摘要 真空预压是高含水率黏性土地基处理中一种非常有效的方法，在农田水利工程和围海造陆工程中经常使用。在真空预压处理过程中，化学环境一直处于变化的状态，化学环境的变化会引起黏土矿物表面吸附的结合水膜厚度和含量的变化，而黏土的力学行为又与结合水的厚度和含量有着密切的联系，因此化学环境的改变会对黏土的力学性质造成很大的影响。黏土因为渗透性很差，自重沉淤的速度慢，因此黏土的渗透性和强度等性质始终是制约施工速度的一个关键问题。从黏土的离子交换、胶结与沉淀溶解3种化学行为出发，分析了化学行为对黏土表面结合水含量的影响，而结合水的含量改变又会引起黏土渗透性、变形和强度3种力学行为变化，通过结合水将黏土的化学行为同力学行为联系起来，并且展望了未来黏土研究的发展方向。
关键词 黏土；结合水；化学力学；固结；真空预压
中图分类号 S22 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2015）19-371-03
农田水利工程和围海造陆以及海港建设都常常会遇到黏土地基[1]，因此在进行建设前需要对土体进行加固。黏土地基加固的方法很多，主要可以分为物理方法和化学方法，物理方法主要有轻夯法、真空预压法、降水预压法和砂井排水法等，化学加固法主要有灌浆法、深层搅拌法以及高压喷射注浆法[2]。由于农田水利、围海造陆等工程场地一般比较大，化学加固法高昂的造价以及对环境的影响制约了化学加固法的普及，相比之下，真空预压的造价低廉，效果明显且对环境的影响较小，因此得到了广泛的应用，发展非常迅速。
真空预压是通过真空泵产生的真空吸力将土中的水抽出，由于靠近排水板附近的水排出后将会使排水板附近与排水板较远处产生一个水头差，水头差和真空吸力的共同作用使离排水板较远处的水向排水板附近流动而排出。在真空预压过程中，黏土中的水环境是变化的，因此就会产生一系列的化学力学效应。黏土化学力学是以黏土为对象，研究黏土化学环境发生变化导致力学性质产生变化的科学。它是土力学和化学以及物理化学相交叉而产生的科学问题，主要是研究黏土中黏土矿物与水环境中各种离子产生的化学作用引起黏土强度、形态和渗透性等力学性质变化的过程、规律和作用机理。黏土中水环境的改变主要是影响黏土表面结合水厚度，结合水厚度的变化就必然会引起黏土力学性质的变化。
黏土的化学作用主要有胶结、置换以及溶解或沉淀，是黏土本身固有的性质。黏土的这3种化学行为是通过电荷的转移而导致黏土表面结合水膜厚度发生变化。由于结合水会占用一定的孔隙，因此结合水膜越厚，固结变得更加困难；而结合水膜越薄就会使固结变得更容易。黏土的固结使得黏土内部结构发生变化，造成了黏土渗透性、强度的变化，也导致了土体的变形。
目前国内外学者已经认识到了结合水对于黏土的力学性质的影响，研究主要集中在结合水的形成[3]、结合水的性质[4]、结合水含量的测定[5]、结合水的分散性的影响[6]、黏土的微观结构[7-8]、水土相互关系[9-10]等，但对于环境的变化是怎样对结合水膜的厚度产生变化的研究还不够。掌握了黏土真空预压过程中的化学力学效应就可以提高黏土固结效率，缩短施工工期。
1 结合水的形成与性质
