王 清，孫明乾，孫 鐵，孫 濤

（1.吉林大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春130026；2.建設(shè)綜合勘察研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京100007；3.天津?yàn)I海建設(shè)投資集團(tuán)，天津300450）

隨著沿海城市建設(shè)及對(duì)外開放的需要，吹填造陸己成為當(dāng)今沿海城市解決土地資源緊缺的主要方式，是沿海工程建設(shè)和海岸開發(fā)工程中的重要組成部分.利用吹填水域中的淤泥土造陸，既能減少土地資源占有，又能降低造價(jià)［1－2］.大量的工程實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，水力吹填的淤泥與其下覆海相淤泥的物理力學(xué)性質(zhì)差別很大，對(duì)后期的加固處理方法的適應(yīng)性也有很大差異.由于對(duì)人工吹填場(chǎng)地尚缺乏全面的研究和探討，以往的加固設(shè)計(jì)方案也多借用已有的海相淤泥資料，所以加固效果不理想，尤其是工后沉降量較大，是目前實(shí)際工程中亟待解決的問(wèn)題.因此加強(qiáng)吹填土結(jié)構(gòu)形成及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究對(duì)工程安全運(yùn)營(yíng)和避免工后不良影響有十分重要的意義［3］.

本文以天津?yàn)I海新區(qū)吹填土為研究對(duì)象，從吹填土物質(zhì)成分和微觀結(jié)構(gòu)角度出發(fā)，通過(guò)對(duì)比不同處理方法下吹填土的基本特性和微結(jié)構(gòu)特征，研究吹填土固結(jié)規(guī)律，分析吹填土造陸影響要素，為工程設(shè)計(jì)及施工提供客觀科學(xué)的依據(jù).

1 吹填土成分特征

1.1 試驗(yàn)方案

為了分析不同處理方法下吹填土物理化學(xué)性質(zhì)及微結(jié)構(gòu)特征變化規(guī)律，在相同地點(diǎn)選取兩組土樣，其中經(jīng)過(guò)排水處理的吹填土樣為37 個(gè)，編號(hào)為ZY01—ZY37；未經(jīng)過(guò)排水處理的土樣為28個(gè)，編號(hào)為ZY201—ZY228.采用粒度成分、礦物成分以及掃描電鏡試驗(yàn)等分析方法，對(duì)這兩組土樣進(jìn)行基本物理性質(zhì)試驗(yàn)，研究吹填土的結(jié)構(gòu)特性對(duì)其固結(jié)過(guò)程的影響.

1.2 取樣概況

吹填土試驗(yàn)土料取自天津?yàn)I海新區(qū)中心漁港，位于天津?yàn)I海新區(qū)漢沽，使用吹填造陸方法，自2007年開工建設(shè)以來(lái)己吹填2080 萬(wàn)m3，形成3.5km2土地.研究區(qū)約1.3km2區(qū)域?yàn)榻?jīng)過(guò)真空預(yù)壓處理的吹填處理地基土，真空預(yù)壓插板深度為8～10m；約1.8km2區(qū)域?yàn)槲唇?jīng)過(guò)真空預(yù)壓處理的吹填處理地基土，均屬于自重固結(jié)的土層.

1.3 土樣基本性質(zhì)

對(duì)兩種不同處理方法的吹填土試驗(yàn)土料進(jìn)行基本性質(zhì)的測(cè)試.

經(jīng)過(guò)排水處理的土樣初始含水率為28.9%，液限為30.9%，塑限為18.2%，孔隙比為0.82，塑性指數(shù)為12.55，壓縮系數(shù)為0.39，易溶鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.33%；未經(jīng)過(guò)排水處理的土樣初始含水率為29.7%，液限為32.6%，塑限為18.3%，孔隙比為0.86，塑性指數(shù)為13.70，壓縮系數(shù)為0.42，易溶鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.16%；根據(jù)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范GB500072002，將天津?yàn)I海新區(qū)吹填土命名為粉質(zhì)粘土.

土體的粒度成分通常與土體的成因類型有直接關(guān)系，同時(shí)也是影響土體工程地質(zhì)性質(zhì)的重要因素之一［4］.采用靜水沉降法和篩分法對(duì)土樣進(jìn)行顆分試驗(yàn)，兩種不同處理方法的吹填土土樣顆粒分析累計(jì)曲線見(jiàn)圖1.由圖1可看出，加入分散劑后，粒徑大于0.005mm 的粒組的質(zhì)量分?jǐn)?shù)w相對(duì)于未加分散劑時(shí)有不同程度的下降，其中粉粒組（0.005～0.05 mm）降低幅度最大，黏粒組（＜0.005mm）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)w顯著增加，這是由于土中黏粒與粉粒、黏粒結(jié)合形成了具有一定抗水性能的“假粉粒”［5］.加入分散劑后，土樣中粉粒間“團(tuán)?！钡膱F(tuán)聚性消失，土樣的不均勻系數(shù)都大于5，顆粒級(jí)配組成良好.大小土粒的分布組合情況反映了土體壓密后孔隙減小的可能性較大.

