有機固化劑作用下重金屬污染土的力學(xué)體變特性*

程峰 王星華

(中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙410075)

重金屬污染土廣泛分布于我國有色資源大省廣西、貴州、云南等地.由于重金屬污染土的研究尚不深入，工程施工中往往將其作為一般土進行處理，導(dǎo)致了很多工程事故的發(fā)生［1］. 目前對于重金屬污染土的研究主要側(cè)重于影響機理的研究，而對于污染土的力學(xué)性能、固化性能的研究成果鮮見報道.查甫生等［1］的研究表明，重金屬元素被巖土體吸附后并不是穩(wěn)定下來的，它不斷的腐蝕與遷移破壞了土體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，降低了土顆粒間膠結(jié)力. 黃敏等［2］的研究表明，重金屬污染土在傳統(tǒng)的固化劑水泥、石灰等作用下，可以有效改善其力學(xué)強度與穩(wěn)定性，但固化后土體的結(jié)構(gòu)受到破壞，彈塑性較差，且固化成本較高并不能廣泛推廣. 黃敏等［2］通過重金屬遷移試驗發(fā)現(xiàn)，有機固化劑具有良好的保水性，能有效限制重金屬污染物在土中的遷移，同時對污染物的腐蝕具有抑制作用，有效改善了土體的物理性能指標，但對于有機固化劑的配比方案及固化效果未進行深入研究.為了進一步探討有機固化劑合理的原料、配合比以及對重金屬的污染土固化效果，文中通過選擇有機固化劑原料進行配合比試驗，對原狀土、污染土與添加有機固化劑的污染土進行了三軸排水剪切對比試驗，研究有機固化劑固化前后重金屬的污染土的強度特性與體變特性，為工程上治理重金屬污染土提供合理與可靠的措施依據(jù).

此外，文獻［3］研究表明，污染土受到重金屬元素遷移與吸附作用后，應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)為顆粒間的錯位滑移.文獻［2，4-5］研究者認為傳統(tǒng)的單屈服面模型在描述錯位滑移的應(yīng)變關(guān)系時存在一定缺陷.文中在文獻［5］粗顆粒土雙屈服面本構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，采用修正劍橋模型作為壓縮屈服面函數(shù)，將斯托勒(Stolle)屈服函數(shù)［6］和Pietruszczak 準則［4-5］聯(lián)立作為剪切屈服面函數(shù)，建立了一個適用于重金屬污染土的應(yīng)變軟化雙屈服面彈塑性本構(gòu)模型，該模型克服了傳統(tǒng)單屈服面模型不能夠描述污染土應(yīng)變關(guān)系的臨界狀態(tài)的缺陷.

1 有機固化土試驗

1.1 有機固化劑作用機理

有機固化劑是一種高濃縮的有機溶液，具有很強的置換、溶解能力［7-8］.其作用于污染土后能有效阻止重金屬污染元素對土壤顆粒間雙電層結(jié)構(gòu)的破壞和水化膜的損傷，限制土中膠體礦物與侵入元素的離子交換活動，阻止膠結(jié)物的溶蝕;固化劑產(chǎn)生的化學(xué)力能封閉重金屬陽離子的擴散路徑，修復(fù)土顆粒間雙電層的厚度，使土中的膠體礦物保持電離平衡，以提高土顆粒間的膠結(jié)力［8］. 固化劑工作原理見圖1.

圖1 固化劑工作機理Fig.1 Mechanism of curing agent

有機固化土與一般的石灰固化土、水泥固化土不同，它固化后形成的板狀結(jié)構(gòu)不會破壞土體本身的 性能［3，8］，且具有良好的彈塑性. 重金屬污染土經(jīng)固化后不易產(chǎn)生裂縫，保水性較好，有效提高了土的剪切強度、壓實性與穩(wěn)定性.

