堿污染紅黏土抗剪強(qiáng)度特性室內(nèi)試驗(yàn)研究

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(1.貴州理工學(xué)院 資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴陽(yáng) 550003；2.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司， 貴陽(yáng) 550081；3.貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴陽(yáng) 550025)

堿污染紅黏土抗剪強(qiáng)度特性室內(nèi)試驗(yàn)研究

陳筠1，趙鵬2，何維鋒3，王麒3

(1.貴州理工學(xué)院 資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴陽(yáng) 550003；2.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司， 貴陽(yáng) 550081；3.貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴陽(yáng) 550025)

2017,34(12):94-100

為了研究堿污染紅黏土的抗剪強(qiáng)度特性，考慮堿液NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)和養(yǎng)護(hù)時(shí)間2個(gè)因素，通過(guò)室內(nèi)模擬試驗(yàn)，分析堿液與紅黏土的相互作用。試驗(yàn)結(jié)果表明：高NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)紅黏土的抗剪強(qiáng)度、黏聚力、內(nèi)摩擦角均增大，存在極大值，極大值出現(xiàn)的時(shí)間和堿液NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)有關(guān)；低NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)下紅黏土抗剪強(qiáng)度降低，存在極小值，黏聚力呈先增后減，內(nèi)摩擦角呈先減后增的變化趨勢(shì)。堿污染紅黏土抗剪強(qiáng)度特征為水化、離子吸附、陽(yáng)離子交換、堿液溶蝕和外力共同作用的結(jié)果。

堿污染；紅黏土；抗剪特性；堿土作用；室內(nèi)試驗(yàn)

1 研究背景

紅黏土是一種高含水量、高塑性、高孔隙比，較其他種類的土相比有較好的力學(xué)性質(zhì)的一類特殊土，貴州全省有大面積的紅黏土層，厚度從幾米到幾十米不等，對(duì)承載力要求不高的建筑物多以紅黏土為地基[1-2]。以貴州某鋁廠為例，該廠始建于1958年，廠區(qū)多個(gè)生產(chǎn)車間皆以紅黏土為地基。2015年廠區(qū)拆遷改建期間，發(fā)現(xiàn)因氧化鋁生產(chǎn)中的廢堿液的排放不當(dāng)，地基紅黏土受到嚴(yán)重污染，物理力學(xué)性質(zhì)有異于一般紅黏土。貴州作為國(guó)內(nèi)重要的鋁工業(yè)基地，據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)[3]，2015年全國(guó)氧化鋁產(chǎn)量5 897萬(wàn)t。貴州省為425萬(wàn)t，占7.21%，居全國(guó)第5位，鋁工業(yè)是貴州省重要的優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)，是全省工業(yè)重要經(jīng)濟(jì)支柱之一。因此，對(duì)貴州省鋁工業(yè)生產(chǎn)中的污染問(wèn)題不得不加以重視，與之相關(guān)的堿污染紅黏土的物理力學(xué)性質(zhì)研究顯得格外重要。

紅黏土受污染物作用后，土的土體結(jié)構(gòu)、礦物成分和化學(xué)成分都會(huì)發(fā)生改變，抗剪強(qiáng)度特性等也隨之變化。關(guān)于紅黏土的污染研究最早于20世紀(jì)80年代，主要針對(duì)具體的化工廠污染實(shí)例展開(kāi)研究。如孫重初[4]對(duì)昆明某廠硫銨工段紅黏土開(kāi)展了將紅黏土在不同濃度酸溶液中浸泡的試驗(yàn),結(jié)果表明：由于工業(yè)廢酸液侵入紅黏土地基中,紅黏土的物理力學(xué)性質(zhì)明顯改變，含水量、液性指數(shù)、含水比增加，可溶鹽增加，塑性降低，抗剪強(qiáng)度、壓縮模量降低，使地基工程性質(zhì)劣化。趙以忠[5]通過(guò)試驗(yàn)研究了酸、鹽等強(qiáng)電解質(zhì)對(duì)云南紅黏土的侵蝕作用機(jī)理及對(duì)紅黏土地基工程地質(zhì)特性的影響。李濤等[6]通過(guò)在土樣中加入不同濃度的乙酸和碳酸來(lái)模擬黏土襯墊的工程工況，并進(jìn)行了室內(nèi)土工試驗(yàn)和化學(xué)機(jī)理分析。顧展飛等[7]對(duì)浸泡于不同濃度的HCl,NaOH,Fe(NO3)3和Al(NO3)3溶液中的桂林紅黏土試樣進(jìn)行固結(jié)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示：在HCl和NaOH溶液中浸泡后紅黏土的壓縮模量都降低，壓縮系數(shù)都增大，且溶液濃度越大，壓縮模量降低或壓縮系數(shù)增大的幅度越大；浸泡在NaOH溶液中的紅黏土的壓縮模量比浸泡HCl溶液中的大，且對(duì)壓縮模量的影響作用均比Al(NO3)3溶液的大。趙穎文等[8]、湯連生[9]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)紅黏土經(jīng)不同脫濕階段或不同水溶液浸泡后，其脹縮性、液限和塑限等都會(huì)發(fā)生變化；任禮強(qiáng)等[10]、王毅[11]對(duì)昆明陽(yáng)宗海地區(qū)典型紅土進(jìn)行了考慮堿濃度、養(yǎng)護(hù)時(shí)間、干密度、含水率等影響因素的模擬污染試驗(yàn)，對(duì)酸堿污染條件下的紅土工程特性、宏微觀特征、受損化學(xué)成分等物理力學(xué)特性作了詳細(xì)分析，并取得一定成果。

