滏陽河污染堤防土體力學(xué)性能研究

伍 艷，楊忠芳，王瑋屏，任海平，史粉英

(1.黃河水利委員會黃河水利科學(xué)研究院，河南鄭州 450003;2.水利部堤防安全與病害防治工程技術(shù)研究中心，河南鄭州 450003;3.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083;4.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司，河南鄭州 450003)

堤防對防洪安全和保證人民生命財產(chǎn)安全具有重要意義，對江河中下游地區(qū)而言，堤防是防洪的最后一道防線，堤防一旦決口失事，必將造成嚴(yán)重后果［1］。目前堤防侵蝕類型主要分為風(fēng)力侵蝕、重力侵蝕和生物潛蝕［2］，還未涉及到化學(xué)侵蝕。

水作為最重要的自然資源，為流域的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了條件。但是，隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加速，我國各流域水污染也日趨嚴(yán)重。越來越多的實(shí)踐和分析證明，環(huán)境-土化學(xué)作用，特別是水-土化學(xué)作用不僅存在，且具有顯著的力學(xué)效應(yīng)［3］。湯連生［4］、馮夏庭［5］、王泳嘉等［6］對化學(xué)環(huán)境侵蝕下的巖石破裂特性進(jìn)行了研究，程昌炳［7］、孔令偉等［8］研究了土體(主要是紅黏土)膠結(jié)物的化學(xué)溶蝕及其長期強(qiáng)度與穩(wěn)定性問題，歐孝奪等［9］探討了熱作用對不同pH值黏性土熱力學(xué)特性的影響。早期的研究主要集中在酸堿性對土體力學(xué)性能的影響，李相然等［10］考察了濟(jì)南典型地區(qū)地基土污染腐蝕前后力學(xué)性質(zhì)的變化。伍艷等［11］通過試驗(yàn)分析了水中化學(xué)成分對土體滲透系數(shù)的影響。但是，化學(xué)侵蝕對堤防安全的影響還未受到足夠重視。

滏陽河是海河流域子牙河水系的南支干流，發(fā)源于河北省南部邯鄲市峰峰礦區(qū)鼓山南麓的黑龍洞泉群，全長402 km，是一條防洪、排澇、灌溉等綜合利用的主干河道，也是河北省污染最嚴(yán)重的水系之一，其水質(zhì)是否對滏陽河堤防土體力學(xué)性能造成影響值得關(guān)注。鑒于此，本文以滏陽河堤防用土為研究對象，對比分析去離子水及滏陽河水浸泡土體后其塑性指數(shù)、有效黏聚力、有效內(nèi)摩擦角及應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線的變化規(guī)律，并通過分析土體礦物成分及微觀形貌的改變，初步揭示水中化學(xué)成分與土體相互作用機(jī)理，為滏陽河段堤防工程安全評價及病害防治提供更切合實(shí)際的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與理論支持。

1 試驗(yàn)儀器、材料和試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)采用南京土壤儀器有限公司生產(chǎn)的TSZ-3型應(yīng)變控制式三軸儀、日本電子(JEOL)公司生產(chǎn)的JSM-6700F型掃描電子顯微鏡和日本理學(xué)DMAX-3C衍射儀。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土樣及水樣分別采自河北邯鄲滏陽河。土樣主要物理力學(xué)指標(biāo)如表1，為低液限黏土。

表1 試驗(yàn)用土主要物理力學(xué)指標(biāo)Table 1 Physico-mechanical indices of soil

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)采用重塑土進(jìn)行試驗(yàn)，將原狀土自然風(fēng)干，碾碎后將土樣過2 mm篩，均勻噴灑水后靜置于密閉容器內(nèi)24 h以上，使含水量均勻。當(dāng)含水量為21.7%時，用擊實(shí)方法將土擊入環(huán)刀內(nèi)，控制干密度ρd=1.55 g/cm3，制成φ3.91 mm×80 mm的試樣，用紗布及帶孔的塑料膜將土樣包好，避免在浸泡過程中土樣變形。每組取3個相同的試樣，分別在去離子水和滏陽河水中浸泡14天后取出，在圍壓100 kPa、200 kPa和300 kPa下進(jìn)行固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)。同時將浸泡后的試樣按照SL 237-007-1999《界限含水率試驗(yàn)》對試樣的液限和塑限進(jìn)行測定，并計算得出塑性指數(shù)。