1.2 試驗材料

1.2.1 有機固化劑原料

主要成分為環(huán)氧固化劑(4.4 二氨基二苯基甲烷)、環(huán)氧固化促進劑(四乙基溴化胺)、稀釋劑(二乙二醇—乙醚). 環(huán)氧固化劑可以有效限制水化膜的破壞，減少膠體礦物的溶蝕;環(huán)氧固化促進劑有效促進土顆粒的膠結(jié)，增強凝聚力;稀釋劑控制重金屬元素遷移，降低其腐蝕能力. 有機固化劑所采用的原料屬于環(huán)保材料［7］，不會對土體造成二次污染;另外有機固化劑作用土體后具有良好的黏附性能、保水性能，有效防止水土流失問題的發(fā)生.

1.2.2 試驗土樣原料

原狀土、污染土土樣原料均取自廣西崇左市大新鉛鋅礦附近同片區(qū)粉質(zhì)粘土，污染土其粒度構(gòu)成為粒徑6.85 mm，顆粒含量超過55%. 采用SSFD-600 光譜檢測儀檢測土中重金屬污染元素主要為鉛、鋅、鎘(含量分別為:0.15%、0.42%、1.01%)3種元素，綜合含量為0.53%. 根據(jù)實驗室對所取土樣的物理性質(zhì)指標檢測結(jié)果，污染土天然含水量多低于液限，屬于低液限型土，重金屬污染土與同片區(qū)的未受到重金屬污染的土在粒徑構(gòu)成上存在明顯差異.土樣主要物理性質(zhì)指標見表1.

表1 污染土的主要性質(zhì)指標Table 1 Main property indicators of contaminated soil

1.3 試驗土樣制備

采用所取原料土制備3 種試驗土樣:原狀土、污染土、添加固化劑配方的污染土，固化劑成分與水的含量見表2.

表2 試樣的配比方案Table 2 Ratio solution of samples

將所取原狀土、污染土原料分別烘干，搗碎過2 mm篩后，作為試驗原料土. 按表2 配比方案稱取相應(yīng)質(zhì)量的原料土和水揉和均勻，在標準試模中澆搗后制成試驗土樣.按表2 固化土配比方案稱取相應(yīng)質(zhì)量的原料土、固化劑和水，將固化劑和水混合搖勻后倒入原料土中，在標準試模中揉和均勻后制成固化土試樣. 兩種試樣制作完成后，放入保濕器內(nèi)存放24 h 以備試驗使用.

1.4 三軸固結(jié)排水剪切試驗(CD)

所用試樣尺寸均為:直徑3.91 cm，高8.0 cm.由于污染土的剪脹、剪縮性能變化較大，試驗分兩種圍壓:低圍壓為90、120、240 kPa;相對中高圍壓為600、900、1200 kPa. 分別進行三軸飽和排水剪切試驗，分析對比試驗結(jié)果，以此來研究固化前后重金屬元素污染土的力學(xué)強度和體變性能變化.

1.5 試驗結(jié)果與討論

圖2 －7 分別為試樣在低圍壓和相對中高圍壓下的三軸固結(jié)排水剪切試驗的σ1－σ3-ε1、εv-ε1和σ1/σ3-ε1關(guān)系曲線.

圖2 低圍壓下σ1 －σ3-ε1 試驗曲線對比Fig.2 Comparison of σ1 －σ3-ε1test curves under low confining pressure添加固化劑試驗結(jié)果 污染土試驗結(jié)果 原狀土試驗結(jié)果

圖3 中高圍壓下σ1 －σ3-ε1 試驗曲線結(jié)果對比Fig.3 Comparison of σ1 －σ3-ε1test curves under relatively high confining pressure添加固化劑試驗結(jié)果 污染土試驗結(jié)果 原狀土試驗結(jié)果

圖4 低圍壓下σ1/σ3-ε1 試驗曲線結(jié)果對比Fig.4 Comparison of σ1/σ3-ε1test curves under low confining pressure添加固化劑試驗結(jié)果 污染土試驗結(jié)果 原狀土試驗結(jié)果