土的礦物成分是影響土的工程地質(zhì)性質(zhì)的重要因素，本次研究采用了粉晶X 衍射方法為土體礦物成分測(cè)試的主要手段［6］.吹填土礦物成分衍射結(jié)果見(jiàn)圖2.分析結(jié)果表明，上部土體中次生礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)很高，占50%左右，下部土體中以原生礦物為主，占70%左右；粘土礦物主要以伊利石和伊蒙混層礦物為主，含有少量的高嶺石和綠泥石，未見(jiàn)蒙脫石.由于土體中粘粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，含有一定量的有機(jī)質(zhì)，因此具有較強(qiáng)的親水性.

圖1 吹填土的顆粒分析曲線Fig.1 Gradation curves of dredger fill

圖2 礦物成分衍射圖Fig.2 Diffraction pattern of mineral components

2 微觀結(jié)構(gòu)特征定量分析

2.1 微觀結(jié)構(gòu)定量參數(shù)的選定及其確定方法

土的微觀結(jié)構(gòu)特征是決定其宏觀力學(xué)性質(zhì)的本質(zhì)因素.現(xiàn)代高新科技的迅猛發(fā)展為土微觀結(jié)構(gòu)的定量研究奠定了基礎(chǔ)，也為實(shí)現(xiàn)土的微觀結(jié)構(gòu)與土應(yīng)力應(yīng)變建立相關(guān)關(guān)系創(chuàng)造了條件.目前，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者在土微觀結(jié)構(gòu)的研究領(lǐng)域都取得了一定的成果［7－9］.本文定量討論不同處理方法下吹填土的加固效果.每種處理方法選取6組相近深度的土樣，利用WD－5圖像處理系統(tǒng)從微觀結(jié)構(gòu)照片中提取數(shù)據(jù)，根據(jù)照片中結(jié)構(gòu)單元體和孔隙顯示的灰度不同，將結(jié)構(gòu)單元體與孔隙區(qū)分開.土樣基本數(shù)據(jù)見(jiàn)表1.土樣微觀結(jié)構(gòu)照片見(jiàn)圖3.

表1 試樣基本情況Tab.1 Basic situation of dredger fill

2.2 孔隙與結(jié)構(gòu)單元體的等效直徑分布

為了定量分析土體中顆粒組成情況，通常取等效球體直徑表示顆粒大小，該大小尺度被稱為等效直徑.試樣結(jié)構(gòu)單元體和孔隙的等效直徑分布見(jiàn)表2.由表2可知，經(jīng)過(guò)排水處理的吹填土樣結(jié)構(gòu)單元體等效直徑主要集中在＜1μm 區(qū)間內(nèi)，其次分布在1～5μm 區(qū)間內(nèi)，而且在排水深度8～10 m 內(nèi)等效直徑在＜1μm 區(qū)間的結(jié)構(gòu)單元體的數(shù)量明顯較高，主要原因是在排水作用下，土體的結(jié)構(gòu)單元體發(fā)生變形和錯(cuò)動(dòng)，為維持土體平衡，較小的結(jié)構(gòu)單元體充填到下部土體的孔隙中，土體的膠結(jié)作用增強(qiáng)，土中結(jié)構(gòu)單元體由松散狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閳F(tuán)聚狀態(tài)；未經(jīng)過(guò)排水處理的吹填土樣結(jié)構(gòu)單元體等效直徑平均分布在＜5μm 區(qū)間內(nèi)，其中結(jié)構(gòu)單元體等效直徑在2～5 μm 區(qū)間內(nèi)明顯增多.這說(shuō)明由于沒(méi)有排水作用，土體結(jié)構(gòu)單元體主要呈松散狀態(tài).

