黏土真空預壓固結的化學力學效應

夏涵　唐瑋　陳浩昆　羅珍貴

摘要 真空預壓是高含水率黏性土地基處理中一種非常有效的方法，在農田水利工程和圍海造陸工程中經常使用。在真空預壓處理過程中，化學環境一直處于變化的狀態，化學環境的變化會引起黏土礦物表面吸附的結合水膜厚度和含量的變化，而黏土的力學行為又與結合水的厚度和含量有著密切的聯系，因此化學環境的改變會對黏土的力學性質造成很大的影響。黏土因為滲透性很差，自重沉淤的速度慢，因此黏土的滲透性和強度等性質始終是制約施工速度的一個關鍵問題。從黏土的離子交換、膠結與沉淀溶解3種化學行為出發，分析了化學行為對黏土表面結合水含量的影響，而結合水的含量改變又會引起黏土滲透性、變形和強度3種力學行為變化，通過結合水將黏土的化學行為同力學行為聯系起來，并且展望了未來黏土研究的發展方向。

關鍵詞 黏土；結合水；化學力學；固結；真空預壓

中圖分類號 S22 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）19-371-03

農田水利工程和圍海造陸以及海港建設都常常會遇到黏土地基[1]，因此在進行建設前需要對土體進行加固。黏土地基加固的方法很多，主要可以分為物理方法和化學方法，物理方法主要有輕夯法、真空預壓法、降水預壓法和砂井排水法等，化學加固法主要有灌漿法、深層攪拌法以及高壓噴射注漿法[2]。由于農田水利、圍海造陸等工程場地一般比較大，化學加固法高昂的造價以及對環境的影響制約了化學加固法的普及，相比之下，真空預壓的造價低廉，效果明顯且對環境的影響較小，因此得到了廣泛的應用，發展非常迅速。

真空預壓是通過真空泵產生的真空吸力將土中的水抽出，由于靠近排水板附近的水排出后將會使排水板附近與排水板較遠處產生一個水頭差，水頭差和真空吸力的共同作用使離排水板較遠處的水向排水板附近流動而排出。在真空預壓過程中，黏土中的水環境是變化的，因此就會產生一系列的化學力學效應。黏土化學力學是以黏土為對象，研究黏土化學環境發生變化導致力學性質產生變化的科學。它是土力學和化學以及物理化學相交叉而產生的科學問題，主要是研究黏土中黏土礦物與水環境中各種離子產生的化學作用引起黏土強度、形態和滲透性等力學性質變化的過程、規律和作用機理。黏土中水環境的改變主要是影響黏土表面結合水厚度，結合水厚度的變化就必然會引起黏土力學性質的變化。

黏土的化學作用主要有膠結、置換以及溶解或沉淀，是黏土本身固有的性質。黏土的這3種化學行為是通過電荷的轉移而導致黏土表面結合水膜厚度發生變化。由于結合水會占用一定的孔隙，因此結合水膜越厚，固結變得更加困難；而結合水膜越薄就會使固結變得更容易。黏土的固結使得黏土內部結構發生變化，造成了黏土滲透性、強度的變化，也導致了土體的變形。

目前國內外學者已經認識到了結合水對于黏土的力學性質的影響，研究主要集中在結合水的形成[3]、結合水的性質[4]、結合水含量的測定[5]、結合水的分散性的影響[6]、黏土的微觀結構[7-8]、水土相互關系[9-10]等，但對于環境的變化是怎樣對結合水膜的厚度產生變化的研究還不夠。掌握了黏土真空預壓過程中的化學力學效應就可以提高黏土固結效率，縮短施工工期。

1 結合水的形成與性質

黏土中所含的大多是黏土礦物，而黏土礦物又是黏土中最活躍部分。黏土礦物主要是由硅氧四面體與鋁氧八面體按一定的順序排列組成的晶體[11]。黏土表面所帶的電荷量稱為凈電荷，是可變電荷與永久電荷的代數和。永久電荷是由于黏土礦物晶格中高價陽離子被低價陽離子置換而帶的負電荷，不論是硅氧四面體還是鋁氧八面體，金屬離子都存在于整個晶胞的中間，外界活躍的低價陽離子很容易與晶格內部的高價陽離子發生置換，被置換出高價陽離子后，晶胞的電荷量就不平衡，因此黏土表面就帶上了負電荷[12]。類似于高嶺石等黏土礦物在酸性環境下會帶負電荷，在堿性環境下會帶正電荷，這種隨環境變化的電荷成為可變電荷。

