不同處理方法下吹填土微觀結構特征

王 清，孫明乾，孫 鐵，孫 濤

（1.吉林大學 建設工程學院，吉林 長春130026；2.建設綜合勘察研究設計院有限公司，北京100007；3.天津濱海建設投資集團，天津300450）

隨著沿海城市建設及對外開放的需要，吹填造陸己成為當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［1－2］.大量的工程實踐發(fā)現(xiàn)，水力吹填的淤泥與其下覆海相淤泥的物理力學性質(zhì)差別很大，對后期的加固處理方法的適應性也有很大差異.由于對人工吹填場地尚缺乏全面的研究和探討，以往的加固設計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，是目前實際工程中亟待解決的問題.因此加強吹填土結構形成及結構強度研究對工程安全運營和避免工后不良影響有十分重要的意義［3］.

本文以天津濱海新區(qū)吹填土為研究對象，從吹填土物質(zhì)成分和微觀結構角度出發(fā)，通過對比不同處理方法下吹填土的基本特性和微結構特征，研究吹填土固結規(guī)律，分析吹填土造陸影響要素，為工程設計及施工提供客觀科學的依據(jù).

1 吹填土成分特征

1.1 試驗方案

為了分析不同處理方法下吹填土物理化學性質(zhì)及微結構特征變化規(guī)律，在相同地點選取兩組土樣，其中經(jīng)過排水處理的吹填土樣為37 個，編號為ZY01—ZY37；未經(jīng)過排水處理的土樣為28個，編號為ZY201—ZY228.采用粒度成分、礦物成分以及掃描電鏡試驗等分析方法，對這兩組土樣進行基本物理性質(zhì)試驗，研究吹填土的結構特性對其固結過程的影響.

1.2 取樣概況

吹填土試驗土料取自天津濱海新區(qū)中心漁港，位于天津濱海新區(qū)漢沽，使用吹填造陸方法，自2007年開工建設以來己吹填2080 萬m3，形成3.5km2土地.研究區(qū)約1.3km2區(qū)域為經(jīng)過真空預壓處理的吹填處理地基土，真空預壓插板深度為8～10m；約1.8km2區(qū)域為未經(jīng)過真空預壓處理的吹填處理地基土，均屬于自重固結的土層.

1.3 土樣基本性質(zhì)

對兩種不同處理方法的吹填土試驗土料進行基本性質(zhì)的測試.

經(jīng)過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)量分數(shù)為6.33%；未經(jīng)過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)量分數(shù)為8.16%；根據(jù)建筑地基基礎設計規(guī)范GB500072002，將天津濱海新區(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系，同時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土樣進行顆分試驗，兩種不同處理方法的吹填土土樣顆粒分析累計曲線見圖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)量分數(shù)w相對于未加分散劑時有不同程度的下降，其中粉粒組（0.005～0.05 mm）降低幅度最大，黏粒組（＜0.005mm）的質(zhì)量分數(shù)w顯著增加，這是由于土中黏粒與粉粒、黏粒結合形成了具有一定抗水性能的“假粉?！保?］.加入分散劑后，土樣中粉粒間“團?！钡膱F聚性消失，土樣的不均勻系數(shù)都大于5，顆粒級配組成良好.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試的主要手段［6］.吹填土礦物成分衍射結果見圖2.分析結果表明，上部土體中次生礦物的質(zhì)量分數(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，未見蒙脫石.由于土體中粘粒的質(zhì)量分數(shù)較高，含有一定量的有機質(zhì)，因此具有較強的親水性.

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 微觀結構特征定量分析

2.1 微觀結構定量參數(shù)的選定及其確定方法

土的微觀結構特征是決定其宏觀力學性質(zhì)的本質(zhì)因素.現(xiàn)代高新科技的迅猛發(fā)展為土微觀結構的定量研究奠定了基礎，也為實現(xiàn)土的微觀結構與土應力應變建立相關關系創(chuàng)造了條件.目前，國內(nèi)外諸多學者在土微觀結構的研究領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)從微觀結構照片中提取數(shù)據(jù)，根據(jù)照片中結構單元體和孔隙顯示的灰度不同，將結構單元體與孔隙區(qū)分開.土樣基本數(shù)據(jù)見表1.土樣微觀結構照片見圖3.