圖3 試樣微觀結(jié)構(gòu)照片F(xiàn)ig.3 Pictures of microstructure

經(jīng)過(guò)排水處理吹填土樣的孔隙等效直徑在2～5μm 區(qū)間內(nèi)明顯較少，這是由于在排水作用下，土體內(nèi)的大結(jié)構(gòu)單元體在重力作用下先沉降，然后細(xì)小結(jié)構(gòu)單元體開始沉降，使土體內(nèi)部小孔隙數(shù)量增加，形成穩(wěn)定的粒間孔隙，故經(jīng)過(guò)排水處理的土樣＜1μm 孔隙比較多；經(jīng)過(guò)排水處理的吹填土樣隨著埋深增加，直徑為1～5μm 區(qū)間的孔隙逐漸減少，而小于1μm 的孔隙逐漸增多，試樣結(jié)構(gòu)趨于緊密，土體結(jié)構(gòu)更加密實(shí).這是由于排水作用使土體結(jié)構(gòu)單元體的排列產(chǎn)生改變，孔隙也隨之進(jìn)行調(diào)整，一些小的結(jié)構(gòu)單元體落入孔隙中，使小孔隙的數(shù)量增多.

2.3 孔隙與結(jié)構(gòu)單元體豐度

豐度是指土中顆粒在測(cè)量窗口內(nèi)短軸和長(zhǎng)軸之比，用C來(lái)表示，它的大小反映了研究對(duì)象在二維平面內(nèi)所展示的形狀特征，可用公式（1）來(lái)計(jì)算.從公式（1）可以看出，豐度C在（0，1）之間，C值越小，反映研究對(duì)象越趨向于長(zhǎng)條形；C越大，則趨向于等軸形［10］.

表2 等效直徑分布比例Tab.2 Distribution of equivalent diameters

式中：B和L分別表示研究對(duì)象的短軸和長(zhǎng)軸的長(zhǎng)度.

試樣結(jié)構(gòu)單元體和孔隙的豐度分布特征見(jiàn)表3.由表3可以看出，在未經(jīng)排水處理的吹填土樣中，結(jié)構(gòu)單元體豐度主要集中在0.4～0.6區(qū)間內(nèi).而在經(jīng)過(guò)排水處理后，結(jié)構(gòu)單元體豐度平均分布在0.2～0.4，0.4～0.6，0.6～0.8這3個(gè)區(qū)間內(nèi)，豐度集中分布呈下降的趨勢(shì)，這說(shuō)明在排水固結(jié)過(guò)程中，顆粒經(jīng)歷了壓扁過(guò)程，細(xì)長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)單元體減少，等軸的結(jié)構(gòu)單元體增多，土樣以不同程度的扁圓結(jié)構(gòu)單元體為主，這是因?yàn)樵谂潘^(guò)程中團(tuán)聚狀結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，變化較小.未經(jīng)排水處理的吹填土樣與經(jīng)過(guò)排水處理的吹填土樣相比，結(jié)構(gòu)單元體豐度在0.4～0.6區(qū)間的比例較大，這是由于未經(jīng)排水處理的土樣結(jié)構(gòu)單元體較為松散，結(jié)構(gòu)單元體間接觸較少，從而使得較細(xì)長(zhǎng)和扁圓結(jié)構(gòu)單元體數(shù)量比較多.

表3 孔隙和結(jié)構(gòu)單元體的豐度分布Tab.3 Proportion of structure element and pore abundance

排水處理前后土樣孔隙豐度大多位于0.4～0.6區(qū)間內(nèi)，排水處理后豐度在0.6～0.8區(qū)間內(nèi)分布頻率稍有變大，0.2～0.4，0.4～0.6和0.6～0.8這3個(gè)區(qū)間內(nèi)分布趨向平均，表明孔隙豐度集中分布值略有上升，孔隙在排水作用下不斷變化，以扁圓形居多，長(zhǎng)條形和近圓形的較少，結(jié)構(gòu)單元體呈現(xiàn)出一種無(wú)序排列的球形體.經(jīng)過(guò)排水處理的吹填土樣隨著埋深增加，大孔隙開始逐漸變小，小孔隙的體積變化較小，其形狀逐漸趨向圓滑.這是排列松散的大絮凝體向小絮凝體轉(zhuǎn)化的結(jié)果.

2.4 孔隙與結(jié)構(gòu)平均形態(tài)特征

以上具體分析了豐度分布特征，觀測(cè)孔隙和結(jié)構(gòu)單元體的具體形態(tài).下面對(duì)于各試樣平均形態(tài)分布特征參數(shù)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，證實(shí)上述推測(cè).圓形度是研究對(duì)象實(shí)際面積與外接圓面積的比值，用R來(lái)表示.圓形度越大，越接近1，越接近圓形，圓形度計(jì)算公式如下：

式中：A為微觀結(jié)構(gòu)單元體或孔隙的實(shí)際面積；A′為結(jié)構(gòu)單元體或孔隙外接圓面積.