目前對(duì)紅黏土污染的研究主要集中于用酸、鹽溶液浸泡紅土或拌合紅黏土，研究酸、鹽與紅黏土作用后物理力學(xué)性質(zhì)的變化，對(duì)堿污染紅黏土物理力學(xué)性質(zhì)研究少[12-13]，而對(duì)堿污染下的原狀紅黏土的抗剪強(qiáng)度特性研究更少。本文以氧化鋁生產(chǎn)中實(shí)際存在的堿污染為背景，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M現(xiàn)場(chǎng)污染，考慮堿液NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)和養(yǎng)護(hù)時(shí)間，研究堿污染紅黏土的抗剪強(qiáng)度特性。

2 試驗(yàn)方案及試驗(yàn)過(guò)程

2.1 土樣的選取

試驗(yàn)用土樣取自貴陽(yáng)市花溪區(qū)貴州大學(xué)Ⅱ期工程人工湖施工工地，該原狀紅黏土基本物理力學(xué)特性見(jiàn)表1，下伏地層為三疊系安順組中風(fēng)化白云巖，取土點(diǎn)的地質(zhì)條件和鋁廠相同，取土深度為3 m。以隨機(jī)場(chǎng)理論[14]相關(guān)距離原理為指導(dǎo)，取土?xí)r將土樣取樣位置盡量集中在一個(gè)水平面上且各個(gè)點(diǎn)相距較近，盡量避免土性參數(shù)的離散。另外所有土樣在現(xiàn)場(chǎng)取樣后及時(shí)包扎和保濕，將擾動(dòng)減小到最小，以便下一步試驗(yàn)開(kāi)展。

表1 原狀紅黏土基本物理力學(xué)特征

2.2 污染源的選擇及配制

考慮到氧化鋁生產(chǎn)實(shí)際中，普遍存在苛性堿液污染，以及便于溶液的配置，本文選取純NaOH(粉末狀) 作為污染源進(jìn)行分析。NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)>96%，碳酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤1.5%，雜質(zhì)如氯化物、硫酸鹽、總氮量、磷酸鹽、硅酸鹽的最高質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.005%，0.005%，0.001%，0.001%，0.01%；雜質(zhì)如鋁、鉀、鈣、鐵、重金屬(以Pb計(jì))的最高質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.002%，0.05%，0.01%，0.001%，0.003%。另外增加了蒸餾水的空白對(duì)比。

2.3 試驗(yàn)方案

將所取的原狀土樣浸泡在不同濃度的NaOH溶液中，其中每種溶液浸泡2個(gè)組,共10個(gè)試樣。對(duì)制備好的污染土樣進(jìn)行質(zhì)量、抗剪強(qiáng)度和含水率的測(cè)定，直剪儀器采用ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀，方法為固結(jié)慢剪。含水率的測(cè)定考慮烘干法加快堿土作用[13]，采取先風(fēng)干再烘干的方法獲取。

