填海作用對海積軟土的抗剪強度影響試驗研究

劉漢民，周東，吳恒，焦文燦，王業田

(1.廣西大學 土木建筑工程學院；工程防災與結構安全教育部重點實驗室，南寧 530004；2.湖南科技學院 土木與環境工程學院，湖南 永州 425199 )

進入21世紀以來，中國進行了大規模的填海造地工程[1-3]，其中很大一部分成為工業及城市建設用地。欽州港臨海園區和防城港企沙工業園填海造地工程形成的陸域就是用來作為工業及城市建設用地，填海區域分布大量的海積軟土[4-6]。這類填海造地工程有幾個特點：1)填海形成的陸域面積大。欽州灣填海面積截止2011年已達約20 km2[7]，根據欽州市城市總體規劃，2008—2025年期間的總圍填海工程面積將達到約79 km2。2)填海造陸的速度快。從施工到形成陸域，再到用于工業及城市建設用地的時間較短，欽州港臨海園區和防城港企沙工業園填海造地工程由吹砂填海完成，然后進行地基處理[8-9]，之后直接用于相應的工程設施建設。3)填海造地過程中填海層對下伏地層施加的荷載重。隨著填海造陸施工工藝技術的成熟，以及對土地使用面積的需求，迫使填海由灘涂逐漸向淺海延伸，填海層的厚度大幅增加，因此，填海層對下伏地層的荷載也大幅增加，其中欽州大欖坪至保稅港區鐵路支線的吹填工程，吹填深度深達十幾米。與海積軟土地質形成的自然演變過程相比，填海造地對海積軟土賦存環境的擾動極其劇烈。海積軟土與其形成的自然地質環境在填海造地之前處于相對穩定的動態平衡狀態，經過填海造地的劇烈擾動之后，海積軟土的賦存狀態迅速地發生變化，并與環境達到一種新的動態平衡狀態。

海積軟土具有高含水量、高壓縮性、低抗剪強度的特點。已有學者對海積軟土的抗剪強度進行了研究，并取得了一些成果[10-14]。填海造地工程對海積軟土的賦存環境造成了極大的擾動，隨著賦存環境的變化，作為海積軟土力學性狀之一的抗剪強度也隨之發生改變，但尚未見到關于填海作用引起的海積軟土的賦存環境變化對海積軟土的抗剪強度影響研究的報道。

1 填海場地所取擾動土樣的基本物理性質

填海場地所取擾動土樣基本物理性質見表1。

采用篩分法和靜水沉降法中的密度計法綜合測定欽州港臨海園區和防城港企沙工業園填海場地海積軟土的顆粒級配，密度計法測試試樣中加入分散劑為4%的六偏磷酸鈉，顆粒級配試驗分析結果如圖1所示。

圖1 欽州港臨海園區和防城港企沙工業園顆粒級配累積曲線Fig.1 Cumulative curve of grain size in Qinzhou

欽州港臨海園區海積軟土樣本中粒徑小于0.075 mm的細粒土含量達到80.55%，粒徑小于0.005 mm的粘粒含量達到43.69%。防城港企沙工業園海積軟土樣本中粒徑小于0.075 mm的細粒土含量達到82.2%，粒徑小于0.005 mm的粘粒含量達到33.3%。

2 “印記”填海作用下環境要素變化“痕跡”的人工軟土土樣的制取

2.1 試驗方案

人工軟土土樣賦存環境要素變化“痕跡”的“印記”通過機制模擬裝置“一種土的浸泡荷載聯動裝置[15]”來實現。填海層對海積軟土層的附加荷載應力采用80、130、180 kPa共3種荷載等級工況進行加載模擬；水力聯系變化通過“一種土的浸泡荷載聯動裝置”四周側壁密布細孔進行模擬；水化學場變化通過改變浸泡液的化學組分來進行模擬。填海前海積軟土與海水直接相接處，海積軟土孔隙水的游離態離子化學組分與海水的游離態離子化學組分相同，濃度也一樣。因此，可以用海水的游離態離子化學組分及其濃度作為填海前海積軟土孔隙水的游離態離子化學組分及其濃度的初始情況。欽州港臨海園區和防城港企沙工業園區填海區域的海水離子組分見表2。

