有机质对海相软土物理力学特性的影响效应分析

苟富刚，龚绪龙，陆徐荣，李明亮

（江苏省地质调查研究院/自然资源部地裂缝地质灾害重点实验室，江苏 南京 210049）

全球以土壤有机质形式存在的有机碳约有1.46×1016kg，有机碳总量是大气碳库和生物碳库的3.3～4.5 倍[1]。土壤有机质是释放与截获CO2的重要来源和重要载体，在全球碳循环中具有重要作用[2]。尽管在地球系统中有机碳库储量可观，但能以有机质的形式进入土体沉积物的比例很小，最终能在古土壤中保存下来的比例就更小了，大约仅占0.1%。保存在土体中的有机质在时间和空间分布上极不均匀[3]。有机质中的腐殖质可以在土体中保存50～3 000 a 而不分解[4]。有机质可溶性组分胡敏酸和富里酸演化达到平衡所需要的时间一般大于200 ka，不可溶组分胡敏素需要时间一般大于700 ka[5]。腐殖质在深埋状态、升温和增压作用下使有机质转化为有机复合体。有机复合体具有抵抗微生物降解的能力，能长期保存在沉积物中[6]。有机质成分复杂，具有孔隙大、比表面积大和吸附性强的特点，因此有机质软土具有“三高三低”特性，即高天然含水率、高天然孔隙比、高压缩性和低强度、低渗透性、低固结系数，这类软土往往给工程建设带来很大的影响。研究区陇海线铁路中云台段通车后8 a 内工后沉降最大值达2.5 m[7]。连云港某基坑工程桩顶最大位移达到820 mm，软土从基坑支护管桩中间大量涌入基坑，造成基坑临近道路路面开裂15 cm，下沉最大量达到30 cm[8]。

目前，众多学者研究了有机质对土体物理力学特性的影响。主要得到以下结论：有机质含量与液限、塑限和塑性指数、含水率及孔隙比正相关[9-11]；有机质与原生矿物石英、长石等相互独立赋存，与黏土矿物密切共存[9]；有机质会参与沉积土体结构的形成，与土体中的黏粒、粉粒相互作用形成形式各异的土体结构[11]；有机质含量与土粒比重呈负相关，最大降幅可达21%[12]；有机质土的含水率通常很高，含水率与有机质含量正相关[13]，如秘鲁大陆架边缘沉积土有机碳含量达到10%～18%时，含水率可以达到200%～400%[14]。

关于有机质对土体压缩性状的影响主要集中在高有机质土（一般多为泥炭土，有机质含量在40%以上，本文所述有机质含量均为质量分数），对低有机质土（有机质含量在20%以内）压缩性状的相关研究尚不多见，特别是天然沉积软土。天然沉积软土和泥炭的压缩试验数据说明富含有机质的泥炭具有更高的天然含水率，泥炭的压缩指数远高于一般的软黏土[15]。人工有机质土压缩指数会随着有机质含量的增加而增大[16]。当有机质含量为1.74%时，力学软化效应尤为显著，且此时软土的渗透能力达到最大[10]。有机质的分解程度直接影响土体的压缩性，分解程度越高，有机质对土体的压缩性影响越小[17]。

目前对我国东部滨海区域海相软土的有机质特征缺乏系统研究，据不完全统计主要有文献[18-20]的相关研究。海相软土的沉积环境较为特殊，土体中的有机质组分演化规律也是本文的研究内容之一。研究区布置两条采样剖面，采集有机质样品和土工测试样品，进行有机质的空间分布变异特征、有机质对土体物理力学特性的影响效应及有机质的物质组成循环演化研究。研究成果对海相软土分布区工程建设具有一定的参考价值。

1 样品采集及试验方法

1.1 样品采集

研究区位于我国东部滨海区域，地处苏鲁造山带地层区，是一个长期隆起剥蚀区，有可能从震旦纪至三叠纪均为古陆，中生代以来以岩浆侵入和块断作用为其特色，大部分地区被第四系地层所深覆盖。研究对象为全新世形成的海相软土，层厚约15 m。在海相软土分布区布置两条样品采集剖面，一条近东西向，一条平行于海岸线（图1），采样深度0～23 m，每间隔1～3 m 采集1 个样品，共采集153 组样品，大部分为原状样品，个别样品为扰动样。在测试有机质的同时，测试物理指标（易溶盐含量、塑限、液限、含水率、密度、比重、天然含水率、粒度特征等）和力学指标（固结试验和剪切试验）。