圖5 中高圍壓下σ1/σ3-ε1 試驗結(jié)果對比Fig.5 Comparison between σ1/σ3-ε1test curves under low confining pressure添加固化劑試驗結(jié)果 污染土試驗結(jié)果 原狀土試驗結(jié)果

圖6 低圍壓下εv-ε1 試驗曲線結(jié)果對比Fig.6 Comparison between εv-ε1test curves under low confining pressure添加固化劑試驗結(jié)果 污染土試驗結(jié)果 原狀土試驗結(jié)果

圖7 中高圍壓下εv-ε1 試驗曲線結(jié)果對比Fig.7 Comparison between εv-ε1test curves under low confining pressure添加固化劑試驗結(jié)果 污染土試驗結(jié)果 原狀土試驗結(jié)果

從圖2、3 中可以看出，原狀污染土在低圍壓與相對中高圍壓下，峰值強度隨圍壓的增大提高得較小，添加有機固化劑配方的污染土的峰值強度在低圍壓下提高了近30%，在高圍壓下峰值強度提高得更為明顯，提高了近50%.從圖4、5 中可以看出，未添加固化劑配方的重金屬污染土在低圍壓作用下的試樣表現(xiàn)出很高的峰值主應(yīng)力比，但在高圍壓條件下，峰值主應(yīng)力比表現(xiàn)出急劇降低. 而添加固化劑配方的污染土在兩種圍壓下峰值主應(yīng)力比都表現(xiàn)得較為平穩(wěn). 從圖6、7 中可以看出，未添加固化劑配方的試樣在峰值剪應(yīng)力之后表現(xiàn)為應(yīng)變軟化特性，而添加固化劑配方的試樣在峰值剪應(yīng)力之后表現(xiàn)為應(yīng)變硬化特性. 對比兩種試樣的εv-ε1關(guān)系曲線可以發(fā)現(xiàn)，污染土試樣在低圍壓條件下表現(xiàn)出先剪縮(εv＞0)后顯著剪脹(εv＜0)，在相對中高圍壓條件下剪脹逐漸減弱，剪縮逐漸增強;固化土試樣在兩種圍壓條件下大部分應(yīng)變范圍基本都表現(xiàn)為剪縮變形特性，其剪脹變形特性僅在臨近剪切破壞時才表現(xiàn)出來.

2 體變特性本構(gòu)模型

重金屬元素在土體中的遷移、吸附作用引起土體結(jié)構(gòu)形態(tài)的變化，導(dǎo)致了土體產(chǎn)生剪縮、剪脹變形特性［4-9］，其主要的塑性變形為顆粒間的錯位滑移［5］，尤其在施加荷載時這種特性表現(xiàn)得更為明顯，力學(xué)特性類似于粗粒土［10］. 為了反映這一體變特性，文中以適應(yīng)于粗顆粒土的函數(shù)為基礎(chǔ)，采用剪切屈服函數(shù)和壓縮屈服函數(shù)顯式積分格式聯(lián)立，建立重金屬污染土的雙屈服面本構(gòu)模型.

2.1 初始函數(shù)

2.1.1 剪切屈服函數(shù)

由前述試驗結(jié)果可知重金屬污染土的剪切特性主要表現(xiàn)為剪縮、剪脹變形，其剪切規(guī)律符合Pietruszczak 硬化準則［4］，即

式中，B 為材料常數(shù)，εs 為剪應(yīng)變，MP為峰值應(yīng)力比.

剪切方程的具體形式采用Gajo 和Wood［4-5］提出的屈服函數(shù)三維推廣式:

式中，A 為模型參數(shù)，Md為轉(zhuǎn)換應(yīng)力比，表示p-q 關(guān)系曲線中轉(zhuǎn)換線斜率，p 為平均正應(yīng)力，q 為剪應(yīng)力，q= σ1－ σ3，g(θ)為形狀函數(shù)，θ 為應(yīng)力方位角(Lode 角)，試驗時取θ=/6，η 為應(yīng)力比，η=q/p.

