重金屬污染粉質(zhì)黏土強(qiáng)度特性實(shí)驗(yàn)研究

張志亮　張嘉培+韓林+郭慧英

摘 要：將不同濃度CuCl2溶液與北京某地粉質(zhì)黏土拌和制成重塑土樣，對(duì)其進(jìn)行三軸固結(jié)不排水剪切實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，隨著Cu2+濃度的增大，土樣的軸向應(yīng)力差不斷降低，同時(shí)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)有效粘聚力與有效內(nèi)摩擦角也相應(yīng)降低。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果空間平面擬合，建立了以法向應(yīng)力、滲透吸力雙應(yīng)力變量描述的強(qiáng)度模型。

關(guān)鍵詞：污染土體；抗剪強(qiáng)度；滲透吸力；強(qiáng)度模型

0 引言

隨著工業(yè)化進(jìn)程的加速發(fā)展，建設(shè)工程中遇到了越來(lái)越多的污染土問(wèn)題，重金屬污染土是其中之一。重金屬離子在侵蝕土體的過(guò)程中會(huì)進(jìn)行長(zhǎng)期的積累、沉淀和遷移等行為，這些行為會(huì)導(dǎo)致土體的物理結(jié)構(gòu)與化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，進(jìn)而影響土體的強(qiáng)度和變形特性[1，2，3]。對(duì)此，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者做了研究，并取得了一些成果。Arthur 等[4]的研究結(jié)果表明，重金屬銅離子濃度的變化會(huì)導(dǎo)致土體的物理特性發(fā)生改變。陸海軍等[5]從微觀結(jié)構(gòu)試驗(yàn)分析得到鉛污染黏土相較于原狀土孔隙率增大，隨含鉛污染物濃度增大，污染黏土的抗剪強(qiáng)度降低，粘聚力與內(nèi)摩擦角分別減小。莫菲蘋等[1]針對(duì)粗顆粒土做了三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)并與直剪試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明同圍壓作用下，隨著重金屬離子濃度的增大，土體抗剪強(qiáng)度不斷降低，且不同離子濃度作用下抗剪強(qiáng)度與法向應(yīng)力關(guān)系曲線近似一致。P.Witteveend等[6]在固結(jié)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)滲透吸力對(duì)土體變形有重要影響，隨著滲透吸力增大，土體變形增大. Pineda[7]通過(guò)直剪試驗(yàn)研究孔隙液濃度對(duì)軟黏土強(qiáng)度影響規(guī)律，并分析抗剪強(qiáng)度與孔隙液電導(dǎo)率之間的關(guān)系，結(jié)果表明隨著孔隙液濃度增大，電導(dǎo)率增大，軟黏土的強(qiáng)度提高。即在高濃度孔隙液作用下，土粒變得密實(shí)，從而強(qiáng)度提高。 郭慧英等[8]通過(guò)理論推導(dǎo)證明了滲透吸力可以作為控制土體力學(xué)性狀的獨(dú)立應(yīng)力狀態(tài)變量，并進(jìn)行了室內(nèi)三軸固結(jié)不排水剪切實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明隨土樣中離子濃度增大，有效粘聚力和內(nèi)摩擦角均降低。

雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)污染土強(qiáng)度已經(jīng)做了一些研究，但多采用直剪試驗(yàn)，不能真實(shí)反映土體破壞狀態(tài)和過(guò)程。本文通過(guò)不同濃度的CuCl2溶液侵蝕北京某施工場(chǎng)地粉質(zhì)黏土制得試樣，開展室內(nèi)三軸固結(jié)不排水實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后測(cè)定孔隙液電導(dǎo)率，通過(guò)孔隙液電導(dǎo)率計(jì)算滲透吸力。并通過(guò)分析剪切實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了滲透吸力和法向應(yīng)力共同作用下的雙應(yīng)力變量擴(kuò)展摩爾-庫(kù)侖強(qiáng)度模型。

