酸雨入滲對(duì)膨脹土抗剪強(qiáng)度的影響及微觀試驗(yàn)研究

常錦，楊和平，肖杰,，毛瑞，童超

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410114；2.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 道路災(zāi)變防治及交通安全教育部工程研究中心，湖南 長(zhǎng)沙，410114;3.中鐵科研院有限公司，四川 成都，611731)

降雨入滲引起邊坡土體基質(zhì)吸力減小并產(chǎn)生正的孔隙水壓力是邊坡滑坍的重要因素，然而，酸雨入滲的影響更為顯著，其可改變土體的礦物與化學(xué)成分及微結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致滑坡體宏觀性能發(fā)生改變，進(jìn)而引起邊坡坍滑[1-2]。近年來(lái)，水化學(xué)環(huán)境對(duì)土體物理力學(xué)性質(zhì)影響效應(yīng)已成為巖土工程的研究熱點(diǎn)。韓鐵林等[3-6]開(kāi)展了酸性環(huán)境下砂巖抗剪強(qiáng)度劣化性能的試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)酸性溶液使砂巖抗剪強(qiáng)度的劣化損傷加劇。PRASAD等[7-8]研究了硫酸對(duì)黑棉土膨脹性的影響，發(fā)現(xiàn)硫酸侵蝕使土體的部分礦物質(zhì)溶蝕，導(dǎo)致其膨脹性增大。GRATCHEV等[9]發(fā)現(xiàn)酸會(huì)溶蝕原狀土中的膠結(jié)物CaCO3，導(dǎo)致其黏聚力下降，且酸濃度越大，黏聚力下降越明顯。顧劍云等[10]發(fā)現(xiàn)重塑砂質(zhì)粉土的黏聚力隨酸作用時(shí)間延長(zhǎng)逐漸衰減并趨于穩(wěn)定，內(nèi)摩擦角變化小，抗剪強(qiáng)度的衰減可誘發(fā)滑坡，建議加強(qiáng)降酸雨型滑坡的研究。趙宇等[11]研究了黏土抗剪強(qiáng)度演化與酸雨引發(fā)滑坡的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)滑面蒙脫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯增高，黏土礦物成分從含部分伊利石和伊/蒙混層礦物演化成含蒙脫石為主，加速了酸雨誘發(fā)滑坡，SHUZUI[12]也得出了類(lèi)似結(jié)論。魏偉[13]發(fā)現(xiàn)酸性環(huán)境可溶蝕膨脹土內(nèi)部的可溶性鹽及有機(jī)物質(zhì)，改變其微觀結(jié)構(gòu)，且酸性環(huán)境越強(qiáng)，其黏聚力及內(nèi)摩擦角均減小，但未考慮大氣干濕循環(huán)作用對(duì)邊坡淺層不同深度土體的影響及其實(shí)際受力狀態(tài)。綜上可知，酸性環(huán)境對(duì)土體物理力學(xué)性質(zhì)影響顯著，酸雨區(qū)邊坡滑坍不僅受土巖結(jié)構(gòu)及基本性質(zhì)影響，而且與所處的水化學(xué)環(huán)境密切相關(guān)。當(dāng)前，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)快速發(fā)展，煤和化石燃料等的用量急劇增加，我國(guó)大氣環(huán)境問(wèn)題日趨嚴(yán)重，2003—2015年廣西全區(qū)降雨中，百色地區(qū)pH最小時(shí)為2.32，且該地區(qū)的酸雨比例達(dá)67.2%[14-15]。現(xiàn)行公路土工試驗(yàn)規(guī)程(JTG E40)并沒(méi)考慮 pH的影響，規(guī)定膨脹土基本性質(zhì)試驗(yàn)均在中性水環(huán)境中進(jìn)行，測(cè)試結(jié)果與酸雨環(huán)境下的實(shí)際情況不符。目前尚無(wú)涉及酸雨入滲與干濕循環(huán)共同作用對(duì)膨脹土抗剪強(qiáng)度衰減影響的研究，而研究此條件下其抗剪強(qiáng)度衰減特性對(duì)邊坡穩(wěn)定分析尤為重要，為此，本文作者以廣西酸雨重災(zāi)區(qū)的百色原狀膨脹土為研究對(duì)象，模擬酸雨入滲條件開(kāi)展飽和慢剪試驗(yàn)，探究酸雨入滲對(duì)膨脹土抗剪強(qiáng)度的影響，并采用X線(xiàn)衍射儀(XRD)和掃描電子顯微鏡(SEM)開(kāi)展酸雨入滲作用后試樣的微結(jié)構(gòu)及礦物成分變化的試驗(yàn)研究，闡明其對(duì)膨脹土強(qiáng)度特性影響的微觀作用機(jī)理。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)溶液制備