根據(jù)Ishihara 等［4］提出的應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)換概念，殘余應(yīng)力比Mr、峰值應(yīng)力比MP與孔隙比的關(guān)系如下:

式中，Mr為殘余應(yīng)力比，MP為峰值應(yīng)力比，e 為孔隙比，a 為模型參數(shù)，R 為形狀參數(shù).

由剪脹性的定義［5，11］可知，體應(yīng)變增量εpv 與剪應(yīng)變增量之比表示土體的剪脹性，其表達式為

整理式(1)－(4)可得剪切屈服函數(shù)等效形式為

式中，p0為有效初始平均應(yīng)力.

為了方便計算，將式(5)按Stolle 全量雙曲線的屈服函數(shù)［10］簡化形式表示，即

式中，M 為殘余應(yīng)力比，g(θ)為形狀函數(shù)，其表達式為

式中，φ 為內(nèi)摩擦角.

2.1.2 壓縮屈服函數(shù)

重金屬污染土的壓縮特性與一般土差別不大.對于純壓縮變形機理，修正的劍橋模型形式并結(jié)合相關(guān)聯(lián)流動法則，可以很好地反映壓縮引起的塑性體積應(yīng)變［5，9-11］.通過引入形狀參數(shù)R，具體的屈服函數(shù)和塑性函數(shù)形式如下:

式中，pc為固結(jié)壓力.

重金屬污染土在剪切變形時，各向表現(xiàn)出明顯的同性硬化，其體應(yīng)變過程可用修正的劍橋模型表示，即

式中，dpc為固結(jié)壓力增量，*為v-lnp 壓縮曲線斜率，v 為體積比容;κ*為v-lnp 回彈曲線斜率.

2.2 雙曲面本構(gòu)方程

根據(jù)上述定義的初始函數(shù)，采用顯式格式的數(shù)值積分方案，其體積應(yīng)變和剪切應(yīng)變增量分別表示為

式中，1為壓縮曲線斜率，2為剪切曲線斜率.

由df1=0 可以得到

由df2=0 可以得到

將式(12)、(13)代入式(10)、(11)，可得

式中，K 為曲線斜率系數(shù)，G 為材料常數(shù).

或

一般情況下控制三軸排水應(yīng)變試驗的圍壓保持不變［12］，即dσ3=0，其中dε1和dσ3已知，針對該條件推導(dǎo)如下.

由于

式中，ε1為主應(yīng)變，εv為剪縮應(yīng)變，εs為剪脹應(yīng)變.

將式(19)代入式(20)并聯(lián)立式(21)可得

在Matlab 程序?qū)κ?23)進行數(shù)值積分，可解得dp 和dq，再代入式(20)可以得到dεv和dεs.

2.3 模型參數(shù)的確定

模型共有10個材料參數(shù)，所采用的模型參數(shù)是根據(jù)上述污染土的試驗結(jié)果曲線而來.其中A 為剪脹參數(shù)，hv、m 為硬化參數(shù)，由εv-ε1曲線確定為塑性剪應(yīng)變，由q-ε1曲線確定;B、a 為軟化參數(shù)，由q-εs曲線確定;G0為材料參數(shù)，由大三軸試驗卸載時的q-εs曲線確定;Mp為對應(yīng)的η =q/p 峰值剪切強度;Mr為殘余狀態(tài)應(yīng)力比，由曲線η-ε1確定;υ為比容，由卸載時p-εv曲線并通過式K = G2·(1 +υ)/［3(1 － 2υ)］確定. 根據(jù)文獻［2］、文獻［13 －14］試驗結(jié)果，選取3 組試樣試驗結(jié)果確定模型計算參數(shù)，見表3.

