盐分环境人工软黏土工程性质与宏微观行为

第1章绪论 1.1 研究背景及必要性 1.1.1 研究背景 江苏沿海地区处于我国沿海、长江和陇海兰新线三大生产力布局主轴线的交会区域，包括连云港、盐城和南通三市所辖全部行政区域，陆域面积3.25 万km2 ，海岸线长954 km，地区生产总值和人均地区生产总值高于全国平均水平。根据《江苏省国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》，江苏沿海区域再次进入开发高潮，江苏北部地区的高速公路及各种类型的工业民用建筑的建设日趋增多，而这些构筑物常常不得不建于不良软黏土地基上。在这一地区修建的铁路和高速公路，都曾出现过路基沉降过大、桥头错台、路基开裂、路基滑移等问题[1-3]。因此，该地区海相软黏土的研究对我国沿海地区的工程建设具有重要的意义。 海相软黏土广泛分布于世界各地，北美大陆海相黏土以加拿大尚普兰湖软黏土（Champlain clay ）为代表[4]，挪威和瑞典高灵敏度黏土（quick clay ）是北欧大陆颇具代表性的软黏土[5]，亚洲地区较为常见的有日本左贺地区的有明黏土（Ariake clay）[6]、新加坡软黏土、泰国曼谷软黏土[7]及中国东南沿海地区海相黏土等[8]。易敏和章定文[9]调查了江苏北部海相软黏土的基本物理力学指标分布特征、抗剪强度特性、固结变形特性及蠕变特性，研究发现以连云港为代表的海相软黏土具有高含水率、高液限、低强度、高压缩性、高灵敏度、低渗透性等特点，含水率（w =37.1%～87.4%）、孔隙比（e =1.041～2.173）、液限（wL=28.4%～66.7%）、压缩系数（a1-2=0.4～2.88 MPa-1）都比大部分沿海软黏土高，因此江苏北部海相软黏土的压缩沉降量大，排水固结缓慢，地基稳定性差。江苏北部海相软黏土，以连云港地区为代表，具有蒙脱石族矿物含量高、孔隙水盐分浓度高的特点，可能是其工程性质与一般黏性土具有一定差异的原因。 我国海相软黏土大多数形成于第四纪全新世以后，受多次海侵、海退的影响，形成以滨海相沉积为主的淤泥、淤泥质地层[8]。江苏连云港位于鲁中南丘陵与淮北平原的结合部，整个地势自西北向东南倾斜，平均海拔1～4 m，密布大中小河流和渠道，在地质历史中广泛沉积了一层灰-灰绿色流塑淤泥及淤泥质黏土的软黏土[9]。距今6 000 年前，海岸线位置基本与现在一致，此后的海侵使海岸线向内陆推进，距今5000 年前达到灌云、阜宁、盐城一线，开始了海相黏土层的底部沉积。随着海岸线向内陆推进，沉积环境由陆相沉积转变为海滩沉积后，继而转变为浅海沉积。海滩沉积以砂为主，石英、长石等大颗粒原生矿物为主要代表。随着海水逐渐变深，陆源碎屑物搬运到此处的距离加大，沉积颗粒逐渐变细，且黏土矿物含量逐步增加，*后形成以黏土沉积为主的海相软黏土层，沉积过程如图1.1 所示。*终，随着第四纪新构造运动、河流作用、海侵地质作用形成了一层广泛分布的典型的以海积作用为主，以冲海积、残坡积为辅的软黏土层，其典型地质纵断面如图1.2 所示，包括硬壳层、软土层和下卧层（亚黏土夹粉砂）。 图1.1 连云港海相软黏土沉积过程示意图[8] 图1.2 连云港软黏土典型工程地质纵断面示意图[9] 李国刚[10]使用X 射线衍射的方法分析了中国近海表层沉积物中黏土矿物的组成和分布，其中蒙脱石含量如图1.3（a）所示。从图1.3（a）可以分析得出，距离海岸线越远，蒙脱石含量越低，江苏地区近海表层沉积物中蒙脱石族含量在18%以上。许多学者对江苏沿海黏土的矿物构成和来源进行了研究，结果一致认为苏北沿海主要黏土矿物为伊利石、蒙脱石、高岭石和绿泥石，与海区黏土矿物相似，并得到相似的变化趋势[11-16]。根据黏土矿物的变化趋势，我国东部沿海可划分为北、中、南三个沉积区：北部古黄河口外区伊利石和蒙脱石含量相对高，蒙脱石含量为21%～22%；中部为辐射状沙脊群区，沉积物多是粗粒径的细砂和粉砂，蒙脱石含量为8%～18%；南部为长江北口至辐射状沙脊群以南，高岭石含量较高，蒙脱石含量*低，为5.18%，整体蒙脱石矿物含量由北向南逐渐减少。