孔隙液化学组分对软土细观结构影响试验研究

李建合, 刘先林 ， 陈 川， 唐正辉， 匡 波， 李明智

(1.广西新发展交通集团有限公司， 广西 南宁 530029； 2.广西交通设计集团有限公司， 广西 南宁 530029)

0 引言

海相软土是一种结构性显著的软土[1-3]。孔隙液发生变化时，软土的细观结构将如何随之而改变，这对于填海造陆所造就的软弱下卧层的结构与其强度具有重要的理论价值和工程意义。

近年来，对不同化学组分下土样的结构性质的改变，国内外学者进行了大量的研究，如WARKENTIN[4]等分析了孔隙液对黏土结构强度的影响机制，提出结构强度只与土颗粒的斥力相关的概念；LIU[5]等通过改变孔隙液盐度成分，对膨润土的力学性质进行了表征ABDULIAUWAD[6-7]等在对伊朗、沙特等国的盐渍土开展研究的基础上，提出了一些适宜的地基处理方法；NAEINI[8]等分析了盐溶液侵入对土体结构强度的影响，发现孔隙液的浓度大小是强度改变的关键因素；欧孝夺[9]等通过改变孔隙液中的种类和含量，研究热作用下孔隙液对黏性土结构力学行为的影响；梁健伟[10]等通过改变盐溶液浓度观测双电层的变化规律，发现结合水膜厚度的变化对土体结构强度的影响显著；吴恒[11-12]等在研究城市地下水环境改变对土体作用时发现，土颗粒间联结作用与地下水中的离子成分有关，影响着土体的结构强度；王洋[13]等研究酸碱水溶液对红黏土结构强度影响时发现：酸性水溶液可提高红黏土的结构强度，而碱性水溶液反之。

纵观前人研究，尽管很多学者对孔隙液改变对土体强度的影响做了许多研究，但是仍然存在不少问题亟待解决。如对孔隙液改变对土样的细观结构的几何特征的影响、细观结构和宏观力学性状之间的关联等研究较少涉及。本文通过配置不同化学组分的浸泡液，借助压汞仪、等离子体原子发射光谱仪和直剪仪，分析孔隙液的改变对土样孔隙结构的衍化和结构强度的影响。

1 试验样品与方法

1.1 试样制备

本试验所取土样为广西北部湾自然沉积的海相软土，其主要的物理性质指标如下：天然含水率W为52.57%，土粒比重Gs为2.7,液限WL为42.5，塑限WP为20,液性指数IL为1.45,塑性指数IP为22.5,易溶盐含量W为1.82%。

将取自广西北部湾某填海场地的软土置于不同离子浓度的浸泡液中，在经历一段时间浸泡之后，软土样品中的孔隙即充满浸泡液。对北部湾地区海水化学组分的分析可知，该地区海水中的主要化学组分有钙、镁离子，海水的主要离子成分如下：Na+为5 284.5 mg /L,Ca2+为235 mg /L,Mg2+为235.6 mg /L，无Al3+和Fe2+,pH为7.67。试验样品制备装置如图1所示。

图1 “浸泡-加载”联动装置

本次试验研究针对孔隙液中钙离子、镁离子的浓度与其变化，为此，浸泡液化学组分的配置设计方案为：

以北部湾海域海水中具有的Ca2+和Mg2+的质量浓度为基准(海水溶液中Ca2+和Mg2+的质量浓度约为0.025%)，在此水平上配置5种浸泡液，共20组试验。即：浸泡液S1：Ca2+和Mg2+0.025%海水；浸泡液S2：0.25%Ca2+海水；浸泡液S3：2.5%Ca2+海水；浸泡液S4：0.25Mg2+海水；浸泡液S5：2.5%Mg2+海水。

1.2 离子浓度测试方法与原理

采用美国铂金埃尔默仪器公司生产的5300DV型电感耦合等离子体原子发射光谱仪(ICP-AES或ICPS)分析化学成分，其主要参数如表1所示。离子含量的测定如图2所示。

表1 测试用各元素波长与结果相关系数Table 1 Wavelength of each element for test and correla-tion coefficient of results离子种类波长/nm相关系数Ca317.9930.999 491Mg285.2130.999 962K766.4900.999 539Na589.5920.999 854Fe238.2040.999 977Mn257.6100.999 998

