Pb2+、Zn2+、Cu2+重金屬污染土力學(xué)特性及本構(gòu)關(guān)系室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究

萇 寬， 張玉國(guó)， 黃 彤， 張丹貝， 呂偉豪

(中原工學(xué)院， 鄭州 451191)

Pb2+、Zn2+、Cu2+重金屬污染土力學(xué)特性及本構(gòu)關(guān)系室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究

萇 寬， 張玉國(guó)， 黃 彤， 張丹貝， 呂偉豪

(中原工學(xué)院， 鄭州 451191)

針對(duì)重金屬(Pb2+、Zn2+、Cu2+)污染土孔隙比高、壓縮性大、抗剪強(qiáng)度低、承載力差等原因?qū)е碌牡鼗鶑?qiáng)度低、變形大和不均勻沉降等問題。采用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)方法對(duì)重金屬污染土力學(xué)特性和本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)表明：與未污染的原狀土相比，重塑土的黏聚力與內(nèi)摩擦角均顯著降低；在相同圍壓下，隨著污染土中重金屬含量的增加，污染土的峰值強(qiáng)度逐漸降低；污染土中重金屬含量對(duì)土體的壓縮性有顯著影響，含量越高、壓縮性越強(qiáng)?；贛astsuoka-Nakai準(zhǔn)則與Mises流動(dòng)法則，給出了考慮多種重金屬影響的污染土的本構(gòu)關(guān)系式。

重金屬污染土；質(zhì)量比；室內(nèi)試驗(yàn)；本構(gòu)關(guān)系

在我國(guó)，土壤污染是環(huán)境問題中的一個(gè)重要問題，而重金屬污染土壤又是土壤污染的一個(gè)重要因素。重金屬污染土由于孔隙比高、壓縮性大、抗剪強(qiáng)度差、承載力低等原因[1]，在工程實(shí)踐中一般都需要進(jìn)行處理。目前，污染土的實(shí)驗(yàn)研究方法有室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)[2]。馮丹等研究了土壤樣品中重金屬Cu對(duì)堿性磷酸酶(ALP)活性及其動(dòng)力學(xué)特征的影響[3]；郭曉方等分析了乙二胺四乙酸在修復(fù)重金屬污染土壤中的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[4]；王力等研究陜西省采礦業(yè)污染農(nóng)田土壤中Cd、Pb的分布及其釋放特征[5]。近年來的研究主要集中在通過添加各種外摻劑改良各種重金屬污染土方面，關(guān)于多種重金屬污染土力學(xué)特性及本構(gòu)關(guān)系的研究很少[6-9]。

本研究通過實(shí)驗(yàn)室內(nèi)制備多種重金屬(Pb2+、Zn2+、Cu2+)污染土，對(duì)污染土的抗剪性能和壓縮特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而分析了多種重金屬污染土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，對(duì)于更好處理多種重金屬污染土給予一定的理論和技術(shù)支持。

1 污染土實(shí)驗(yàn)

1.1 土樣選取

實(shí)驗(yàn)用土取自河南省封丘縣陳固鄉(xiāng)新修瀝青公路兩側(cè)排水溝棄土堆，原狀土樣類型是非飽和低液限黏土，含少量有機(jī)質(zhì)，取土深度約為2 m。通過一系列土工實(shí)驗(yàn)測(cè)得所取土樣的各項(xiàng)性質(zhì)指標(biāo)，如表1所示。

表1 素土土樣物理性質(zhì)指標(biāo)

1.2 重金屬試劑選擇及配置

重金屬離子選擇一般重金屬污染土中含量最多、影響最大的Pb2+、Zn2+、Cu2+，所用試劑為Pb(NO3)2、Zn(NO3)2·6H2O和CuSO4·5H2O。配置的重金屬污染土質(zhì)量比如表2所示。

表2 配置的重金屬污染土質(zhì)量比分組 mg/Kg

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

將素土風(fēng)干，放在橡皮板上用木碾碾散，測(cè)定風(fēng)干后的含水率。以重塑凈土為基礎(chǔ)，按照上述A、B、C3種重金屬離子的含量加入一定量的重金屬化合物固體顆粒，添加去離子水到各組污染土，到含水率均為34.9%后，加水密封好潤(rùn)濕一晝夜。

1.3.1 直剪實(shí)驗(yàn)

首先是擾動(dòng)土試樣的制備。具體實(shí)施步驟為：采用應(yīng)變控制式直剪儀，按照相應(yīng)環(huán)刀的內(nèi)徑尺寸6.18 cm、高2 cm，根據(jù)素土的干密度、含水率，制備濕土樣，用靜壓法制備成擾動(dòng)土樣。然后，把土樣放入直剪儀中，進(jìn)行固結(jié)快剪實(shí)驗(yàn)。