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

2.2 孔隙與結構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.試樣結構單元體和孔隙的等效直徑分布見表2.由表2可知，經(jīng)過排水處理的吹填土樣結構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)間的結構單元體的數(shù)量明顯較高，主要原因是在排水作用下，土體的結構單元體發(fā)生變形和錯動，為維持土體平衡，較小的結構單元體充填到下部土體的孔隙中，土體的膠結作用增強，土中結構單元體由松散狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閳F聚狀態(tài)；未經(jīng)過排水處理的吹填土樣結構單元體等效直徑平均分布在＜5μm 區(qū)間內(nèi)，其中結構單元體等效直徑在2～5 μm 區(qū)間內(nèi)明顯增多.這說明由于沒有排水作用，土體結構單元體主要呈松散狀態(tài).

圖3 試樣微觀結構照片F(xiàn)ig.3 Pictures of microstructure

經(jīng)過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)的大結構單元體在重力作用下先沉降，然后細小結構單元體開始沉降，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)過排水處理的土樣＜1μm 孔隙比較多；經(jīng)過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，試樣結構趨于緊密，土體結構更加密實.這是由于排水作用使土體結構單元體的排列產(chǎn)生改變，孔隙也隨之進行調(diào)整，一些小的結構單元體落入孔隙中，使小孔隙的數(shù)量增多.

2.3 孔隙與結構單元體豐度

豐度是指土中顆粒在測量窗口內(nèi)短軸和長軸之比，用C來表示，它的大小反映了研究對象在二維平面內(nèi)所展示的形狀特征，可用公式（1）來計算.從公式（1）可以看出，豐度C在（0，1）之間，C值越小，反映研究對象越趨向于長條形；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分別表示研究對象的短軸和長軸的長度.

試樣結構單元體和孔隙的豐度分布特征見表3.由表3可以看出，在未經(jīng)排水處理的吹填土樣中，結構單元體豐度主要集中在0.4～0.6區(qū)間內(nèi).而在經(jīng)過排水處理后，結構單元體豐度平均分布在0.2～0.4，0.4～0.6，0.6～0.8這3個區(qū)間內(nèi)，豐度集中分布呈下降的趨勢，這說明在排水固結過程中，顆粒經(jīng)歷了壓扁過程，細長的結構單元體減少，等軸的結構單元體增多，土樣以不同程度的扁圓結構單元體為主，這是因為在排水過程中團聚狀結構較為穩(wěn)定，變化較小.未經(jīng)排水處理的吹填土樣與經(jīng)過排水處理的吹填土樣相比，結構單元體豐度在0.4～0.6區(qū)間的比例較大，這是由于未經(jīng)排水處理的土樣結構單元體較為松散，結構單元體間接觸較少，從而使得較細長和扁圓結構單元體數(shù)量比較多.

表3 孔隙和結構單元體的豐度分布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，長條形和近圓形的較少，結構單元體呈現(xiàn)出一種無序排列的球形體.經(jīng)過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)化的結果.

2.4 孔隙與結構平均形態(tài)特征

以上具體分析了豐度分布特征，觀測孔隙和結構單元體的具體形態(tài).下面對于各試樣平均形態(tài)分布特征參數(shù)進行分析評價，證實上述推測.圓形度是研究對象實際面積與外接圓面積的比值，用R來表示.圓形度越大，越接近1，越接近圓形，圓形度計算公式如下：

式中：A為微觀結構單元體或孔隙的實際面積；A′為結構單元體或孔隙外接圓面積.

形狀系數(shù)是研究對象的等面積圓的周長與實際周長的比值，用F來表示.一般而言，形狀系數(shù)大于等于1，數(shù)值越大，說明研究對象的形狀越不規(guī)則，計算公式如下：

式中：P表示結構單元體或孔隙等面積圓的周長；S表示單元體或孔隙實際周長［11］.