1.3 压汞实验仪器与原理

压汞实验仪器采用美国麦克公司生产的AutoPore9500型全自动压汞仪。圆柱形孔隙注入液体时所需要的压力大小，依据Washburn[14]公式：

(1)

式中：P为所需压力；σ为导入液体的表面张力，本试验取485 dynes /cm；θ为导入液体与固体材料的接触角，本试验取130°；r为圆柱形孔隙的半径。

将土样切成0.8 cm3左右的立方状，放于液氮中进行冷冻，最后将土样置于-50 ℃状态下，对其抽真空24 h左右。将样品装入放有干燥剂的薄膜袋、备用。

2 试验结果分析

2.1 离子浓度试验结果分析

因无法直接对黏土中的化学元素进行直接测定，故采用黏土在液体中的浸出量作为评价标准。测定的原海积软土和海水的化学成分如表2所示。对在上部荷载30 kPa、不同化学组分的浸泡液作用下，土样结构性增长过程中，其孔隙液中的游离金属离子的测定分边缘和中心2处测定。

表2 原海积软土和海水主要元素量值Table 2 Background values of marine soft soil and water solution类别测试项目Na+/mg·kg-1 Ca2+/mg·kg-1 Mg2+/mg·kg-1 K+/mg·kg-1 pH原海积软土3 407.0328.8494.9197.9—原海水5 285235.0235.6—7.67

从表2可以看出，海水溶液中浸泡的样品，Ca2+、Mg2+的含量小于原海积软土中的离子含量，说明Ca2+和Mg2+从土样中向浸泡液中进行扩散，最终和浸泡液达到离子交换平衡；而在不同的Ca2+和Mg2+的海水浸泡液中，土样中的Ca2+、Mg2+均高于原海相软土，说明Ca2+、Mg2+由浸泡液向土样中进行扩散至平衡状态；随着浸泡液中Ca2+、Mg2+浓度的增大，土样的Ca2+、Mg2+离子浸出值也显著增大，置换出土样中的其他离子。土样在不同浸泡液下的土样中Ca2+、Mg2+的含量的渐变柱状图如图3、图4所示。

(a) 样品准备

图3 不同浸泡液下土样中Ca2+的变化柱状图

图4 不同浸泡液下土样中Mg2+的变化柱状图

从图3、图4可以看出，随着浸泡液中Ca2+、Mg2+浓度的增大，Ca2+、Mg2+不断向土样中进行运移，其中当浸泡液中Ca2+、Mg2+的浓度增大到2.5%时，土样中的Ca2+、Mg2+的浓度突然迅速增加，分别达到2 759(边)和6 165 mg /kg，说明此浓度下土样孔隙液中的离子和浸泡液中的离子交换较为显著。土样边缘处的Ca2+、Mg2+浓度大于中心处，且随着浸泡液中离子浓度的增加，土样边缘处和中心处的离子浓度差距增大，说明土样中心处的Ca2+、Mg2+与浸泡液中的离子交换程度低于边缘处。

另结合表2可以看出，相同浓度的Ca2+、Mg2+浸泡液中，土样中的Mg2+浓度明显高于相同部位的Ca2+，表明Mg2+更易于在土样与浸泡液中进行交换。在0.25%Ca2+的浸泡液下，土样中的Mg2+的浓度和原海水浸泡液下土样中的Mg2+浓度大致相同，而2.5%Ca2+的海水浸泡液下，土样边缘处的Mg2+的浓度明显高于原海水浸泡液下土样中Mg2+的浓度，表明在2.5%Ca2+海水浸泡液中的部分Mg2+又重新进入土样中，而在0.25%Mg2+、2.5%Mg2+海水浸泡液下，土样的Ca2+浓度和原海水浸泡液中下土样中的Ca2+浓度大致相同，表明在Mg2+的浸泡液下，不论浸泡液离子的浓度多大，Ca2+难以进入土样中，Mg2+的存在对Ca2+的交换有一定的阻碍作用。

2.2 MIP试验结果分析

2.2.1孔隙尺度分布

设定孔隙累积率p(d)如下：

(2)

