不同酸度滲透溶液對重塑黃土滲透特性影響研究

王 婷，張愛軍，劉宏泰，安 鵬

（1．西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西楊凌 712100；2．機械工業(yè)勘察設計研究院，西安 710043）

不同酸度滲透溶液對重塑黃土滲透特性影響研究

王 婷1，張愛軍1，劉宏泰2，安 鵬1

（1．西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西楊凌 712100；2．機械工業(yè)勘察設計研究院，西安 710043）

通過對楊凌黃土進行三軸滲透試驗和常規(guī)滲透試驗，分析了不同干密度的重塑黃土分別在pH＝7．0的無氣純水及pH＝3．0，4．0，5．0的乙酸溶液滲透下滲透系數的變化規(guī)律，研究了黃土在含酸滲透水流作用下的劣化性質，為分析黃土在酸溶液滲透作用下強度變化以及黃土構筑物的穩(wěn)定變化特性提供依據。試驗結果表明：①飽和黃土的滲透系數隨著干密度的增加而減小。②在一定的干密度下，黃土的滲透系數隨圍壓的增大而減小。③飽和黃土在pH＝3．0酸溶液短期滲透下的滲透系數最大，隨著酸溶液pH值的增大，滲透系數隨之減小，因為酸溶液中的氫離子溶解了黃土中的難溶鹽形成了新的滲流通道；而純水pH＝7．0滲透下土樣的滲透系數介于pH＝3．0和pH＝4．0滲透下土樣的滲透系數之間，是因為純水采用的是煮沸過的無氣水，相比之下試驗配置的酸溶液本身存在少量的氣體，從而影響了滲透系數的大小。④滲透系數隨時間的增加而出現減小的趨勢。試樣進行三軸滲透和常規(guī)滲透，得出滲透系數都有隨時間的延長而減小的規(guī)律。

重塑黃土；酸溶液；滲透試驗；滲透性

1 研究背景

黃土是我國西北地區(qū)主要的筑壩材料。近年來，隨著環(huán)境污染不斷加劇，西北地區(qū)酸雨頻率增大，土地污染亦屢見不鮮，且多呈酸性。截止2004年對渭河的檢測表明，該河水的pH均在4．5到5．1之間，有些河段甚至更為嚴重。污染源通過滲透作用浸入土中，其中的酸性物質會對黃土中的膠結物如碳酸鈣類物質進行破壞，從而導致土體結構發(fā)生改變，使土變成具有蜂窩狀的結構，顆粒分散、表面粗糙，甚至出現局部空穴，導致土壩、堤壩、路基等黃土構筑物在一定程度上受到破壞。目前，國內對污染土的研究大多數是有關環(huán)境保護和土壤學方面的，而純巖土工程意義上的成果卻很少。美國Lehigh大學已經研究出一種用以研究污染物在土中的滲透性，并測定土的抗剪強度的三軸儀，荷蘭也發(fā)展了幾種野外快速試驗方法和一些快速提取土中污染物質的方法［1－2］。而近年來國內也研究出了一些特殊的測試技術，如中國有色金屬長沙勘察設計研究院有限公司傅世法等人做了煮沸酸液試驗，廣西大學吳恒等采用CT（計算機斷層x射線技術）［3］和STM（掃描隧道顯微鏡）測試技術［4］。

以往對于滲透性的研究大多采用常規(guī)滲透儀進行，所得到的滲透系數沒有考慮現場土體所受復雜應力的影響，而試驗所用土樣從原位置處取出存在一個應力的釋放過程，因此常規(guī)滲透儀所測出的滲透系數一般要大于土體原有的滲透系數，這使得分析的結果往往存在很大偏差［5］。對土樣進行三軸滲透試驗研究，考慮土體所受復雜應力這一因素，可有效克服常規(guī)滲透試驗的不足、減小誤差。

