

表3 全年土体易溶盐含量测定结果

图3 土体含盐量测试结果Fig.3 Test results of soil salinity

2 试验方案

试验选取2018年4月10日、2018年5月28日、2018年7月3日、2018年7月15日、2018年8月19日、2018年10月9日、2018年10月26日、2018年11月27日、2019年1月4日、2019年2月21日，共计10次采集的原状样进行固结快剪试验和侧限压缩试验。然后使用TST-55型渗透仪对原状土的渗透性进行测定，渗透试验用水为盐度与原状土孔隙水盐度相同的盐溶液。另外在渗透仪上使用去离子水对原状样进行渗透，渗透过水量为原状土孔隙水含量的5倍，测试结束后再次测定渗透过的软黏土的含盐量。对渗透后的不静置的原状土、渗透后静置60 d对的原状土进行固结快剪试验和侧限压缩试验。最后对不同含盐量的原状土进行压汞试验，对不同含盐量软黏土的孔隙分布特征进行测定。

3 试验结果

3.1 原状土体的固结快剪试验

将不同时期取样的原状土分别在50、100、200、300 kPa固结压力下进行固结快剪试验，每个固结压力的试样测试3次，取平均值。试验结果如表4所示。

根据试验数据结果(图4)可以看出，随着土体含盐量的提高，原状土的内摩擦角和黏聚力都呈现出降低的趋势。软黏土含盐量在0.5%～1.1%时，随着得到土体含盐量的提高，土体内摩擦角从4.20°升高到到低到4.89°，土体含盐量增加量与土体内摩擦角提高量大致成正比。对于黏聚力，原状土土体含盐量越高，土体黏聚力越高；当土体含盐量越低时，盐分对黏聚力的影响程度越大；当土体含盐量大于0.8%时，土体含盐量的变化对黏聚力的影响已经很小了。

使用二次拟合公式对数据进行拟合，可以看出相关性较好。

表4 固结快剪试验试验结果

图4 土体含盐量对内摩擦角与黏聚力的影响Fig.4 Effect of soil salt content on internal friction angle and cohesion

φ=-2.685 9S2+5.904 8S+1.636 3，

R2=0.960 1

(1)

c=-30.325S2+54.748S-10.916，

R2=0.957 3

(2)

式中：φ为软黏土的内摩擦角，°；S为软黏土孔隙水含盐量，%；c为软黏土的黏聚力，kPa。

造成这种现象的原因与黏土颗粒外的双电层有关。黏土矿物的晶体结构因晶格质换作用而致使黏土颗粒表面带有一定的负电荷。黏土颗粒会将土中溶液里的阳离子吸附在其周围，这就使黏土颗粒周围的离子浓度提高。在渗透压力差的驱使下，孔隙中的自由水会向土颗粒周围渗透并形成结合水膜，即双电层。环境中的盐分先通过渗透作用对其孔隙溶液的浓度产生影响，进一步影响结合水膜。含盐量不同的软黏土的微观结构如图5所示[20]。孔隙水浓度越高，这就使得黏土颗粒表面渗透压力差越大，从而结合水膜被压缩地越紧，黏土颗粒间的孔隙变得越小，堆积层数增大，土颗粒集聚化程度提高。整体体现出含盐量高的软黏土，其土体颗粒团具有更加致密均一的结构。这都使得高含盐量的软黏土能够拥有更高的强度。虽然电镜扫面结果显示颗粒团集聚化的过程中，颗粒团之间会出现少量的大孔隙，可能会致使土体的抗剪强度降低。但事实证明软黏土宏观性质受颗粒团集聚的影响更大，即软黏土土体含盐量越高，其抗剪强度越低。

图5 不同含盐量黏土电镜扫描图[20]Fig.5 Scanning electron micrograph of clay with different salt content[20]

3.2 原状土体的侧限压缩试验

将不同时期取样的原状土在100～200 kPa的压力下进行侧限压缩试验，每个时间采集的原状样进行3组测试。试验测定结果如图6、图7所示。

图6 压缩系数测试结果Fig.6 The test result of compression coefficient

图7 压缩模量试验结果Fig.7 The test result of compression modulus

试验结果表明，软黏土含盐量在0.5%～1.1%时，软黏土的压缩系数随含盐量的增高而降低，降低速率随含盐量的增高而降低；软黏土的压缩模量随含盐量的增高而增高，增长速率随含盐量的增高而降低。使用二次趋势线对数据进行拟合，可以得到含盐量与压缩系数、含盐量与压缩模量的拟合曲线，结果表明拟合效果较好。

α=1.229S2-2.450 8S+1.864 1，

R2=0.977 4

(3)

式(3)中：α为软黏土的压缩系数(100～200 kPa)，MPa-1。

ES=-6.111S2+11.784S-2.165 3，

R2=0.968 8

(4)

式(4)中：ES为软黏土标准状态下的压缩模量(100～200 kPa)，MPa。

造成这种现象的原因也与黏土颗粒表面的双电层。含盐量高的土体，其结合水膜被压缩的程度越紧，堆积层数大, 土颗粒集聚化程度高，集聚体内孔隙小。颗粒团的集聚化，可以使得土体结构更加致密，从而使得土体压缩性降低。

3.3 原状土体的渗透试验

试验使用TST-55型渗透仪采用定水头渗透试验的方式对不同含盐量的试样进行渗透特性的测定[21]。为确保冻融软黏土试样中所含的盐分在渗透过程中不被渗流的水所影响，试验测定过程中供水瓶中使用的溶液盐度与软黏土孔隙水盐度相一致。冻融软黏土的渗透系数测定结果如图8所示。

