宋苗苗， 吉 鋒， 徐桂中， 張 丹， 曹 準， 周 楊

(1. 鹽城工學院 土木工程學院，江蘇 鹽城 224051；2. 南水北調(diào)東線江蘇水源有限責任公司，江蘇 南京 210029；3. 中建二局第二建筑工程有限公司，廣東 深圳 518000；4. 江蘇省水利勘測設(shè)計研究院有限公司，江蘇 揚州 225127)

在沿海地區(qū)開展工程建設(shè)，通常會遇到海相沉積土和海相疏浚泥。與內(nèi)陸淡水沉積土不同，海相沉積物孔隙溶液中常含一定量的可溶鹽分。此外，近年來地下水開采、海水倒灌、降雨等自然和人工活動也引起沿海地區(qū)土體孔隙溶液鹽分濃度的改變[1～3]。同時，孔隙溶液鹽分也是海相疏浚泥環(huán)保利用需要考慮的一個重要因素[4]。

已有研究表明，土孔隙溶液鹽分濃度的改變對土體物理性質(zhì)、壓縮性狀、強度性狀等都具有重要的影響[3,4～11]。He等[3]對日本有明黏土(Ariake Clay)靈敏度的研究表明，鹽分浸析引起土體靈敏度的增加，主要是土體液限降低引起重塑土不排水抗剪強度減小的結(jié)果。Song等[11]通過對不同孔隙溶液鹽分濃度重塑海相沉積土開展一系列的物理-化學試驗和一維固結(jié)試驗，也發(fā)現(xiàn)孔隙溶液鹽分濃度改變對重塑海相土壓縮性狀的影響主要是由土體液限改變引起的，并可采用液限孔隙比進行評價和分析。

實際工程中，天然沉積海相土中黏土礦物組成隨地區(qū)、氣候、物質(zhì)來源的不同而發(fā)生變化。如我國沿海地區(qū)海相沉積土中主要黏土礦物多為伊利石或伊蒙混層[10,11]，日本有明黏土的主要黏土礦物為蒙脫石[3]。需要指出的是，除孔隙溶液化學性質(zhì)外，黏土礦物組成也是影響土體界限含水率的重要因素[12]。由此可見，開展孔隙鹽分-黏土礦物耦合作用下土體界限含水率變化規(guī)律的研究具有重要的理論價值和工程意義。

本文將以天然沉積海相土與膨潤土的混合土、商用高嶺土和商用膨潤土為對象，通過室內(nèi)方法改變土孔隙溶液鹽分濃度SPL，并開展液塑限試驗和自由膨脹率δef試驗。研究不同黏土礦物組成下土體液限wL和塑限wp隨孔隙溶液鹽分濃度的變化規(guī)律，明確了孔隙鹽分改變引起土體液限變化的機理，并引入自由膨脹率分析了孔隙鹽分對含蒙脫石黏性土液限的影響。

1 試驗材料及試驗方案

1.1 試驗材料

試驗所用土樣包括一種商用高嶺土、兩種商用膨潤土和五種溫州土與膨潤土的混合土。其中，商用高嶺土為徐州礦務(wù)局夾河高嶺土廠生產(chǎn)的高嶺土；商用膨潤土#1為產(chǎn)自徐州的鈣基膨潤土；商用膨潤土#2為南京湯山鎮(zhèn)生產(chǎn)的鈉基膨潤土；混合土則通過將溫州土與商用膨潤土#2按照不同的干土質(zhì)量比混合得到，混合土#1～#5中膨潤土#2含量分別為0%，25%，50%，75%，100%。

測定土樣基本物理性質(zhì)指標，結(jié)果如表1所示。其中，土體液限采用落錐法測定，土體塑限采用搓條法測定；根據(jù)SL237-1999《土工試驗規(guī)程》[13]測定土體的自由膨脹率；采用密度計法測定土體顆粒粒徑分布；土孔隙溶液鹽分濃度SPL采用烘干法測定。根據(jù)試驗土樣的液限和塑限可知，除高嶺土外，試驗所用其他土樣均為高液限黏土。

表1 試驗土樣的基本物理性質(zhì)

采用X射線衍射法測定試驗土樣的礦物組成，并根據(jù)各衍射峰面積對土中各黏土礦物的相對含量進行半定量分析[14～16]，結(jié)果見表2。試驗所用高嶺土中的主要黏土礦物基本都為高嶺石，含量高達98%。膨潤土#1和膨潤土#2中的主要黏土礦物為蒙脫石，其含量分別為99%和79.5%。此外，伊利石、高嶺石和綠泥石在膨潤土#2也有少量出現(xiàn)，其含量分別為18.0%，0.2%，2.3%?；旌贤?1～#4中均同時含有蒙脫石、伊利石、綠泥石和高嶺石四種黏土礦物。根據(jù)英姿[17]的研究可知，對于膨潤土#2含量超過40%的混合土，其主要黏土礦物為蒙脫石。故混合土#3和混合土#4中的主要黏土礦物也為蒙脫石。

