氯化鈉污染對壓實黃土狀粉土壓縮特性的影響

武 超，何 斌,2，劉浩帆，郭志遠(yuǎn)，白曉紅

(1.太原理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，太原 030024；2.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室，南京 210098；3.華能新能源陜西分公司，西安 710048)

伴隨城市化、工業(yè)化進(jìn)程的步伐，傳統(tǒng)工業(yè)引領(lǐng)下的經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來了諸多的環(huán)境問題，其中土壤作為諸多污染物的最終受體[1]，污染土危害問題不容小覷。所謂污染土，是指由于致污物質(zhì)的侵入，土的成分、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)發(fā)生顯著變異的土[2]。污染土的概念是由工程實際所衍生出來的，涉及到巖土工程、環(huán)境工程、土壤科學(xué)、化學(xué)與化工工程、生態(tài)學(xué)、衛(wèi)生與防護(hù)以及測試技術(shù)等多學(xué)科領(lǐng)域，是介于這些學(xué)科邊緣的交叉學(xué)科[3]。早在20世紀(jì)90年代，傅世法等[4]就對污染土的巖土工程問題進(jìn)行了總結(jié)，較為全面地提出了污染土的評價原則；李琦等[5]分析了造紙廠廢堿液污染土的環(huán)境巖土工程特性和污染機(jī)理；李相然等[6]對濟(jì)南典型地區(qū)地基土污染腐蝕性質(zhì)進(jìn)行了變異研究；劉漢龍、朱春鵬等[7-9]對酸堿污染土工程特性及腐蝕機(jī)理進(jìn)行了較為全面的總結(jié)；韓鵬舉等[10]對鹽堿污染土的工程性質(zhì)進(jìn)行了研究，建立了土樣的壓縮系數(shù)與浸泡溶液濃度的數(shù)學(xué)關(guān)系。目前，污染土基本物理性質(zhì)的研究一般都是針對具體工程。以氯化鈉為主的“氯鹽類”融雪劑在城市、高速公路中應(yīng)用較廣，雖然便于融雪除雪，價格也便宜，但這樣融化后的雪或冰變成液體，侵入土體，造成土體污染，危害極大[11]。山西地處黃河以北，是典型的黃土覆蓋的山地高原，冬季多降雪，降雪后氯鹽融雪劑的使用造成了土體的污染。故研究氯鹽污染土的機(jī)理、污染土的物理化學(xué)和物理力學(xué)性質(zhì)以及提出改良和治理污染土的對策有著重要意義。

土的壓縮指標(biāo)是影響土體工程穩(wěn)定的重要指標(biāo)。本文通過人工制備氯化鈉污染土，研究不同含水量下，不同含鹽量污染黃土狀粉土的壓縮變形特性，以期對評價氯化鈉污染黃土狀粉土的壓縮性提供參考。

1 試驗方案

1.1 土體情況

試驗所用黃土取自太原市某工地的Q3黃土，取土深度5～6 m，將土樣風(fēng)干磨碎過孔徑2 mm的篩備用，土樣基本物理指標(biāo)見表1.

表1 土樣基本物理指標(biāo)Table 1 Basic physical indicators of soil samples

1.2 試驗方案

試驗在常溫常壓條件下進(jìn)行，采用人工拌和方法將土與不同濃度的氯化鈉溶液充分拌和，達(dá)到“充分污染”的目的[12]。先把土與配置好的鹽溶液拌和均勻后進(jìn)行室內(nèi)擊實，形成不同含水量和不同污染物含量的擊實土樣；然后環(huán)刀取樣后進(jìn)行壓縮試驗，研究其壓縮特性指標(biāo)的變化規(guī)律。

參考《巖土工程勘察規(guī)范》[2]及前期研究成果，試驗中配置的鹽溶液含鹽量以土為基準(zhǔn)，分別設(shè)置為0，1.5，4.5，9，13 g/kg；設(shè)置土體含水量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別為14%，16%，18%，20%，22%.