試樣單元體和孔隙的平均形態(tài)分布特征見表4.從表4可以看出，經(jīng)過排水處理的吹填土樣，結構單元體平均豐度、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)過排水處理的吹填土樣3項平均形態(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.這些都說明結構單元體排水固結過程中相互錯動形成團聚體，隨滲流壓力的增大，松散的小團粒將重新聚集成團狀，結構單元體形狀發(fā)生變化，逐漸趨于扁圓形，結構單元體形狀逐漸不規(guī)則.

試樣在排水處理前后對比，孔隙的平均形態(tài)參數(shù)變化規(guī)律與結構單元體變化特征比較一致，未經(jīng)過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.說明在排水作用下，結構單元體之間相互擠壓，咬合形成新的穩(wěn)定結構集合體，連接由松散變得緊密.較大的結構單元體逐漸變形，夾雜在結構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 孔隙與結構單元體形態(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，由于孔隙水滲流過程的影響，結構單元體與孔隙的排列有可能發(fā)生旋轉(zhuǎn)或者移動，因此通過顆粒排列特征分析，得到吹填土固結過程中微觀結構的變化規(guī)律，對解釋吹填土固結機理有舉足輕重的作用.定向角是研究對象的長軸與X方向的夾角，定向頻率是根據(jù)研究對象定向角的分布θ1，θ2，θ3，…，θn，用一定的定向角密度Δθ，將180°分成若干份，計算研究對象定向角落入各區(qū)間的幾率［12－15］.文中定義Δθ＝10°，分成18個定向角區(qū)間，用F（α）來代表各定向頻率，計算公式如下：

式中：nα，n分別是定向角落入［θi－1，θi］的研究對象數(shù)量和總的研究對象數(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)研究對象的出現(xiàn)的頻率，從而可以了解研究對象的平面定向性規(guī)律.據(jù)以上排列特征參數(shù)，借助WD－5圖像處理系統(tǒng)，計算測試試樣的定向角，見圖4、圖5.對試樣排水處理前后的結構單元體定向頻率計算分析表明，試驗的結構單元體定向角分布在0°～10°的概率最大，在其他各個區(qū)間的幾率各不相同.經(jīng)過排水處理后，結構單元體定向性發(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過程中經(jīng)歷了水土分離、自重沉淤和真空預壓3個階段，其結構單元體定向角在不同區(qū)間有不同的幾率顯現(xiàn)，使結構單元體產(chǎn)生了不同方向的定向分布.可見，在排水作用下土體結構單元體沒有明顯的定向性.

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

圖5 結構單元體定向分布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)律與結構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，由于結構單元體定向分布產(chǎn)生變化，結構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.

3 結論

分析不同固結處理方法下天津濱海新區(qū)吹填土試樣微觀結構特征，得出以下主要結論：

（1）通過粒度分析發(fā)現(xiàn)研究區(qū)樣品團聚性較強，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“假粉粒”的主要原因是由于研究區(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?！保捎谶@些“假粉?！钡拇嬖?，土樣可以在吹填的同時進行加固，建議采用孔徑大于0.005 mm的濾膜進行真空加固處理.

（2）從礦物成分的測試結果可以看出，兩種地基處理類型的土體對應在同一層位上的結晶礦物成分和含量是極其相近的，這說明排水與否對于地基處理后的土體中結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）通過分析吹填土體孔隙與結構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)過排水處理后，土體的結構單元體重新分布，結構單元體之間相互擠壓，咬合形成新的穩(wěn)定結構集合體，連接由松散變得緊密.細長的結構單元體減少，等軸的結構單元體增多，土體的膠結作用增強，土樣以不同程度的扁圓結構單元體為主；孔隙也隨之進行調(diào)整，大孔隙開始逐漸變小，其形狀逐漸趨向圓滑，較小的結構單元體充填到下部土體的孔隙中，土體的膠結作用增強，土中結構單元體由松散狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檩^為穩(wěn)定團聚狀態(tài).

（4）對試樣孔隙和結構單元體定向頻率測試結果表明，吹填土樣經(jīng)過排水處理后，孔隙和結構單元體定向性發(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排水過程中，經(jīng)歷了水土分離、自重沉淤和真空預壓3個階段，其結構單元體定向角在不同區(qū)間有不同的幾率顯現(xiàn)，使結構單元體產(chǎn)生了不同方向的定向分布.孔隙由于結構單元體定向分布產(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.

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