表3 模型的計算參數(shù)Table 3 Calculating parameters of the model

2.4 模型擬合結(jié)果與討論

根據(jù)上述選取的3 組試樣的試驗結(jié)果繪制qε1，εv-ε1和σ1/σ3-ε1曲線，并將表3 中的參數(shù)作為雙屈服面應(yīng)變軟化彈塑性本構(gòu)模型的計算參數(shù)，通過Matlab 軟件進行計算并繪制出擬合曲線.試驗結(jié)果及模型擬合結(jié)果的對比曲線如圖8、9 所示. 從圖8、圖9 模型擬合曲線可以看出，模型擬合與試驗結(jié)果吻合較好，能夠較好地反映兩種圍壓下重金屬污染土的應(yīng)力水平變化以及體縮向體脹發(fā)展的體變過程.模型擬合結(jié)果進一步驗證有機固化劑可以有效提高重金屬污染土剪切強度，改善污染土低圍壓條件下剪脹、高圍壓條件下剪縮的變形性能.

圖8 低圍壓模型擬合結(jié)果與試驗結(jié)果對比Fig.8 Comparison between model simulations and results of test under low confining pressure添加固化劑試驗結(jié)果 未添加固化劑試驗結(jié)果 模型擬合結(jié)果

圖9 中高圍壓模型模擬結(jié)果與試驗結(jié)果對比Fig.9 Comparison between model simulations and test results under relatively high confining pressure添加固化劑試驗結(jié)果 污染土試驗結(jié)果 原狀土試驗結(jié)果

3 結(jié)論

(1)有機物固化劑能顯著提高重金屬污染土的峰值強度，在有機固化劑配合比不變時，能使峰值強度提高近30% ～50%，隨著圍壓的增加峰值強度提高越明顯;

(2)有機固化劑能有效地改善重金屬污染土應(yīng)變軟化與應(yīng)變硬化的性能，使其在不同圍壓下的剪脹、剪縮特性趨于平穩(wěn)，增加土體的穩(wěn)定性;

(3)重金屬污染土雙曲面體變本構(gòu)模型克服了單屈服面模型不能描述土體由剪脹到剪縮應(yīng)變臨界狀態(tài)的缺陷. 數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果較為接近，表明該模型在描述重金屬污染土的體變特性方面具有優(yōu)越性.

［1］查甫生，許龍，崔可銳.水泥固化重金屬污染土的強度特性試驗研究［J］.巖土力學(xué)，2012，33(3):652-656.Zha Fu-sheng，Xu Long，Cui Ke-rui.Strength characteristics of heavy metal contaminated soils stabilized/solidified by cement［J］.Rock and Soil Mechanics，2012，33(3):652-656.

［2］黃敏，陳川紅，楊海舟，等.兩種典型調(diào)控劑對鎘污染土壤鎘形態(tài)的影響［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報，2013，35(11):132-137.Huang Min，Chen Chuan-hong，Yang Hai-zhou，et al.Effects of two typical regulating agents on cadmium fractionsin soils contaminated by cadmium［J］.Journal of Wuhan University of Technology，2013，35(11):132-137.

［3］崔杰，薛文平，閻振元，等.不同表面活性劑修復(fù)重金屬污染土壤的試驗研究［J］. 大連工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2013，32(4):279-282.Cui Jie，Xue Wen-ping，Yan Zhen-yuan，et al. Repairing of heavy metals contaminated soil with different surfactants［J］. Journal of Dalian Institute of Light Industry，2013，32(4):279-282.

［4］邵玉芳，徐日慶，劉增永，等.一種新型水泥固化土的試驗研究［J］.浙江大學(xué)學(xué)報，2006，40(7):1196-1200.Shao Yu-fang，Xu Ri-qing，Liu Zeng-yong，et al. Experimental study on new variety of cement-stabilized soil［J］.Journal of Zhejiang University，2006，40(7):1196-1200.