2.3.1 試驗(yàn)條件

考慮實(shí)際污染下的2個(gè)重要因素——堿液濃度和污染時(shí)間，再結(jié)合目前工程實(shí)例以及前人所做試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，NaOH溶液中的NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別設(shè)定為0.7%，3.8%，7.0%，14.0%，21.0%。養(yǎng)護(hù)時(shí)間按10，20，40，80 d控制，養(yǎng)護(hù)于溫度為20 ℃的恒溫水箱中。

2.3.2 模擬污染過(guò)程及試驗(yàn)的開(kāi)展

將現(xiàn)場(chǎng)取好的并用濾紙、透水石和耐腐蝕橡皮條捆扎好的土樣放入事先配好的600 mL的不同濃度NaOH溶液中,浸泡不同的時(shí)間，為減小溶液蒸發(fā)，所有浸泡容器用保鮮膜和膠帶封口后再置于恒溫水箱中養(yǎng)護(hù)。

按照擬定的方案，浸泡達(dá)到預(yù)定養(yǎng)護(hù)時(shí)間后，取出土樣稱量，進(jìn)行直剪試驗(yàn)和測(cè)定含水率。其中質(zhì)量的稱量有10個(gè)平行土樣，用于密度的計(jì)算。含水率的測(cè)定包括破壞環(huán)刀樣直接測(cè)定的2組數(shù)據(jù)和做完直剪試驗(yàn)后再參照文獻(xiàn)[15]對(duì)含水率的換算方法得的8組含水率，也是10組平行土樣。直剪試驗(yàn)通過(guò)2組試驗(yàn)確定的黏聚力和內(nèi)摩擦角，比較分析后，若無(wú)太大差異則取其平均值，若差異過(guò)大則增加試驗(yàn)次數(shù)后再取平均值。

3 堿污染紅黏土抗剪強(qiáng)度變化特性

3.1 堿液NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)和養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)污染紅黏土抗剪強(qiáng)度的影響

圖1給出了豎向壓力為300 kPa時(shí)堿污染紅黏土的抗剪強(qiáng)度τf隨溶液中NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)和養(yǎng)護(hù)時(shí)間t的變化情況。

圖1(a)表明：堿液中NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同時(shí)，隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)，低NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)下紅黏土的抗剪強(qiáng)度降低，存在極小值，極小值出現(xiàn)在10～20 d之間，20 d后強(qiáng)度緩慢恢復(fù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為10，20，40，80 d時(shí)抗剪強(qiáng)度分別降低39.13%，38.97%，13.70%，18.08%；高NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)下堿污染紅黏土抗剪強(qiáng)度增大，存在極大值，NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為3.8%，7.0%，14.0%，21.0%對(duì)應(yīng)的抗剪強(qiáng)度極大值出現(xiàn)的時(shí)間分別為40，20，10，50 d,說(shuō)明7%和14.0%堿液NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)，污染紅黏土的抗剪強(qiáng)度較快達(dá)到最大值，堿液NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)高或過(guò)低會(huì)使得抗剪強(qiáng)度達(dá)到極大值的時(shí)間相對(duì)滯后。

(a)不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間

(b) 不同NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)

圖1不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間、不同NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下堿污染紅黏土抗剪強(qiáng)度的變化情況

Fig.1Variationofshearstrengthofalkaline-pollutedredclaywithcuringtimeandlyeconcentration

圖1(b)則表明：同一養(yǎng)護(hù)時(shí)間下，低NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)，堿污染紅黏土的抗剪強(qiáng)度小于原狀無(wú)污染紅黏土；高NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)，堿污染紅黏土的抗剪強(qiáng)度大于無(wú)污染原狀紅黏土，強(qiáng)度增加的幅度隨NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加呈現(xiàn)先增后減的變化規(guī)律。其中NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%時(shí)，抗剪強(qiáng)度增幅較大(曲線斜率較大)，此后，隨著NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，對(duì)應(yīng)的抗剪強(qiáng)度增幅則逐步降低，在3.8%～14.0%之間存在一個(gè)最適NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)，最有利于堿污染紅黏土的抗剪強(qiáng)度的提高。

3.2 堿液NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)和養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)污染紅黏土黏聚力的影響

堿污染紅黏土的黏聚力cs隨堿液NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)和養(yǎng)護(hù)時(shí)間t的變化情況如圖2。

圖2不同NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)下堿污染紅黏土黏聚力隨時(shí)間變化情況

Fig.2Variationofcohesionofredclaypollutedbydifferentconcentrationsoflyeagainsttime