根据我国沿海地区矿物成分的变化特征，有必要对不同矿物构成的黏性土进行研究，以探究其工程性质的差异及矿物成分在其中所起到的作用。 图1.3 黏土矿物和地下水矿化度分布 根据《江苏省水文地质图》获得的矿化度等值曲线[图1.3（b）]显示，距离海岸线越近，矿化度越高，孔隙水中的可溶盐中以NaCl 为主。邓永锋等[18]对距海岸线不同距离处的两条公路（连临高速公路与临海高等级公路）进行多孔原位勘察和测试，并选取离海岸线50 m 处和离海岸线30 km 处两个取样点，分析两个场地5 m 深度处土体的离子浓度等主要参数。表1.1 是取样点的土体物理性质对比，结果表明两者基本物理性质相近，孔隙比大于1.5，且含水率基本大于液限。 表1.2 是两个取样点土体矿物成分X 射线衍射（X-ray diffraction，XRD）的半定量分析结果，从总矿物和黏土成分分析，取样点土体的次生矿物以伊蒙混层为主，分别占20%和30% 。对两个取样点的土样孔隙水进行取样分析，见表1.3 。结果表明孔隙水化学成分以Na+和Cl-两种离子为主，1#点位孔隙水的总含盐量为4.9%，而2#点位孔隙水的总含盐量约为0.09%，二者含盐量差值接近50 倍。 表1.1 取样点的土体物理性质[18] 表1.2 取样点的土体矿物成分[18] 表1.3 取样点的孔隙水化学成分[18] 通过孔压静力触探试验（piezocone penetration test，CPTU）将两个点位的1.5～10.5 m 对应深度的净锥尖阻力（qt）、侧壁摩阻力（fs）、孔压（u2）、摩阻比（fs/qt）和孔压系数（Bq）进行对比，如图1.4 和图1.5 所示。结果表明1#点位的净锥尖阻力、孔压和孔压系数较2#点位的大，侧壁摩阻力与摩阻比则正好相反。根据任美锷[13]和叶青超[19]对该地区沉积历史的研究，临海高等级公路所在区域成陆较晚，但试验结果却表明后成陆处软黏土的强度较先成陆的地区大，且天然含水率、液限与含水率的比值、矿物成分（伊蒙混层为主）含量等都较为接近。经过多种因素比对，推测孔隙水盐分变迁是导致土体工程性质差异的原因，因而盐分引起的黏性土力学性质的改变也越来越受到学术界的关注。 图1.4 连云港地区现场CPTU 试验结果[18] 图1.5 连云港地区现场CPTU 试验参数对比[18] 1.1.2 研究的必要性 目前，孔隙水的化学成分和力的耦合作用在岩土工程研究中日益引起重视，如使用黏土隔离墙或防渗层对污染土隔离和核废料深埋处置时均需考虑孔隙水盐分效应[20]。在地基基础的建设过程中，盐分变化对一些特殊土的工程性质的影响越来越引起关注，以湿陷性黄土为例，黄土中存在大量可溶盐，当黄土的含水率较小时，易溶盐处于微晶体状态，附着在土颗粒表面，起到一定的胶结作用，受水浸湿后，易溶盐溶解，这部分结构强度消失，土体产生湿陷[21]。对于由工矿业的污染和海水入渗形成的盐渍土，土中含盐量增加，则液塑限降低，工程性质发生改变；同时盐渍土在盐分较高时，具有较高的强度，但盐分溶脱后，强度降低[22]。工程设计一般依据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土体工程性质产生变异有可能为工程带来潜在的危害，如边坡失稳、地基承载力降低、变形或差异变形加大等。加拿大和瑞典等地学者通过现场调研，报道了盐分变化后软黏土地基上的公路变形加大、边坡失稳等现象[6，22]。海水具有较高的盐分，在高盐分环境下细颗粒的沉积呈絮凝结构[23]，同时沉积的速度较快，形成了高压缩性和高灵敏度的特点。Bjerrum[24]提出由于人类活动和降雨，高盐分的黏土在缓慢的淋滤作用下，孔隙水盐分逐渐变淡，从而引起抗剪强度的降低和灵敏度的升高，形成了北欧大陆的高灵敏度黏土，主要过程如图1.6 所示。 图1.6 海相黏土淋滤过程示意图[24] 要解决江苏北部地区基础设施建设中出现的相关问题，就必须对矿物成分、孔隙水盐分在软黏土物理力学特性中所起的作用有一个全面系统的认识，而目前国内关于盐分对不同矿物构成的黏性土的物理力学行为和本构关系的系统研究较少。因此，开展孔隙水盐分对黏土与黏土矿物的化学作用机理的研究，明晰盐分浓度、矿物成分与土体物理性质、固结压缩特性和抗剪切强度的关系，具有重大的意义。