形狀系數(shù)是研究對(duì)象的等面積圓的周長(zhǎng)與實(shí)際周長(zhǎng)的比值，用F來(lái)表示.一般而言，形狀系數(shù)大于等于1，數(shù)值越大，說(shuō)明研究對(duì)象的形狀越不規(guī)則，計(jì)算公式如下：

式中：P表示結(jié)構(gòu)單元體或孔隙等面積圓的周長(zhǎng)；S表示單元體或孔隙實(shí)際周長(zhǎng)［11］.

試樣單元體和孔隙的平均形態(tài)分布特征見(jiàn)表4.從表4可以看出，經(jīng)過(guò)排水處理的吹填土樣，結(jié)構(gòu)單元體平均豐度、平均圓形度和平均形狀系數(shù)隨土樣埋深增加逐漸減小，而未經(jīng)過(guò)排水處理的吹填土樣3項(xiàng)平均形態(tài)特征參數(shù)變化比較小，平均豐度主要分布在0.4～0.6區(qū)間，圓形度主要分布在0.3～0.5區(qū)間，而平均形狀系數(shù)集中在0.6～0.7區(qū)間.這些都說(shuō)明結(jié)構(gòu)單元體排水固結(jié)過(guò)程中相互錯(cuò)動(dòng)形成團(tuán)聚體，隨滲流壓力的增大，松散的小團(tuán)粒將重新聚集成團(tuán)狀，結(jié)構(gòu)單元體形狀發(fā)生變化，逐漸趨于扁圓形，結(jié)構(gòu)單元體形狀逐漸不規(guī)則.

試樣在排水處理前后對(duì)比，孔隙的平均形態(tài)參數(shù)變化規(guī)律與結(jié)構(gòu)單元體變化特征比較一致，未經(jīng)過(guò)排水處理的吹填土樣，平均豐度主要分布在0.53左右，圓形度主要分布在0.3～0.4區(qū)間，而平均形狀系數(shù)集中在0.6～0.7區(qū)間.說(shuō)明在排水作用下，結(jié)構(gòu)單元體之間相互擠壓，咬合形成新的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)集合體，連接由松散變得緊密.較大的結(jié)構(gòu)單元體逐漸變形，夾雜在結(jié)構(gòu)單元體之間的孔隙也逐漸變小，形狀不同程度地趨向于扁圓形.

表4 平均形態(tài)特征參數(shù)分布Tab.4 Average morphological characteristics parameters

2.5 孔隙與結(jié)構(gòu)單元體形態(tài)排列特征分析

根據(jù)本節(jié)前一部分描述，兩組吹填土試樣經(jīng)歷了不同的處理方法，由于孔隙水滲流過(guò)程的影響，結(jié)構(gòu)單元體與孔隙的排列有可能發(fā)生旋轉(zhuǎn)或者移動(dòng)，因此通過(guò)顆粒排列特征分析，得到吹填土固結(jié)過(guò)程中微觀結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，對(duì)解釋吹填土固結(jié)機(jī)理有舉足輕重的作用.定向角是研究對(duì)象的長(zhǎng)軸與X方向的夾角，定向頻率是根據(jù)研究對(duì)象定向角的分布θ1，θ2，θ3，…，θn，用一定的定向角密度Δθ，將180°分成若干份，計(jì)算研究對(duì)象定向角落入各區(qū)間的幾率［12－15］.文中定義Δθ＝10°，分成18個(gè)定向角區(qū)間，用F（α）來(lái)代表各定向頻率，計(jì)算公式如下：

式中：nα，n分別是定向角落入［θi－1，θi］的研究對(duì)象數(shù)量和總的研究對(duì)象數(shù)量.頻率F（α）可用直方圖表示，直觀地反映在各定向角區(qū)內(nèi)研究對(duì)象的出現(xiàn)的頻率，從而可以了解研究對(duì)象的平面定向性規(guī)律.據(jù)以上排列特征參數(shù)，借助WD－5圖像處理系統(tǒng)，計(jì)算測(cè)試試樣的定向角，見(jiàn)圖4、圖5.對(duì)試樣排水處理前后的結(jié)構(gòu)單元體定向頻率計(jì)算分析表明，試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)單元體定向角分布在0°～10°的概率最大，在其他各個(gè)區(qū)間的幾率各不相同.經(jīng)過(guò)排水處理后，結(jié)構(gòu)單元體定向性發(fā)生了明顯的變化，定向性逐漸不明顯，分布在0°～10°的概率明顯減小，分布在其他各區(qū)間的定向角概率趨向平均.這是由于土樣在排水固結(jié)過(guò)程中經(jīng)歷了水土分離、自重沉淤和真空預(yù)壓3個(gè)階段，其結(jié)構(gòu)單元體定向角在不同區(qū)間有不同的幾率顯現(xiàn)，使結(jié)構(gòu)單元體產(chǎn)生了不同方向的定向分布.可見(jiàn)，在排水作用下土體結(jié)構(gòu)單元體沒(méi)有明顯的定向性.