圖2表明：

(1)堿液NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同時(shí)，隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長(zhǎng)，堿污染紅黏土的黏聚力波動(dòng)變化，存在極大值，堿液NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.7%，3.8%，7.0%，14.0%,21.0%，極大值出現(xiàn)的時(shí)間分別為40,40,10,20,40 d，表明NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)高或過(guò)低會(huì)使極大值出現(xiàn)的時(shí)間相對(duì)滯后,堿液NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)適當(dāng)時(shí)，反應(yīng)較為激烈，利于極大值的較早出現(xiàn)。相比原狀無(wú)污染紅黏土，堿液NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)由低到高，出現(xiàn)極大值時(shí)黏聚力分別增加162.05%，390.4%，210.99%，168.36%，136.00%。堿液NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)高或過(guò)低都會(huì)使黏聚力增加的潛力受到限制，最適NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)在3.8%和14.0%之間。

(2)從總的變化趨勢(shì)來(lái)看黏聚力最終都會(huì)變小，甚至在80 d時(shí)21.0%的堿污染紅黏土黏聚力降到比原狀土黏聚力還要低57.91%，可以預(yù)見(jiàn)如果養(yǎng)護(hù)時(shí)間足夠長(zhǎng)，黏聚力會(huì)出現(xiàn)一個(gè)極小值。除此之外，堿液NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí)，如0.7%時(shí)，黏聚力變化是呈現(xiàn)先減后增、再減的變化趨勢(shì)，預(yù)設(shè)養(yǎng)護(hù)時(shí)間內(nèi)的極小值出現(xiàn)在10 d左右，黏聚力和原狀土相比降低25.28%。

3.3 堿液NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)和養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)污染紅黏土內(nèi)摩擦角的影響

圖3給出了堿污染紅黏土的內(nèi)摩擦角φs隨堿液NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)和養(yǎng)護(hù)時(shí)間t的變化情況。

圖3不同NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)堿污染紅黏土內(nèi)摩擦角隨時(shí)間變化的情況

Fig.3Variationofinternalfrictionangleofredclaypollutedbydifferentconcentrationsoflyeagainsttime

圖3表明：

(1)在10，20，40，80 d下0.7%堿液NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)的內(nèi)摩擦角分別減小了48.85%，46.99%，40.19%，20.63%；養(yǎng)護(hù)時(shí)間為80 d時(shí)，隨堿液NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，堿污染紅黏土的內(nèi)摩擦角增大；其他養(yǎng)護(hù)時(shí)間下，內(nèi)摩擦角波動(dòng)較大，和NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系不明顯。和原狀土比較，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為10 d時(shí)，NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.8%，7.0%，14.0%，21.0%和入母液的內(nèi)摩擦角分別增加了27.78%，14.23%，11.65%，26.47%，18.29%；養(yǎng)護(hù)時(shí)間為20 d時(shí)，內(nèi)摩擦角分別增加了18.06%，21.88%，3.22%，-1.21%，57.57%；養(yǎng)護(hù)時(shí)間為40 d時(shí)，NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.0%，14.0%，21.0%的內(nèi)摩擦角分別增加了23.80%，24.24%，4.83%，NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.8%的內(nèi)摩擦角則降低了8.83%。

(2)堿液NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同，隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間增長(zhǎng)，低NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)下堿污染紅黏土的內(nèi)摩擦角先減小后增加，預(yù)設(shè)時(shí)間內(nèi)存在極小值，極小值出現(xiàn)在10 d；高NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)下堿污染紅黏土的內(nèi)摩擦角增大，存在極大值，其中以堿液NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.0%的極大值特征明顯，出現(xiàn)的時(shí)間為20 d。NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為3.8%，14.0%,21.0%堿液的污染土，隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，內(nèi)摩擦角呈波動(dòng)變化，但極大值特征不明顯。

內(nèi)摩擦角和黏聚力是評(píng)價(jià)土的力學(xué)強(qiáng)度的2個(gè)重要參數(shù)，圖3中的內(nèi)摩擦角雖有一定的波動(dòng)，但與黏聚力有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系(圖2)，在內(nèi)摩擦角偏小時(shí)，黏聚力則比較大，而在黏聚力偏小時(shí)，內(nèi)摩擦角則很大，兩者呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系。依據(jù)摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則，2個(gè)參數(shù)的綜合作用下，最終堿污染紅黏土的抗剪強(qiáng)度得到提高。