根據(jù)我國(guó)酸雨成分的構(gòu)成特點(diǎn)[16]，參考已有模擬酸雨條件相關(guān)研究成果[5-6,13]，結(jié)合百色地區(qū)酸雨統(tǒng)計(jì)情況[14-15]，采用pH =7的蒸餾水中性溶液，選用稀硫酸和稀硝酸按物質(zhì)的量比為 3:1分別配制pH=3和pH=5的酸性溶液。

1.2 試驗(yàn)用土

選取典型風(fēng)化殘積型百色膨脹土，取樣深約6 m，基本土性指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 百色膨脹土的基本性質(zhì)參數(shù)Table 1 Characteristic indexes of expansive soil

1.3 試驗(yàn)方法

1) 干濕循環(huán)方案。膨脹土邊坡發(fā)生淺層坍滑時(shí)，其滑裂面受到上部土體的自重(豎向)作用力通常小于50 kPa[17]；本次干濕循環(huán)過(guò)程中均施加壓力為6.25，12.50，25.00和50.00 kPa的上覆荷載，以模擬大氣干濕循環(huán)作用實(shí)際邊坡在不同深度下土體的受力狀態(tài)。加荷裝置如圖1所示。

圖1 加荷裝置Fig.1 Loading device

圖1中，護(hù)環(huán)裝置的作用是為限制試樣吸濕膨脹后高出環(huán)刀部分土樣的側(cè)向變形。吸濕過(guò)程為：將切取的百色原狀環(huán)刀樣連同加荷裝置一并放入盛有不同pH溶液的托盤(pán)中靜置吸濕7 d，使其充分吸濕飽和。脫濕過(guò)程為：采用由真空泵、飽和桶和抽真空管組成的抽真空裝置(見(jiàn)圖2)將托盤(pán)中溶液抽干，隨后在50 ℃恒溫鼓風(fēng)干燥箱中進(jìn)行脫濕。在脫濕過(guò)程中，每間隔一段時(shí)間快速測(cè)量試樣的質(zhì)量，以減小卸荷和加荷對(duì)試樣的擾動(dòng)。試驗(yàn)時(shí)，考慮最不利條件，先將飽水試樣脫濕至含水率13%(誤差小于0.3%)，即完成1次干濕循環(huán)，如此反復(fù)，直至預(yù)定干濕循環(huán)次數(shù)為止。

圖2 抽真空裝置Fig.2 Vacuuming device

2) 試驗(yàn)方案。采用四聯(lián)電動(dòng)直剪儀開(kāi)展原狀土樣飽和慢剪試驗(yàn)，試驗(yàn)上覆壓力設(shè)為6.25，12.50，25.00和50.00 kPa，以研究實(shí)際邊坡淺層土體經(jīng)不同酸性干濕循環(huán)作用后強(qiáng)度的衰減規(guī)律，剪切速率為0.02 mm/min?？紤]到干濕循環(huán)周期偏長(zhǎng)，本次試驗(yàn)選取0，2，4和6次干濕循環(huán)試樣進(jìn)行飽和慢剪試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

在不同pH酸液及干濕循環(huán)作用次數(shù)n下，試樣峰值抗剪強(qiáng)度τ的實(shí)測(cè)結(jié)果如表2所示。

2.1 酸雨入滲作用對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響

根據(jù)表2所示試驗(yàn)結(jié)果，繪制干濕循環(huán)條件不同上覆壓力作用試樣峰值抗剪強(qiáng)度τ隨酸液pH的變化關(guān)系曲線(xiàn)，見(jiàn)圖3。

從表2和圖3可知：隨酸液pH減小，不同干濕循環(huán)次數(shù)各上覆壓力作用的試樣峰值抗剪強(qiáng)度τ均逐步減??；當(dāng)n=0，酸液pH由7降至5和3時(shí)，6.25 kPa上覆壓力作用試樣τ由22.01 kPa分別降至20.01 kPa和17.98 kPa，降幅分別為9.1%和18.3%；當(dāng)酸液pH=3，上覆壓力由6.25 kPa增至50.00 kPa時(shí)，前者τ降幅達(dá)后者的4.14倍。

