雷華陽，屠慈科，王?磊，李宸元

不同硫酸鈉含量條件下吹填超軟土的力學(xué)特性試驗研究

雷華陽1, 2，屠慈科1，王?磊1，李宸元1

(1. 天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300354；2. 濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點實驗室(天津大學(xué))，天津 300354)

吹填土中所含的豐富的可溶鹽對其物理力學(xué)特性有著極大的影響．通過配置不同硫酸鈉摻量的含鹽吹填土試樣，研究了可溶鹽含量對吹填土強度及變形特性的影響，并利用SEM電鏡掃描試驗分析了吹填土微觀結(jié)構(gòu)特征的變化規(guī)律，從微觀角度分析了其宏觀力學(xué)特性的變化機理．研究結(jié)果表明：由于鈉離子作用，土顆粒吸附水膜的厚度不斷增大，粒間吸引團(tuán)聚作用減弱，吹填土試樣內(nèi)部孔隙增大，結(jié)構(gòu)更加疏松，宏觀上表現(xiàn)為強度不斷減小(最大降低幅度達(dá)44.1%)，壓縮性相應(yīng)增大；隨著含鹽量的不斷增加，由于硫酸鈉的結(jié)晶及相關(guān)離子反應(yīng)導(dǎo)致硫酸鈣的生成，吹填土試樣內(nèi)部膠結(jié)作用有所增強，強度會出現(xiàn)約29.6%的增長，壓縮性相應(yīng)減小．而當(dāng)含水量增大時，鈉離子對土顆粒團(tuán)聚作用的影響以及硫酸鈉的結(jié)晶作用被弱化，硫酸鈣對吹填土的增強作用對其力學(xué)特性有更顯著的影響．試樣內(nèi)部開始有明顯的粒間膠結(jié)物生成，粒間孔隙減小，顆粒團(tuán)聚，形成了較明顯的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，土骨架效應(yīng)顯著，宏觀上呈現(xiàn)出抗剪強度不斷增大(最大增幅約335.5%)、壓縮性不斷減小的變化特點．吹填土試樣在可溶鹽環(huán)境下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系呈現(xiàn)應(yīng)變硬化特征．

吹填超軟土；含鹽量；力學(xué)特性；微觀結(jié)構(gòu)

近年來土地資源緊張問題已經(jīng)成為制約我國沿海各城市發(fā)展的重要瓶頸，如何有效進(jìn)行土地資源擴(kuò)張愈來愈受到城市建設(shè)者們的重視．與此同時，吹填造陸作為一種可以充分利用海岸資源又成熟高效的技術(shù)為解決此問題提供了新的思路[1-4]．吹填土是由河口、航道以及淺海底泥經(jīng)水力吹填形成的特殊沉積土，其內(nèi)部含鹽量較為豐富[5]，大量的可溶鹽在水的作用下會以離子形式存在于土中，并與土顆粒發(fā)生復(fù)雜的水化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而在一定程度上影響著吹填土的物理力學(xué)特性[6]．國內(nèi)外學(xué)者針對鹽環(huán)境對土體物理力學(xué)性質(zhì)的影響已開展了大量研究．Wahid等[7-8]在經(jīng)過大量的試驗后發(fā)現(xiàn)鹽環(huán)境對高嶺土的物理力學(xué)特性影響較?。瓵rasan等[9]研究了4種不同的鹽溶液對低塑性和高塑性黏土的液塑限的影響，結(jié)果表明隨著孔隙溶液濃度的增加，低塑性黏土的液限和塑限均隨之增加，而高塑性黏土的液限相應(yīng)減小，塑限則呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢．Moore等[10]在研究濱海黏土滑坡時發(fā)現(xiàn)滑坡的活動特性與地下水化學(xué)成分的波動情況存在一定的聯(lián)系，通過室內(nèi)試驗進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)孔隙水中的離子濃度高低直接影響土體的殘余強度，進(jìn)而影響土坡的穩(wěn)定性．Ajmera等[11]配置了蒙脫石、高嶺石和石英摻量不同的幾種土樣，并對比了孔隙液體分別為NaCl溶液和蒸餾水時幾種土樣的完全軟化強度，試驗結(jié)果表明孔隙液體中NaCl的存在可以在一定程度上提高土樣的完全軟化強度．付江濤等[12]通過室內(nèi)直接剪切試驗研究含鹽量對硫酸鹽鹽漬土抗剪強度的影響規(guī)律時發(fā)現(xiàn)土體的抗剪強度參數(shù)隨含鹽量的增加表現(xiàn)出先減小后增加的變化特征．陳煒韜等[13]在試驗中也發(fā)現(xiàn)了相似的變化規(guī)律，并在試驗基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析了含鹽量和含水量對鹽漬土抗剪強度影響的內(nèi)在機理．梁健偉等[14]也對不同孔隙液離子濃度的人工土進(jìn)行了直剪試驗，試驗結(jié)果表明膨潤土的抗剪強度隨孔隙溶液濃度的提高呈快速增長的趨勢，混合土試樣的抗剪強度的增長速度減緩而趨于穩(wěn)定，石英試樣的強度則基本不變．此外，歐孝奪等[15]還對孔隙液體的種類、濃度以及熱力作用等因素對黏土抗剪強度的影響進(jìn)行了探究．