1.3.2 掃描電鏡試驗(yàn)方法

為滿足掃描電鏡獲得圖像的要求，需對試樣進(jìn)行如下準(zhǔn)備:用鋸條小心地將土樣與周圍的土隔斷，使其成為一個邊長約為5 mm×3 mm×2 mm的立方體。本研究采用風(fēng)干法，使其自然風(fēng)干脫水，這樣不破壞土樣的原始結(jié)構(gòu)，風(fēng)干后的土樣進(jìn)行表面打磨處理，選用5種不同規(guī)格的砂紙，由粗到細(xì)依次對土樣的觀測面進(jìn)行打磨，并應(yīng)避免留下劃痕對觀測造成影響，然后用吹管將表面殘留的土屑清理干凈。為避免因電荷積累和放電的現(xiàn)象影響觀測過程中的圖像清晰度，需在土樣的觀測面鍍上一層金膜。鍍膜完成即可放入掃描電鏡觀測，試樣不宜在空氣中暴露過久，避免因金膜氧化作用而影響觀測質(zhì)量。放大倍數(shù)過大時，土樣成像模糊，而倍數(shù)過低時又無法觀測到顆粒與孔隙的微觀結(jié)構(gòu)，最終選取放大3000倍的圖像進(jìn)行拍攝。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 物理特性

從表2可以看出，滏陽河當(dāng)?shù)厮莺笸馏w塑性指數(shù)小于去離子水浸泡后的土體，減小了8.5%。

表2 土體浸泡后塑性指數(shù)Table 2 Plasticity index of the soaked soils

2.2 強(qiáng)度特性

對2種水樣浸泡后的試樣開展三軸剪切試驗(yàn)，對于同一組試樣，在τ-σ應(yīng)力平面圖上繪制摩爾應(yīng)力圓，并繪制不同圍壓下破壞應(yīng)力圓的包線，可得黏聚力c值和內(nèi)摩擦角φ值以及有效黏聚力c＇值和有效內(nèi)摩擦角φ＇值(表3)。從表3可以看出，滏陽河當(dāng)?shù)厮畼訉ν馏w強(qiáng)度特性具有重要影響。土樣在當(dāng)?shù)厮莺蟮挠行юぞ哿γ黠@小于去離子水浸泡后的土體，減小了65.4%，有效內(nèi)摩擦角明顯大于去離子水浸泡后的土體，增大了23.6%。

表3 土體浸泡后抗剪強(qiáng)度指標(biāo)Table 3 Shear strength indices of the soaked soils

2.3 變形特性

不同浸泡條件下土體在剪切過程中的軸向應(yīng)變與主應(yīng)力差之間的關(guān)系曲線如圖1。由圖1可知:(1)不同浸泡條件下試樣均呈現(xiàn)應(yīng)變硬化現(xiàn)象，且隨圍壓的增加，應(yīng)變硬化現(xiàn)象更為顯著;(2)當(dāng)應(yīng)變較小時，去離子水和不同濃度的總氮溶液浸泡土體后的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線很接近，隨著軸向應(yīng)變的逐漸增大，各浸泡條件下土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線的距離逐漸增大且最終趨向于一定值;(3)當(dāng)應(yīng)變達(dá)到一定值后，滏陽河當(dāng)?shù)厮萃馏w后使試樣的主應(yīng)力差值較去離子水浸泡土體后有顯著提高，或者在相同的主應(yīng)力差值條件下，當(dāng)?shù)厮萃馏w后的應(yīng)變小于去離子水浸泡土體后的應(yīng)變。

圖1 土樣應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.1 The stress-strain curve of soaked soils