本論文通過在實驗室內配置4種不同酸度的滲透溶液，對不同密度的黃土進行三軸滲透試驗和常規(guī)滲透試驗，研究了不同酸度滲透溶液下飽和黃土滲透系數的變化規(guī)律，同時分析了在滲透作用下土體中鈣離子的淋失量、干密度、孔隙比和圍壓對試樣滲透系數的影響。通過含酸滲透水流對黃土進行滲透試驗，分析其規(guī)律可以作為一種加速滲透試驗來反映黃土在長期滲流作用下的劣化性質，同時對于分析黃土構筑物在污染水流作用下的力學特性變化規(guī)律，研究黃土構筑物長期安全特性也具有重要的實際意義。

2 試驗方案及原理

2．1 試驗材料

試驗所用的土樣取自楊凌地區(qū)渭河第二階地，屬Q3黃土，取土深度為9 m左右。土料的物理性質指標見表1，化學性質指標見表2。

表1 黃土的物理性質指標Table 1 Physical properties of loess

表2 黃土的化學性質指標Table 2 Chem ical properties of loess

2．2 試樣的制備和滲透溶液的配置

采用直徑為39．1 mm、高為80 mm的圓柱體標準制樣器制備三軸滲透重塑土樣；直徑61．8 mm，高度40 mm環(huán)刀壓樣器制備常規(guī)樣；密度控制為ρd＝1．55，1．60，1．65 g／cm3（即壓實系數分別為η＝0．92，0．95，0．98）；試樣制成后在真空抽氣缸內充分抽氣后進水飽和。

本試驗考慮了實際污染作用，最終確定配置pH＝3．0，4．0，5．0（99．5%的乙酸配置而成）和pH＝7．0（煮沸過的無氣純水）滲透溶液，以研究不同酸度滲透水流對黃土滲透系數變化規(guī)律的影響。

乙酸是一元弱酸，在水溶液中存在以下電離平衡，即

乙酸溶液中電離出來的真正參與反應的H＋決定了乙酸溶液的pH值，衡量乙酸在水溶液中電離強度的參數是其電離常數Ka，Ka的大小主要取決于溫度。因此溫度不變時，一定濃度的乙酸溶液的pH值是一定的。本次試驗以20℃室溫為標準來配置乙酸溶液，在20℃時查表［6］得乙酸的電離常數Ka＝1．76×10－5。Ka與溶液中各離子關系如公式（2）所示，即

式中：C（H＋）為乙酸溶液達到電離平衡時的H＋物質的量濃度（mol／L）；C（Ac－）為乙酸溶液達到電離平衡時Ac－物質的量濃度（mol／L）；C（HAc）為乙酸溶液達到電離平衡時HAc物質的量濃度（mol／L）。

pH＝4．0時，根據pH定義由pH＝－lg（H＋）＝4．0得出溶液中電離出來的H＋濃度為C（H＋）＝10－4mol／L，利用公式（2）便可算得配置一定物質的量濃度乙酸溶液所需的乙酸量，pH＝3．0和pH＝5．0方法同上。然后嚴格按化學溶液配置規(guī)范進行溶液的配置。本次試驗滲透溶液物質的量濃度見表3。2．3 試驗原理

表3 20℃下不同pH值時乙酸物質的量濃度Table 3 M olar concentrations of acetic acid of different pH values at 20℃

土體的滲透性，即土體通過滲透水流的能力。常規(guī)滲透試驗是通過TST－55型土壤滲透儀實現的，該儀器對土樣不能施加圍壓，故土樣被認為是沒有圍壓作用的。這種情況下不考慮應力場對飽和黃土土樣產生的影響。三軸滲透試驗是將土樣的滲透性測試放在三軸儀上進行，在滲透試驗前對土樣進行固結，以反映土體在實際受力情況下的變化，研究在不同應力下黃土的滲透性，并且考慮原位的應力狀態(tài)，盡量避免取土擾動的影響。通過對土樣施加恒定的周圍壓力，待土樣固結完成后，以恒定的水頭用配置好的4種不同酸度的滲透溶液對土樣進行滲透試驗，測得土樣在各種因素影響下的滲透系數。

三軸試驗過程中，在試樣側壁周圍涂抹凡士林，采用橡皮膜套住試樣，并且用橡皮圈將橡皮膜兩端扎緊在壓力室底座和試樣帽上，以達到最佳止水效果。當施加了周圍壓力時，橡皮膜會緊貼在試樣周圍；同時恒定的水頭是通過滲透反壓施加在試樣底部的，控制周圍壓力始終大于滲透反壓，從而進一步有效地控制試樣側壁止水。另外，在對試樣進行10 h滲透之后，還可以采集孔隙水壓力等數據，提高了試樣的利用率和試驗效率。