綜上，已有大量學(xué)者在關(guān)于鹽性環(huán)境對土體物理力學(xué)性質(zhì)影響方面進(jìn)行了研究，并取得了顯著的進(jìn)展，但是現(xiàn)有研究大都針對成土?xí)r間較長的含鹽土，對于吹填土這類成土?xí)r間較短、結(jié)構(gòu)較不穩(wěn)定的特殊沉積土的相關(guān)研究則鮮有文獻(xiàn)提及．同時，由于吹填土一般是由淺海底泥經(jīng)人工吹填形成，其通常經(jīng)歷了長期的海蝕作用而富鹽，因此研究可溶鹽對吹填土力學(xué)特性的影響是十分必要的．

本文以濱海地區(qū)新近吹填土為研究對象，采用發(fā)射光譜元素分析試驗(ICP-OES)測定了吹填土的元素組成情況，利用室內(nèi)直剪試驗、三軸試驗和一維固結(jié)壓縮試驗進(jìn)行了可溶鹽環(huán)境下吹填土的強度及變形特性的研究，并利用SEM電鏡掃描試驗探討了吹填土微觀結(jié)構(gòu)特征的變化，從微觀角度解釋了吹填土在可溶鹽環(huán)境下宏觀力學(xué)特性變化的內(nèi)在機理．

1?試驗土樣

試驗用土取自天津臨港工業(yè)區(qū)內(nèi)的某處吹填場區(qū)，其基本物性參數(shù)如表1所示．

表1?試驗土樣基本物性參數(shù)

Tab.1?Main physical properties of dredged fill

土樣的ICP元素組成分析結(jié)果如圖1所示．由圖1可以看出，吹填土中含量最高的化學(xué)元素為Si，其含量達(dá)50.9%．與文獻(xiàn)[16]中的正常沉積土對比分析后可以發(fā)現(xiàn)，吹填土中的Si和K元素與正常沉積土中的含量基本一致，Al和Fe含量則較正常沉積土相對偏低，但Na、Ca、Mg元素含量則明顯高于正常沉積土．

圖1?試驗土樣化學(xué)元素含量

2?試樣制備及試驗方案

吹填土中的可溶鹽通常以鈉鹽為主，并含有大量的Cl1-、SO42-等陰離子，其全鹽含量可達(dá)到2%～3%．同時，考慮到在吹填土的改性加固過程中常常用到脫硫石膏等硫酸鹽類化學(xué)摻加劑，因此本文采用硫酸鈉作為試驗所用可溶鹽．此外，實際工程中加固處理以后的吹填土的含水量通常在30%～40%左右，因此本文中選取了30%和35%兩個含水量條件，并在不同含水量情況下分別設(shè)置了0～6%的含鹽量條件．

直剪試驗采用ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀(四聯(lián)剪)，剪切速率設(shè)置為1.2mm/min，破壞剪切位移設(shè)定為6mm，相應(yīng)的豎向應(yīng)力分別為50kPa、100kPa、150kPa、200kPa．

三軸剪切試驗采用SLB型應(yīng)力應(yīng)變控制式三軸剪切試驗儀，剪切形式為不固結(jié)不排水剪切試驗，圍壓設(shè)置為100kPa，軸向剪切速率設(shè)定為0.5mm/ min，以軸向應(yīng)變達(dá)到15%作為試驗結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)．

表2?試驗方案

Tab.2?Experimental schemes

注：①含鹽量是指Na2SO4質(zhì)量占干土顆粒質(zhì)量的百分比；②試驗組號按照“含水量-含鹽量-試驗內(nèi)容”進(jìn)行編號，其中A表示含水量為30%的試樣，B表示含水量為35%的試樣；含鹽量根據(jù)具體摻量分別編號0～6；試驗內(nèi)容按照直剪試驗、三軸剪切試驗、固結(jié)試驗、電鏡掃描試驗的順序分別編號1～4．

一維固結(jié)壓縮試驗采用三聯(lián)杠桿式高壓固結(jié)儀．試驗加荷順序為：12.5kPa→25kPa→50kPa→100kPa→200kPa→400kPa→800kPa→1600kPa．每級荷載以加載24h為穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)．

由于在直剪試驗、三軸剪切試驗和固結(jié)試驗中均發(fā)現(xiàn)，隨著含鹽量的增加，當(dāng)Na2SO4摻量為4%時，含水量為30%和35%的吹填土試樣的強度和變形特性均與未摻加Na2SO4的對照組試樣有顯著不同，因此，選擇Na2SO4摻量為4%的試樣與未摻加Na2SO4的對照組試樣進(jìn)行電鏡掃描試驗．所有電鏡掃描試驗的吹填土試樣均未經(jīng)任何力學(xué)試驗．

3?試驗結(jié)果分析

3.1?強度特性

圖2為含水量＝30%條件下，吹填土試樣在不同豎向應(yīng)力v下的抗剪強度隨硫酸鈉摻量變化的曲線．從圖中可以發(fā)現(xiàn)，不同豎向應(yīng)力狀態(tài)下抗剪強度的變化規(guī)律大致相同．為便于分析說明抗剪強度與硫酸鈉摻量之間的變化關(guān)系，本文將抗剪強度取為?4種豎向應(yīng)力狀態(tài)下抗剪強度的平均值，并將抗剪強度隨硫酸鈉摻量的變化大致劃分為兩個階段．

(1)階段Ⅰ：此階段抗剪強度隨硫酸鈉摻量的增加而逐漸減小，當(dāng)硫酸鈉摻量達(dá)到4%時，抗剪強度達(dá)到最小值11.74kPa，與未摻加硫酸鈉的對照組A-0-1(抗剪強度為21.01kPa)相比，強度降低了9.27kPa，降幅達(dá)44.1%．