表4為土體在各浸泡條件下取軸向應(yīng)變達(dá)到15%所對應(yīng)的剪切峰值，從表4中可以看出，各級圍壓下，滏陽河當(dāng)?shù)厮萃馏w后的剪切峰值均大于去離子水浸泡后的土體，圍壓為100kPa、200kPa和300kPa時分別增大了38.5%、17.7%和12.6%，說明污染較輕的水體(如文中理想狀態(tài)的去離子水)比污染較重的水體(如滏陽河當(dāng)?shù)厮?浸泡土體后使土體強(qiáng)度和抵抗變形能力下降更為明顯。

3 作用機(jī)制研究

3.1 浸泡液化學(xué)成分變化

浸泡液對土體力學(xué)性質(zhì)的影響主要表現(xiàn)在三個方面:(1)對土體中某些礦物產(chǎn)生溶解或溶蝕作用;(2)使土體的物質(zhì)成分發(fā)生改變;(3)促使土體產(chǎn)生離子交換作用，使土體的雙電層結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。

土顆粒表面帶有負(fù)電荷，能夠吸附陽離子，在一定條件下，顆粒將吸附水溶液中某些陽離子，如K+、Na+、Ca2+等，而將其原來吸附的部分陽離子轉(zhuǎn)入水溶液中。孔隙液離子濃度的增大引起結(jié)合水膜變薄，削弱了顆粒間的黏聚性，而使內(nèi)摩擦角增大。表5為滏陽河當(dāng)?shù)厮萃馏w前后及去離子水浸泡土體后主要化學(xué)成分含量，從表5中可以看出，由于黏土礦物顆粒表面的陽離子交換作用，去離子水浸泡土體后使一些離子化合物溶出，對比當(dāng)?shù)厮萃馏w前后化學(xué)成分含量變化可以看出，土樣中易于被交換出來的陽離子，如黏土礦物成分蒙脫石和伊利石中的K+、Na+、Ca2+、Mg2+等離子，在浸泡土體后濃度升高，使得溶液中的這些離子的含量增加明顯，4種陽離子濃度分別由浸泡前的9.10 ug/mL、54.0 ug/mL、119 ug/mL和52.0 ug/mL增大為浸泡后的25.0 ug/mL、58.0 ug/mL、305 ug/mL 和 92.5 ug/mL，分別增加了174.7%、7.4%、156.3%和77.9%。因此，當(dāng)?shù)厮萃馏w后的有效黏聚力比去離子水浸泡后的大，而內(nèi)摩擦角較小。當(dāng)浸泡液離子濃度足夠大時，土中孔隙水溶液達(dá)到飽和，多余鹽分便以晶體的形態(tài)存在于土中，并成為土骨架的一部分，起著重要的膠結(jié)作用，這是當(dāng)?shù)厮萃馏w后內(nèi)摩擦角較大的另一原因。

表5 浸泡液主要化學(xué)成分含量Table 5 Chemical constituents of the soak solutions

3.2 礦物成分

土中黏土礦物常見的有高嶺石類、蒙脫石類、伊利石類，它們是土中物理化學(xué)性質(zhì)活躍的物質(zhì)，對于土的工程性質(zhì)有著顯著影響。土體中的長石及方解石在浸泡過程中發(fā)生水解，反應(yīng)式如下:

相對于已經(jīng)含有K+、Na+、Ca2+的當(dāng)?shù)厮?，長石及方解石在去離子水中的水解更加徹底，當(dāng)?shù)厮械腒+、Na+、Ca2+使方程式不能完全向右進(jìn)行，勢必削弱礦物成分的水解作用，因此去離子水浸泡土體后的鉀長石、斜長石及方解石含量小于當(dāng)?shù)厮莺笸馏w3種礦物成分的含量，而黏土礦物蒙脫石和伊利石的含量則大于當(dāng)?shù)厮萃馏w后兩者的含量(表6)。使得試樣塑性指數(shù)及有效黏聚力小于去離子水浸泡后的土體，有效內(nèi)摩擦角則大于去離子水浸泡后的土體(表2、表3)。

