連云港濱海地區沉積物含鹽特征及其對工程基礎的影響*

茍富剛 陸徐榮 龔緒龍 楊露梅 劉明遙

(江蘇省地質調查研究院,自然資源部地裂縫地質災害重點試驗室,南京 210049,中國)

0 引 言

本文研究區主要位于連云港濱海地區,根據實際調訪,土壤鹽漬化較為嚴重,特別是近海區域,受海潮影響,港口建筑基礎受到了強烈腐蝕,嚴重制約了城市的高質量發展(夏文俊等,2011)。鹽漬土按化學成分分為氯鹽漬土、亞氯鹽漬土、亞硫酸鹽漬土、硫酸鹽漬土及堿性鹽漬土。土壤鹽漬化受多種因素影響,研究區土體鹽漬化主要受海水入侵的影響,鹽土類型主要為氯鹽漬土。海水入侵受多種因素影響,比如說河勢、風應力、海平面上升和人類活動等(Li et al.,2014; 張二鳳等,2014)。王慧等(2011)的研究表明近31年(1980年～2010年)中國近海冬季海平面平均上升速率為3.1mm·a-1。海水入侵后,水土易鹽化,土壤鹽漬化已經演化為一個生態問題(李攻科等,2016)。全球范圍內鹽漬土面積達到了10×108hm,分布在100多個國家和地區(Ghassemi et al.,1995)。鹽漬土在我國分布廣泛,鹽漬土總面積約為3.6×105km2,占全國可利用土地面積的4.88%(王遵親等,1993)。我國現階段濱海鹽堿地面積約1500萬畝具有改良利用的潛力(趙其國等,2020)。濱海相鹽漬土(氯鹽漬土)主要分布在我國長江以北的廣大濱海平原,其學術關注度和傳播度大于其他類型鹽漬土,在2008達到頂峰,這與社會需求和國家政策有關。

目前還沒有對研究區各土層含鹽特征進行系統分析的相關研究。一般工程勘察僅研究潛水位以上土體,研究深度僅為1m左右,個別達到了5m(葛云等,2012)。研究區淺部土層黏粒含量高,約占土體50%(茍富剛等,2018a),滲透系數為10-7～10-8cm·s-1,為弱透水層。該層是下伏含水層的天然保護屏障,該類型土層已被用來研究污染物的遷移轉化(Racchetti et al.,2010)。Ge et al.(2017)通過分析土體孔隙水中的主要離子的變化特征進行水化學演變以及沉積環境分析。蔡國軍等(2008)基于電阻率靜力觸探進行了海相軟土地質成因分析,進行了土體離子化學分析,離子組成較為單一,為NaCl型鹽土,土體孔隙液呈堿性。海水浸漬是濱海相鹽漬土形成的一個最主要的原因,土體含鹽特征與海水含鹽特征基本一致。茍富剛等(2018b)通過的水土進行耦合分析,研究對像為含水砂層及其孔隙水,得出了水土體含鹽指標呈線性正相關。濱海鹽漬土鹽分以NaCl占絕對優勢,具有溶陷性和腐蝕性等工程性質。連云港地區土體隨著氯鹽的增加,土體強度降低且破壞應變增加(范禮彬等,2012)。魏麗等(2018)評價了SH固化劑對濱海鹽土的固化作用。鹽漬土中的氯離子對混凝土中的鋼筋腐蝕最為顯著(Vu et al.,2000; 中華人民共和國國家標準編寫組,2009; 李超等,2014; Li et al.,2016)。近些年來,港口地區(連云港雜貨一、二碼頭、寧波北侖港礦石碼頭)出現了氯鹽侵蝕誘發構造物裂縫現象(夏文俊等,2011)。裂縫出現時間約4～10a,遠低于碼頭設計使用年限(50a)。