［5］Vatsala A，Nova R，Srinivasa Murthy B R. Elastoplastic model for cemented soils［J］.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Enginering，2001，127(8):679-687.

［6］Muir D Wood，Belkheiasr K，Liu D F.Strain softening and state parameter for sand modeling ［J］. Geotechnique，1994，44(2):335-337.

［7］張學(xué)言，閆澍旺.巖土塑性力學(xué)基礎(chǔ)［M］.天津:天津大學(xué)出版社，2006.

［8］尹雪，陳家軍，呂策.螯合劑復(fù)配對實際重金屬污染土壤洗脫效率影響及形態(tài)變化特征［J］. 環(huán)境科學(xué)，2014，35(2):733-739.Yin Xue，Chen Jia-jun，Lu Ce. Impact of compounded chelants on removal of heavy metals and characteristics of morphologic change in soil from heavy metals contaminated sites［J］.Chinese Journal of Environmental Science，2014，35(2):733-739.

［9］陳蕾，劉松玉，杜延軍，等.水泥固化含鉛污染土無側(cè)限抗壓強度預(yù)測方法［J］. 東南大學(xué)學(xué)報，2010，40(3):609-613.Chen Lei，Liu Song-yu，Du Yan-jun，et al. Unconfined compressive strength prediction of cement solidified stabilized lead-contaminated soil ［J］. Journal of southeast University，2010，40(3):609-613.

［10］孫海忠，黃茂松.考慮粗粒土應(yīng)變軟化特性和剪脹性的本構(gòu)模型［J］. 同濟大學(xué)學(xué)報，2009，37(6):727-732.Sun Hai-zhong，Huang Mao-song. A constitutive model for coarse granular material incorporating both strain work-softening and dilatancy［J］.Journal of Tongji University，2009，37(6):727-732.

［11］劉漢龍，秦紅玉，高玉峰，等. 粗粒料強度和變形的大型三軸試驗研究［J］. 巖土力學(xué)，2004，25(10):1575-1577.Liu Han-long，Qin Hong-yu，Gao Yu-feng，et al. Research on strength and deformation behavior of coarse aggregatees based on largescale triaxial tests［J］. Rock and Soil Mechanics，2004，25(10):1575.

［12］許玉格，曹濤，羅飛. 基于相關(guān)向量機的污水處理出水水質(zhì)預(yù)測模型［J］.華南理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2014，42(5):103-107.Xu Yu-ge ，Cao Tao，Luo Fei.Wastewater effluent quality prediction model basedon relevance vector machine［J］. Journal of South China University of Technology:Natural Science Edition，2014，42(5):103-107.

［13］曹智國，章定文，劉松玉.固化鉛污染土的干濕循環(huán)耐久性試驗研究［J］.巖土力學(xué)，2013，34(12):3485-3490.Cao Zhi-guo，Zhang Ding-wen，Liu Song-yu. Experimental research on durability of solidified lead-contaminated soils under wetting-drying cycles ［J］. Rock and Soil Mechanics，2013，34(12):3485-3490.

［14］查甫生，郝愛玲，許龍，等.水泥固化重金屬污染土的淋濾特性試驗研究［J］. 工業(yè)建筑，2014，44(1):65-70.Zha Fu-sheng，Hao Ai-ling，Xu Long，et al.Experimental study of leaching characteristics of cement solidified and stabilized heavy metal contaminated soils［J］.Industrial Construction，2014，44(1):65-70.

［15］查甫生，劉晶晶，許龍，等.水泥固化重金屬污染土干濕循環(huán)特性試驗研究［J］. 巖土工程學(xué)報，2013，35(7):1246-1252.Zha Fu-sheng，Liu Jing-jing，Xu Long，et al.Cyclic wetting and drying tests on heavy metal contaminated soils solidified/stabilized by cement［J］. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2013，35(7):1246-1252.