3 不同酸度滲透溶液對黃土滲透特性的影響

3．1 不同酸度滲透溶液對黃土滲透系數的影響

為了研究酸污染土的滲透性，試驗配置了不同pH值的滲透溶液，用三軸儀進行了滲透試驗，測定了在不同pH值滲透下土樣的滲透系數變化規(guī)律。對試驗數據分析得出，飽和黃土的滲透系數隨著干密度的增加而減??；因為隨著干密度的增加，黃土中存在的分布不均勻的大孔隙被消除，土樣的孔隙比減小，過水斷面減小，從而導致了土體滲透性的減小。同時在干密度一定的情況下，黃土的滲透系數隨圍壓的增大而減小，主要是由于孔隙比的減小和密度的增大，而圍壓水壓力的增大對滲透水流的影響較小，符合一般規(guī)律。對不同干密度的土樣在4種pH值溶液滲透下的滲透時間達到8 h時刻的滲透系數進行整理，如表4所示。從表中可看出，土樣在酸性溶液短期滲透下的滲透系數隨著滲透溶液pH值的減小而增大。當圍壓為200 kPa時，干密度為1．60 g／cm3的土樣在pH＝5．0酸溶液滲透下的滲透系數為0．38×10－6cm／s，在pH＝3．0酸溶液滲透下的滲透系數為4．60×10－6cm／s，增加了4．22× 10－6cm／s，達91．70%。在三軸試驗過程中，試樣側壁涂有凡士林，且控制圍壓始終大于滲透反壓，所以無側壁漏水的影響；同時在試驗過程中，溫度始終保持在27～28℃之間，溫度對滲透系數帶來的影響也很小，圍壓分別為100，300 kPa時，密度為1．55，1．65 g／cm3的土樣也有相同的規(guī)律，滲透系數測量精確，因此排除了試驗誤差的影響。

滲透溶液中H＋的濃度每增加0．1 mol／L，則滲透系數會相應的增加50%～90%不等?？梢?，干密度相同的土樣在不同酸度溶液滲透作用下滲透性的變化幅度是不相等的，筆者認為增加程度取決于土體的礦物成分和滲透溶液的濃度，主要是水－土之間的相互作用，包括溶蝕作用、沉淀或結晶作用和陽離子交換吸附作用，它們都能對土的滲透性產生影響，只是效應不同。溶蝕作用指在水化作用和滲透作用下，土中的一部分礦物、鹽類物質運移到水中，顆粒組成發(fā)生了改變，黏粒含量減少，進而提高了土體的透水能力。沉淀或結晶作用是指滲透水溶液與土中水以及土中的礦物和鹽類發(fā)生物理化學反應生成新的沉淀物或結晶，水溶液中的一些元素和離子將固結到土孔隙中或者是晶格體上，從而降低了土體的透水能力［7］。乙酸中的Ac－在酸性條件下會與黃土中的Al3＋，Fe3＋，Cu2＋等金屬離子反應生成絡合物，絡合物在孔隙中對滲透水流有一定的阻礙作用。在滲流作用下，以碳酸鈣為主的膠結物以及其他鹽分發(fā)生溶蝕和沉淀或結晶作用時，改變的是土顆粒的組成和聯結方式，而陽離子交換吸附作用則改變土顆粒表面的雙電層。黏土顆粒表面帶有負電荷，其表面將吸附一些陽離子，這些陽離子對雙電層的影響很大。由于黏土顆粒表面吸附的陽離子總電荷不變，一般情況下水土之間的陽離子交換吸附處于平衡狀態(tài)。而水化學環(huán)境的變化會破壞這種平衡，使黏土顆粒吸附的陽離子在短時間內迅速擴散、交換，不僅影響了土顆粒的親水性，還在很大程度上影響著雙電層的發(fā)育。當雙電層較薄時，滲透通道增大導致土體的滲透性增強；相反，當雙電層較厚時，土體結構處于分散、不穩(wěn)定狀態(tài)，造成水流斷面減小，從而使土的滲透性也減小。雙電層發(fā)育意味著重力水減少，結合水增加，土的滲透性變差；反之，重力水增多，滲透性變好。