本次采集樣品深度最大值為80m,采集616件土樣易溶鹽樣品,通過樣品測試結果進行土體含鹽特征、沉積環境以及其對工程基礎的影響分析。

1 地質背景

研究區位于連云港東部沿海一帶,隸屬蘇魯造山帶地層分區(吳燕開等,2004)。蘇魯造山帶位于淮陰-響水斷裂以北西,其是一個長期隆起剝蝕區,從震旦紀至三疊紀均為古陸(圖1)。中生代以來以巖漿侵入和塊斷作用為其特色(顧家偉,2015)。大部分地區被第四紀地層所深覆蓋。地面標高一般為2～3m。本文研究土體為中更新世以來的沉積物。根據沉積時代土層可以概化為7個層組; 再根據巖性,進一步再細分為16層(表1,圖2)。

表1 地層劃分表

圖2 工程地質剖面圖

土層自下而上,更新統分布12個土層,小腰莊組Qp2χ2包含8-1和8-2兩個土層(陸相地層)。灌南組下段Qp3g1為海侵地層,地層代號為7-1和7-2。灌南組上段分別3個小段,分別為Qp3g2-1、Qp3g2-2、Qp3g2-3。Qp3g2-1包含兩個土層,分別為6-1和6-2層,為陸相沉積物。Qp3g2-2包含2個土層,分別為5-1層和5-2層,為海相沉積物。Qp3g2-3包含4個土層,為2個陸相沉積旋回,分別為4-1、4-2、4-3和4-4。

全新統分布4個土層,為海相沉積層,Qhy2分布3個土層,分別為3-1、3-1A、3-1B,Qhy3分布1個土層,代號為2-1層。填土為1-1層。

2 樣品采集及分析方法

采集樣品共616件,采樣位置見圖1。采樣深度為0～80m,垂向上采樣間距1～3m。對所采土樣進行全鹽量、易溶鹽8大離子和pH值進行測試。

在對研究區土層按照沉積時代、沉積環境概化的基礎上,對16個土層進行單獨統計分析。對每一土層進行含鹽量、8大離子含量、重要比例系數進行統計分析,統計項目包含最大值、最小值、平均值等。土體含鹽的化學成分分類參考GB/T 50942-2014,目前一般采用0.l kg土中陰離子含量的比值作為分類標準。兩套標準:一套為氯鹽漬土、亞氯鹽漬土、亞硫酸鹽漬土、硫酸鹽漬土判定標準(式1),另一套為堿性鹽漬土判定標準(式2)。

(1)

(2)

式中:各離子濃度單位為:每100g土中所含離子毫摩爾數(mmol/0.1kg),其中,C(Cl-)代表氯離子濃度,其他類推。

3 測試結果分析

3.1 各土層含鹽特征分析

對研究區80m以淺16個概化土層含鹽特征進行系統分析。分析內容包括各層土統計樣本個數、含鹽量最大值、最小值、平均值、各離子含量平均值(表2)。按式(1)與式(2)進行鹽土類型判定。根據鹽土類別進行含鹽量是否達到鹽漬土級別,進行弱鹽漬土、中鹽漬土、強鹽漬土分類(表3)。

表2 土體含鹽特征統計表

表3 各土層含鹽特征分類統計

圖3為典型鉆孔揭露的研究區土層含鹽特征。根據圖3可以看出,隨著深度的增加,土體含鹽量有著遞減的趨勢。全新世土層(2-1、3-1)含鹽量高,主要為中鹽漬土。更新世土層鹽漬土類型以弱鹽漬土為主。

下面介紹各土層含鹽特征。

圖4 各土層巖芯照片及微觀結構

3.2 土體含鹽特征分析

圖5 細粒土層含鹽量隨深度分布特征

圖6 粗粒土層含鹽量隨深度分布特征

更新世土層(4-1層及其以下土層)含鹽量較高,除了8-2砂層外,均有弱鹽漬土出現,鹽漬土最高占比達到了86%。根據表2可知,同一層組的土層,黏性土含鹽量一般大于砂土。各土層鹽分均以Cl-和Na+含量為主,其中Cl-含量占比最高達到了62.01%,NaCl含量占比最高達到了94.25%。