4 污染紅黏土的堿土作用特征

土的抗剪強(qiáng)度特性與其物理特性息息相關(guān)，堿污染紅黏土在浸泡條件下模擬污染的試驗(yàn)中，隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的變化，堿土作用的進(jìn)行，土的質(zhì)量(堿液加入后)、含水率、密度和孔隙比等物理特性會(huì)產(chǎn)生變化。為此筆者在前人堿土作用研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合養(yǎng)護(hù)過(guò)程中對(duì)污染紅黏土的質(zhì)量、含水率、密度和孔隙比變化的跟蹤測(cè)定，分析堿污染紅黏土的堿土作用特征。

4.1 土的質(zhì)量、含水率、密度和孔隙比的變化

對(duì)試驗(yàn)中獲得的10組質(zhì)量、含水率、密度和孔隙比的數(shù)據(jù)，參照文獻(xiàn)[16]的土工數(shù)據(jù)處理辦法，設(shè)置置信水平為99.50%，采用t分布概率值淘汰范圍以外的異常點(diǎn)后取平均值，得到圖4中堿污染紅黏土的質(zhì)量(總質(zhì)量減去環(huán)刀質(zhì)量)、含水率、密度和孔隙比隨堿液NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)和養(yǎng)護(hù)時(shí)間t的變化情況。由圖4可得如下變化規(guī)律。

(1)堿污染紅黏土的質(zhì)量變化規(guī)律為：堿液NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同時(shí)，低NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，堿污染紅黏土的質(zhì)量隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長(zhǎng)，質(zhì)量緩慢減小，NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%的試樣則是先增加，后緩慢減小，減小的程度極低，說(shuō)明蒸餾水對(duì)土樣有輕微的溶解作用；高NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，土樣質(zhì)量隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長(zhǎng)而逐步增加，增加的速率0～10 d最快，此后增長(zhǎng)的速率逐步放緩。

圖4不同NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)堿污染紅黏土的質(zhì)量、含水率、密度和孔隙比隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的變化情況

Fig.4Variationsofmass,moisturecontent,densityandporosityofredclaypollutedbydifferentconcentrationsoflyeagainsttime

(2)堿污染紅黏土的含水率變化規(guī)律為：養(yǎng)護(hù)階段的前10 d，堿污染紅黏土的含水率急劇增加，增加的幅度總體隨堿液NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增大；養(yǎng)護(hù)時(shí)間達(dá)10 d后，堿液NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.7%和21.0%的土樣含水率增加幅度變緩，其中NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為21.0%的土樣含水率穩(wěn)定在45%左右，NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.7%的則在43%左右，NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.8%，7.0%，14.0%的則仍以相似的速率繼續(xù)增加，其中以NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.0%和14.0%的含水率增加得較快，80 d時(shí)，和NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%的相比，含水率分別增加了16.49%和18.86%。

(3)堿污染紅黏土的濕密度變化規(guī)律為：堿液NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同時(shí)，隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加濕密度先增后減，除堿液NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.8%和7.0%以外，其他NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)皆在10 d時(shí)達(dá)到極大值，NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.8%時(shí)極大值出現(xiàn)在40 d， NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.0%極大值出現(xiàn)在20 d； NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.0%和14.0%的土樣濕密度達(dá)到峰值后，降低的速率逐漸加大，到80 d時(shí)和浸泡蒸餾水的相比已分別降低3.65%和1.85%。

(4)堿污染紅黏土的干密度變化規(guī)律為：NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.0%和14.0%時(shí)，土樣的干密度先增加后減小，增加的速率和減小的速率最大,養(yǎng)護(hù)時(shí)間內(nèi)存在極大值，極大值出現(xiàn)的時(shí)間分別為20,10 d，另外NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.8%的土樣在預(yù)定養(yǎng)護(hù)時(shí)間內(nèi)呈波動(dòng)的緩慢增加；其他NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)堿液下，土樣干密度緩慢減小，NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為21.0%時(shí)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間內(nèi)存在一定的波動(dòng)。

(5)堿污染紅黏土的孔隙比變化規(guī)律為：低NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，孔隙比緩慢增加；高NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)下先減后增，NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)7.0%和14.0%最終孔隙比增加得較大，80 d時(shí)和原狀土相比孔隙比分別增加了23.18%和19.78%。NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.8%時(shí)則呈波動(dòng)的減小，但減小幅度不大。