黏土中的黏土礦物表面帶負電荷以后就可以通過靜電力的作用吸附水分子，吸附的水分子在黏土表面形成膜一樣的水層將土顆粒完全包裹起來。吸附的水層可以從吸附的強弱分為強結合水和弱結合水，結合水也就是水土作用的產物。強結合水處于靠近黏土表面一側，由于靜電吸附強烈，呈現出晶體的性質，但是由于它會出現過冷現象，所以它是結晶物而與冰的結構不同；弱結合水存在于強結合水外層，密度較強結合水小，但是也比自由水密度大，水分子可以從結合水膜較厚處移動到較薄處，也可以從濃度較高處移動到較低處[13]。強結合水與弱結合水并沒有一個明確的界限值，而是一個漸變的過程，前蘇聯學者發現，平衡壓在P/Ps=0.85～0.90時，水的性質才發生突變，所以一般取P/Ps=0.88為強弱結合水的界限值[14]。弱結合水有較強的黏滯性，且有強結合水的阻隔，當2個土顆粒相互靠近時，土顆粒不相接觸，弱結合水將2個土顆粒包裹起來，土顆粒“漂浮”在結合水中間，結合水的黏滯性會隨著溫度、密度以及平衡壓而改變。正是因為結合水連接了2個土顆粒才使黏土的力學行為與結合水的含量和厚度密切相關，控制黏土蠕變性和滲透性的主要因素是結合水的黏滯性，通過黏土的黏質系數表現出來，而黏滯系數受壓力影響最大[15]。黏土真空預壓過程中的化學力學效應就是通過化學環境的變化引起土顆粒表面結合水厚度的變化，從而引起黏土力學性質的變化。

2 黏土化學效應

2.1 離子交換 離子交換是原來吸附在土顆粒表面的離子與水中的離子相交換，在土中這個現象具有普遍性。黏土的離子交換可以分為陰離子交換與陽離子交換。

黏土顆粒因為帶負電荷，所以吸附著大量的陽離子，少數陽離子存在于結合水中[16]。在真空預壓場地排水固結過程中，水中的陽離子會隨著水的遷移而運動。水中的陽離子會通過滲透作用進入到結合水的內部，由于陽離子所帶的電荷量與原來吸附在土顆粒表面的陽離子的電荷量更大，因此會被吸附在黏土表面，而原來吸附在表面的離子則被釋放出來。雙電層理論是目前對離子交換最合理的解釋[17-19]。根據Schofield的理論，如果黏土顆粒表面吸附的一價陽離子與二價陽離子的比例是相等的，當自由水中一價陽離子的濃度增加1倍時，為了保證黏土表面的電荷平衡，那么水中的二價離子濃度需要增加4倍[13，20]。目前的離子交換研究主要是針對土中的陽離子交換，但可以肯定的是在較低的pH的水環境中，陰離子交換也是存在的，陰離子通過與黏土礦物晶格中陽離子相結合使得電荷變相[21-22]。但固結排水是一個動態的過程，不能保證水中的不同價位陰、陽離子是按照一定比例的增加或減少，這就勢必會造成黏土表面的離子濃度不同，離子濃度不同也就導致了黏土表面結合水厚度的變化。

2.2 土顆粒的膠結作用 黏土固結以后會結塊變硬，這是黏土顆粒干燥以后水中化學溶質與黏土膠結形成某些化學鍵的原因。化學鍵有主鍵和次鍵之分，主鍵是原子之間的鍵位連接，包括共價鍵、離子鍵和金屬鍵；次鍵主要是分子之間的連接，包括范德華力和氫鍵[23]。