(2)階段Ⅱ：當(dāng)硫酸鈉摻量超過4%時，試樣的抗剪強度出現(xiàn)小幅的增長．當(dāng)硫酸鈉摻量為6%時，試樣的抗剪強度較4%摻量的增長了3.48kPa，增幅為29.6%．

圖2?抗剪強度與硫酸鈉摻量關(guān)系(ω＝30%)

圖3為35%含水量條件下，吹填土試樣在不同豎向應(yīng)力狀態(tài)下的抗剪強度隨硫酸鈉摻量變化的曲線．與圖2所示的變化規(guī)律顯著不同，35%含水量條件下，抗剪強度隨著硫酸鈉摻量的增加近似呈線性增長趨勢．試樣B-6-1(Na2SO4：6%)的抗剪強度達(dá)28.09kPa，較未摻加硫酸鈉的對照組B-0-1(抗剪強度為6.45kPa)增加了21.64kPa，增幅為335.5%．

圖3 抗剪強度與硫酸鈉摻量的關(guān)系(ω＝35%)

圖4為兩種含水量條件下吹填土試樣的黏聚力與硫酸鈉摻量的關(guān)系曲線．從圖中可以看出，30%含水量情況下，黏聚力隨硫酸鈉摻量的變化規(guī)律與前文分析的抗剪強度的變化規(guī)律類似，同樣可以分為兩個變化階段：當(dāng)硫酸鈉摻量不超過4%時，黏聚力隨硫酸鈉摻量的增加而顯著減小，至硫酸鈉摻量為4%時，黏聚力達(dá)到最小值3.14kPa，較對照組降低7.175kPa，降幅為69.6%；當(dāng)硫酸鈉摻量大于4%后，黏聚力又出現(xiàn)一定程度的增長，6%摻量時的黏聚力比4%摻量時增加2.51kPa，增幅達(dá)79.9%．當(dāng)含水量為35%時，由圖4可以看出隨硫酸鈉摻量的增加，黏聚力大致呈線性增長．經(jīng)線性擬合后可以發(fā)現(xiàn)，硫酸鈉摻量每增加1%，黏聚力平均增長約2.54kPa，增長速率較快．當(dāng)硫酸鈉摻量達(dá)到6%時，黏聚力較對照組增長15.78kPa，增幅達(dá)10倍以上，黏聚力變化較為明顯．

圖4?黏聚力與硫酸鈉摻量的關(guān)系

圖5為兩種含水量條件下吹填土試樣的內(nèi)摩擦角與硫酸鈉摻量的關(guān)系曲線．從圖中可以發(fā)現(xiàn)，30%含水量情況下，硫酸鈉摻量對內(nèi)摩擦角的影響與對黏聚力的影響類似．但是相比黏聚力的變化，內(nèi)摩擦角的波動幅度較?。?dāng)硫酸鈉摻量為4%時，內(nèi)摩擦角達(dá)到最小值3.9°，與未摻加硫酸鈉的對照組A-0-1相比，最大降幅僅為20.4%．當(dāng)含水量為35%時，其變化規(guī)律與黏聚力有所不同．如圖5所示，當(dāng)硫酸鈉摻量為1%時，與對照組相比，內(nèi)摩擦角幾乎沒有變化．而當(dāng)硫酸鈉摻量繼續(xù)增加時，內(nèi)摩擦角開始不斷增大.當(dāng)硫酸鈉摻量為1%～6%時，內(nèi)摩擦角隨硫酸鈉摻量的增加近似呈線性增長，硫酸鈉摻量每增加1%，對應(yīng)的內(nèi)摩擦角增長約為0.55°，單位增幅約為22.9%．最終當(dāng)硫酸鈉摻量為6%時，內(nèi)摩擦角較對照組B-0-1增長約2.7°，增幅為112.5%．

圖5?內(nèi)摩擦角與硫酸鈉摻量的關(guān)系

綜上分析，可以認(rèn)為在30%含水量條件下，黏聚力的變化是抗剪強度受硫酸鈉影響的主要原因，而內(nèi)摩擦角的影響相對較?。辉?5%含水量條件下，硫酸鈉摻量對黏聚力和內(nèi)摩擦角均有顯著影響，可以認(rèn)為含水量為35%時，黏聚力和內(nèi)摩擦角的變化均是導(dǎo)致抗剪強度受硫酸鈉摻量影響的重要原因，特別是當(dāng)硫酸鈉摻量較大時，內(nèi)摩擦角的影響不容忽視．

3.2?應(yīng)力-應(yīng)變特性

圖6為30%含水量條件下，不同硫酸鈉摻量的吹填土試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線．由圖6可以發(fā)現(xiàn)，不同硫酸鈉摻量的試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線發(fā)展趨勢非常相近，均呈現(xiàn)典型的應(yīng)變硬化特征：在加載前期，試樣的主應(yīng)力差隨軸向應(yīng)變增長迅速，曲線近似呈線性增長；當(dāng)軸向應(yīng)變約為2%時，曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，主應(yīng)力差的增長速率逐漸減小；隨后主應(yīng)力差隨軸向應(yīng)變線性增大直至破壞．鑒于各試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系均呈應(yīng)變硬化特征，故以軸向應(yīng)變?yōu)?5%時試樣的主應(yīng)力差作為試樣的破壞強度．由圖6可以看出，當(dāng)硫酸鈉摻量小于等于4%時，隨著硫酸鈉摻量的增加，試樣的破壞強度逐漸減小，且硫酸鈉摻量每增加1%，破壞強度平均降低約2.3kPa，平均降幅約為4.8%.當(dāng)硫酸鈉摻量進(jìn)一步增加至6%時，試樣的破壞強度出現(xiàn)一定程度的增長，試樣A-6-2的強度較試樣A-4-2增長約6.2kPa，增幅為16.2%．這一強度變化規(guī)律與直剪試驗的結(jié)果一致．