黏土中所含的大多是黏土矿物，而黏土矿物又是黏土中最活跃部分。黏土矿物主要是由硅氧四面体与铝氧八面体按一定的顺序排列组成的晶体[11]。黏土表面所带的电荷量称为净电荷，是可变电荷与永久电荷的代数和。永久电荷是由于黏土矿物晶格中高价阳离子被低价阳离子置换而带的负电荷，不论是硅氧四面体还是铝氧八面体，金属离子都存在于整个晶胞的中间，外界活跃的低价阳离子很容易与晶格内部的高价阳离子发生置换，被置换出高价阳离子后，晶胞的电荷量就不平衡，因此黏土表面就带上了负电荷[12]。类似于高岭石等黏土矿物在酸性环境下会带负电荷，在碱性环境下会带正电荷，这种随环境变化的电荷成为可变电荷。
黏土中的黏土矿物表面带负电荷以后就可以通过静电力的作用吸附水分子，吸附的水分子在黏土表面形成膜一样的水层将土颗粒完全包裹起来。吸附的水层可以从吸附的强弱分为强结合水和弱结合水，结合水也就是水土作用的产物。强结合水处于靠近黏土表面一侧，由于静电吸附强烈，呈现出晶体的性质，但是由于它会出现过冷现象，所以它是结晶物而与冰的结构不同；弱结合水存在于强结合水外层，密度较强结合水小，但是也比自由水密度大，水分子可以从结合水膜较厚处移动到较薄处，也可以从浓度较高处移动到较低处[13]。强结合水与弱结合水并没有一个明确的界限值，而是一个渐变的过程，前苏联学者发现，平衡压在P/Ps=0.85～0.90时，水的性质才发生突变，所以一般取P/Ps=0.88为强弱结合水的界限值[14]。弱结合水有较强的黏滞性，且有强结合水的阻隔，当2个土颗粒相互靠近时，土颗粒不相接触，弱结合水将2个土颗粒包裹起来，土颗粒“漂浮”在结合水中间，结合水的黏滞性会随着温度、密度以及平衡压而改变。正是因为结合水连接了2个土颗粒才使黏土的力学行为与结合水的含量和厚度密切相关，控制黏土蠕变性和渗透性的主要因素是结合水的黏滞性，通过黏土的黏质系数表现出来，而黏滞系数受压力影响最大[15]。黏土真空预压过程中的化学力学效应就是通过化学环境的变化引起土颗粒表面结合水厚度的变化，从而引起黏土力学性质的变化。
2 黏土化学效应
2.1 离子交换 离子交换是原来吸附在土颗粒表面的离子与水中的离子相交换，在土中这个现象具有普遍性。黏土的离子交换可以分为阴离子交换与阳离子交换。
黏土颗粒因为带负电荷，所以吸附着大量的阳离子，少数阳离子存在于结合水中[16]。在真空预压场地排水固结过程中，水中的阳离子会随着水的迁移而运动。水中的阳离子会通过渗透作用进入到结合水的内部，由于阳离子所带的电荷量与原来吸附在土颗粒表面的阳离子的电荷量更大，因此会被吸附在黏土表面，而原来吸附在表面的离子则被释放出来。双电层理论是目前对离子交换最合理的解释[17-19]。根据Schofield的理论，如果黏土颗粒表面吸附的一价阳离子与二价阳离子的比例是相等的，当自由水中一价阳离子的浓度增加1倍时，为了保证黏土表面的电荷平衡，那么水中的二价离子浓度需要增加4倍[13，20]。目前的离子交换研究主要是针对土中的阳离子交换，但可以肯定的是在较低的pH的水环境中，阴离子交换也是存在的，阴离子通过与黏土矿物晶格中阳离子相结合使得电荷变相[21-22]。但固结排水是一个动态的过程，不能保证水中的不同价位阴、阳离子是按照一定比例的增加或减少，这就势必会造成黏土表面的离子浓度不同，离子浓度不同也就导致了黏土表面结合水厚度的变化。
2.2 土颗粒的胶结作用 黏土固结以后会结块变硬，这是黏土颗粒干燥以后水中化学溶质与黏土胶结形成某些化学键的原因。化学键有主键和次键之分，主键是原子之间的键位连接，包括共价键、离子键和金属键；次键主要是分子之间的连接，包括范德华力和氢键[23]。