我國南方的黏土中無機膠結方式主要有鐵質膠結和鋁質膠結[24]。據統計，土壤中的游離鐵氧化物是較高的，可以達到7.1～94.7 g/kg[25]，氧化鐵膠結物遇水以后會出現崩解性，但是失水之后的膠結力強度很大。黏土中的有機膠結比無機膠結的形式更加豐富，可以分為瞬變性膠結、臨時性膠結和持久性膠結3種，瞬變性膠結是由有機質分解的多糖連接的，臨時性膠結是由植物的根、細菌的菌絲等連接的，持久性膠結是由芳香族腐殖物質與無定形鐵、鋁等物質形成的復合體[26]。在固結排水過程中，土中的水分會越來越少，因此這些有機和無機的膠結物就開始發揮作用，使土顆粒團聚起來。

2.3 溶解與沉淀 黏土是土顆粒、難溶鹽以及有機質的一個混合體，固體物質表面還并吸附著一些可溶性的陰陽離子，主要的有H+、K+、Na+、Ca2+、Mg2-、Al3+、Cl-、SO42-、CO32-、SiO32-等。當土中的化學環境發生變化時，這些離子就會相互反應生成難溶的物質，比如CaCO3這些難溶于水的化合物都會對土中的結合水含量造成一定的影響。

有機質對黏土結合水也有很大影響。在黏土的風化沉積的歷史中，有很多動植物經細菌分解成為有機質，這些有機質主要是由胡敏酸、富里酸以及胡敏素組成[27]，天然黏土中有機質含量一般在3%～5%，黏土與有機質的連接方式主要有3種，即離子交換、水的橋接和氫鍵連接[28]。在pH較低的時候，氫鍵連接占主導地位；在pH較高的時候，高度分散的-COOH、-COH具有很強的親水性，此時吸附的陽離子的能力也較強，所以離子交換占主導地位。腐殖酸的分子結構中含有許多個羥基（-OH）和羧基（-COOH），這些羥基和羧基容易失去H+，而這些腐殖酸又緊緊包裹在土顆粒的表面，因此這會增加土顆粒表面上的負電荷數量，而有機質吸附結合水的能力相當于黏土礦物的1.5倍以上，所以有機質含量增加會增加結合水含量。當土中水OH-增多時，就會溶解掉一部分有機質，被溶掉的有機質就會將表面吸附的結合水釋放出來，黏土中的結合水含量就會減少。

3 黏土固結時力學效應

3.1 滲透性 黏土的滲透性主要是和孔隙的大小、土顆粒的排列有關，孔隙小了通過的水量就少，滲透性就小。微觀觀察黏土顆粒主要是片狀結構[29]，如果土顆粒的平面是平行水流動方向，那么滲透性就好一些。黏土固結伴隨著水的排出，土顆粒和一些難溶鹽絮團也會隨著水流動[30-31]，流動造成土中孔隙的堵塞，而黏土礦物遷移到排水板附近造成排水板附近的結合水含量升高，滲透性變差形成淤堵。因此淤堵可以分為2個方面，一方面是土顆粒、難溶鹽以及有機質的淤堵，另一方面是結合水的淤堵。

含水率很高時，黏土并不存在淤堵，土顆粒之間的間距很大，小固體顆粒可以在土顆粒間互相移動。結合水含水率較高的時候，淤堵的出現主要是固體顆粒的淤堵。最開始造成淤堵的是有機質，有機質在水中是呈現絮狀結構，在水中像網一樣，小土顆粒隨水遷移過程中被絮狀的有機質纏住，而不能移動，此時排水還是比較順暢的。隨著孔隙的不斷壓縮，土顆粒的淤堵機制也逐漸顯現出來，土顆粒的淤堵主要是小土顆粒隨著水流遷移，運移到一個地方以后由于孔隙狹小，該土顆粒不能通過或與其他顆粒產生吸附，各個粒徑的小土顆粒不斷填滿孔隙使得水分子要通過很困難。最后出現的是難溶鹽的淤堵，難溶鹽絮團比黏土絮團要小，其淤堵也與土顆粒的淤堵機理基本相同，堵塞土中孔隙。