1.3.2 三軸固結(jié)不排水剪切實(shí)驗(yàn)

制樣方法與直剪實(shí)驗(yàn)相同，參照土工試驗(yàn)規(guī)程(SL237-1999)[10]。本實(shí)驗(yàn)采用南京智龍科技開發(fā)有限公司生產(chǎn)的TSZ-2全自動(dòng)三軸儀，試樣尺寸為直徑39.1 mm、高80 mm，進(jìn)行真空抽氣飽和。在100、200、300、400 kPa圍壓下進(jìn)行其強(qiáng)度和變形實(shí)驗(yàn)。

1.3.3 壓縮實(shí)驗(yàn)(應(yīng)變控制加荷實(shí)驗(yàn))

所用試樣同直剪實(shí)驗(yàn)，分別對(duì)4種試樣進(jìn)行室內(nèi)壓縮實(shí)驗(yàn)對(duì)比，所用儀器為歐美大地公司生產(chǎn)的GDSCTS標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)系統(tǒng)，試樣尺寸為直徑76.2 mm、高20 mm，進(jìn)行真空抽氣飽和。應(yīng)變速率ε取0.01%/min達(dá)到最大壓力3 MPa時(shí)停止。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 直剪實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

根據(jù)直剪實(shí)驗(yàn)得出不同土樣的P-τ曲線，如圖1所示。

圖1 污染土直剪實(shí)驗(yàn)的P-τ曲線

分析圖1中曲線可知，各土樣的P與τ基本符合線性特征，與原狀土相比，重塑土的黏聚力和內(nèi)摩擦角均有顯著降低。這是重塑土因自身結(jié)構(gòu)性損傷導(dǎo)致微觀內(nèi)部結(jié)構(gòu)與狀態(tài)呈現(xiàn)無序的結(jié)果而造成的，其土性軟硬程度以及重塑再造土骨架的顆粒定向程度和連接方式發(fā)生變化，導(dǎo)致強(qiáng)度參數(shù)變??；同時(shí)，隨著重金屬離子含量的增加，污染土強(qiáng)度參數(shù)(c、φ)逐漸減小。

2.2 三軸飽和不排水實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

根據(jù)試樣飽和三軸不排水剪切實(shí)驗(yàn)結(jié)果，繪制在4種不同圍壓作用下各土樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(σ-ε)，如圖2所示。

由圖2可知，在相同圍壓下，隨著土中重金屬含量的增加，土樣的峰值強(qiáng)度逐漸降低。雖然在某一階段隨著重金屬離子濃度的增加，土樣的抗剪強(qiáng)度有些增加，但最終的峰值強(qiáng)度還是呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。圖中各土樣的峰值強(qiáng)度曲線變化幅度基本相同，不同圍壓下各土樣的峰值強(qiáng)度曲線走勢(shì)也相差無幾，基本上均表現(xiàn)為光滑的拋物線形狀。

(a)σ3=100 kPa

(b) σ3=200 kPa

(c)σ3=300 kPa

(d) σ3=400 kPa圖2 不同土樣的σ-ε曲線

2.3 壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

根據(jù)土樣應(yīng)變控制加荷實(shí)驗(yàn)結(jié)果，繪制污染土的壓力與孔隙比的變化關(guān)系圖(即e-p曲線)，如圖3所示。通過分析圖中曲線可知：當(dāng)壓力小于900 kPa時(shí)，壓力對(duì)孔隙比影響顯著，孔隙比隨壓力的增大而逐漸減??；當(dāng)壓力大于900 kPa時(shí)，壓力對(duì)孔隙比的影響不太顯著，孔隙比隨壓力的增大略有減?。幌嗤瑝毫ο?，隨著污染土中重金屬含量的增加孔隙比逐漸減小。

圖3 污染土的e-p曲線

3 污染土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

對(duì)圖2中重金屬污染土實(shí)驗(yàn)曲線分析可知,隨著應(yīng)力水平的增加，應(yīng)變也隨之增大，最終出現(xiàn)塑性流動(dòng)破壞。程峰等[11]研究顯示，利用Mastsuoka-Nakai準(zhǔn)則和Mises流動(dòng)法則，可建立多種重金屬污染土的本構(gòu)關(guān)系：

(1)

采用Mises 相關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則[12-13]，根據(jù)常規(guī)三軸固結(jié)實(shí)驗(yàn)，最大塑性變形和最大主應(yīng)力關(guān)系可表示為：

(2)

由重金屬污染土的σ-ε曲線(圖2)確定A-1，再根據(jù)式(2)和圖2中數(shù)據(jù)計(jì)算出σ1/σ3和A-1關(guān)系曲線如圖4所示。其中，σ3為100、200、300和400 kPa時(shí)對(duì)應(yīng)的彈性模量E可采用彈塑性理論計(jì)算，具體如表3所示。