表2 試驗土樣黏土礦物組成 %

1.2 試驗方案

由于海水中主要的可溶性鹽分為NaCl，故本文將采用分析純NaCl制備不同孔隙溶液鹽分濃度的試驗土樣。首先將試驗所用土樣風干，并配制不同濃度的NaCl溶液；之后取干土質(zhì)量為1 kg的風干土樣，按照土和溶液比為1∶5加入制備的NaCl溶液，攪拌均勻并靜置一周。試驗前，將混合物再次攪拌均勻，使用離心機對混合物進行泥水分離，取離心后的上部清液測定土孔隙溶液鹽分濃度，脫水后的土樣則用于測定土體的液限和塑限。

已有研究表明[9,17]，孔隙溶液鹽分濃度降低對我國海相沉積土液限的影響主要發(fā)生在孔隙鹽分濃度降低到4 g/L后，且引起液限的減小幅度相對較小。另一方面，我國近海的海水鹽分濃度約為35 g/L。故對于試驗所用混合土選取了0，35 g/L兩種鹽分濃度。試驗所用土樣孔隙溶液鹽分濃度如表3所示。

表3 試驗土樣孔隙溶液鹽分濃度

2 試驗結(jié)果分析與討論

圖1為高嶺土和膨潤土液限隨孔隙溶液鹽分濃度的變化規(guī)律。由圖可知，膨潤土液限隨孔隙溶液鹽分濃度的增加均呈逐漸減小的趨勢。表現(xiàn)出和主要黏土礦物為伊利石的天然沉積海相土相反的變化規(guī)律[9,11]。此外，當土孔隙溶液鹽分濃度由35 g/L降低到0時，膨潤土液限的增加幅度可高達1倍以上?？紫度芤蝴}分濃度改變對膨潤土液限的影響程度明顯高于天然沉積海相土。而高嶺土的液限則基本不受孔隙溶液鹽分濃度變化的影響。

圖1 高嶺土和膨潤土液限隨孔隙溶液鹽分濃度變化規(guī)律

為進一步明確孔隙鹽分對含蒙脫石土體液限的影響，對不同孔隙鹽分濃度下土體液限和塑限隨膨潤土含量的變化規(guī)律進行分析，結(jié)果如圖2所示。由圖可知，相同膨潤土#2含量下，孔隙溶液鹽分濃度增加對土體液限的影響是變化的。和膨潤土#2相比，當土孔隙溶液鹽分濃度由0增加為35 g/L時，混合土#2(膨潤土#2含量為25%)的液限由67%增大為73%，而混合土#3(膨潤土#2含量為50%)和混合土#4(膨潤土#2含量為75%)的液限則出現(xiàn)減小，且減小幅度隨混合土中膨潤土#2含量的增加而增大。也就是說隨著土中蒙脫石含量的增加，孔隙溶液鹽分濃度和土體液限間將由正相關(guān)關(guān)系逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樨撓嚓P(guān)關(guān)系。由此可見，探討孔隙鹽分對土體液限影響時，需考慮土中黏土礦物性質(zhì)及其相對含量。此外，除膨潤土#2外，和天然沉積土類似，混合土的塑限也基本不受孔隙溶液鹽分濃度變化的影響。

圖2 黏土-膨潤土混合土界限含水率隨孔隙鹽分變化規(guī)律

孔隙溶液鹽分對土體物理力學性質(zhì)的影響，本質(zhì)上是黏土顆粒表面所帶負電荷與孔隙溶液中陽離子相互作用的結(jié)果。為此，研究者們常采用Gouy-Chapman擴散雙電層理論闡釋孔隙溶液化學性質(zhì)改變對土體性質(zhì)的影響[6,14,18～20]，并指出黏粒表面擴散雙電層厚度和孔隙液中離子濃度的平方根成反比。即隨著孔隙溶液鹽分濃度的增加，黏粒表面擴散雙電層厚度將減小，從而促進黏土顆粒間的絮凝，宏觀表現(xiàn)為土體液限降低。結(jié)合圖1可知，擴散雙電層理論用于闡釋孔隙鹽分對膨潤土液限的影響是適用的，這主要是由于膨潤土液限主要受擴散雙電層厚度的影響[20]。但對于主要黏土礦物為伊利石或高嶺石的土，采用擴散雙電層理論進行分析的結(jié)果，與試驗結(jié)果間存在偏差，并不完全適用。為此，Sridharan等[20～22]提出兩種機理用于闡釋孔隙電解質(zhì)溶液對土體液限的影響：(1)孔隙電解質(zhì)溶液通過影響?zhàn)ね令w粒表面擴散雙電層的性質(zhì)引起土體液限的改變；(2)孔隙電解質(zhì)溶液通過影響?zhàn)ね令w粒間的相互作用力使顆粒間的排列形式發(fā)生改變，進而引起土體液限的變化。通常情況下，孔隙電解質(zhì)溶液對土體液限的影響是以某一種機理為主導，兩種機理共同作用的結(jié)果。