含水量下降至液限后，主要就是結合水的淤堵。一般認為，含水率下降到液限以后，土體中的水幾乎都是結合水。由于結合水的阻隔，土顆粒類似于“漂浮”在水中，但此時的孔隙中基本被結合水填滿，由于結合水尤其是強結合水具有很強的黏滯性，土顆粒很難通過結合水的包圍，而且由于靜電力的影響，普通壓力很難將強結合水擠出，只能排出少量弱結合水，因此造成淤堵。

3.2 壓縮變形 黏土的變形除了與本身結構有關以外，還跟結合水膜的厚度有關，在相同孔隙比的情況下結合水膜越厚，由于水的壓縮性很小，而且占據了土中的體積，土體壓縮的難度就越大。由于黏土的化學環境會影響結合水膜的厚度，所以也間接控制黏土的變形。孔隙中水溶液的變化會產生離子交換，并改變土顆粒表面的離子平衡，因此結合水的含量也會改變。不同離子對結合水含量的影響是不相同的。根據前人研究結論得出，如果二價離子增加的話，結合水膜的厚度會減少，如果三價離子增加，結合水膜的厚度會進一步減少[32]，因此吸附不同離子會使得黏土的變形大小不同。

3.3 強度 根據庫侖公式和Duncan-Chang模型[33]可以看出，土體的強度與內摩擦角的大小和黏聚力有關。內摩擦角主要與土顆粒間的摩擦力和土顆粒之間的嵌入深度有關。土顆粒表面越粗糙，摩擦系數就越大，摩擦力也就越大。摩擦力越大，說明土顆粒之間的間距越小，土顆粒之間結合水膜之間的接觸面越大，因此結合水膜就越小[34]。土顆粒之間嵌入深度越大，在受到外荷載作用的時候，抵抗這種力引起變形的效果就越強烈。當土顆粒吸附了結合水的時候，土顆粒表面就會被水完全包裹，土顆粒之間距離就會增大，兩個土顆粒之間產生錯動的時候，結合水膜起到了一定的潤滑作用，導致內摩擦角減小；而當結合水膜很小或沒有的時候，內摩擦力就會增大。

黏聚力是土顆粒之間相互吸引的各種化學力的統稱，包括庫侖力、范德華力和膠結力等。土顆粒的結合水層厚度對土體黏聚力起到了很大的作用，黏聚力的大小取決于土顆粒之間的最短距離，結合水層變小以后，土顆粒之間的距離縮短，黏聚力就會不斷增大[34]。

4 展望

目前黏土的物理化學性質經過幾十年的研究和發展取得了一定的成果，但還是有很多方面需要進一步研究。

黏土的滲透系數很小，黏土的特殊性造成了滲流的復雜性。黏土的滲流還和水壓力的傳遞有關，在外荷載加入到黏土表面的時候，水壓力在一瞬間來不及傳遞到底部，上部的荷載又使得土顆粒表面的結合水膜產生變形，變形后的結合水膜向下擠壓，導致原本水膜上的水分子超出了土顆粒所能吸引的極限距離，所以原來的一部分結合水膜脫離了土顆粒的束縛而轉變成自由水，而由于上部自由水的擠壓，一部分自由水又進入了土顆粒所吸引的范圍而轉變為結合水。這樣隨著一個一個土顆粒的自由水向結合水的轉變，結合水向自由水的轉變，就形成了一個貫通的滲流通道，水壓力也就從上部傳遞到土體的下部。因此，應該建立起黏土結合水與自由水混合的滲流模型。

土顆粒的結合水含量也是使得固結排水難以實現的原因之一，土顆粒被結合水包裹著，弱結合水會隨著土體飽和度的變化而變化，而強結合水不會隨著土體飽和度的變化而變化。要想使得土體的水分充分排出，改變強結合水膜的厚度是關鍵，因此還要進一步開展結合水的物理化學性質研究。此外，目前結合水的準確測量方法也是亟待解決的問題之一，只有精確測量結合水的含量才能對真空預壓過程中的化學力學效應做到量化，使加固效果更好。

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