3．2 圍壓作用下不同酸度溶液黃土滲透系數與時

間關系

從圍壓100 kPa固結下3種干密度土樣的滲透系數與時間的關系曲線（圖1）中可得出：經pH＝3．0酸溶液滲透土樣的滲透系數最大，隨著酸溶液pH值的增大，滲透系數隨之減小。而經pH＝7．0純水滲透土樣的滲透系數介于pH＝3．0和pH＝4．0酸溶液滲透下的滲透系數之間。原因分析如下：

（1）pH＝3．0酸溶液滲透土樣的滲透系數最大，隨著酸溶液pH值的增大，滲透系數隨之減小。這主要是因為乙酸溶液中的氫離子溶解了試樣孔隙中的主要膠結物——難溶鹽而形成了新的孔隙通道，從而使?jié)B透系數增大。土中的各種膠體、可溶性鹽和游離氧化物與酸發(fā)生了反應［8］，同時黏土礦物中的鋁、鐵等高價金屬鹽類被乙酸溶液溶解，且隨著酸濃度的增大這種反應程度也增大［9］。H＋濃度的增加會置換出土體中的陽離子，使原本處于穩(wěn)定狀態(tài)的結構變得不穩(wěn)定，粒間的連接力被削弱，使得土粒在外力作用下更容易發(fā)生位移。孔隙間的膠結物被溶解了，使得土體孔隙增大，滲透通道增多。因此，pH＝3．0酸溶液滲透下的滲透系數最大，pH＝4．0酸溶液滲透下的滲透系數次之，pH＝5．0酸溶液滲透下的滲透系數最小。

從表2中看出，土樣中難溶鹽的含量遠大于易溶鹽和中溶鹽總量，而難溶鹽主要以石灰石碳酸鈣為主作為膠結物存在于顆粒之間，在黃土中占據著一定的孔隙。酸性溶液滲透下碳酸鈣的淋失增加了土體的孔隙比，使得原本膠結在一起的顆粒分離，在滲透力的作用下發(fā)生移動，影響孔隙比在滲流方向的大小分布，進而改變滲透性。試驗中通過測定滲出溶液中鈣離子的含量來計算土體中碳酸鈣含量的變化。但鑒于滲流時間較短，滲透反壓較小，單一圍壓下滲流出的水量非常少，以致不足以進行化學滴定。因此，混合了同一干密度土樣3個不同圍壓下經過同一滲流溶液滲流出的溶液，綜合測定鈣離子的流失量，如表5所示。表中對土體經滲流后剩余碳酸鈣的含量均以土中碳酸鈣質量百分含量來描述，其定義為

表4 土樣在不同pH值溶液滲透下t＝8 h時的滲透系數kTable 4 Values of permeability coefficient k of loess samp les in solutions of different acidities（t＝8 h）

圖1 土樣在不同酸度溶液三軸滲透下k與t的關系曲線（σ3＝100 kPa）Fig．1 Relation between k and t of loess sample triaxially perm eated w ith solutions of different acidities（σ3＝100 kPa）

式中：m0為土樣中碳酸鈣的初始含量（g）；m′為根據流出溶液中鈣離子含量計算出來的土樣碳酸鈣流失量（g）。

表5 土樣經不同酸度溶液滲透后的碳酸鈣含量Table 5 Contents ofω（CaCO3）of loess sam ple permeated w ith solutions of different acidities

從表5中可看出，不同干密度的土樣經pH＝3．0酸溶液滲透后鈣離子的流失量最大。土樣中CaCO3總含量小，由于滲透試驗的時間較短，CaCO3的流失量較小，所以差別不是很大，但規(guī)律明顯，試驗過程中嚴格按照土工試驗規(guī)程中的EDTA法測得Ca＋的含量，因此可以排除存在誤差的可能性。