圖6 不同硫酸鈉摻量條件下試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(ω＝30%)

圖7為35%含水量條件下，不同硫酸鈉摻量的吹填土試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，可以發(fā)現(xiàn)與圖6呈相似的應(yīng)變硬化特征．此外，圖7同樣反映了與直剪試驗一致的強度變化規(guī)律，即在該含水量條件下，試樣的三軸剪切強度隨硫酸鈉摻量的增加而持續(xù)增長．當(dāng)硫酸鈉摻量為6%時，試樣B-6-2的強度較對照組B-0-2增長約19.5kPa，增幅約為63.7%．

圖7 不同硫酸鈉摻量條件下試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(ω＝35%)

3.3?變形特性

圖8為30%含水量條件下的-lg曲線．從圖中可以看出，不同硫酸鈉摻量條件下，試樣的壓縮曲線發(fā)展規(guī)律大致相同：①加載前期試樣所受豎向固結(jié)壓力較小，土樣僅發(fā)生微小的變形，壓縮曲線近似為水平直線；②隨著豎向固結(jié)壓力的不斷增加，壓縮變形發(fā)展明顯加快，曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，斜率逐漸增大；③加載后期壓力進(jìn)一步增大，曲線近似呈線性下降趨勢．

此外，如圖8所示，在30%含水量條件下，隨著硫酸鈉摻量的增加，吹填土試樣的最終孔隙比變化量先隨之增大．當(dāng)硫酸鈉摻量為4%時，試樣A-4-3的壓縮變形最大，其孔隙比變化量達(dá)0.72，與對照組A-0-3(最終孔隙比變化量為0.48)相比，變形增長50%．而當(dāng)硫酸鈉摻量進(jìn)一步增大至6%后，試樣A-6-3的壓縮變形開始減小，其孔隙比變化量為0.59．

圖8?孔隙比e與lg p關(guān)系曲線(ω＝30%)

圖9為35%含水量條件下的-lg曲線，各試樣壓縮曲線的發(fā)展規(guī)律與圖8所示規(guī)律相似．同時，由圖9可以明顯看出，當(dāng)含水量為35%時，吹填土試樣的壓縮變形隨著硫酸鈉摻量的增加而不斷減小．當(dāng)硫酸鈉摻量達(dá)到6%時，試樣B-6-3的孔隙比變化量僅為0.37，壓縮變形較對照組B-0-3(孔隙比變化量為0.58)減少約36%．

圖9?孔隙比e與lg p關(guān)系曲線(ω＝35%)

為進(jìn)一步說明吹填土壓縮特性的變化規(guī)律，表3給出了不同硫酸鈉摻量條件下兩種含水量試樣的壓縮系數(shù)與結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力．其中，壓縮系數(shù)采用壓力段由1＝100kPa增加到2＝200kPa時的壓縮系數(shù)1-2；結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力采用Butterfield的ln(1＋)-lg雙對數(shù)坐標(biāo)法[18]進(jìn)行計算，具體的計算結(jié)果見表3．

由表3可以發(fā)現(xiàn)，在30%含水量條件下，當(dāng)硫酸鈉摻量小于或等于4%時，壓縮系數(shù)隨硫酸鈉摻量的增加而增大；當(dāng)硫酸鈉摻量大于4%時，壓縮系數(shù)出現(xiàn)一定程度的下降，亦即吹填土的壓縮性隨硫酸鈉摻量的增加先增大然后逐漸減?。?dāng)硫酸鈉摻量為4%時，吹填土試樣的壓縮性最大，此時的壓縮系數(shù)1-2為1.29MPa-1，較對照組A-0-3(壓縮系數(shù)1-2為0.70MPa-1)增大約84.3%．當(dāng)含水量為35%時，壓縮系數(shù)的變化規(guī)律與含水量為30%時的情況不同．可以發(fā)現(xiàn)在35%含水量條件下，隨著硫酸鈉摻量的增加，壓縮系數(shù)逐漸減小，試樣的壓縮性減小．當(dāng)硫酸鈉摻量為6%時，壓縮系數(shù)為0.58MPa-1，與對照組B-0-3(壓縮系數(shù)1-2為0.95)相比減小約38.9%．

此外，表3中試樣的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力隨硫酸鈉摻量的變化規(guī)律與壓縮系數(shù)的變化情況相反：當(dāng)含水量為30%時，試樣的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力隨著硫酸鈉摻量的增加而先減小后增大，至硫酸鈉摻量為4%(A-4-3)時，結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力達(dá)到最小值48kPa，相比對照組A-0-3減小19kPa，降幅約28.4%．當(dāng)含水量為35%時，試樣的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力隨著硫酸鈉摻量的增加逐漸增大，硫酸鈉摻量為6%(B-6-3)時，結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力為74kPa，較對照組增大27kPa，增幅為57.4%．