表2 填海區海水主要化學成分Table 2 Chemical composition of seawater in coastal reclamation district

注：游離態的Fe3+或Fe2+、Al3+離子成分含量接近零。

試驗主要對海水中的Ca2+和Mg2+離子含量對海積軟土性狀的影響進行研究。已有研究[16-17]表明，Ca2+和Mg2+的溶解度較大。作為工業用地，尤其是化工業用地的填海造地區域，有可能出現大濃度Ca2+和Mg2+的情況。相對于Ca2+和Mg2+的溶解度，海水中Ca2+和Mg2+的含量很小。在實驗過程中采用較大的級差，即以填海區的海水中Ca2+和Mg2+的濃度為基準，以海水中Ca2+和Mg2+濃度的10倍和100倍作為浸泡液。填海區海積軟土浸泡液方案如表3所示。

表3 填海區海積軟土浸泡液方案Table 3 Soak liquid of marine soft soil in coastal reclamation district

填海區浸泡荷載聯動試驗的加載荷載為80、130、180 kPa共3種工況，浸泡液為表3所示8種工況；浸泡荷載聯動試驗制備土樣工況組合，欽州為15種工況組合，防城港為9種工況組合，共24種工況組合。

2.2 試驗步驟

浸泡加載過程如圖2所示。

圖2 土樣浸泡加載聯動試驗Fig.2 The soaking-load experiments of soil

1)容器采用不銹鋼容器，并在不銹鋼的內壁刷一層防腐漆。剛性土模采用不銹鋼制造，并在土模上刷一層防腐漆。刷防腐漆是為了防止容器和土模在浸泡液的作用下出現腐蝕。

2)按方案要求配置好相應的浸泡溶液。

3)在剛性土模內側壁墊一層透水土工布膜，目的是為了防止軟土在加載的過程中從剛性土模的側壁細孔擠出。

4)將填海場地所取擾動土樣裝入剛性土模，將土模置于容器中進行初始加載(30 kPa)，倒入準備好的浸泡溶液，浸泡液須淹沒整個土模。

5)加載過程中同時按要求記錄百分表的讀數，以監測土模內土樣的豎向位移變形。

6)待土樣豎向變形穩定(穩定標準為豎向變形速率≤0.005 mm/d)后施加下一級荷載，每級荷載為25 kPa，直到最后一級荷載值。加載方案如表4所示。

表4 浸泡荷載聯動制樣加載方案Table 4 Loading scheme of the soaking-load experiments of soil samples

7)模擬荷載工況為180 kPa完成最后一級荷載加載，在最后一級荷載(180 kPa)作用下豎向變形達到穩定要求之后，再繼續浸泡15 d，讓浸泡液中的離子與土樣中的離子進行充分交換。整個制樣過程約需3個月時間。荷載工況為80 kPa和130 kPa的試樣在完成荷載加載后，在最終的荷載加載作用下持續浸泡，保持浸泡時間與荷載工況為180 kPa的浸泡荷載聯動制樣時間相同，都為約3個月。

8)整個制樣過程當中，為了彌補蒸發導致的容器內溶液減少，進而引起離子成分的濃度變化，每天定時監測水位變化，通過補充去離子水平衡蒸發造成的影響。“一種土的浸泡荷載聯動裝置”還可以進一步進行優化，對容器進行密封處理可以解決蒸發問題。由于制造工藝比較復雜，試驗未對容器進行密封處理，而是采用通過定時補充去離子水的方式來解決這個問題。

9)整個制樣過程完成之后，即得到“印記”有不同賦存環境要素的人工土樣，可用于后續物理力學性質試驗(抗剪強度、固結試驗、蠕變試驗、滲透試驗、離子組分的測定等)和細觀結構試驗(壓汞實驗、掃描電鏡等)，以研究填海作用下環境要素擾動對物理力學性質和細觀結構的影響，進而基于物理力學性質試驗和細觀結構試驗數據研究填海作用下環境要素擾動對物理力學性質和細觀結構影響機理。