圖4 孔隙定向分布Fig.4 Directional distribution of pore

圖5 結(jié)構(gòu)單元體定向分布Fig.5 Directional distribution of structure element

試樣排水處理前后的孔隙定向頻率的變化規(guī)律與結(jié)構(gòu)單元體變化特征比較一致，各區(qū)間的定向角概率趨向平均，分布在0°～10°的概率下降明顯.表明在排水作用下，由于結(jié)構(gòu)單元體定向分布產(chǎn)生變化，結(jié)構(gòu)單元體之間的孔隙隨之調(diào)整，較大的孔隙被壓碎成較小的孔隙，孔隙的定向性總體上呈減小趨勢(shì).

3 結(jié)論

分析不同固結(jié)處理方法下天津?yàn)I海新區(qū)吹填土試樣微觀結(jié)構(gòu)特征，得出以下主要結(jié)論：

（1）通過(guò)粒度分析發(fā)現(xiàn)研究區(qū)樣品團(tuán)聚性較強(qiáng)，雖然樣品的黏粒含量較高，但是，土體表現(xiàn)出較大的“假粉性”，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)形成這種“假粉?！钡闹饕蚴怯捎谘芯繀^(qū)樣品中含有較多的鹽，由于大量的鹽分的作用，促使粘粒發(fā)生了團(tuán)聚作用.土中粉、黏粒含量較高，且含有較高的具有一定抗水性的“假粉?！?，由于這些“假粉粒”的存在，土樣可以在吹填的同時(shí)進(jìn)行加固，建議采用孔徑大于0.005 mm的濾膜進(jìn)行真空加固處理.

（2）從礦物成分的測(cè)試結(jié)果可以看出，兩種地基處理類型的土體對(duì)應(yīng)在同一層位上的結(jié)晶礦物成分和含量是極其相近的，這說(shuō)明排水與否對(duì)于地基處理后的土體中結(jié)晶礦物成分的影響是不明顯的，影響較大的礦物只是鹽類的含量.

（3）通過(guò)分析吹填土體孔隙與結(jié)構(gòu)單元體的等效直徑分布、豐度、平均形態(tài)特征等參數(shù)可以看出，土體經(jīng)過(guò)排水處理后，土體的結(jié)構(gòu)單元體重新分布，結(jié)構(gòu)單元體之間相互擠壓，咬合形成新的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)集合體，連接由松散變得緊密.細(xì)長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)單元體減少，等軸的結(jié)構(gòu)單元體增多，土體的膠結(jié)作用增強(qiáng)，土樣以不同程度的扁圓結(jié)構(gòu)單元體為主；孔隙也隨之進(jìn)行調(diào)整，大孔隙開始逐漸變小，其形狀逐漸趨向圓滑，較小的結(jié)構(gòu)單元體充填到下部土體的孔隙中，土體的膠結(jié)作用增強(qiáng)，土中結(jié)構(gòu)單元體由松散狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檩^為穩(wěn)定團(tuán)聚狀態(tài).

（4）對(duì)試樣孔隙和結(jié)構(gòu)單元體定向頻率測(cè)試結(jié)果表明，吹填土樣經(jīng)過(guò)排水處理后，孔隙和結(jié)構(gòu)單元體定向性發(fā)生了明顯的變化，定向性逐漸不明顯，分布在各區(qū)間的定向角概率趨向平均.這是由于土樣在固結(jié)排水過(guò)程中，經(jīng)歷了水土分離、自重沉淤和真空預(yù)壓3個(gè)階段，其結(jié)構(gòu)單元體定向角在不同區(qū)間有不同的幾率顯現(xiàn)，使結(jié)構(gòu)單元體產(chǎn)生了不同方向的定向分布.孔隙由于結(jié)構(gòu)單元體定向分布產(chǎn)生變化也隨之調(diào)整，較大的孔隙被壓碎成較小的孔隙，孔隙的定向性總體上呈減小趨勢(shì).

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