（2）純水pH＝7．0滲透下土樣的滲透系數介于pH＝3．0和pH＝4．0滲透下土樣的滲透系數之間，推測是因為純水采用的是煮沸過的無氣水，相比之下試驗配置的酸溶液本身存在少量的氣體，且其中的氫離子與黃土中的難溶鹽反應也會生成微量的氣體CO2。由于氣體不能及時排除，便聚集在土顆粒之間，不僅降低了滲透水流的有效孔隙比，減小了孔隙流槽的過水斷面，更重要的是阻塞了某些孔隙通道，從而表現出了圖1所示的滲透規(guī)律。

3．3 不同酸度溶液常規(guī)滲透下黃土滲透系數與時間關系

本試驗對常規(guī)樣進行了20 h的滲透，由圖2可看出滲透系數有隨時間的延長而逐漸減小的趨勢。

圖2 土樣在不同酸度溶液常規(guī)滲透下k與t的關系曲線Fig．2 Relation between k and t of loess sample conventionally permeated w ith solution of different acidities

由于黃土中存在著大孔隙，因此在滲透初期溶液在大孔隙中流動時阻力較小，滲透系數較大；但隨著滲透的發(fā)生和發(fā)展，土體和滲透溶液發(fā)生上節(jié)所述的溶蝕作用，土中的細小顆粒會在滲透壓力的作用下出現移動，但在儀器和透水石的固定作用下，這些小顆粒并沒有隨著滲透溶液而被帶出土體，只是向更為密實的狀態(tài)移動；土體所具有的比較特殊的粒狀架空體系被破壞，這使得土體孔隙比沿滲流方向不再均勻，試樣下表面孔隙比變大，而上部孔隙比變小，土體的有效通道被堵塞。試驗結束后觀察土樣的底層，大孔隙比較多，出現了由于顆粒運移而造成的麻面；與之相反，頂層相對比較光整。

乙酸中的Ac－在酸性條件下會與黃土中的金屬離子反應生成絡合物，絡合物在孔隙中對滲透水流也有一定的阻礙作用，同時H＋與黃土中的難溶鹽發(fā)生反應，一方面可以消耗碳酸鹽增大滲透孔隙，另一方面會產生少量的CO2氣體，氣體無法排除，也在一定程度上減小了有效的過水通道。兩者的疊加作用影響著黃土的滲透系數，使?jié)B透系數隨著時間的延長而出現減小的趨勢。

以上試驗結果反映了短期酸溶液在黃土中的滲透規(guī)律，長期滲透規(guī)律有待進一步研究。

4 結 論

本文研究了不同酸度滲透溶液下黃土的滲透系數的變化規(guī)律，分析了干密度、孔隙比、圍壓和滲透溶液酸度對試樣滲透系數的影響。得出了如下的主要結論：

（1）飽和黃土的滲透性主要取決于干密度的大小。滲透系數隨著干密度的增加而減小。干密度增加，土樣的孔隙比減小，過水斷面減小，導致滲透性能降低。

（2）在一定的干密度下，黃土的滲透系數隨圍壓的增大而減小。圍壓增大時，土樣在固結過程中孔隙比減小，密度隨之增大；當圍壓增加到一定值時，固結對土的結構性會產生破壞作用，從而使得土體顆粒重新組合和排列，大孔隙消失，孔隙比進一步減小，使?jié)B透系數也隨之大為減小。

（3）飽和黃土在pH＝3．0的酸溶液滲透下的滲透系數最大，隨著酸溶液pH值的增大，滲透系數隨之減小，因為酸溶液中的氫離子溶解了黃土中的難溶鹽形成了新的滲流通道；而純水pH＝7．0滲透下土樣的滲透系數介于pH＝3．0和pH＝4．0滲透下土樣的滲透系數之間，是因為純水采用的是煮沸過的無氣水，相比之下試驗配置的酸溶液本身存在少量的氣體，從而影響了滲透系數的大小。

（4）通過對試樣進行三軸滲透和常規(guī)滲透，得出滲透系數都有隨時間的延長而減小的規(guī)律。顆粒運移而導致的土體滲流通道的堵塞是造成滲透系數減小的主要原因。