我国南方的黏土中无机胶结方式主要有铁质胶结和铝质胶结[24]。据统计，土壤中的游离铁氧化物是较高的，可以达到7.1～94.7 g/kg[25]，氧化铁胶结物遇水以后会出现崩解性，但是失水之后的胶结力强度很大。黏土中的有机胶结比无机胶结的形式更加丰富，可以分为瞬变性胶结、临时性胶结和持久性胶结3种，瞬变性胶结是由有机质分解的多糖连接的，临时性胶结是由植物的根、细菌的菌丝等连接的，持久性胶结是由芳香族腐殖物质与无定形铁、铝等物质形成的复合体[26]。在固结排水过程中，土中的水分会越来越少，因此这些有机和无机的胶结物就开始发挥作用，使土颗粒团聚起来。
2.3 溶解与沉淀 黏土是土颗粒、难溶盐以及有机质的一个混合体，固体物质表面还并吸附着一些可溶性的阴阳离子，主要的有H+、K+、Na+、Ca2+、Mg2-、Al3+、Cl-、SO42-、CO32-、SiO32-等。当土中的化学环境发生变化时，这些离子就会相互反应生成难溶的物质，比如CaCO3这些难溶于水的化合物都会对土中的结合水含量造成一定的影响。
有机质对黏土结合水也有很大影响。在黏土的风化沉积的历史中，有很多动植物经细菌分解成为有机质，这些有机质主要是由胡敏酸、富里酸以及胡敏素组成[27]，天然黏土中有机质含量一般在3%～5%，黏土与有机质的连接方式主要有3种，即离子交换、水的桥接和氢键连接[28]。在pH较低的时候，氢键连接占主导地位；在pH较高的时候，高度分散的-COOH、-COH具有很强的亲水性，此时吸附的阳离子的能力也较强，所以离子交换占主导地位。腐殖酸的分子结构中含有许多个羟基（-OH）和羧基（-COOH），这些羟基和羧基容易失去H+，而这些腐殖酸又紧紧包裹在土颗粒的表面，因此这会增加土颗粒表面上的负电荷数量，而有机质吸附结合水的能力相当于黏土矿物的1.5倍以上，所以有机质含量增加会增加结合水含量。当土中水OH-增多时，就会溶解掉一部分有机质，被溶掉的有机质就会将表面吸附的结合水释放出来，黏土中的结合水含量就会减少。
3 黏土固结时力学效应
3.1 渗透性 黏土的渗透性主要是和孔隙的大小、土颗粒的排列有关，孔隙小了通过的水量就少，渗透性就小。微观观察黏土颗粒主要是片状结构[29]，如果土颗粒的平面是平行水流动方向，那么渗透性就好一些。黏土固结伴随着水的排出，土颗粒和一些难溶盐絮团也会随着水流动[30-31]，流动造成土中孔隙的堵塞，而黏土矿物迁移到排水板附近造成排水板附近的结合水含量升高，渗透性变差形成淤堵。因此淤堵可以分为2个方面，一方面是土颗粒、难溶盐以及有机质的淤堵，另一方面是结合水的淤堵。
含水率很高时，黏土并不存在淤堵，土颗粒之间的间距很大，小固体颗粒可以在土颗粒间互相移动。结合水含水率较高的时候，淤堵的出现主要是固体颗粒的淤堵。最开始造成淤堵的是有机质，有机质在水中是呈现絮状结构，在水中像网一样，小土颗粒随水迁移过程中被絮状的有机质缠住，而不能移动，此时排水还是比较顺畅的。随着孔隙的不断压缩，土颗粒的淤堵机制也逐渐显现出来，土颗粒的淤堵主要是小土颗粒随着水流迁移，运移到一个地方以后由于孔隙狭小，该土颗粒不能通过或与其他颗粒产生吸附，各个粒径的小土颗粒不断填满孔隙使得水分子要通过很困难。最后出现的是难溶盐的淤堵，难溶盐絮团比黏土絮团要小，其淤堵也与土颗粒的淤堵机理基本相同，堵塞土中孔隙。