表3?吹填土試樣的壓縮系數(shù)和結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力

Tab.3 Compressive coefficient and structural yield stress of dredged-fill specimens

3.4?微觀結(jié)構(gòu)特征分析

3.4.1?定性分析

圖10和圖11分別為未摻加硫酸鈉的對照組試樣A-0-4和B-0-4的電鏡掃描結(jié)果．由圖10和圖11可以發(fā)現(xiàn)，兩組不同含水量的對照組試樣的土顆粒結(jié)構(gòu)大都呈現(xiàn)片狀結(jié)構(gòu)或粒狀結(jié)構(gòu)，無明顯的顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象，粒間膠結(jié)物發(fā)育不完全，顆粒間的連接形式以點-邊連接和邊-邊連接為主，顆粒間存在較多的架空結(jié)構(gòu)，土體內(nèi)未形成結(jié)構(gòu)強度較高的土骨架．

圖12、圖13分別為兩種不同含水量條件下?lián)郊恿?%硫酸鈉的試樣(A-4-4、B-4-4)的電鏡掃描結(jié)果．對比圖10和圖12可以發(fā)現(xiàn)，30%含水量條件下，試樣A-4-4(硫酸鈉摻量為4%)的微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)較對照組A-0-4發(fā)生了一定的變化：土顆粒集合體呈現(xiàn)絮狀結(jié)構(gòu)，顆粒間更加松散，存在較多的架空結(jié)構(gòu)，無明顯粒間膠結(jié)物發(fā)育，未形成顯著的團(tuán)狀結(jié)構(gòu)，骨架現(xiàn)象不顯著．此外，對比圖11和圖13則可以發(fā)現(xiàn)，35%含水量條件下，試樣B-4-4(硫酸鈉摻量為4%)的微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)較對照組B-0-4發(fā)生了顯著的變化：粒間膠結(jié)物發(fā)育良好，土顆粒在膠結(jié)物作用下出現(xiàn)顆粒聚集，形成了強度較高的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，顆粒間的孔隙逐漸被填充，粒間連接形式開始以面-面連接為主，粒間架空結(jié)構(gòu)明顯減少，土體結(jié)構(gòu)強度顯著提高.

圖10 試樣A-0-4(ω＝30%，硫酸鈉摻量為0)的電鏡掃描結(jié)果

圖11 試樣B-0-4(ω＝35%，硫酸鈉摻量為0)的電鏡掃描結(jié)果

圖12 試樣A-4-4(ω＝30%，硫酸鈉摻量為4%)的電鏡掃描結(jié)果

圖13 試樣B-4-4(ω＝35%，硫酸鈉摻量為4%)的電鏡掃描結(jié)果

3.4.2?定量分析

本文采用專業(yè)圖像分析軟件IPP(Image-Pro Plus)對上述電鏡掃描結(jié)果圖像進(jìn)行了二值化處理，并選取孔隙等效直徑和孔隙豐度兩個定量化指標(biāo)，對不同硫酸鈉摻量條件下吹填土試樣的微觀孔隙結(jié)構(gòu)變化特征作了量化分析．

孔隙等效直徑是指與孔隙實際面積(可通過IPP軟件測得)相等的圓的直徑，該指標(biāo)直接反映了孔隙的大?。畧D14和圖15分別為含水量為30%和35%時，對照組試樣與硫酸鈉摻量為4%的試樣的孔隙等效直徑分布比例．由圖14可知，當(dāng)含水量為30%時，未摻加硫酸鈉的對照組試樣A-0-4的孔隙等效直徑主要分布在0.04～0.40mm和0.40～4.00mm范圍內(nèi).而當(dāng)摻加4%的硫酸鈉后，吹填土試樣內(nèi)部等效直徑為0.04～0.40mm的孔隙比例減少約57.5%，等效直徑為0.400～4.00mm的孔隙比例則顯著增加．這說明當(dāng)含水量為30%時，隨著硫酸鈉摻量的增加，吹填土試樣內(nèi)部顆粒團(tuán)聚作用被削弱，小孔隙逐漸向大孔隙轉(zhuǎn)化，顆粒結(jié)構(gòu)更松散．圖15中，當(dāng)含水量為35%時，隨著硫酸鈉摻量的增加，試樣內(nèi)部等效直徑為0.40～4.00mm的大孔隙比例明顯減少，而等效直徑為0.04～0.40mm的小孔隙比例顯著增加．這表明隨著硫酸鈉摻量的增加，試樣內(nèi)部顆粒團(tuán)聚，形成了結(jié)構(gòu)強度較高的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，大孔隙被不斷填充，并發(fā)展成為小孔隙．

圖14 試樣A-0-4和試樣A-4-4孔隙等效直徑分布比例?(ω＝30%)

圖15 試樣B-0-4和試樣B-4-4孔隙等效直徑分布比例?(ω＝35%)