表6 土體浸泡后礦物成分含量Table 6 Mineral composition of the soaked soils

3.3 微觀結(jié)構(gòu)

對比各浸泡條件下試樣放大3000倍的SEM照片可以發(fā)現(xiàn)，去離子水浸泡的試樣(圖2(a))結(jié)構(gòu)較均勻致密，黏土礦物邊緣相對較清晰，孔隙相對較少，其結(jié)構(gòu)以片狀結(jié)構(gòu)為主，含有少量絮凝狀結(jié)構(gòu)。用當(dāng)?shù)厮萃馏w后，其微觀結(jié)構(gòu)相對于去離子水浸泡土體后微觀結(jié)構(gòu)較為分散，孔隙相對較多，片狀結(jié)構(gòu)減少，且以團(tuán)粒狀結(jié)構(gòu)為主(圖2b)。故當(dāng)?shù)厮萃馏w后的塑性指數(shù)和有效黏聚力小于去離子水浸泡后的土體，有效內(nèi)摩擦角則大于去離子水浸泡后的土體。

圖2 不同浸泡條件下土樣微觀照片F(xiàn)ig.2 Microstructure photographs of the soaked soils

值得注意的是，表5中去離子水浸泡土體后總氮濃度明顯增大，當(dāng)?shù)厮萃馏w前后總氮、總磷含量變化明顯，分別從 10.4 ug/mL、0.52ug/mL增加到46.0 ug/mL、5.83 ug/mL，增 加 了 342.3% 和1021.2%。在過去的相關(guān)研究中，大部分研究工作主要關(guān)注水-土間離子交換作用［12～13］，幾乎不考慮有機(jī)化合物或者是有機(jī)-無機(jī)混合物對土體結(jié)構(gòu)及物理力學(xué)性能的影響，但隨著湖泊流域水庫水質(zhì)成分的日趨復(fù)雜，有機(jī)-無機(jī)混合污染物，特別是氮磷類化合物對土體力學(xué)性能的影響應(yīng)受到重視。

此外，本文重在討論水-土相互作用對土體物理力學(xué)性能的影響，故采用靜水浸泡的方式對土體進(jìn)行處理。實(shí)際情況下，堤防土體力學(xué)性能受污染河水的影響除了與文中討論的水-土相互作用有關(guān)，還與水流速度、沖刷強(qiáng)度及時間有一定關(guān)系。土體在浸泡液中由于孔隙水溶液飽和產(chǎn)生的結(jié)晶沉淀，可能被水流稀釋溶解，使堤防土體性能發(fā)生一定改變，相關(guān)內(nèi)容需要做進(jìn)一步討論。

4 結(jié)論

(1)滏陽河當(dāng)?shù)厮莺笸馏w塑性指數(shù)小于去離子水浸泡土體后塑性指數(shù)，減小了8.5%。

(2)土樣在當(dāng)?shù)厮莺蟮挠行юぞ哿γ黠@小于去離子水浸泡后的土體，減小了65.4%，有效內(nèi)摩擦角明顯大于去離子水浸泡后的土體，增大了23.6%。

(3)用去離子水和不同濃度總氮溶液浸泡后的土體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線變化規(guī)律基本一致，均呈應(yīng)變硬化現(xiàn)象。各級圍壓下，滏陽河當(dāng)?shù)厮萃馏w后的剪切峰值均大于去離子水浸泡后的土體，圍壓為100 kPa、200 kPa、300 kPa時分別增大了 38.5%、17.7%、12.6%，說明邯鄲滏陽河當(dāng)?shù)厮萃馏w后使土體強(qiáng)度和抵抗變形能力有所增強(qiáng)。

(4)去離子水及當(dāng)?shù)厮菀号c土體間發(fā)生離子交換等相互作用，使其微觀形貌及孔隙特征發(fā)生明顯變化，最終導(dǎo)致土的宏觀力學(xué)特性改變。

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