對制得的人工土樣進行后續物理力學性質試驗和細觀結構試驗的取樣及其編號如圖3。抗剪強度試驗僅為后續試驗的一部分。

圖3 浸泡荷載聯動試驗所得人工土樣Fig.3 Soil samples obtained through soaking-load

3 人工土樣的含水率和孔隙比

欽州港臨海園區和防城港企沙工業園區填海場地所取擾動土樣在不同工況條件下通過浸泡荷載聯動試驗獲得的人工土樣的含水率ω和孔隙比e見表5和表6。

表5 人工土樣含水率Table 5 Moisture content of artificial soft soil samples

表6 人工土樣孔隙比Table 6 The void ratio of artificial soft soil samples

土樣的孔隙比e隨附加荷載應力的變化規律如圖4所示。由圖4可知，在同一浸泡液工況條件下，人工土樣的孔隙比e均隨附加荷載應力的增加而減少。其原因是,在附加荷載應力的作用下發生了壓縮變形，從而孔隙比減小。

圖4 人工土樣孔隙比e隨附加荷載應力的變化Fig.4 Change of void ratio of artificial soft soil samples along with the additional load stress of coastal reclamation

欽州土樣浸泡荷載聯動試驗的工況1、工況2和工況3是浸泡液離子組分中的Ca2+離子濃度發生了變化，其他離子濃度未變；工況1、工況4和工況5是浸泡液離子組分中的Mg2+離子濃度發生了變化，其他離子濃度未變；防城港土樣浸泡荷載聯動試驗的工況6、工況7和工況8是的浸泡液離子組分中的Ca2+離子濃度發生了變化，其他離子濃度未變。人工土樣的孔隙比e隨浸泡液中的Ca2+離子與Mg2+離子濃度的變化規律如圖5所示。

圖5 人工土樣孔隙比e隨浸泡液離子濃度的變化Fig. 5 Change of void ratio e of artificial soft soil samples along with the ionic concentration of soak

由圖5可知，在附加荷載應力相同的情況下，除欽州土樣在180 kPa的情況下外，人工土樣的孔隙比e隨浸泡液Ca2+離子與Mg2+離子濃度的增加略有減少,其原因可能是一部分孔隙由于Ca2+離子與Mg2+離子的沉淀作用形成的膠結物質填充所致。

只有欽州土樣在180 kPa附加荷載應力下出現不一致的情況，以Ca2+成分為變化量的浸泡液工況分別為工況1、工況2和工況3，孔隙比分別為0.85、0.94、0.77；以Mg2+成分為變化量的浸泡液工況分別為工況1、工況4和工況5，孔隙比分別為0.85、0.89、0.72。采用“一種土的浸泡荷載聯動裝置”制樣試驗是采用同一批土樣進行平行試驗制樣，存在一定的離散差異性，從數據上看，這種差異也較小，由土樣的離散差異性引起的可能性較大。

4 土樣直接剪切快剪試驗及其結果分析

根據《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—1999)，采用南京土壤儀器廠生產的ZJ型應變控制式直剪儀對欽州港臨海園區和防城港企沙工業園區人工土樣進行快剪試驗。直剪試樣的直徑為61.8 mm，高為20 mm。欽州和防城港軟土在不同工況條件下，通過浸泡荷載聯動裝置獲得的人工制備土樣的黏聚力c如表7、圖6和圖7所示。

表7 人工土樣黏聚力Table 7 Cohesive force of artificial soft soil samples

人工制備土樣的黏聚力c隨附加荷載應力的變化規律如圖6所示。

圖6 人工土樣粘聚力c隨附加荷載應力的變化Fig.6 Change of cohesive force of artificial soft soil samples along with the additional load stress of coastal reclamation

由表7和圖6可知，在同一浸泡液工況條件下，人工土樣的粘聚力c均隨附加荷載應力的增加而增大。粘聚力c增長的原因，是隨著附加荷載應力的增加，土樣的壓縮變形進一步增加，土樣的孔隙比和含水率進一步減少，從而造成粘聚力c進一步增大。