1 北京某施工場(chǎng)地粉質(zhì)黏土三軸強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)土取自北京某施工場(chǎng)地粉質(zhì)黏土，其基本物理性質(zhì)如下：

1.2 土樣制備

采用室內(nèi)輕型擊實(shí)標(biāo)準(zhǔn)制樣，試樣直徑為50mm，高度為100mm，具體操作步驟如下：

（1）將2500g土樣鋪在塑料薄膜上，并將500g溶液均勻噴灑在土樣上，充分?jǐn)嚢璨⒃诒ｕr袋靜置48小時(shí)使水分均勻。

（2）土樣分四層擊實(shí)，每層土樣重量為95g，高度為2.5厘米，將層與層處刮毛。

（3）將土樣置于抽氣飽和缸進(jìn)行飽和，以一個(gè)大氣壓的壓力連續(xù)進(jìn)行抽氣兩小時(shí)以上，并完全浸泡在水中10個(gè)小時(shí)以上。之后將土樣通過(guò)三軸儀施加反壓進(jìn)一步飽和，至B，認(rèn)為土樣完全飽和。

1.3 三軸固結(jié)不排水剪切實(shí)驗(yàn)：

試驗(yàn)儀器為污染土柔性壁三軸儀。對(duì)不同濃度CuCl2溶液侵蝕過(guò)的土樣分別施加100kPa、200kPa、300kPa、400kPa圍壓，對(duì)其進(jìn)行固結(jié)不排水剪切強(qiáng)度試驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 各離子濃度作用下應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線

由圖1可知，隨著軸向應(yīng)變?cè)龃?，其?yīng)力也逐漸增大，剛開始呈線性增大，增大到一定程度開始變緩，發(fā)生塑性變形，應(yīng)力應(yīng)變呈硬化型。在各個(gè)圍壓下，隨著Cu2+濃度不斷增加，土樣的軸向應(yīng)力差出現(xiàn)不同程度的降低。即重金屬離子的侵入，在某種程度上改變了土顆粒原有的結(jié)構(gòu)排列，使土樣抗剪強(qiáng)度降低，且隨著離子濃度增大，其改變量減小。此結(jié)果可能與黏土顆粒比表面積有關(guān)。在黏土顆粒比表面積一定時(shí)，當(dāng)離子濃度增大到飽和，其對(duì)黏土顆粒結(jié)構(gòu)排列的侵蝕和弱化達(dá)到極限，此時(shí)即使離子濃度繼續(xù)增加，土體抗剪強(qiáng)度也不再發(fā)生變化。

2.2 極限強(qiáng)度與最大圍壓關(guān)系曲線

由圖2可以看出，土體極限應(yīng)力隨著離子濃度增大而減小，因此在工程實(shí)踐中應(yīng)該考慮重金屬離子侵蝕對(duì)土體產(chǎn)生的弱化作用。在15g/L、20g/L離子濃度下，土樣的極限應(yīng)力大致相同，則由于土體自身結(jié)構(gòu)所限，隨著離子濃度增大，土體強(qiáng)度并不會(huì)持續(xù)降低，而是存在一個(gè)極限值。

2.3 不同侵蝕離子濃度作用下摩爾強(qiáng)度包線及抗剪強(qiáng)度指標(biāo)變化曲線

由圖4可知，隨著離子濃度增大，有效抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c′cu、φ′cu均降低。其中離子濃度的變化對(duì)土樣的粘聚力影響較大，隨著CuCl2濃度從5g/L增長(zhǎng)到20g/L，c′cu由51.8kPa降低到40.1kPa，φ′cu由15.6。降低到14.0。另外，金屬離子濃度從15 g/L增大到20g/L時(shí)，粘聚力改變量較小，此時(shí)抗剪強(qiáng)度變化量也較小。