其中，V(d)为大于d孔的体积，ml/g；Vz为总孔隙体积，ml/g。

如图5所示，整条曲线呈S型，随着浸泡液离子浓度的增大，曲线逐渐内移，孔隙总体积逐渐减小。

图5 累积进汞曲线

如图6所示，随着浸泡液离子浓度的增大，土样结构性不断增长，土样中的颗粒表现为崩解或聚合的形式去适应外界压力的变化，此时孔隙结构也重新分布，具体表现在孔隙数量、分布形式和孔隙径的变化。整条曲线呈折线形状，说明在一定尺度范围内土体的孔隙具有自相似特征。另外从图6可以看出，土样的孔隙含量主要分布于0.1～10 μm区段。

图6 孔隙尺度分布曲线

根据前人的研究[15-17]，并结合本文的试验结果，将土中孔隙分为大孔隙(>10.0 μm)、中孔隙(10.0～1.0 μm)、小孔隙(1.0～0.1 μm)和微孔隙(<0.1 μm)4级，相应的孔隙尺度分布见表3。

从表3、图7中可以看出：孔隙总孔隙体积随着浸泡液中离子浓度的增大逐渐减小，平均孔径无一定规律；在海水浸泡液中，土样以中孔隙为主，含量高达73%；在0.25%Ca2+海水浸泡液中，大孔隙和中孔隙含量相对减小，小孔隙和微孔隙含量相对增加61%，增加幅度不明显;当浸泡液中的浓度Ca2+增大2.5%时，中孔隙含量急剧减小，小孔隙和微孔隙含量急剧增加，此时土样中小孔隙和微孔隙占据主导位置，其含量达到74%，相对增加322%，其中微孔隙含量相对增加尤为显著，达到790%；在0.25%Mg2+海水浸泡液中，大孔隙和中孔隙逐渐分解或湮灭，小孔隙和微孔隙含量相对增加111%，浸泡液中Mg2+浓度达到2.5%时，小孔隙和微孔隙含量相对增加256%。

图7 不同浸泡液下土样平均孔径的变化柱状图

综上，土样在不同浓度、不同离子浸泡液下，孔隙结构重新分布，发展成为与外部环境相适应的结构形态；Ca2+的浸泡液和Mg2+的浸泡液作用下，土样孔隙结构的变化表现出较大差异，Ca2+浓度从原海水(0.025%)增大到0.25%时，孔隙结构变化不明显，浸泡液中Ca2+浓度增大到25%时，小孔隙和微孔隙含量急剧增加，而Mg2+的浸泡液作用下，孔隙结构变化近乎呈线性变化，具有较强的规律性，此也再次证明了Mg2+相对比Ca2+易于在土样和浸泡液中交换。

2.2.2孔隙体积密度

孔隙体积密度为某一直径孔隙的体积百分比含量。峰值强度对应的孔径为临界孔径，其是将较大孔隙连通起来的最大孔级，反映了土中孔隙的连通性和曲折性[19]。

表3 不同荷载作用下的孔隙特征参数Table 3 Distribution of pore of soil samples with different load浸泡液荷载/kPa总孔隙体积(ml·g-1)平均孔径/μm孔隙尺度分布/%大孔隙d>10 μm中孔隙1 μm

图8为不同离子、不同浓度浸泡液下，土样孔隙体积密度的变化总图，从图上可以看出，浸泡液和浓度分别为0.25%Ca2+和0.25%Mg2+时，对应孔径1.48 μm处的峰值均减小，但是变化幅度有较大差异，Mg2+较Ca2+对1.48 μm数量级的孔隙含量影响更大。浸泡液和浓度为2.5% Ca2+和2.5% Mg2+时，对应孔径1.48 μm处的峰值均减小，但量值近乎相同，孔径为0.73 μm数量级的孔隙含量增加，但是Ca2+和Mg2+的影响差距较小。