以上結果適用于酸溶液在黃土中短時間的滲透分析，長時間滲透規(guī)律有待進一步研究。

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（編輯：姜小蘭）

長江科學院副院長汪在芹帶隊赴南水北調中線河南段進行質量回訪

2012年11月24至25日，長江科學院（簡稱長科院）副院長汪在芹率長科院檢測中心常務副主任何英杰、材料與結構研究所副所長肖漢江、材料與結構研究所副總工程師彭尚仕、科研計劃處科長張暉一行5人赴河南拜訪南水北調中線干線管理局河南直管局業(yè)主和設計方，并開展質量回訪工作。南水北調中線干線管理局河南直管局副局長蔡建平、質量安全處處長梁宇、長江勘測規(guī)劃設計研究院副總工程師吳德緒、鄧州設代處處長謝波與副處長王莉等領導熱情接待了汪在芹一行。

此次回訪本著對工程負責、對業(yè)主負責、對長科院負責的精神，通過現場與業(yè)主和設計方的溝通，了解長科院承擔的南水北調河南段現場的工作狀況、成果質量，以及服務等方面的有關情況。汪在芹一行聽取業(yè)主和設計方對試驗室運行中所存在問題的意見和建議，并交換了意見，達成共識。

汪在芹一行還對長科院承擔的南水北調中線干線項目法人質量檢測Ⅲ標段項目的鄧州和魯山的2個試驗室日常的組織管理、人員配備、儀器設備使用、檢測成果質量控制、試驗室環(huán)境、安全等方面進行了檢查和指導。汪在芹要求試驗室全體工作人員嚴格按照長科院檢測中心《質量手冊》要求運作、加強團結協作、加強與業(yè)主各部門的聯系和溝通，主動為南水北調工程建設著想，以積極、主動、負責的態(tài)度完成各項工作。工作間隙還詢問了大家的生活情況，并代表長科院慰問了現場所有員工。

（摘自：長江水利科技網）

Permeability Properties of Reshaped Loess in Osmotic Solution of Different Acidities

WANG Ting1，ZHANG Ai-jun1，LIU Hong-tai2，AN Peng1
（1．College ofWater Resources and Architectural Engineering，Northwest Agricultural and Forestry University，Yangling 712100，China；2．China JK Institute of Engineering Investigation and Design，Xi’an 710043，China）

Through triaxial permeability tests and conventional permeability tests on reshaped Yangling loess of different dry densities，we analyzed the rules of permeability coefficient variation of the saturated loess respectively in gas-free pure water with pH＝7．0，and acetic acid solution with pH＝3．0，pH＝4．0 and pH＝5．0．We also investigated the degradation of loess permeated with acid solution．The research provides basis for analyzing the strength variation and the stability of loess structures permeated with acid solution．The results are as follows：（1）the permeability coefficientof saturated loess decreaseswith the growth of dry density；（2）with a constant dry density，the permeability coefficient reduces along with the increasing of confining pressure；（3）the largest permeability coefficient appearswhen the loess is permeated with acid solution with pH＝3．0 in short-term，and with the rise of pH value，the permeability coefficient decreases as a resultof the dissolving of insoluble salts by hydrogen ions of acid solution，forming new seepage channels．The permeability coefficient of pure water with pH＝7．0 is between that of acid solution with pH＝3．0 and pH＝4．0．It is because that the pure water used in the test is boiled and gas-free，while there is small amountof gas in the acid solution for the test；（4）the permeability coefficient reduces with the increasing of time．

reshaped loess；acid solution；permeability test；penetrability

TU411．1

A

1001－5485（2013）02－0035－06

10．3969／j．issn．1001－5485．2013．02．008

2011－11－07；

2011－12－21

國家自然科學基金項目（50779058）；凍土工程國家重點實驗室開放基金（SKLFSE200803）

王 婷（1988－），女，甘肅張掖人，碩士研究生，從事黃土工程理論與計算研究，（電話）13474072001（電子信箱）wwdsd＠nwsuaf．edu．cn。

張愛軍（1964－），男，山西陽高人，教授，博士，主要從事特殊土力學特性、巖土工程數值分析方面的研究，（電話）02987082956（電子信箱）Zaj＠nwsuaf．edu．cn。