為進一步驗證孔隙溶液鹽分濃度對土體液限的影響是兩種機理共同作用的結(jié)果，對孔隙溶液鹽分濃度增加引起混合土液限的改變量ΔwL(ΔwL=wL35-wL0)進行分析，結(jié)果如圖3所示。其中，wL35，wL0分別為孔隙溶液鹽分濃度為35 g/L和0時土體的液限。由圖可知，隨著土中膨潤土#2含量的增加，ΔwL由2%先增加為6%再逐漸減小為-33%。當膨潤土含量為某一臨界值時，孔隙溶液鹽分濃度增加將不引起土體液限的改變。這進一步表明孔隙溶液鹽分濃度改變對土體液限的影響是兩種機理共同作用的結(jié)果。

圖3 孔隙鹽分濃度增加引起黏土-膨潤土混合土液限的改變量

由上述分析可知，當土中同時含蒙脫石、伊利石和高嶺石三種黏土礦物時，土體液限隨孔隙溶液鹽分濃度的變化規(guī)律主要由土中蒙脫石含量控制。而采用X射線衍射法僅能對土中黏土礦物組成進行半定量分析，且該試驗操作整體比較復(fù)雜。和直接測定土中蒙脫石含量相比，土體自由膨脹率δef的測定具有簡單快速的特點。此外，已有研究[16,23]也表明，土體的自由膨脹率與黏粒表面擴散雙電層的性質(zhì)和土中蒙脫石含量都密切相關(guān)。由此可推知，自由膨脹率δef也可用于預(yù)測含蒙脫石土體液限隨孔隙溶液鹽分濃度的變化規(guī)律。

根據(jù)國家標準GB 50112-2013《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》[24]采用自由膨脹率對試驗所用混合土的膨脹潛勢進行判定，可知混合土#2為含蒙脫石的非膨脹土，混合土#3為中膨脹土，混合土#4和混合土#5為強膨脹土。圖4為孔隙溶液鹽分濃度增加引起混合土液限改變量ΔwL與土體自由膨脹率δef、膨潤土#2含量間的關(guān)系。對于本文試驗所用混合土，當土體為弱膨脹土或非膨脹土，即自由膨脹率δef<65%時，孔隙溶液鹽分濃度增加將引起土體液限的增大。由此可見，即使土中含有一定量的蒙脫石，只要土體未表現(xiàn)出膨脹性或為低膨脹土，孔隙溶液鹽分濃度降低將引起土體液限的減小，表現(xiàn)出和以伊利石、綠泥石為主要黏土礦物的低活性土類似的變化規(guī)律。此時，孔隙鹽分對土體液限的影響，主要受黏土顆粒間相互作用力的控制。反之，當含蒙脫石黏土的自由膨脹率δef>65%后，孔隙鹽分將主要通過影響?zhàn)ち１砻鏀U散雙電層的厚度影響土體液限。隨孔隙溶液鹽分濃度的增加，土體液限表現(xiàn)出減小的變化趨勢。綜上可知，通過測定土體自由膨脹率可明確孔隙鹽分對含蒙脫石黏性土液限的影響規(guī)律。

圖4 混合土液限改變量和自由膨脹率、膨潤土含量間關(guān)系

3 結(jié) 論

(1)膨潤土液限隨孔隙溶液鹽分濃度的降低而增大，而高嶺土的液限則基本不受孔隙溶液鹽分濃度變化的影響。

(2)對于含蒙脫石黏性土，當土中蒙脫石含量較低且自由膨脹率δef<65%時，孔隙溶液鹽分濃度增加將引起土體液限的增大；反之，當土中蒙脫石含量較高且自由膨脹率δef>65%時，土體液限隨孔隙溶液鹽分濃度的增加而減小。土體自由膨脹率δef可用于分析孔隙鹽分對含蒙脫石土體液限的影響。

(3)對于非膨脹性土和低膨脹性土(δef<65%)，孔隙溶液鹽分主要通過影響?zhàn)ね令w粒間相互作用力，進而引起土體液限的變化；而對于膨潤土和強膨脹性土(δef>65%)，孔隙溶液鹽分則主要通過改變黏粒表面擴散雙電層性質(zhì)使土體液限發(fā)生改變。