4.2 堿土作用過(guò)程

紅黏土的物質(zhì)成分以黏土礦物為主，占紅黏土質(zhì)量的50%以上，以高嶺石、綠泥石和伊利石為主，也有埃洛石、蛭石和綠泥石/蛭石類混層礦物，黏土礦物形成的集聚體是紅黏土的基本微結(jié)構(gòu)力學(xué)單元。其次是Si，Al，F(xiàn)e的游離氧化物，游離氧化物在紅黏土中對(duì)基本微結(jié)構(gòu)力學(xué)單元起膠結(jié)作用，是紅黏土力學(xué)性質(zhì)的重要影響因素。紅黏土在與堿溶液的相互作用過(guò)程中，主要是通過(guò)黏土礦物、游離氧化物與堿液的相互作用來(lái)影響紅黏土的抗剪強(qiáng)度特性。以往對(duì)堿污染土堿土作用過(guò)程的研究主要以化學(xué)方程式的形式解釋堿土作用的過(guò)程，但朱春鵬等[17]也表示廢堿對(duì)土結(jié)構(gòu)尤其是對(duì)土中膠體的腐蝕不是幾個(gè)方程式所能解釋清楚的。鑒于以上各點(diǎn)，本文將主要結(jié)合堿液與黏土礦物和游離氧化物的作用，從5個(gè)方面分析堿污染紅黏土的堿土作用過(guò)程。

4.2.1 水化作用

水化作用是物質(zhì)與水發(fā)生化合的反應(yīng)，表現(xiàn)為水的軟化作用。根據(jù)對(duì)堿污染紅黏土的質(zhì)量、含水率、密度和孔隙比變化的跟蹤測(cè)定的結(jié)果可知：在無(wú)堿液作用的情況下，紅黏土的水化作用主要表現(xiàn)在水對(duì)紅黏土中的微量的易溶物質(zhì)的溶解和含水率的平緩增加，物質(zhì)的溶解和含水率的增加會(huì)增大紅黏土的孔隙比，同時(shí)土顆粒間的雙電層厚度增加，土顆粒間的距離增加，紅黏土的黏聚力和內(nèi)摩擦角減小，抗剪強(qiáng)度降低；有堿作用時(shí)，由于堿的離子交換吸附和溶蝕等作用，加強(qiáng)了水化作用的程度，隨著堿液NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，孔隙比增加的程度更大，水化作用對(duì)抗剪強(qiáng)度的負(fù)面作用也加強(qiáng)。

4.2.2 吸附作用

紅黏土中的黏土礦物，除少量非晶質(zhì)的水鋁英石外，大多呈片狀集合體的形式存在，組成尺寸相當(dāng)于粉粒大小的集聚體。集聚體內(nèi)部存在大量的微細(xì)孔隙，具有比表面積大、孔隙多和極性強(qiáng)等特征，因此具有較強(qiáng)的吸附性，稱其為黏土礦物的吸附作用。紅黏土在與堿液產(chǎn)生作用時(shí)，因吸附作用產(chǎn)生堿耗，參照油氣行業(yè)對(duì)黏土礦物與堿作用的研究成果[18]，紅黏土與堿液作用時(shí)，因黏土礦物的吸附作用，NaOH溶液中的Na+會(huì)被大量吸附到黏土礦物表面，這種吸附作用對(duì)堿消耗的速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于溶蝕作用消耗的速率，且隨著堿液NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加，鑒于此在單獨(dú)考慮吸附作用時(shí)，堿污染紅黏土的孔隙比隨NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而不斷降低，使土的抗剪強(qiáng)度、黏聚力和內(nèi)摩擦角明顯增大。堿液NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)低時(shí)，由于紅黏土中的黏土礦物對(duì)堿的吸附能力有限，加之水的軟化作用，并不具有高NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)堿液作用的相似特征。