孔隙豐度是指孔隙在測量窗口內(nèi)的短軸與長軸之比，其值在0～1之間，且值越小說明孔隙形狀越趨于長條形，值越大則形狀越趨于等軸圓形．圖16和圖17分別為含水量為30%和35%時，對照組試樣與硫酸鈉摻量為4%的試樣的孔隙豐度分布比例圖.如圖16所示，當(dāng)含水量為30%時，未摻加硫酸鈉的對照組試樣的孔隙豐度主要集中分布在0.2～0.4、0.4～0.6和0.6～0.8范圍內(nèi)，而較少分布在0～0.2及0.8～1.0區(qū)間內(nèi)．由此可見，試樣內(nèi)部以扁圓形的孔隙居多，而長條形和圓形的孔隙數(shù)量較少．當(dāng)硫酸鈉摻量為4%時，孔隙豐度在0.4～0.6及0.6～0.8區(qū)間內(nèi)的孔隙比例有所減少，而孔隙豐度在0.2～0.4區(qū)間內(nèi)的孔隙比例則相應(yīng)增加．這表明隨著硫酸鈉摻量的增加，吹填土試樣內(nèi)部的孔隙更趨于扁平化發(fā)展.這主要是由于此時試樣內(nèi)部團(tuán)聚作用較弱，未形成明顯的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，因此孔隙更扁平．由圖17可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)含水量為35%時，隨著硫酸鈉摻量的增加，孔隙豐度在0～0.2、0.2～0.4和0.4～0.6范圍內(nèi)的扁平型孔隙比例均明顯減小，而孔隙豐度在0.6～0.8及0.8～1.0范圍內(nèi)的近圓形孔隙比例則顯著增加．這主要是由于此時隨著硫酸鈉摻量的增加，粒間膠結(jié)物發(fā)育，顆粒團(tuán)聚作用顯著，形成了明顯的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，因此粒間孔隙也相應(yīng)地更趨于圓形化發(fā)展．

基于上述對吹填土微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識，可以從微觀化學(xué)角度對吹填土在可溶鹽環(huán)境下力學(xué)特性的變化機理作進(jìn)一步分析．當(dāng)吹填土中摻加了硫酸鈉后，鹽在孔隙水作用下溶解、電離，使孔隙溶液中的Na＋含量顯著升高，而Na＋水化半徑較大，當(dāng)帶負(fù)電荷的土顆粒表面吸附了大量Na＋后，土顆粒表面的吸附水膜厚度顯著增大[19]．水膜厚度的增大不僅對土顆粒間的摩擦起到潤滑作用，同時減小了顆粒間的吸引和團(tuán)聚作用[12, 20]．因此在30%含水量條件下，隨著硫酸鈉摻量的增加，吹填土內(nèi)部孔隙增大，結(jié)構(gòu)更加松散，未見明顯的膠結(jié)物發(fā)育，土顆粒未形成團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，土骨架效應(yīng)不明顯，進(jìn)而也導(dǎo)致試樣在宏觀上表現(xiàn)出抗剪強度及結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力逐漸減小，而壓縮性則相應(yīng)增大的變化特征．

圖16 試樣A-0-4和試樣A-4-4孔隙豐度分布比例(ω＝30%)

圖17 試樣B-0-4和試樣B-4-4孔隙豐度分布比例(ω＝35%)

然而，當(dāng)硫酸鈉摻量不斷增加，孔隙溶液逐漸趨于飽和，硫酸鈉便開始析出，以晶體的形式賦存于土中．此時，析出的晶體不僅起到類似土骨架的支撐作用，同時還可以對土顆粒起到膠結(jié)的作用[12,20]．此外，由ICP分析結(jié)果可知，吹填土中Ca2+含量較高.當(dāng)加入硫酸鈉以后，電離出的SO42-將與Ca2+發(fā)生如下反應(yīng)：

反應(yīng)生成的CaSO4是一種微溶物質(zhì)，可以增強土顆粒間的膠結(jié)作用[21]．因此在30%含水量條件下，當(dāng)硫酸鈉摻量超過4%時，吹填土的抗剪強度、結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力開始出現(xiàn)增長，土體壓縮性逐漸減?。?/p>

當(dāng)試樣的含水量為35%時，由于含水量升高，孔隙液體中的陽離子濃度相對較小，相較于含水量為30%的情況，Na＋對土顆粒吸附水膜厚度的影響相對較?。瑫r，由于土顆粒自身所吸附的水膜厚度本就較大，所以鹽溶解對土粒吸附水膜的影響效應(yīng)被進(jìn)一步弱化．此外，由于含水量的增大，硫酸鈉不易達(dá)到飽和而析出．因此反應(yīng)式(1)生成的CaSO4的膠結(jié)作用對吹填土強度特性、變形特性以及微觀結(jié)構(gòu)特征有更顯著的影響，總體上表現(xiàn)為隨著硫酸鈉摻量的增加，粒間膠結(jié)物充分發(fā)育，土顆粒由片狀和粒狀結(jié)構(gòu)向團(tuán)狀結(jié)構(gòu)發(fā)展，形成了強度較高的土骨架，從而導(dǎo)致土體抗剪強度和結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力增大，壓縮性相應(yīng)?減?。?/p>

4?結(jié)?論

本文通過直剪試驗、三軸試驗、一維固結(jié)壓縮試驗系統(tǒng)地分析了吹填土在不同硫酸鈉摻量環(huán)境下的強度及變形特性，并通過電鏡掃描試驗，對比了微觀結(jié)構(gòu)的變化情況，從微觀角度分析了宏觀力學(xué)特性的變化機理，得到以下結(jié)論．

(1) 隨著含鹽量的不斷增加，吹填土試樣的抗剪強度呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢，最大降幅為44.1%，壓縮性相應(yīng)呈現(xiàn)先增大后減小的變化特征，最大增幅為84.3%；而當(dāng)含水量增大時，其抗剪強度則隨之不斷增大，最大增幅為244.3%，壓縮性相應(yīng)逐漸減小，最大降幅為36.8%．吹填土試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系均呈現(xiàn)典型的應(yīng)變硬化特征．