在不同pH酸液作用下，試樣τ均隨n增大不斷減小，且干濕循環(huán)作用2次的降幅最大，而后降幅逐漸減緩，并在作用6次后基本達(dá)到穩(wěn)定，這與楊和平等[18]的研究規(guī)律相似；在6.25 kPa上覆壓力作用下，當(dāng)酸液pH為5和3時(shí)，試樣的峰值抗剪強(qiáng)度τ比pH=7時(shí)分別下降14.45%和26.01%，且pH越小，τ隨n增加下降的速度越快。究其原因可能是土樣內(nèi)部礦物成分表面帶有一定量負(fù)電荷，能吸附溶液中的氫離子，當(dāng)浸泡液酸性在一定范圍內(nèi)增強(qiáng)時(shí)，溶液中氫離子溶度增大，黏土礦物表面吸附的氫離子增加并置換出其中的高價(jià)陽(yáng)離子，引起電位升高，黏土顆粒間距變大，內(nèi)部結(jié)構(gòu)趨于分散，層間作用力下降[13,19-20]；此外，膨脹土吸濕體積膨脹受阻時(shí)產(chǎn)生膨脹力，當(dāng)施加的上覆壓力小于膨脹力時(shí)，土樣發(fā)生體脹，土顆粒間間隙變大，孔隙率變大[18]，這增大了顆粒與酸液的接觸面積，使其抗剪強(qiáng)度在酸雨入滲作用下降幅更大；干濕循環(huán)次數(shù)n增加，試樣裂隙不斷發(fā)育，為酸雨入滲提供了便捷通道，土水化學(xué)反應(yīng)更充分。劉華強(qiáng)等[21]指出干濕循環(huán)過(guò)程中膨脹土裂隙發(fā)育呈先快后慢的趨勢(shì)，這可能是導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度在2次循環(huán)時(shí)衰減幅度普遍較大的影響因素。

表2 抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of shear strength tests

圖3 酸雨入滲作用下試樣抗剪強(qiáng)度的變化Fig.3 Changes of shear strength of specimens under acid rain infiltration

2.2 酸雨入滲作用對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響

采用直線(xiàn)法擬合表2中試驗(yàn)結(jié)果，得到不同 pH的酸液作用抗剪強(qiáng)度參數(shù)黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ隨干濕循環(huán)作用次數(shù)n的變化關(guān)系，分別如圖4和圖5所示。

圖4 黏聚力c隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化Fig.4 Relationship between cohesion and dry-wet cycles

圖5 內(nèi)摩擦角φ隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化Fig.5 Relationship between inner friction angle and dry-wet cycles

從圖4可知：在不同pH的酸液環(huán)境下，試樣c均隨n增加而減小，且pH越小，下降幅度越大；干濕循環(huán)作用2次的降幅最大，當(dāng)n=2時(shí)，pH為5和3的酸液作用試樣c分別為10.01 kPa和8.12 kPa，分別比pH=7時(shí)的11.80 kPa下降15.2%和31.2%；當(dāng)n增至6次時(shí)，在3種不同pH的酸液環(huán)境下，試樣的c基本穩(wěn)定。從圖5可見(jiàn)：隨n增加，不同pH的酸液作用試樣φ均下降，前2次干濕循環(huán)作用的降幅大，隨后即趨于穩(wěn)定，但pH越小，降幅越大。這表明隨n增加，膨脹土抗剪強(qiáng)度的降低主要表現(xiàn)為黏聚力降低，這與文獻(xiàn)[22]中的結(jié)論相一致；酸雨入滲作用使土體黏聚力進(jìn)一步下降，且干濕循環(huán)作用將加劇c衰減，肖杰等[23]認(rèn)為正是由于c急劇降低，導(dǎo)致膨脹土塹坡的淺層坍滑破壞，對(duì)于實(shí)際膨脹土邊坡，酸雨入滲作用可能加速其發(fā)生坍滑破壞。

2.3 酸雨入滲作用對(duì)抗剪強(qiáng)度衰減規(guī)律

為定量分析酸雨入滲作用下，不同干濕循環(huán)次數(shù)作用下百色原狀膨脹土的抗剪強(qiáng)度衰減規(guī)律，給出強(qiáng)度絕對(duì)衰減率Δ(n,u,k)的定義：