图1 研究区沉积盆地与构造、采样位置平面分布图Fig.1 Plane distribution map of sedimentary basins, structures and sampling locations in the study area

1.2 试验方法与过程

1.2.1 有机质含量测定

有机质测定方法很多，如质量法、容量法、双氧水氧化法、比色法等，目前采用较多的是重铬酸钾容量法和灼失量法。《土工试验方法标准》（GB/T 50123—2019）里有机质试验采用重铬酸钾容量法，当有机质含量大于15%时，不能采用该方法，因为重铬酸钾氧化能力有限，有机质含量太高将导致指示剂无法指示终点，文献[21]建议有机质含量在小于10%时采用重铬酸钾容量法。《岩土工程勘察规范》（GB 50021—2001）中有机质试验采用灼失量法，测试温度为550 °C。灼失量法是比较粗略估计有机质含量的试验方法。根据数据统计结果，区域、沉积时代及测试方法不同，测出的有机质含量均有差异。研究区海相软土有机质含量介于0.268%～1.520%[15-16]，而文献[17]给出研究区海相软土有机质含量介于6.1%～6.9%。对比发现，即使同一土层，不同测试单位测得的有机质数据差异也很大，这与测试方法的选择有关，灼失量法测量结果一般偏大。

研究区的海相软土含有大量碱金属，土体易溶盐氯离子含量最高达1 755 mg/kg，平均值为1 299 mg/kg，以NaCl 为主[22]。在400 °C 左右的高温下，易溶盐物质大都分解成HCl 和CO2，所以灼失量法不适用于本文研究土体，重铬酸钾容量法较为适合。用一定浓度的重铬酸钾及硫酸溶液氧化土体中的有机碳，化学方程式见式（1），依据消耗的重铬酸钾量计算土体中有机碳的含量，土体中有机质成分复杂，含碳量不同，根据《土工试验方法标准》（ GB/T 50123—2019）有机碳含量与有机质含量存在转化系数1.724，将测得有机碳含量乘以1.724 换算为有机质含量。

1.2.2 力学指标

设计一维固结试验74 组：一般固结试验最大固结压力为400 kPa，本次研究最大固结压力3 200 kPa，共10 级固结压力。对于软土地基来说，不排水剪切指标是工程设计的重要参数，设计三轴UU（不固结不排水）试验31 组；设计快剪（不固结不排水）试验23 组。采集141 件原状样品，根据《土工试验方法标准》（GB/T 50123—2019）进行含水率、天然密度、压缩模量、压缩系数、压缩指数、回弹模量等物理力学指标测试。

1.2.3 测年分析

采集30 件样品进行AMS14C 测年分析，测年对象为无污染的贝壳、植物碎屑与螺壳。

1.2.4 数据分析方法

可以用线性回归模型描述和解决工程问题。有机质含量与多个物理指标进行多元拟合，拟合精度不会明显提高[23]。选择有机质含量与物理力学指标之间进行两两比较，相关系数绝对值越大，相关性越高，说明两指标之间存在线性关系，进而建立有机质含量与物理力学指标之间的拟合关系式。

2 测试结果

2.1 有机质含量测试结果

全新世海相软土有机质含量平均值为0.98%，区间为0.36%～1.56%，在0.9%～1.0%区间分布最为广泛。偏度为-0.34，属于左偏态。峰度为0.84，小于3，正态分布曲线平坦（图2）。

图2 有机质含量分布频次统计Fig.2 Frequency of soil organic matter（SOM）content in each distribution area

本次统计有机质样本总数为153 个，大于100，采用偏度和峰度进行总体正态性检验，偏度检验符合正态分布（偏度检验值为1.77，小于1.94）；但峰度检验值落在拒绝域（峰度检验值为5.62，大于1.94），所以拒绝原假设，不符合正态分布[24]。研究区有机质含量普遍偏低，未见未分解的植物纤维。