按照式(1)進行鹽土類別類型判定,氯鹽鹽土類型占絕對優勢,各土層均有分布,亞氯鹽土類型和亞硫酸鹽土類型個別土層有分布,硫酸鹽土類型各土層均未見分布。全新世土體均為氯鹽與亞氯鹽土類型,且以氯鹽鹽土類型為主,最高達到了100%。更新世土層除了上更新世上段陸相黏性土層(4-1、4-3、6-1)出現了少量亞硫酸鹽土類型,其他均為氯鹽與亞氯鹽土類型,且以氯鹽鹽土類型為主,其中絕大多數氯鹽鹽土類型達到了100%。各土層含鹽量達到鹽漬土的百分占比,見表3。其中全新世土層強鹽漬土、中鹽漬土、弱鹽漬土均有分布,其中中鹽漬土分布最為廣泛,全新世土體鹽漬土合計占比82%。更新世土層未出現強鹽漬土和中鹽漬土,僅分布非鹽漬土和弱鹽漬土。僅8-2層砂層含鹽量未達到鹽漬土。更新世土體含鹽量較高,弱鹽漬土占比49%(圖7)。

圖7 不同沉積時代土體含鹽特征

按照式(2)進行鹽土類別類型判定,堿性鹽土類占比不大,最高占比60%。且土體含鹽量達到鹽漬土級別的樣本數量少,最高達到33%。其中8個土層未見堿性鹽漬土分布。

4 討 論

4.1 基于土體鹽分的沉積環境分析

研究區第四紀地層沉積受到了5次的海侵影響,80m以淺土層鹽分主要受3次海侵控制(吳燕開等,2004)。特別是全新世海侵,海侵范圍到達了墩尚鎮—灌云縣以西,對30m以淺土層鹽分起著決定性作用,鹽分以NaCl為主(圖1)。30m以淺主要為中鹽漬土,30m以下為弱鹽漬土和非鹽漬土(圖3)。受第Ⅴ次海侵影響,全新世土層包含4個土層含鹽量均很高,3個土層平均含鹽量達到了中鹽漬土,僅3-1A土層含鹽量較低,但土體平均含鹽量也達到了弱鹽漬土級別,這主要受控于土體沉積時的水動力條件。受第Ⅳ次海侵影響的5-1、5-2土層含鹽量均高于其上覆和下伏土層。受第Ⅲ次海侵影響的7-1、7-2土層含鹽量均高于其上覆和下伏土層(圖8)。

圖8 各土層含鹽量與沉積環境變化圖

海相地層沉積時,當海水與土顆粒接觸時,海水中的Na+可以交換土中的Ca2+離子,產生離子交換作用。同時,海相地層沉積時,海水對下伏地層具有侵染作用,使得陸相地層含鹽量增加。Na-Ca交換是一種進行得最廣泛的陽離子交換?？砂词?3)雙向反應。SAR是Na-Ca交換的一個重要參數,ESR為土壤交換性鈉,可以采用式(4)計算。研究區地表淡水SAR平均值為3.23。根據表4可以看出,研究區各土層ESR值較高,均大于當地地表淡水,ESR最大值103出現在3-1軟土層,為當地地表淡水ESR值的32倍(圖9,表4)。土體鹽分主要為NaCl,鹽分最主要來源為海水浸漬,受全新世海侵的影響。

表4 各土層及地表淡水沉積環境分析指標統計

圖9 各土層ESR平均值

(3)

(4)

ESR=K·SAR

(5)

式中:γNa單位為meq·L-1,其他指標相同;K為交換平衡常數;SAR為鈉吸附比;ESR為土壤交換性鈉。

γMg/γCa是一個表示海侵范圍和程度的指標,海水中Mg2+含量總高于Ca2+含量高。各土層統計平均值γMg/γCa范圍值為0.80～2.67,均大于研究區地表淡水的γMg/γCa值,說明研究區土層不同程度受到海水入侵的影響。各層土γMg/γCa最大值出現在3-1軟土層,說明該層土沉積受控于最后一次海侵。

根據16個土層pH統計結果,取每層土的平均值,pH分布范圍為7.7～8.7(表1)。整體看來,各層土pH均大于7,為堿性。pH最大值出現在5-2灰色粉砂。淺部土層對農業(一般農作物及草坪根系涉及深度為20cm,灌木根系涉及深度為80cm,喬木根系涉及深度為1.2m)和工程建設影響最大,淺表土層2-1層與3-1層pH值均為8.3,堿性較大。2-1層pH值最大為9.0,3-1層pH值最大為9.2,當pH大于8且小于8.5時,土體改良需施加酸性改良劑。當pH大于8.5時,土體改良需施加鈣質改良劑(CJJT 283-2018)。

