改性浆液沉积法重塑硫化物土壤样本的适用性研究

《Geotechnics》：Applicability of Modified Slurry Deposition Method for Reconstitution of Sulphide Soil Samples Nelson García, Per Gunnvard, Tan Manh Do and Jan Laue

本研究针对硫化物土壤（Sulphide soil）因样本扰动大导致室内土工试验结果离散性高的问题，探讨了采用浆液沉积法（slurry deposition method）对硫化物土壤样本进行重塑的可行性。结果表明，重塑样本的初始指标特性与不排水三轴行为与原生样本具有可比性，证明该方法可用于制备均质、可重复的硫化物土壤样本，为更可靠地研究此类土壤的力学行为，特别是循环荷载下的行为，奠定了基础。

　　

在瑞典波罗的海沿岸等地，广泛分布着一种特殊的有机土壤——硫化物土壤。这种土壤含水量高、工程性质差，是道路、铁路等基础设施建设中常遇到的“软骨头”。更麻烦的是，一旦将其开挖，土壤中的黄铁矿（FeS₂）会发生氧化，产生酸性排水和金属浸出液，对环境构成潜在风险。为了减少开挖和废弃带来的高昂成本与环境影响，工程界正积极探索如何将更多硫化物土壤直接用作路基填料。然而，精确表征硫化物土壤的力学性质却是一项艰巨的挑战。其固有的特性使得高质量的原状样本难以获取，实验室测试结果也常常呈现出巨大的离散性，这无疑阻碍了对其工程行为的深入理解和可靠设计。

为了突破这一瓶颈，一项发表在《Geotechnics》期刊上的研究，探索了一种名为“浆液沉积法”的样本重塑技术，用于制备硫化物土壤的试验样本。这项研究的核心问题是：这种方法能否生产出均质、可重复且具有代表性的硫化物土壤样本？重塑样本的静态力学行为能否与原状样本相媲美？如果答案是肯定的，那么这种重塑方法将能提供大量性质一致的样本，为后续研究硫化物土壤在循环荷载等复杂条件下的力学行为铺平道路，从而推动这种“问题土壤”的安全、经济利用。

为开展研究，研究人员主要采用了以下几种关键技术方法：1. 样本采集与原位测试：在瑞典吕勒奥地区的典型硫化物土壤沉积区，使用瑞典标准活塞取样器（St:I）获取原状土样，并结合CPT（锥贯入试验）等现场测试确定土层性质。2. 浆液沉积法重塑技术：这是本研究的核心方法。研究人员将扰动土样与去离子水混合制成浆液，经真空脱气后，将其注入模具中，通过静置沉积和后续固结来制备重塑样本。此方法模拟了硫化物土壤在河口水下的自然沉积过程，并避免了干燥和氧化。3. 室内土工试验：对原状和重塑样本进行了一系列对比测试，包括测定液塑限、颗粒密度、有机质含量等指数特性，进行标准固结试验以确定先期固结压力，并进行了不排水和排水三轴剪切试验，以对比两者的应力-应变行为、强度及临界状态线。

研究结果方面，通过系统的对比分析，得出了以下主要发现：

3.1. 测试材料：研究所用硫化物土壤来自瑞典吕勒奥，被分类为硫化物粉土（SuSi），粘土含量8%，平均有机质含量2.5%。固结试验显示，土层上部存在超固结，超固结比（OCR）随深度增加而减小。

4.1. 样本均匀性与指数特性：重塑样本的干密度（ρ_d）、含水率（w）和计算孔隙比（e）等指数特性，能够精确且准确地匹配原状样本的平均结果，证明了浆液沉积法在控制样本初始状态方面具有高度的可重复性和精确性。

4.2. 不排水三轴特性：在三种不同围压（25， 50， 100 kPa）下进行的不排水三轴压缩试验表明，重塑样本与原状样本的应力-应变行为和峰值偏应力具有可比性。两者均表现为应变软化行为，并且推导出的临界状态线在q-p'（偏应力-平均有效应力）空间中也基本重合，说明重塑样本能够再现原状土壤的最终强度状态。

4.3. 排水三轴特性：在排水三轴试验中，无论是重塑样本还是原状样本，在达到15%的轴向应变时均未达到临界状态。两者均表现出持续的剪缩和应变硬化行为，且应力路径和体积变化趋势相似。

4.4. 讨论：研究讨论了样本差异的可能原因，例如原状样本中存在的氧化带、层理等各向异性和非均质性，以及重塑过程对土壤结构（微观结构）的“重置”。尽管存在这些固有差异，但关键的力学行为（如不排水强度、临界状态）表现出良好的一致性。

归纳研究结论和讨论：本研究系统地评估了浆液沉积法用于重塑硫化物土壤样本的适用性。核心结论表明，该方法能够成功制备出均质、可重复的硫化物土壤样本。这些重塑样本的初始指数特性（如密度、含水率）可以与原状样本的平均值精确匹配。更重要的是，在静态力学行为方面，重塑样本与原状样本的不排水剪切强度、应力-应变响应以及推导出的临界状态线均表现出高度的可比性。虽然在排水条件下两者均未达到临界状态，但其行为趋势一致。

这项研究的意义重大。首先，它为解决硫化物土壤室内试验结果离散性大的难题提供了一种有效的补充方案。通过浆液沉积法制备的大量性质可控的重塑样本，可以极大地支持需要大量重复试验的研究，例如硫化物土壤在交通荷载下的长期循环力学行为、本构模型参数的标定等。其次，该方法避免了对原状土样的大量依赖和可能带来的扰动问题，提高了试验的效率和可靠性。最终，这项研究成果为更深入、更精确地理解硫化物土壤的工程特性奠定了方法学基础，有助于推动这种具有环境风险的“问题土壤”在工程中的安全、经济利用，对于降低基础设施建设成本、减少环境足迹具有积极的工程实践价值。