(2) 隨著含鹽量的不斷增加，吹填土試樣內(nèi)部孔隙增大，顆粒更加分散，無明顯粒間膠結(jié)物產(chǎn)生，未形成明顯的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，土骨架效應(yīng)不顯著；而當(dāng)含水量增大時，其內(nèi)部有明顯粒間膠結(jié)物生成，顆粒團(tuán)聚作用明顯，形成了強度較高的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，土骨架效應(yīng)顯著．

(3) 硫酸鈉對吹填土的力學(xué)特性存在兩方面的影響：一方面，由于Na+作用導(dǎo)致土顆粒表面吸附水膜的厚度增加，顆粒間的吸引減弱，土顆粒分散，從而使強度降低；另一方面，隨著摻量的增加，部分硫酸鈉以晶體形式析出，起到類似土骨架的作用，并具有一定的膠結(jié)能力，同時Ca2+與SO42-結(jié)合生成微溶的CaSO4，也可以起到膠結(jié)作用，這均可增強土體強度和抵抗變形的能力．吹填土在不同硫酸鈉摻量條件下的強度、變形以及微觀結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律是上述兩種效應(yīng)共同作用的結(jié)果．

［1］ 杜冬菊，楊愛武，劉?舉. 天津濱海吹填土[M]. 北京：科學(xué)出版社，2010.

Du Dongju，Yang Aiwu，Liu Ju. Tianjin Coastal Dreger Fill[M]. Beijing：Science Press，2010(in Chinese).

［2］ 鄭愛榮，朱洪滿. 絮凝加速吹填土沉積的試驗研究[J]. 巖土工程學(xué)報，2017，39(增2)：145-148.

Zheng Airong，Zhu Hongman. Experimental study on flocculation-accelerated deposition of dredger fill[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2017，39(Suppl 2)：145-148(in Chinese).

［3］ 邱長林，閆澍旺，孫立強，等. 孔隙變化對吹填土地基真空預(yù)壓固結(jié)的影響[J]. 巖土力學(xué)，2013，34(3)：631-638.

Qiu Changlin，Yan Shuwang，Sun Liqiang，et al. Effect of varying void on consolidation of dredger fill under vacuum preloading[J]. Rock and Soil Mechanics，2013，34(3)：631-638(in Chinese).

［4］ Chen K. Impact of Land Reclamation on Hydrogeochemical Processes in Coastal Aquifer Systems：A Case Study in Shenzhen，China[D]. Hongkong：The University of Hongkong，2008.

［5］ 宋?晶，王?清，陳慧娥，等. 高粘性高鹽量吹填土固結(jié)過程孔隙分維特征[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報：地球科學(xué)版，2010，40(2)：361-367.

Song Jing，Wang Qing，Chen Huie，et al. Fractal dimension of porous of heavy clay and saliniferous dredger fill during the process of consolidation[J]. Journal of Jilin University：Earth Science Edition，2010，40(2)：361-367(in Chinese).

［6］ 柴壽喜，楊寶珠，王曉燕，等. 含鹽量對石灰固化濱海鹽漬土力學(xué)強度影響試驗研究[J]. 巖土力學(xué)，2008，29(7)：1769-1772.

Chai Shouxi，Yang Baozhu，Wang Xiaoyan，et al. Experimental research on effect of salt content on strength of solidified saline soil in inshore with lime[J]. Rock and Soil Mechanics，2008，29(7)：1769-1772(in Chinese).

［7］ Wahid A S，Gajo A，Di Maggio R. Chemo-mechanical effects in kaolinite. Part 1：Prepared samples[J]. Géotechnique，2011，61(6)：439-447.

［8］ Wahid A S，Gajo A，Di Maggio R. Chemo-mechanical effects in kaolinite. Part 2：Exposed samples and chemical and phase analyses[J]. Géotechnique，2011，61(6)：449-457.

［9］ Arasan S，Yet?mo?lu T. Effect of inorganic salt solutions on the consistency limits of two clays[J]. Turkish Journal of Engineering and Environmental Sciences，2008，32(2)：107-115.

［10］ Moore R，Brunsden D. Physico-chemical effects on the behaviour of a coastal mudslide[J]. Géotechnique，1997，47(2)：367-373.

［11］ Ajmera B，Tiwari B，Ostrova F. Influence of salinity of pore fluid on the undrained shear strength of clays[C]// Advances in Geomaterial Modeling and Site Characterization IFCEE 2018. Orlando，F(xiàn)lorida，USA，2018：94-102.

［12］ 付江濤，栗岳洲，胡夏嵩，等. 含鹽量對亞硫酸鹽漬土抗剪強度影響的試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2016，32(6)：155-161.

Fu Jiangtao，Li Yuezhou，Hu Xiasong，et al. Effect of salt content on shear strength of sulfurous saline soil[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2016，32(6)：155-161(in Chinese).

［13］ 陳煒韜，王明年，王?鷹，等. 含鹽量及含水量對氯鹽鹽漬土抗剪強度參數(shù)的影響[J]. 中國鐵道科學(xué)，2006，27(4)：1-5.

Chen Weitao，Wang Mingnian，Wang Ying，et al. Influence of salt content and water content on the shearing strength parameters of chlorine saline soil[J]. China Railway Science，2006，27(4)：1-5(in Chinese).