根据软土物理力学统计指标（表1）可以看出，研究软土具有高含水率、高液限、高压缩性及低强度的特点。

表1 软土的物理力学特性Table 1 Physico-mechanical properties of soft clay

2.2 有机质含量空间分布

以布设的两条典型剖面为例进行说明。剖面1 为近东西向，布设ZK1—ZK5 号孔，有机质含量变化见图3。ZK1 号孔软土厚度仅4.50 m，有机质含量为0.89%～0.93%，平均值为0.91%，变化幅度小。ZK2 号孔软土厚度10.61 m，有机质含量为0.74%～1.14%，变化幅度大，埋深在3.25～9.25 m 有机质含量高，在3.25 m 处达到最大值1.14%；9.25 m 以下有机质含量锐减，有机质含量为0.74%～0.75%。ZK3 号孔软土厚度13.91 m，有机质含量为0.92%～1.05%，变化幅度小，有机质含量自上向下有递增的趋势，仅在4.05 m处减小，达到最小值0.92%；ZK4 号孔软土厚度14.6 m，有机质含量为0.68%～1.11%，变化幅度大，有机质含量自上向下有递增的趋势，在11.20，15.25 m 处达到最大值1.11%，在埋深13.20 m 处有机质含量略微减小。ZK5 号孔软土厚度13.25 m，有机质含量为0.74%～1.09%，有机质含量自上向下变化规律复杂，可分为3 段。

图3 有机质含量随深度变化曲线（剖面1）Fig.3 A function of SOM content with depth（profile 1 ）

剖面2 平行于海岸线，布设ZK6—ZK9 号孔，有机质含量变化见图4。ZK6 号孔软土厚度10.33 m，有机质含量为0.81%～1.09%，有机质含量自上向下变化规律复杂，可分为5 段。ZK7 号孔软土厚度13.20 m，有机质含量为0.84%～1.19%，有机质含量自上向下先增加，再保持稳定，后增加。ZK8号孔软土厚度20.45 m，有机质含量为0.88%～1.15%，变化幅度大，变化规律可分为两段，有机质含量在5.25～11.25 m 有机质含量自上向下有递增的趋势，仅在9.25 m 处有机质含量递减，11.25～23.20 m 有机质含量基本自上向下保持稳定，变化微弱。ZK9 号孔软土厚度13.25 m，有机质含量为0.88%～1.06%，有机质含量自上向下变化规律复杂，可分为4 段。

图4 有机质含量随深度变化曲线（剖面2）Fig.4 A function of SOM content with depth（profile 2）

整体上来看，有机质含量在空间上分布不均，平行海岸线较垂直海岸线有机质含量变化小，自上向下变化规律复杂，但随着深度的增加有机质含量整体趋势是增加的。

3 分析与讨论

3.1 有机质含量与物理力学参数相关性分析

有机质与黏土矿物形成的复合体对土体的物理力学性质有着重要影响，比如土的天然含水率、湿密度、塑限、液限等物理指标及压缩性、强度等力学指标。有机质中真正能严重影响土的工程性质的是腐殖酸、微生物及其代谢产物。有机质含量与物理力学参数相关性见表2，有机质和土中的粉粒（粒径0.005～0.075 mm）含量在0.05 水平上显著正相关，相关系数为0.342。有机质含量与黏粒含量相关性差。有机质含量与砂粒含量在0.05 水平上显著负相关，相关系数为-0.320。此外，有机质含量与快剪黏聚力在0.05 水平上显著负相关，相关系数为-0.957，这和砂粒含量与有机质含量相关性表现出的相关规律一致。软土衍射结果显示原生矿物主要为石英和长石，分别约占矿物的47.5%和10.6%。土体中与粉粒、黏粒结合的碳以胡敏素为主，且粉砂粒和黏粒以固定稳定性碳为主[25]。本文研究成果与前人研究成果基本一致，但粉粒与有机质的相关性高于黏粒与有机质的相关性，这可能与不同研究学者所采取的粒级划分标准不同以及研究软土沉积时间较长有关。有机质含量与土的塑限、液限在0.01 水平上显著正相关，相关系数分别为0.425、0.349。有机质含量与塑性指数和液性指数在0.05 水平上显著正相关，相关系数分别为0.252、0.255。这与前人研究成果基本一致，即随着有机质含量的增加，土体液限、塑限提高[26]。有机质含量与土的天然密度、干密度和比重在0.01 水平上显著负相关，相关系数分别为-0.630，-0.626，-0.526。有机质含量与土的天然含水率在0.01 水平上显著正相关，相关系数为0.604（图5）。有机质含量影响土体物理性质表现在改善了软土的结构，使孔隙度和土体中的胶体含量增加，因此土体天然含水率也增加。