图8 孔隙体积密度的变化曲线

图9是不同离子、不同浓度浸泡液下，土样孔隙的临界半径渐变柱状图，从图中可以看出，随着浸泡液中离子浓度的增大，临界孔径呈现先增大后减小的趋势；此主要是因为海水浸泡液中，土样中的Ca2+、Mg2+向外界运移，土中孔隙分布较为杂乱，无一定的规律性，当浸泡液的离子浓度提高到0.25%时，浸泡液中的Ca2+、Mg2+开始向土样中运移，并形成部分团粒，使土中存在一些较大的团粒间孔隙，当浸泡液中的离子浓度继续增大到2.5%时，随着离子交换和团粒化作用的加剧，土颗粒的表面积变大，吸附能力增强，使土体结构更加紧密，大、中孔隙转化为小、微孔隙，故此时的临界孔径会急剧减小。

图9 不同浸泡液下土样临界孔径的变化柱状图

为了更加清晰地分析Ca2+和Mg2+分别对图土样孔隙结构的影响，图10(a)、图10(b)依次为Ca2+浸泡液作用下和Mg2+浸泡液作用下，孔隙体积密度的变化曲线。

(a) Ca2+浸泡液

图10(a)为不同Ca2+浓度的浸泡液下，土样孔隙体积密度的比较图，从图中可以看出，原海水浸泡液下，土样孔隙体积密度曲线呈单峰分布，峰值孔径为1.48 μm，属于中孔隙范围。当浸泡液中Ca2+浓度提高到0.25%时，曲线呈双峰分布，对应孔径1.48 μm处的峰值减小，但减小幅度不大。当浸泡液中Ca2+浓度为2.5%时，曲线呈弱三峰分布，对应孔径1.48 μm的孔隙含量急剧减小，且新的峰值孔径向左移动到0.75 μm，属于小孔隙范围，说明此时的Ca2+浓度对土样孔隙结构有显著的影响。

图10(b)为不同Mg2+浓度的浸泡液下，土样孔隙体积密度的比较图。当浸泡液中的Mg2+浓度提高到0.25%时，曲线呈单峰分布，对应孔径1.48 μm的峰值减小。当浸泡液中Mg2+浓度为2.5%时，曲线呈三峰分布，对应孔径1.48 μm的孔隙含量继续减小，但对应孔径0.08和0.8 μm数量级的孔隙含量增多，属于微孔隙和小孔隙范围。总体上说，Mg2+浓度对土样孔隙结构有较大影响，但是随Mg2+浓度变化，孔隙结构的变化近似线性。

2.3 渗透性随不同化学组分的浸泡液的变化规律

软土的孔隙特征与其变化规律对软土的渗透性影响显著，制约着软土渗透性的强弱[20]。

图11为不同离子、不同浓度浸泡液下，土样渗透特性的渐变柱状图，从图中可以看出，随着浸泡液中Ca2+、Mg2+浓度的增大，渗透系数逐渐降低。此主要是因为海水浸泡液中，土颗粒较分散，颗粒间没有形成太多接触，随着土样和浸泡液中离子交换的加剧，Ca2+、Mg2+离子以胶结物的形式填充于孔隙中，根据双电层理论[21]，土样中吸附阳离子后使双电层厚度变薄，土的结构发生凝聚，使颗粒更多地团聚化，越来越多的孔隙成为孤立孔隙，孔隙之间的连通性降低，曲折性增加，渗透系数降低。

图11 不同浸泡液下土样渗透系数的变化柱状图

图12为土样离子吸附量和渗透系数的关系曲线，从图上可以看出，随着阳离子吸附量的增加，土样的渗透系数逐渐降低。曲线上都存在一个拐点，此拐点前后渗透系数降低的速度发生较大变化。Mg2+对土样渗透系数的影响比Ca2+的影响大，浸泡液中Ca2+和Mg2+浓度为2.5%时土样的渗透系数分别为1.48×10-7、1.12×10-7cm/s。

(a) 钙离子

2.4 强度随不同化学组分的浸泡液的变化规律

从图13中可以看出，随着浸泡液中Ca2+、Mg2+浓度的增大，土样相应的黏聚力逐渐增大。原海水浸泡液中，试样的孔隙分布较为混乱，孔隙较发育、大孔隙和中孔隙占据主导位置，孔隙的连通性较好，从而导致颗粒间的接触性较差、联结性较低，致使土样所表现出的黏聚力较小。随着浸泡液中的Ca2+、Mg2+不断运移至土样中，一方面与土样中的离子发生离子交换和团粒化作用，Ca2+、Mg2+以胶结物的形式充填与土孔隙中，土颗粒的表面积增大，吸附能力增强，使较小的土颗粒胶结成较大的土团粒，较大的土团粒又进一步结合成土体的团粒结构，此时土颗粒间的连接从接触连接转变为以固化连接键为主的胶结连接；另一方面Ca2+、Mg2+会和土样中的部分无定形或游离的二氧化硅和三氧化二铝进行化学反应，逐渐生成不溶于水的稳定结晶化合物，这些化合物会使土体的结构更加紧密，结构强度较大。