4.2.3 陽(yáng)離子交換作用

離子交換現(xiàn)象是1850年發(fā)現(xiàn)的，它表明黏土礦物具有吸附某種陽(yáng)離子和陰離子且以可交換狀態(tài)保存這些離子的特性。在堿性環(huán)境下，這種離子交換作用表現(xiàn)為陽(yáng)離子交換作用，Na+在黏土礦物陽(yáng)離子交換作用過(guò)程中，活性并不是太強(qiáng)，但隨著堿液NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，活性會(huì)不斷加大，陽(yáng)離子交換容量(CEC)也會(huì)不斷增大，紅黏土中黏土礦物作為交換基，交換性陽(yáng)離子類型主要以鈣、鎂離子為主，主要發(fā)生式(1)的陽(yáng)離子交換反應(yīng)。

(1)

式中R為黏土礦物。

農(nóng)業(yè)科學(xué)在理解離子交換現(xiàn)象上作出了重大貢獻(xiàn)，研究了包括土壤酸性、堿性、脆弱性,固化穩(wěn)定鉀和氨的作用,土壤肥力及緩沖作用。從巖土工程的觀點(diǎn)來(lái)看,離子交換作用能夠使土壤-水體結(jié)構(gòu)由分散結(jié)構(gòu)變?yōu)樾跄Y(jié)構(gòu),反之亦然。就紅黏土而言，這種作用除了使土-水體結(jié)構(gòu)變?yōu)樾跄Y(jié)構(gòu)外，也改變了紅黏土土顆粒的雙電層結(jié)構(gòu)，使顆粒間的聯(lián)結(jié)增強(qiáng)，土的黏聚力和內(nèi)摩擦角增大。但這種作用一般進(jìn)行得比較迅速，且是可逆反應(yīng)，當(dāng)水化學(xué)環(huán)境改變時(shí)，反應(yīng)方向會(huì)發(fā)生改變，對(duì)抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)為正面的，但不穩(wěn)定，處于動(dòng)態(tài)變化之中。

4.2.4 溶蝕作用

紅黏土中的黏粒、膠體和游離氧化物都會(huì)與堿液發(fā)生反應(yīng)。常溫下，黏土礦物與堿液發(fā)生溶蝕的過(guò)程比較復(fù)雜也是極為緩慢的，堿液NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí)更是幾乎不反應(yīng)。NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時(shí)反應(yīng)速度加快，且隨NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加反應(yīng)愈加劇烈，主要表現(xiàn)為溶蝕礦物的重結(jié)晶，使土樣膨脹，土的孔隙比增大，土體結(jié)構(gòu)遭到破壞。

4.2.5 外力作用

外力作用指土的受力條件。就直剪試驗(yàn)而言，具體包括不固結(jié)不排水的快剪、固結(jié)不排水的固結(jié)快剪和固結(jié)排水的固結(jié)慢剪3大類?？旒魲l件下土的垂直壓力主要由孔隙水壓力承擔(dān)，土顆粒間的公共水化膜較厚，顆粒間距較大，黏聚力和內(nèi)摩擦角較低；固結(jié)快剪的條件下，固結(jié)使孔隙中的水充分排除，土的垂直壓力主要由土的骨架承擔(dān)，排水作用使土的孔隙比降低，土顆粒間的公共水化膜變薄，顆粒間距減小，土的黏聚力和內(nèi)摩擦角較快剪有所提高；固結(jié)慢剪則在固結(jié)快剪的基礎(chǔ)上增加了慢剪過(guò)程中的排水作用對(duì)黏聚力和內(nèi)摩擦角的貢獻(xiàn)，為3類受力條件下抗剪強(qiáng)度最大的。

以往對(duì)污染土開(kāi)展的直剪試驗(yàn)通常都是采用快剪法，得到的結(jié)論都是土體腐蝕后其抗剪強(qiáng)度變差，黏聚力cs和內(nèi)摩擦角φs同時(shí)減小[6,9，19]。文獻(xiàn)[20]則得出高濃度下污染的昆明紅土的黏聚力cs和內(nèi)摩擦角φs都增大，且隨時(shí)間的變化存在極大值，但未對(duì)直剪試驗(yàn)的具體方法做說(shuō)明。本文采用固結(jié)慢剪的試驗(yàn)方法作為土的受力條件。紅黏土在受到堿污染后，在多項(xiàng)作用的共同作用下，養(yǎng)護(hù)時(shí)間較短時(shí)，孔隙比降低，受力條件對(duì)其抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)不大，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，水化和溶蝕作用凸顯，土樣孔隙增大，公共水化膜增厚，微小顆粒含量增加。在固結(jié)排水的條件下，大孔隙被壓縮，公共水化膜變薄，顆粒與顆粒間的接觸面積增大，外力作用對(duì)土的抗剪強(qiáng)度貢獻(xiàn)很大，使堿污染紅黏土的黏聚力和內(nèi)摩擦角較無(wú)污染紅黏土大得多。以NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.0%和14.0%的堿液為例，在水化和溶蝕2種強(qiáng)烈負(fù)作用下，因固結(jié)排水的外力作用，使污染土仍具有較高的抗剪強(qiáng)度。