图8 渗透系数试验结果Fig.8 The test result of hydraulic conductivity

由图8可以看出,随着原状土体含盐量的增大，土体渗透性变强。使用二次趋势线对数据进行拟合，可以得到土体含盐量与渗透系数的拟合曲线，结果表明拟合效果较好。

K=-16.833S2+30.798S-6.092 6，

R2=0.900 4

(5)

式(5)中：K为软黏土的渗透系数，10-5m/s。

软黏土土体中的盐分可以提高软黏土的渗透特性。这主要与土颗粒团集聚所产生的大孔隙有关[8]：由于软黏土的渗透性主要受土体大孔隙的数量与分布形式有关，虽然土颗粒集聚使得颗粒团内部的孔隙减小，但这对土体渗透性产生的影响程度相对较小。大孔隙的增多致使土体渗透性增加。软黏土体现出含盐量越高，渗透性越大的性质。

3.4 渗滤土与原状土的对比试验

在渗透仪上使用去离子水对原状软黏土进行渗透，可以人为地降低土体孔隙水中的含盐量，从而模拟降雨、涨水等环境因素的变化对土体含盐量的影响。对2018年4月10日、2018年5月28日、2019年1月4日、2019年2月21日这4个时间取的原状样使用去离子水进行渗透，渗透结束后分组对原状土进行直剪试验、侧限压缩试验[22-23]、渗透试验。试验结果如表5、图9所示。

渗滤土直剪试验、侧限压缩试验、渗透试验结果如图9所示。

静置的目的是让发生变化的孔隙水中的盐分有充分时间对土体骨架产生影响。未进行静置的渗滤软黏土，可以看作渗滤作用仅改变了土体孔隙水的盐度，孔隙水盐度的变化没有对软黏土骨架产生较大的影响，即对软黏土骨架中的盐分影响受时间的影响相对较小。试验结果表明，人为地改变软黏土孔隙水盐度后，不论静置与否，对软黏土的不排水抗剪强度、压缩模量、渗透系数都会发生改变。这说明不论是黏土颗粒中的盐分还是孔隙水中的盐分都将会对软黏土的抗剪特性、压缩特性、渗透特性带来影响。渗滤后未进行静置的软黏土的抗剪强度、压缩模量、渗透系数与未进行原状土的渗滤的原状土的测试结果相比，差异并不明显；渗滤后静置60 d的软黏土的抗剪强度、压缩模量、渗透系数更接近该含盐量天然原状土的拟合值。这说明孔隙水中的盐分对土体特性的影响较小，软黏土颗粒中的盐分是影响土体抗剪特性、压缩特性、渗透特性的主要原因；软黏土的抗剪特性、压缩特性、渗透特性是土颗粒中的盐分、孔隙水中的盐分、盐分保有时间这些因素综合作用的结果。

表5 渗滤土含盐量测定结果

图9 渗滤土测试结果Fig.9 Test result of permeable soil

3.5 含盐原状土的微观试验

压汞技术是分析孔隙结构演化的重要手 段。本次试验使用美国 Micrometritics公司的AutoPore IV 9500 V1.07 型压汞仪对软黏土的孔隙特征进行试验测定。试验采用最适用于黏性土的冻干法[24]进行制样。试验将2018-08-19、2018-11-27、2019-02-21 采集的3种原状样进行测定，试验得到的孔径分布密度如图10所示。

图10 不同含盐量原状土的孔隙分布特征Fig.10 Pore distribution characteristics of intact soils with different salinity

根据国际理论和应用化学联合会(IUPAC)提出的孔隙孔径分类标准[25]：大孔>50 nm、中孔2～50 nm、小孔<2 nm，可以看出上海市软黏土的孔径大多在100～200 nm，孔隙以大孔为主。随着土体含盐量的提高，软黏土小于1 000 nm的孔隙数量略微地减小；1 000～2 000 nm的孔隙数量小幅地增加，特别是1 600 nm的孔隙数量增加地相对比较明显。这也证明了盐分可以使得土颗粒团发生集聚，从而使得软黏土1 000 nm以下孔隙的数量减小，1 000～2 000 nm的孔隙数量略微增加。孔径100～200 nm孔隙的减小使得土体强度增加、压缩性降低；孔径1 000～2 000 nm孔隙的增加使得土体渗透性增强。

在上海长江口沿岸地区，冬季软黏土强度更低，压缩性更高，更易发生剪切破坏、造成更大的沉降。工程更应该注重冬季工程地质灾害的防治。

4 结论

通过对长江口地区上海原状软黏土进行直剪试验、侧限压缩试验、渗透试验、压汞试验测定；并与渗滤原状土的特性进行对比，得到如下结论。

(1)长江口沿岸地区软黏土孔隙水中离子以Cl-和Na+为主，各离子成分与海盐相似。土体含盐量在夏季时最低；冬季时最高，春秋两季介于冬夏之间。

(2)软黏土土体含盐量的提高，可致使软黏土的内摩擦角与黏聚力增高、压缩系数降低、渗透系数增大。

(3)软黏土的抗剪特性、压缩特性、渗透特性是土颗粒中的盐分、孔隙水中的盐分、盐分保有时间这些因素综合作用的结果。孔隙水中的盐分对土体特性的影响较小，软黏土颗粒中的盐分是影响土体抗剪特性、压缩特性的主要原因。

(4)上海市软黏土的孔径大多在100～200 nm，孔隙以大孔为主。盐分可以使土颗粒团发生集聚，从而使软黏土1 000 nm以下孔隙的数量减小，1 000～2 000 nm的孔隙数量有所增加。

(5)长江口沿岸地区土体冬季的力学性能较差，冬季是长江口不良地质灾害发生的危险期，应该更加注重冬季工程地质灾害的防治。