粘性土的粘聚力由其黏粒間的各種物理化學(xué)力所決定，包括庫(kù)侖力，范德華力，雙電層排斥力等等。一方面重金屬離子的侵入改變了土顆粒間原有的相互作用，破壞了黏土原有的膠結(jié)結(jié)構(gòu)，致使其膠結(jié)強(qiáng)度下降。另一方面，當(dāng)重金屬離子侵入時(shí)，孔隙液中陽(yáng)離子Cu2+會(huì)被吸附到土顆粒上并置換同等化合價(jià)的極性水分子，平衡黏土表面負(fù)電位，使得黏土擴(kuò)散雙電層厚度減小，結(jié)合水膜變薄，顆粒間排斥力減小，顆粒間易于移動(dòng)，導(dǎo)致黏聚力降低。另外，由于黏土顆粒所帶電荷量是一定的，則重金屬離子與結(jié)合水膜中的水分子的最大交換量也是定值，即隨著重金屬離子濃度增大達(dá)到飽和后，結(jié)合水膜厚度保持不變，土樣宏觀粘聚力趨于定值。

3 基于滲透吸力的強(qiáng)度模型

3.1抗剪強(qiáng)度與滲透吸力間關(guān)系曲線endprint

三軸儀施加圍壓擠出土樣孔隙液，應(yīng)用電導(dǎo)儀測(cè)試其電導(dǎo)率并計(jì)算相應(yīng)的滲透吸力[9]。滲透吸力與電導(dǎo)率之間的關(guān)系式為：

π=0.0191EC1.074 （1）

π--滲透吸力，單位kPa，

EC--孔隙流體電導(dǎo)率，單位μs/cm。

通過(guò)計(jì)算得到對(duì)應(yīng)土體的滲透吸力：

由圖5可知，在相同圍壓下，滲透吸力對(duì)于土體抗剪強(qiáng)度影響一致，即隨著滲透吸力增加，抗剪強(qiáng)度降低。不同圍壓下，各條曲線大致平行，也證明了滲透吸力可以作為有別于力學(xué)荷載的新因素。滲透吸力由孔隙液濃度引起，對(duì)土體的強(qiáng)度有著不可忽視的弱化作用。現(xiàn)今污染土問(wèn)題日益嚴(yán)重，則基于滲透吸力的化力耦合作用應(yīng)引起高度重視。

3.2 雙應(yīng)力變量描述的擴(kuò)展摩爾庫(kù)倫強(qiáng)度模型

根據(jù)圖6，引入滲透吸力作為應(yīng)力變量，得到雙應(yīng)力變量描述的強(qiáng)度公式為：

τ=c′+σtanφp-πtanφc （2）

其中σ為試樣所受法向應(yīng)力，π為滲透吸力，φp為與凈法向應(yīng)力對(duì)應(yīng)的內(nèi)摩擦角，φc為與滲透吸力對(duì)應(yīng)的內(nèi)摩擦角，tanφ、tanφc為擬合參數(shù)，擬合公式方差R2=0.9909。

根據(jù)本文三軸試驗(yàn)結(jié)果，具體強(qiáng)度表達(dá)式為：

τ=51+σtan14.8°-πtan3° （3）

4 結(jié)論

（1）隨著重金屬離子濃度增加，孔隙液電導(dǎo)率增加，滲透吸力增加，土體的抗剪強(qiáng)度降低，強(qiáng)度指標(biāo)粘聚力與內(nèi)摩擦角分別降低。

（2）重金屬離子的侵蝕破壞了土顆粒間原有的膠結(jié)作用，并使雙電層厚度變薄，顆粒間排斥力減小，使黏土粘聚力減小。

（3）建立了基于法向應(yīng)力和滲透吸力的雙應(yīng)力變量的摩爾-庫(kù)倫強(qiáng)度模型：

τ=c′+σtanφp-πtanφc

所建模型在宏觀上能夠定量揭示重金屬離子濃度對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的影響，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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