欽州土樣浸泡荷載聯動試驗的工況1、工況2和工況3是浸泡液離子組分中的Ca2+離子濃度發生了變化，其他離子濃度未變；工況1、工況4和工況5是浸泡液離子組分中的Mg2+離子濃度發生了變化，其他離子濃度未變；防城港土樣浸泡荷載聯動試驗的工況6、工況7和工況8是的浸泡液離子組分中的Ca2+離子濃度發生了變化，其他離子濃度未變。人工土樣的黏聚力c，隨浸泡液中的Ca2+離子與Mg2+離子濃度的變化規律如圖7所示。

圖7 人工土樣粘聚力c隨浸泡液離子濃度的變化Fig.7 Change of cohesive force of artificial soft soil samples along with the ionic concentration of soak

由圖7可知，在附加荷載應力相同的情況下，除欽州土樣在180 kPa情況下，人工土樣的粘聚力c隨浸泡液Ca2+離子與Mg2+離子濃度的增加而增大。推測其原因，可能是一部分孔隙由于Ca2+離子與Mg2+離子的沉淀作用而形成了膠結物質，新增的這一部分膠結物使得土顆粒之間的膠結連接加強，進而使得土樣的粘聚力c增大。在180 kPa的情況下，欽州土樣出現了例外情況，是加載過程出現了誤差導致，后面的防城港的浸泡加載試驗，注意了這一問題，保證了加載的準確精度，未出現相應的偏差。

由表7數據可知，工況2與工況4相比，浸泡液工況2的Ca2+離子變化情況是在海水的基礎上增加到原來的10倍，浸泡液工況4的Mg2+離子變化情況是在海水的基礎上增加到原來的10倍，在荷載相同的情況下，Ca2+離子變化對粘聚力c變化影響均大于Mg2+離子變化對粘聚力c變化影響。工況3與工況5相比，浸泡液工況3的Ca2+離子變化情況是在海水的基礎上增加到原來的100倍，浸泡液工況5的Mg2+離子變化情況是在海水的基礎上增加到原來的100倍，在荷載相同的情況下，也出現了Ca2+離子變化對粘聚力c變化影響均大于Mg2+離子變化對粘聚力c變化影響。僅從地基處理加固的角度來看，如果采用化學加固的方法，對粘聚力c的影響，Ca2+離子比Mg2+離子的效果要好。

土的內摩擦角φ試驗結果如表8、圖8和圖9所示。

表8 人工土樣內摩擦角Table 8 Internal friction angle of artificial soft soil samples

圖8 人工土樣內摩擦角φ隨附加荷載應力的變化Fig.8 Change of internal friction angle of artificial soft soil samples along with the additional load stress of coastal reclamation

由表8、圖8可知，除工況3在同一浸泡液工況條件下外，人工土樣的內摩擦角φ均隨附加荷載應力的增加而增大。推測其內摩擦角φ增大的原因是，隨著附加荷載應力的增加，土樣的壓縮變形進一步增加，土樣的孔隙比和含水率進一步減少，其內摩擦角φ進一步增大。

工況3的內摩擦角φ值分別為4.7、4.39、4.29，沒有明顯的變小的趨勢，推斷其原因，可能是由于附加荷載應力和浸泡液中的Ca2+成分相互耦合影響的關系，附加荷載應力的壓密作用下孔隙比減少(孔隙比分別為0.90、0.83、0.77)，滲透系數減少，浸泡液中的Ca2+成分對土樣的影響減弱。

人工土樣的內摩擦角φ，隨浸泡液中的Ca2+離子與Mg2+離子濃度的變化規律，如圖9所示。

由圖9可知，在附加荷載應力相同的情況下，人工土樣的內摩擦角φ隨浸泡液Ca2+離子濃度的增加而略有增大，而隨浸泡液Mg2+離子濃度的增加反而略有減少，其原因尚需進一步的實驗探明。僅從地基處理加固的角度來看，如果采用化學加固的方法，在增加抗剪強度時對內摩擦角φ的影響方面，Ca2+離子比Mg2+離子的效果要好。

綜合對比Ca2+離子與Mg2+離子對粘聚力c和內摩擦角φ的影響，在防城港的浸泡實驗過程中未進行鎂離子變化影響的浸泡實驗。

5 賦存環境要素對抗剪強度指標的耦合分析

賦存環境要素對黏聚力c的耦合分析，如表9所示。

表9 不同環境要素之間對人工土樣黏聚力c的影響耦合分析表Table 9 Coupling analysis of impact on cohesive force c of artificial soft soil samples among environmental elements