图5 有机质含量与天然含水率拟合图Fig.5 Fitting diagram of SOM content and natural water

表2 有机质含量与土体物理指标相关性统计表Table 2 Correlation statistics of SOM content and soil physical indicators

有机质含量与孔隙比相关性分析见表3、图6。有机质含量与天然孔隙比在0.01 水平上显著正相关，相关系数为0.596；有机质含量与固结压力25，50，75，100，200，400 kPa 下的孔隙比在0.01 水平上显著正相关，与固结压力50 kPa 下的孔隙比相关性最高，相关性为0.609；有机质与固结压力800 kPa 下的孔隙比在0.05水平上显著正相关；与固结压力1 600，3 200，12.5 kPa下的孔隙比相关性差。有机质含量与压缩指数在0.05 水平上显著正相关（样本总数为32 个），相关系数为0.440；有机质含量与回弹指数相关性不明显（图7）。

表3 有机质含量与土体不同固结压力下孔隙比的相关性Table 3 Correlation between SOM content and soil void ratio under various pressures

图6 有机质含量与土体不同固结压力下的孔隙比拟合图Fig.6 Fitting diagram of SOM content and porosity ratio under different consolidation pressure

图7 有机质含量与压缩指数、回弹指数拟合图Fig.7 Fitting diagram of SOM content with Cs and Cc

海相软土黏土矿物含量高、含盐量高及含水率高，有机质与黏土矿物在碱性环境下多通过阳离子键桥的方式来结合，形成有机复合体，复合体有助于提高土体的力学性能。当固结压力小于等于400 kPa，有机质与各级压力下的孔隙比具有一定的相关性；当固结压力大于400 kPa，有机质与各级压力下的孔隙比相关性差，说明软土中有机质含量变化对土体压缩性有一定的影响，固结压力的界限为400 kPa。

3.2 有机质物质组成循环演化

有机质是很复杂的物质，很难给出确切定义。有机质泛指存在于土体中的各类含碳有机化合物，包括动植物残体、微生物、水溶性有机质（富里酸和胡敏酸）、非水溶性有机质（胡敏素）和稳定的有机物质等[4]。由于研究软土沉积时为浅海环境，所以主要为嫌氧条件分解动植物残体、有机质产生有机酸、乙醇等中间产物；在极厌氧条件下产生甲烷、氢气等，但由于研究软土沉积环境中富含SO24-，该矿化作用发生的概率很小。动植物残体经过一系列生物分解、化学分解或者复合生物化学分解作用，形成腐殖酸[27]（图8）。腐殖酸又是腐殖质的主要成分，约占腐殖质含量的60%，对软土物理化学性能起决定性影响[28]。腐殖质包含富里酸、胡敏酸和胡敏素，其中胡敏素是腐殖酸中的胡敏酸与黏土矿物质结合的惰性部分。