［14］ 梁健偉，房營光，陳?松. 含鹽量對極細(xì)顆粒黏土強度影響的試驗研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009，28(增2)：3821-3829.

Liang Jianwei，F(xiàn)ang Yingguang，Chen Song. Experimental research on effect of salt content on strength of tiny-particle clay[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009，28(Suppl 2)：3821-3829(in Chinese).

［15］ 歐孝奪，周?東，曹?凈，等. 黏土孔隙可溶鹽組份對黏土結(jié)構(gòu)熱-力學(xué)行為的影響[J]. 巖土工程學(xué)報，2009，31(3)：365-371.

Ou Xiaoduo，Zhou Dong，Cao Jing，et al. Influence of soluble salts of clay structural pore on thermodynamical behavior of soils[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2009，31(3)：365-371(in Chinese).

［16］ 戴紹斌，黃?俊，夏?林. 鄂北膨脹土的礦物組成和化學(xué)成分分析[J]. 巖土力學(xué)，2005，26(增1)：296-299.

Dai Shaobin，Huang Jun，Xia Lin. Analysis of mineral composition and chemical components of expansive soil in North Hubei[J]. Rock and Soil Mechanics，2005，26(Suppl 1)：296-299(in Chinese).

［17］ 中華人民共和國水利部. GB/T 50123—1999土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)[S]. 北京：中國計劃出版社，1999.

The Ministry of Water Resources of the People’s Repubilc of China. GB/T 50123—1999 Standard for Soil Test Method[S]. Beijing：China Planning Press，1999(in Chinese).

［18］ Butterfield R. A natural compression law for soils(an advance on-log)[J]. Géotechnique，1979，29(4)：469-480.

［19］ 高國瑞. 近代土質(zhì)學(xué)[M]. 北京：科學(xué)出版社，2013.

Gao Guorui. Neoteric Soil Geotechnology[M]. Beijing：Science Press，2013(in Chinese).

［20］ 張寧霞，劉保健，趙麗婭. 氯鹽漬土的工程特性研究[J]. 工程勘察，2012，40(6)：14-17.

Zhang Ningxia，Liu Baojian，Zhao Liya. Study on engineering characteristics of chlorine saline soil[J]. Geotechnical Investigation & Surveying，2012，40(6)：14-17(in Chinese).

［21］ 屈?波，顧強康，李?強，等. 硫酸鹽漬土鹽脹的抑制措施[J]. 長安大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2013，33(3)：32-36.

Qu Bo，Gu Qiangkang，Li Qiang，et al. Treatment for salt expansion of sulphate saline soil[J]. Journal of Chang’an University：Natural Science Edition，2013，33(3)：32-36(in Chinese).

Experimental Study on Mechanical Properties of Ultra-Soft Dredged Fill with Different Sodium Sulfate Contents

Lei Huayang1, 2，Tu Cike1，Wang Lei1，Li Chenyuan1

(1. School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300354，China；2. Key Laboratory of Coast Civil Structure Safety of Ministry of Education(Tianjin University)，Tianjin 300354，China)

The abundant soluble salts contained in dredged fill greatly influence its physical and mechanical properties．In this study，we investigated the effect of the soluble salt content on the strength and deformation characteristics of dredged fill by configuring salt-filled dredged fill samples with different sodium sulfate contents．We used scanning electron microscopy to analyze changes in the microstructure of the dredged fill and the change mecha-nism of the macroscopic mechanical properties from the microscopic point of view．The results show that due to the effect of sodium ions，the thickness of the water film absorbed onto soil particles continuously increases，which weakens the agglomeration effect of the particles such that the pores in the dredged fill sample become larger and the structure becomes looser．Macroscopically，the strength continuously reduces(the maximum reduction was 44.1%)，and the compressibility increases accordingly．As the salt content continues to increase，the crystallization of sodium sulfate and the formation of calcium sulfate caused by the reaction of related ions enhance the internal cementation of the dredged fill sample．As a result，its strength increases by about 29.6% and the compressibility decreases accordingly．However，when the water content increases，the effects of the sodium ions on the agglomeration of soil particles and the crystallization of sodium sulfate are weakened，and the enhancement effect of the formation of calcium sulfate has a more significant influence on the mechanical properties of the dredged fill. In our tests，we observed the formation of an obvious intergranular cement in the samples，with smaller intergranular pores，and the agglomeration of particles formed a relatively obvious agglomerate structure．The soil skeleton effect was significant．Macroscopically，the shear strength increased(the maximum increase is about 335.5%)and the compressibility continuously reduced．We can conclude that the stress-strain relationship of dredged fill in a soluble salt environment exhibits strain hardening characteristics．

ultra-soft dredger fill；salt content；mechanical properties；microstructure

TU43

A

0493-2137(2020)07-0685-10

10.11784/tdxbz201905088

2019-05-23；

2019-07-01.

雷華陽（1974—??），女，博士，教授.

雷華陽，leihuayang74@163.com.

國家自然科學(xué)基金資助項目(51578371)；土木工程防災(zāi)國家重點實驗室開放基金資助項目(SLDRCE17-01)；京津冀合作專項項目(16JCJDJC40000).

Supported by the National Natural Science Foundation of China(No.51578371)，the Open Project of State Key Laboratory of Disaster Reduc-tion in Civil Engineering(No.SLDRCE17-01)，the Beijing-Tianjin-Hebei Special Projects of Cooperation(No.16JCJDJC40000).

(責(zé)任編輯：樊素英)