4.2 土體含鹽對工程基礎的腐蝕性評價

連云港地下空間開發尚處于初級階段,利用類型主要有地下綜合管廊、地下停車場等,開發深度一般為0～5m,且不超過10m。連云港濱海地區存在淺埋(約2m)厚層海相軟土,層厚約15m,采用天然地基易出現工后沉積過大的問題,多層或高層建筑要采用預制樁基礎穿越軟土層。宜選擇密實而穩定的4-2、4-4、4-6、5-2砂層或4-1、4-3硬塑黏性土層作為樁基持力層。以大陸橋國際會議中心為例,軟土底板埋深19.4m,對于擬建的3層建筑物,由于荷載較小建議優先考慮采用4-2層粉土夾粉砂(埋深26～28m)作為樁端持力層; 擬建酒店客房7層,優先選擇5-2層粉土夾粉砂(埋深36～38m)作為樁端持力層。

根據土體沉積環境分析,土體鹽分主要來自海水浸漬和海水入侵,土體鹽分主要為NaCl,土體最高的離子含量為Cl-。土中Cl-對工程基礎的腐蝕性,主要表現在Cl-對混凝土結構中鋼筋的腐蝕性。由于Cl-是一種強腐蝕介質,腐蝕性極強,當Cl-接觸到鋼筋表面,在氧和水充足的情況下,在鋼筋表面形成一個小陽極,形成點腐蝕反應,反應后形成腐蝕坑。根據GB50021-2009進行腐蝕性分類評價,評價結果顯示:微腐蝕性占比7%,弱腐蝕性占比5%,中腐蝕性占比46%,強腐蝕性占比42%。強腐蝕性土層主要分布在25m以淺土層,對應土層層號主要為3-1層軟土和2-1層黏土(圖10)。根據統計結果,土體中Cl-對混凝土結構中鋼筋的腐蝕性界限含鹽量見表5。

表5 腐蝕性界限含鹽量統計表

圖10 腐蝕性隨深度變化特征

各土層pH均為堿性,由于鋼筋混凝土中的水泥能產生一種高堿性物質(氫氧化鈣),所以混凝土結構自身呈堿性,評價結果顯示土體pH對剛結構腐蝕性均為微腐蝕性。

根據(中華人民共和國國家標準編寫組,2009)按土體Mg2+對混凝土結構評價結果,僅1個2-1層樣本(埋深0.9m)評價結果為弱腐蝕,其他均為微腐蝕性。

5 結 論

本文通過采集616件易溶鹽樣品測試結果,對連云港濱海地區中更新世以來(80m以淺)土層(16個土層)含鹽特征進行了系統研究,探討了土層鹽分來源及其對工程基礎的影響,獲得了以下結論:

(1)研究區80m以淺土層鹽分主要受3次海侵控制,特別是最后一次海侵對30m以淺土層含鹽特征起著決定性作用,鹽分最主要來源為海水浸漬,鹽分以NaCl為主,各土層含鹽量介于0.020%～7.149%。全新世土層含鹽量高,以中鹽漬土為主。隨著深度的增加,土體含鹽量有著遞減的趨勢。

(2)受海侵影響,海相土層含鹽量均高于其上覆和下伏土層。海侵對下伏地層具有侵染作用,使得陸相地層含鹽量增加。同一層組的土層細粒土含鹽量一般大于砂土。各土層ESR值均大于當地地表淡水SAR,γMg/γCa值均大于研究區地表淡水的γMg/γCa值,說明研究區土層不同程度受到海水入侵的影響。

(3)80m以淺土層易溶鹽的腐蝕性主要表現在Cl-對混凝土結構中鋼筋的腐蝕性,具有弱腐蝕性以上的占比88%。強腐蝕土層主要分布在25m以淺土層,分布在3-1層軟土和2-1層黏土中。給出了土體中易溶鹽腐蝕性的界限含鹽量。