式中：n為干濕循環(huán)次數(shù)；u為pH；k為施剪時(shí)試樣所受上覆壓力；τ(n,u,k)為試樣在干濕循環(huán)次數(shù)為n、酸液pH=u、上覆壓力為k時(shí)的抗剪強(qiáng)度。

根據(jù)式(1)及表2，計(jì)算得到不同 pH的酸液環(huán)境不同上覆壓力(6.25，12.50，25.00和50.00 kPa)作用試樣的絕對(duì)衰減率與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線(xiàn)，如圖6所示。

從圖6可知：試樣抗剪強(qiáng)度的絕對(duì)衰減率Δ隨酸液pH減小而逐步增大；當(dāng)n一定時(shí)，在不同pH的酸液作用下，Δ均隨上覆壓力增大而減小，這說(shuō)明上覆壓力對(duì)試樣的強(qiáng)度衰減起到了抑制作用；當(dāng)上覆壓力一定時(shí)，Δ隨n的增加而漸增，每2次干濕循環(huán)后的衰減幅度逐次變?。划?dāng)n=2時(shí)，pH為3和7的溶液在 6.25 kPa上覆壓力作用下，Δ分別為 57.1%和40.2%，當(dāng)上覆壓力增至50 kPa時(shí)，Δ分別降至29.1%和 20.3%。這說(shuō)明酸雨入滲作用加劇了膨脹土強(qiáng)度的衰減，對(duì)實(shí)際膨脹土邊坡工程而言，酸雨入滲作用對(duì)邊坡淺層土體的強(qiáng)度衰減最明顯，該影響隨土層深度的增加而逐漸減弱。

3 酸雨入滲作用下膨脹土的微觀試驗(yàn)研究

取不同pH酸液(pH為3，5和7)環(huán)境下經(jīng)干濕循環(huán)次數(shù)n為1和4次作用試樣開(kāi)展XRD試驗(yàn)及SEM掃描電鏡試驗(yàn)。

圖6 酸雨入滲作用下的絕對(duì)衰減率Fig.6 Absolute attenuation rates of acid rain infiltration

3.1 酸雨入滲作用下膨脹土的XRD試驗(yàn)

不同pH酸液作用下試樣X(jué)RD圖譜如圖7所示。由圖7可知：當(dāng)n=1時(shí)，酸液pH減小，蒙脫石、伊利石、高嶺石等黏土礦物特征峰強(qiáng)度均出現(xiàn)不同程度的衰減，且pH越小，衰減越劇烈；當(dāng)n=4時(shí)，pH為7的黏土礦物特征峰強(qiáng)度無(wú)明顯變化，而pH為3的黏土礦物特征峰強(qiáng)度繼續(xù)下降；與pH為7的溶液相比，pH為3時(shí)的蒙脫石、伊利石和高嶺石等黏土礦物特征峰強(qiáng)度分別降低42%，51%和58%。這表明酸雨入滲作用使土體中游離SiO2，Al2O3，K2O，MgO和 CaO等膠結(jié)物出現(xiàn)不同程度溶蝕和淋濾，且酸液pH越小，該效應(yīng)越明顯，在干濕循環(huán)作用下，土體反復(fù)脹縮，促進(jìn)了微孔隙的發(fā)育，為酸雨入滲創(chuàng)造了更有利的條件，導(dǎo)致土顆粒與酸液間的水土化學(xué)作用更劇烈。

3.2 酸雨入滲作用下膨脹土的SEM試驗(yàn)

不同pH的酸液作用下試樣SEM試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

從圖8可見(jiàn)：當(dāng)n=1時(shí)，隨酸液pH減小，土體微孔隙加速發(fā)育，微孔隙尺寸和數(shù)目均增加，整體結(jié)構(gòu)漸趨分散；隨干濕循環(huán)次數(shù)增加(n=4)，不同pH的酸液作用下土體微結(jié)構(gòu)體積均增大，微結(jié)構(gòu)排列趨于紊亂，且 pH越小，微結(jié)構(gòu)單元更松散，孔隙分布也越廣泛。