图13 不同浸泡液下土样黏聚力和内摩擦角的变化柱状图

根据文献[22]，浸泡液中含有可以交换的阳离子时，有机质会通过阳离子(如Ca2+)附着与黏土矿物表面，使土体生成团聚体，此会促进土体内摩擦角的增大。从图中可以看出含Ca2+、Mg2+浓度的浸泡液中，摩擦角随着浓度的增大而增大，此主要是因为黏聚作用使得土颗粒变大和颗粒间的化学引力变大，使得土样在剪切过程中，颗粒间的咬合力较大，而表现出较大的摩擦角。另根据双电层理论[21]，孔隙液中的离子浓度增加时，双电层厚度变薄，致使扩散层中的弱结合水减小，润滑效果降低，内摩擦角增大。

图14直观地表达了离子吸附量和强度指标之间的关系，从图中可以看出，曲线近似呈线性变化，黏聚力和内摩擦角随着钙、镁离子吸附量的增加而增大。如钙离子吸附量随强度指标的变化曲线中，黏聚力从5.3 kPa增大到6.03 kPa，最后增大到10.07 kPa，内摩擦角从2.04°增大到2.21°，最后增大到5.29°。整体来说，吸附阳离子后，内摩擦角增长幅度不大，而黏聚力却增长较快，表明阳离子吸附对黏聚力的影响明显大于对内摩擦角的影响。

(a) 钙离子

3 试验结果分析

a.原海水浸泡液中，土样中的Ca2+、Mg2+向浸泡液中运移，随着浸泡液中离子浓度的提高，Ca2+、Mg2+和土样中的其他离子发生离子交换而转移到土样中；土样中心处与浸泡液发生相互作用的程度低于边缘处；在Mg2+浓度的浸泡液中，不论浓度多大，Ca2+很难进入土样中，即Mg2+的存在对Ca2+进入土体有一定的阻碍作用。

b.随着浸泡液中Ca2+、Mg2+浓度的增大，土样孔隙结构重新分布，大、中孔隙逐渐裂解成小、微孔隙；不同浓度的Ca2+浸泡液下，土样孔隙结构特征变化出现较大差异，从海水到0.25%Ca2+浓度浸泡液，土样孔隙结构特征变化较小，浸泡液浓度变为2.5%时，孔隙结构特征发生突变；不同浓度的Mg2+浸泡液，孔隙结构特征的变化较为平稳。

c.孔隙体积密度函数呈单峰态，随着浸泡液中Ca2+、Mg2+浓度的增大，单峰态向双峰态、弱三峰态渐变，峰值所对应的孔径逐渐减小，小、微孔隙的含量逐渐增多。

d.随着浸泡液中Ca2+、Mg2+浓度的增大，致使土样中吸附的阳离子含量的增多，渗透性逐渐降低，但并非是线性变化，而是存在一转折点，Mg2+对土样渗透系数的影响大于Ca2+的影响。

e.随着浸泡液中Ca2+、Mg2+浓度的增大，Ca2+、Mg2+运移至土样中，一方面以胶结物的形式填充于孔隙中，使土颗粒的比表面积增大，吸附能力增加，土颗粒逐渐由接触连接转变为胶结连接，形成固化连接键，另一方面与游离的二氧化硅和三氧化二铝作用形成稳定结晶化合物，使土体结构更加紧密，故黏聚力逐渐增大；随着阳离子的进入，土样的双电层厚度变薄，扩散层中的弱结合水变少，使内摩擦角也不断增大。Ca2+、Mg2+对黏聚力的影响大于对内摩擦角的影响。

由上述系列试验的结果表明，孔隙液的化学组分对孔隙形态、孔隙空间大小能够产生显著的影响，进而影响到软土的物理力学性状与水理性状。