图8 有机质循环演化图Fig.8 Circulation and evolution diagram of SOM

黏土矿物对有机质的固定作用不仅与矿物类型有关，还与其保护机制及土体所处沉积环境有关[29]。研究区软土的黏土矿物含量高，伊蒙混合体约占56%，伊利石约占30%[30]。研究区海相软土浸出液pH 值为7.45～9.68，平均值8.25，主要分布在8.0～8.5 区间。研究土体含水率平均值为56.68%，含水率最高达到72.4%，软土浸出液离子浓度最高为32 348 mg/L，阳离子浓度最高为20 415 mg/L。在高盐水环境条件下，双电层厚度由于静电收缩作用变薄，便于溶解性有机质组分接近黏土矿物表面进行结合反应[31]，腐殖质更容易吸附在黏土颗粒上以及包封在黏粒集中体中，所以有机物的黏结作用促进了悬浮物的絮凝，促使悬浮物从海水中沉淀下来。在pH>6 时, 黏土矿物蒙脱石的吸附机制主要是阳离子键桥作用，高岭石的吸附机制主要是疏水性作用[32]。研究土体孔隙液离子浓度高，且为碱性土体，导致富里酸在矿物上的吸附量随离子浓度的升高而逐渐增大，溶解性有机质分子中的-COOH、-COH 等活性官能团解离，溶解性有机质组分亲水性增强，阳离子键桥作用成为黏土矿物重要的吸附机制[33]，从而形成有机复合体（图8）。

研究土体有机质和易溶盐中的Ca2+在0.05 水平上显著负相关，说明Ca2+参与了这一作用，促使阳离子键桥和水桥作用增强。阳离子键桥的作用方式属化学吸附，可能参与千年及万年尺度的碳循环[34]。有机复合体可以抵抗微生物降解，因此能长期保存在沉积物中[6]。腐殖质可以在土体中保存250～3 000 a 而不分解[4]。古土壤有机碳达到稳定所需要的时间为330 ～410 ka[33]。以上众多的研究成果表明，前人低估了有机质的稳定性。在深埋状态、升温和增压作用使有机质一部分转化为不溶于酸碱的大分子干酪根，总体演化方向是朝着低自由能的稳定态方向[3]。研究土层最大埋深达30 m，符合有机质深埋的特点。根据AMS14C测年数据结果显示，研究区软土沉积年代最晚为（7 744±87）cal.a B.P.，即研究有机质经过了约8 ka 演化。古土壤中胡敏素、胡敏酸、富里酸含量随着沉积时间的增加，有机质组分呈递减趋势，经过万年的演化，古土壤中腐殖质各组分含量大小的大致顺序是胡敏素> 胡敏酸>富里酸，有机质可溶性组分胡敏酸和富里酸演化达到平衡所需要的时间为20 多万年，不可溶组分胡敏素需要时间一般大于700 ka[5]。而研究土体沉积时间距今最高才约8 ka，且软土沉积环境为浅海环境，由于为缺氧环境，微生物分解作用不仅慢而且不彻底，矿化作用受阻；另一方面，研究土体黏土矿物含量高，腐殖化系数高，不利于腐殖化作用，加长了循环过程；且有机质含量与其埋深呈正相关，因此推测研究土体有机质还未达到平衡状态，还在进一步循环演化过程当中。

4 结论

（1）研究区全新世软土有机质含量平均值为0.98%，区间为0.36%～1.56%，在空间上分布不均，平行海岸线较垂直海岸线有机质含量变化小，自上向下变化复杂，但随着深度的增加有机质含量整体具有增加的趋势。有机质含量和土体埋深在0.01 水平上显著正相关，相关系数为0.488。

（2）有机质含量与天然含水率的相关性最高；与土的天然孔隙比、塑限、液限、天然密度、干密度、比重在0.01 水平上显著相关；与土的粉粒含量、砂粒含量、塑性指数、液性指数在0.05 水平上显著相关。固结压力50 kPa 下的孔隙比与有机质含量相关性最高，相关系数为0.609。固结压力大于400 kPa 下的孔隙比与有机质含量相关性差，这与有机质形成的复合体被破坏有关 。

（3）研究区海相软土浸出液呈碱性，含盐量高，含水率高，土体黏土矿物以伊利石和伊蒙混合体为主；有机质与黏土矿物多通过阳离子键桥的方式结合，形成有机复合体，可能参与千年及万年尺度的碳循环；土层最大埋深达30 m，符合有机质深埋的演化规律，推测研究土体有机质还在进一步循环演化过程当中。