含水量下降至液限后，主要就是结合水的淤堵。一般认为，含水率下降到液限以后，土体中的水几乎都是结合水。由于结合水的阻隔，土颗粒类似于“漂浮”在水中，但此时的孔隙中基本被结合水填满，由于结合水尤其是强结合水具有很强的黏滞性，土颗粒很难通过结合水的包围，而且由于静电力的影响，普通压力很难将强结合水挤出，只能排出少量弱结合水，因此造成淤堵。
3.2 压缩变形 黏土的变形除了与本身结构有关以外，还跟结合水膜的厚度有关，在相同孔隙比的情况下结合水膜越厚，由于水的压缩性很小，而且占据了土中的体积，土体压缩的难度就越大。由于黏土的化学环境会影响结合水膜的厚度，所以也间接控制黏土的变形。孔隙中水溶液的变化会产生离子交换，并改变土颗粒表面的离子平衡，因此结合水的含量也会改变。不同离子对结合水含量的影响是不相同的。根据前人研究结论得出，如果二价离子增加的话，结合水膜的厚度会减少，如果三价离子增加，结合水膜的厚度会进一步减少[32]，因此吸附不同离子会使得黏土的变形大小不同。
3.3 强度 根据库仑公式和Duncan-Chang模型[33]可以看出，土体的强度与内摩擦角的大小和黏聚力有关。内摩擦角主要与土颗粒间的摩擦力和土颗粒之间的嵌入深度有关。土颗粒表面越粗糙，摩擦系数就越大，摩擦力也就越大。摩擦力越大，说明土颗粒之间的间距越小，土颗粒之间结合水膜之间的接触面越大，因此结合水膜就越小[34]。土颗粒之间嵌入深度越大，在受到外荷载作用的时候，抵抗这种力引起变形的效果就越强烈。当土颗粒吸附了结合水的时候，土颗粒表面就会被水完全包裹，土颗粒之间距离就会增大，两个土颗粒之间产生错动的时候，结合水膜起到了一定的润滑作用，导致内摩擦角减小；而当结合水膜很小或没有的时候，内摩擦力就会增大。
黏聚力是土颗粒之间相互吸引的各种化学力的统称，包括库仑力、范德华力和胶结力等。土颗粒的结合水层厚度对土体黏聚力起到了很大的作用，黏聚力的大小取决于土颗粒之间的最短距离，结合水层变小以后，土颗粒之间的距离缩短，黏聚力就会不断增大[34]。
4 展望
目前黏土的物理化学性质经过几十年的研究和发展取得了一定的成果，但还是有很多方面需要进一步研究。
黏土的渗透系数很小，黏土的特殊性造成了渗流的复杂性。黏土的渗流还和水压力的传递有关，在外荷载加入到黏土表面的时候，水压力在一瞬间来不及传递到底部，上部的荷载又使得土颗粒表面的结合水膜产生变形，变形后的结合水膜向下挤压，导致原本水膜上的水分子超出了土颗粒所能吸引的极限距离，所以原来的一部分结合水膜脱离了土颗粒的束缚而转变成自由水，而由于上部自由水的挤压，一部分自由水又进入了土颗粒所吸引的范围而转变为结合水。这样随着一个一个土颗粒的自由水向结合水的转变，结合水向自由水的转变，就形成了一个贯通的渗流通道，水压力也就从上部传递到土体的下部。因此，应该建立起黏土结合水与自由水混合的渗流模型。
土颗粒的结合水含量也是使得固结排水难以实现的原因之一，土颗粒被结合水包裹着，弱结合水会随着土体饱和度的变化而变化，而强结合水不会随着土体饱和度的变化而变化。要想使得土体的水分充分排出，改变强结合水膜的厚度是关键，因此还要进一步开展结合水的物理化学性质研究。此外，目前结合水的准确测量方法也是亟待解决的问题之一，只有精确测量结合水的含量才能对真空预压过程中的化学力学效应做到量化，使加固效果更好。
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