5 結(jié) 論

(1)堿液為高NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)紅黏土的抗剪強(qiáng)度、黏聚力、內(nèi)摩擦角指標(biāo)數(shù)值均增大，養(yǎng)護(hù)時(shí)間內(nèi)存在極大值，極大值的大小和養(yǎng)護(hù)時(shí)間和堿液NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)有關(guān)，NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)在3.8%～14.0%之間存在一個(gè)最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，使得指標(biāo)數(shù)值最大，且出現(xiàn)的時(shí)間最早。低NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)下紅黏土的抗剪強(qiáng)度降低，養(yǎng)護(hù)時(shí)間內(nèi)存在極小值，黏聚力則呈先增后減，內(nèi)摩擦角先減后增的變化趨勢(shì)。

(2)堿污染紅黏土的特殊的抗剪強(qiáng)度特性歸根于堿土作用過(guò)程中的5大作用，包括水化作用、離子吸附作用、陽(yáng)離子交換作用、堿液溶蝕作用和外力作用。其中各作用對(duì)抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)不同，水的軟化作用為負(fù)作用，堿液溶蝕作用則有正有負(fù)，但負(fù)大于正；離子吸附作用、陽(yáng)離子交換作用和外力作用則表現(xiàn)為正作用。各作用相互均衡和抵消，最終使得堿污染紅黏土的抗剪強(qiáng)度增加，黏聚力和內(nèi)摩擦角振蕩增加。在黏聚力極大值出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)和堿液與紅黏土作用的劇烈程度上存在一個(gè)在3.8%～14.0%之間的最佳NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)，該NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)下抗剪強(qiáng)度極大值會(huì)較早出現(xiàn)，堿土作用也最為劇烈。

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Laboratory Tests on Shear Strength Characteristics ofRed Clay Polluted by Alkali

CHEN Jun1, ZHAO Peng2, HE Wei-feng3, WANG Qi3

(1. School of Resources and Environmental Engineering, Guizhou Institute of Technology, Guiyang 550003, China; 2.Guizhou Transportation Planning Survey & Design Academe Co., Ltd., Guiyang 550081, China; 3.College of Resources and Environmental Engineering, Guizhou University, Guiyang 550025, China)

In the aim of researching the shear strength properties of red clay under the condition of alkali pollution, laboratory simulation test with varying lye concentration and curing time was conducted to analyze the interaction between lye and red clay. Results showed that the shear strength, cohesion, and internal friction angle of the alkali-polluted red clay were higher than those of undisturbed red clay when the alkali concentration was high to some extent. The time when shear strength, cohesion and internal friction angle reached maximum was affected by lye concentration. On the contrary, in the presence of low lye concentration, the shear strength of alkali-polluted red clay decreased until a minimum value; while cohesion increased and then decreased, and internal friction angle decreased and then increased. Shear strength behaviors of red clay in the presence of alkali pollution is the result of hydration, ion adsorption, cation exchange, dissolution and external forces.

alkali contaminated; red clay; shear properties; action between alkali and red clay; laboratory tests

10.11988/ckyyb.20160816

2016-08-11；

2016-09-06

貴州省科學(xué)技術(shù)基金項(xiàng)目(黔科合J字[2015]2033號(hào))；貴州大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目(研理工2016041)

陳 筠(1970-)，女，貴州貴陽(yáng)人,副教授，碩士，主要從事區(qū)域穩(wěn)定與巖體穩(wěn)定、巖溶工程地質(zhì)、地基與基礎(chǔ)工程、邊坡工程等方面的研究，(電話)0851-8362186(電子信箱)409272271@qq.com。

趙 鵬(1991-)，男，貴州畢節(jié)人,碩士研究生，主要從事環(huán)境巖土工程方面的研究，(電話)0851-8362186(電子信箱)1214338078@qq.com。

TU441

A

1001-5485(2017)12-0094-07

(編輯：占學(xué)軍)