4 討論

廖世文等[24-25]采用化學(xué)分析法對(duì)湖北勛縣和陜西安康膨脹土的膠結(jié)作用進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)游離氧化鐵和碳酸鹽等膠結(jié)物的存在使土體結(jié)構(gòu)性增強(qiáng)，且這種結(jié)構(gòu)強(qiáng)度屬于物理化學(xué)聯(lián)結(jié)形成的不可逆的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度；一旦溶液介質(zhì)條件發(fā)生變化，膠結(jié)物的理化性質(zhì)改變，該結(jié)構(gòu)強(qiáng)度容易喪失[26]。劉劍等[18]發(fā)現(xiàn) HNO3會(huì)溶蝕蒙脫石，使膠結(jié)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，導(dǎo)致重塑土黏聚力下降。

圖7 不同pH時(shí)酸液作用的XRD圖譜Fig.7 XRD patterns under different pH acidic solutions

圖8 不同pH的酸液作用下土樣微結(jié)構(gòu)(×5 000)Fig.8 Microstructures of soil samples eroded by different pH solutions

上述研究均強(qiáng)調(diào)了膨脹土中膠結(jié)物對(duì)土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的重要作用。此外，WANG等[26]從黏土礦物表面電荷的變化探究了酸性環(huán)境對(duì)高嶺土抗剪強(qiáng)度衰減的影響，認(rèn)為酸性環(huán)境主要影響和攻擊的對(duì)象是邊緣電荷而不是基礎(chǔ)表面電荷。魏偉等[13,18]認(rèn)為酸性環(huán)境下離子交換作用引起黏土礦物表面電位升高，致使土水界面間擴(kuò)散層及水化膜變厚，層間作用力下降，是導(dǎo)致土體抗剪強(qiáng)度下降的主要因素。

根據(jù)酸雨入滲作用下百色原狀膨脹土抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)酸雨入滲作用使得土體抗剪強(qiáng)度峰值、黏聚力及內(nèi)摩擦角出現(xiàn)不同程度衰減，且該衰減趨勢(shì)隨入滲酸雨pH減小而進(jìn)一步增強(qiáng)。然而，膨脹土的黏聚力由結(jié)構(gòu)連接力及吸附力 2部分構(gòu)成，從 XRD結(jié)果(圖7)發(fā)現(xiàn)受酸雨入滲作用土中膠結(jié)物發(fā)生溶蝕和淋濾，這可能是導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)性降低的原因；同時(shí)，從SEM圖(圖8)中觀察到隨酸雨入滲作用土體微孔隙體積和數(shù)目的增大，微結(jié)構(gòu)單元變得分散，這將導(dǎo)致膨脹土土粒間結(jié)合水膜的厚度與土粒間距變大，土粒間吸附力降低，宏觀上表現(xiàn)為土體黏聚力下降，抗剪強(qiáng)度出現(xiàn)衰減。在酸雨入滲作用下，膨脹土表面礦物電荷變化及離子交換作用等因素對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的影響有待進(jìn)一步研究。

5 結(jié)論

1) 酸液pH越小，百色原狀膨脹土抗剪強(qiáng)度衰減越顯著，干濕循環(huán)作用前2次的衰減最大，且在較低上覆壓力作用下，衰減作用更明顯。

2) 隨干濕循環(huán)次數(shù)n增加，在不同pH的酸液環(huán)境下黏聚力c均減小，且pH越小，黏聚力降幅越大，當(dāng)n增至6次時(shí)，黏聚力c基本趨于穩(wěn)定，而摩擦角φ在前2次干濕循環(huán)作用下衰減，但衰減幅度不大，隨后趨于穩(wěn)定。

3) 酸雨入滲作用使土體中黏土礦物出現(xiàn)不同程度溶蝕和淋濾；土中游離膠結(jié)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，使土體結(jié)構(gòu)性減弱，加速土體孔隙發(fā)育，微結(jié)構(gòu)單元變得分散，土粒間吸附力降低，宏觀抗剪強(qiáng)度和黏聚力下降，且該衰減趨勢(shì)隨酸液pH減小而進(jìn)一步增強(qiáng)。

4) 酸雨入滲作用使膨脹土邊坡淺層土體抗剪強(qiáng)度下降，且在大氣干濕循環(huán)作用下，加速其強(qiáng)度衰減，進(jìn)而加快坡體滑面的形成。對(duì)于實(shí)際膨脹土邊坡，酸雨入滲作用可能加速其發(fā)生淺層坍滑破壞。