表3 初始切線模量E kPa

對(duì)圖4進(jìn)行回歸分析得出σ1/σ3與A-1對(duì)應(yīng)圍壓100～400 kPa下的關(guān)系式，即：

A-1=2 053(σ1/σ3)-25.2

(4-a)

A-1=1 590(σ1/σ3)-29.8

(4-b)

A-1=1 955(σ1/σ3)-37.0

(4-c)

A-1=1 476(σ1/σ3)-39.0

(4-d)

把A-1代入式(2)即可得到本實(shí)驗(yàn)圍壓100～400 kPa下的本構(gòu)關(guān)系式：

(5-a)

(5-b)

(5-c)

(5-d)

此本構(gòu)關(guān)系式適合研究類似污染土，只要實(shí)驗(yàn)測(cè)得在相應(yīng)圍壓下參數(shù)A-1式中的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)a、b，即可得到此圍壓下這種污染土的本構(gòu)關(guān)系式，并推斷出這種污染土在此圍壓下應(yīng)力-應(yīng)變的變化關(guān)系。

(a)σ3=100 kPa

(b)σ3=200 kPa

(c)σ3=300 kPa

(d)σ3=400 kPa

4 結(jié) 語

(1)對(duì)原狀土、重塑土和3種不同質(zhì)量比配方的污染土試樣的直剪實(shí)驗(yàn)表明，由于重塑后的土相較原狀土其結(jié)構(gòu)被破壞，導(dǎo)致土性和土骨架的顆粒定向程度和連接方式發(fā)生變化，最終導(dǎo)致土的強(qiáng)度參數(shù)變小。隨著重金屬離子含量的增加，其強(qiáng)度參數(shù)(c、φ)逐漸減小，表明重金屬離子的存在會(huì)改變黏土的力學(xué)性能。

(2)在相同圍壓下，隨著土中所含重金屬量的增加，土樣的峰值強(qiáng)度逐漸降低，并且各個(gè)土樣的峰值強(qiáng)度曲線變化的幅度基本相同。各個(gè)圍壓下不同土樣的峰值強(qiáng)度曲線走勢(shì)相差無幾，沒有過大幅度的迥異。

(3) 當(dāng)壓力在一個(gè)小的范圍內(nèi)增加時(shí)，孔隙比e隨壓力增加變化明顯，當(dāng)壓力大于900 kPa時(shí)，孔隙比e隨壓力增大略有減小，但變化比之前平緩許多；隨污染土含重金屬量的增加，孔隙比e逐漸減小。綜合來看，污染土重金屬元素的含量大小對(duì)土體孔隙比e隨壓力變化影響很大。

(4)根據(jù)Mastsuoka-Nakai準(zhǔn)則與Mises流動(dòng)法則建立的污染土的本構(gòu)關(guān)系可以推斷重金屬污染土在各個(gè)圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。

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(責(zé)任編輯：陸俊杰)

Experimental Study on Mechanical Properties and Constitutive Relationship of Soils Contaminated with Heavy Metals (Pb2+、Zn2+、Cu2+)

CHANG Kuan, ZHANG Yu-guo, HUANG Tong, ZHANG Dan-bei, LV Wei-hao

(Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou 451191, China)

The soil contaminated with heavy metals (Pb2+、Zn2+、Cu2+) has the characteristics of high porosity ratio, high compressibility, low shear strength and poor bearing capacity which resulting in low strength, large deformation and inhomogeneous settlementof the foundation. Mechanical properties and constitutive relations of heavy metals contaminated soils are studied by indoor test method.The following conclusions can be drawn.Firstly cohesive force and internal friction angle of the remolded soils are significantly lower than those of the uncontaminated undisturbed soils.Secondly under the same confining pressurewith the increase of heavy metal content in contaminated the peak strength of contaminated soil decreased gradually.Last but not least the content of heavy metals in contaminated soils has a significant effect on the compressibility of soil, the higher the content, the stronger the compressibility.Based on the Matsuoka-Nakai criterion and the Mises flow law the constitutive relation of the contaminated soil considering the influence of multiple heavy metals is given.

heavy metal contaminated soil; mass ratio; indoor test; constitutive relation

2016-12-27

國(guó)家自然科學(xué)基金(U1204511)；河南省高等學(xué)校青年骨干教師資助計(jì)劃(2013GGJS-118)；固廢資源化利用與節(jié)能建材國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目(重金屬污染土物化特性和固化機(jī)理研究及其應(yīng)用)

萇寬(1991-)，男，河南滎陽人，碩士生，主要研究方向?yàn)檐浲恋鼗幚怼?/p>

1671-6906(2017)01-0050-05

TU411

A

10.3969/j.issn.1671-6906.2017.01.011