續表9

由表9可知：

1)填海層附加荷載應力與浸泡液離子濃度同時變化對黏聚力c變化的總效應并不簡單等于填海層附加荷載應力單獨變化引起的效應與浸泡液離子濃度單獨變化引起的效應之和，總效應小于填海層附加荷載應力單獨變化引起的效應與浸泡液離子濃度單獨變化引起的效應之和。

2)環境要素填海層附加荷載應力與浸泡液離子濃度對黏聚力c的影響存在某種相互耦合的關系。相互耦合的機理尚不清楚，須進一步試驗研究探明。

賦存環境要素對內摩擦角φ的耦合分析，如表10所示。

表10 不同環境要素之間對人工土樣的內摩擦角的影響的耦合分析表Table 10 Coupling analysis of impact on internal friction angle of artificial soft soil samples among environmental elements

由表10可知：填海層附加荷載應力與浸泡液離子濃度同時變化，對內摩擦角φ變化的總效應，并沒有出現一致大于或者小于填海層附加荷載應力單獨變化引起的效應與浸泡液離子濃度單獨變化引起的效應之和的現象，由此初步推測，這兩種環境要素對土樣的內摩擦角的影響相互之間的影響較弱，對內摩擦角φ的耦合效應較小，其試驗結果主要受試驗精度控制。

6 填海作用下環境要素變化對海積軟土抗剪強度影響的機理

海積軟土的賦存環境在填海作用下將發生變化，由室內模擬試驗結果可知，土樣的抗剪強度受到賦存環境要素變化的影響。當附加荷載應力(填海場地由填海層的自重荷載引起的應力)增大時，土樣發生壓縮變形，孔隙比減小，土樣的抗剪強度增大，粘聚力c和內摩擦角φ都隨之增大。當浸泡液的離子組分(填海場地海積軟土的孔隙液化學組分)發生變化時，不同的離子組分發生變化，對軟土抗剪強度的效應有所不同，根據改變浸泡液中的Ca2+離子和Mg2+離子濃度的實驗結果對比分析可知，Ca2+離子和Mg2+離子的濃度增大過程中，土樣的膠結連接增強，粘聚力c增大，但Ca2+離子對抗剪強度的影響大于Mg2+離子的影響。

對抗剪強度的影響，賦存環境要素之間存在相互耦合作用。基于室內試驗模擬結果來看，附加荷載應力與浸泡液的離子組分之間對粘聚力c的相互影響作用較大，對內摩擦角φ的相互影響作用較小。

7 結論

以欽州港臨海園區和防城港企沙工業園填海場地海積軟土為研究對象，分析了填海造地對填海場地海積軟土賦存環境變化的影響，采用“一種土的浸泡荷載聯動裝置”對填海場地在填海層附加荷載應力與海積軟土孔隙水化學組分發生變化時進行了人工模擬制樣，并對“印記”了賦存環境要素的人工軟土樣品進行了抗剪強度室內土工試驗。

1)填海造地對填海場地海積軟土的賦存環境變化產生影響，從巖土工程地質的角度，主要有填海層對海積軟土層的附加荷載應力、水力聯系變化、水化學場變化三大賦存環境要素變化。

2)填海層對海積軟土層的附加荷載應力、水力聯系變化、水化學場變化三大賦存環境要素，可采用“一種土的浸泡荷載聯動裝置”進行模擬。

3)隨著填海層附加荷載應力的增大，人工軟土樣的粘聚力c和內摩擦角φ隨之增大；隨著浸泡液不同的離子成分濃度變化，對人工軟土樣的抗剪強度指標影響效果不一。試驗結果顯示，隨著離子濃度的增加，Ca2+比Mg2+對抗剪強度指標的影響大。

4)填海層附加荷載應力與浸泡液離子組分雙因素同時作用下，對土樣的抗剪強度指標存在相互耦合效應，其耦合效應對黏聚力c影響明顯，對內摩擦角φ影響較小。