本試驗所用固結(jié)儀器為WG型單杠桿固結(jié)儀。使用前檢查儀器，壓力準(zhǔn)確度符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)；在固結(jié)容器內(nèi)放置護(hù)環(huán)、透水板和薄型濾紙，將帶有試樣的環(huán)刀裝入護(hù)環(huán)內(nèi)，放上導(dǎo)環(huán)、試樣上依次放上薄型濾紙、透水板和加壓上蓋，并將固結(jié)容器置于加壓框架正中，使加壓上蓋與加壓框架中心對準(zhǔn)，安裝百分表。施加1 kPa的預(yù)壓力使試樣與儀器上下各部件之間接觸，測讀百分表初讀數(shù)；依次施加各級壓力，第一級壓力為50 kPa.壓力等級為50，100，200，300，400，800，1 600，3 200 kPa。施加每級壓力后24 h測定試樣高度變化作為穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。按此步驟逐級加壓至試驗結(jié)束。

1.3 污染土樣的制備

稱取1.8 kg過篩后的風(fēng)干黃土樣平鋪于搪瓷盆內(nèi)，分別按試驗方案的含鹽、含水量人工配置氯化鈉污染液，試驗所選用的污染介質(zhì)為無水氯化鈉(分析純)，相對分子質(zhì)量為58.44，試驗用水為去離子水。配制鹽溶液時氯化鈉試劑用量見表2.

表2 各濃度溶液配制試劑用量表Table 2 Table of reagent dosage for preparation of solutions of various concentrations

將配置好的鹽溶液均勻噴灑于土樣上，將土充分拌勻后裝入盛土容器內(nèi)密封，潤濕一晝夜后稱取一定量污染土，倒入擊實桶內(nèi)分層擊實，擊實方法參照《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[13]，單位體積擊實功取592.2 kJ/m3，擊實完成后再用環(huán)刀切取壓縮用試樣，備用。

2 污染土樣初始孔隙比及擊實曲線分析

2.1 含鹽量及含水量對污染土初始孔隙比的影響

土樣的孔隙比定義為土中孔隙體積與固體體積之比[14]，工程上常用孔隙比e表示土中孔隙的含量，表征土體的密實程度，其主要與土體形成過程中所受的壓力、顆粒級配和顆粒排列的狀況有關(guān)。本試驗通過污染土室內(nèi)擊實得到不同含水量、不同含鹽量污染黃土狀粉土的擊實試樣，測得其密度換算得出不同試樣的初始孔隙比見圖1所示。

圖1 不同含水量、含鹽量試樣初始孔隙比Fig.1 Initial void ratio of samples with different water content and salt content

由圖1可得，在本試驗含水量及含鹽量范圍內(nèi)，在同一含鹽量條件下，初始孔隙比隨初始含水量變化規(guī)律均相似，即土樣的初始孔隙比均隨含水量的增加先減小后增大，在含水量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為16%，氯化鈉溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13 g/kg時，e0達(dá)到最小。在同一含水量條件下，無污染土的初始孔隙比最大，土樣孔隙比隨土樣含鹽量增加而呈減小的趨勢。在本試驗含水量及含鹽量范圍內(nèi)，同一含水量下無污染土與污染土的初始孔隙比變化幅度隨含水量的增加而減小。

產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是，氯化鈉溶于水后電解成Na+與Cl-和強(qiáng)極性的水分子發(fā)生水合作用，生成具有一定數(shù)目水分子配位的水合離子，但Na+與Cl-所結(jié)合的水分子并不牢靠[15]；黏土顆粒由于表面帶有負(fù)電荷，顆粒周圍形成電場，在電場作用下，鈉離子被吸引分布在顆粒四周，負(fù)電荷被部分中和，中和后形成的電場內(nèi)層電場作用減弱，電場作用下顆粒表面定向排列的水分子厚度變薄，結(jié)合水膜變薄[16]。黏土顆粒間靜電斥力減小，相同擊實能作用下，土顆粒更易于排列緊密，即在相同含水量下，氯化鈉污染介質(zhì)含量愈大，污染土愈易被壓密，初始孔隙比愈小。

2.2 氯化鈉污染土擊實曲線特征

土單位體積中固體顆粒部分的質(zhì)量稱為土的干密度，在工程上常把干密度作為評定土體緊密程度的標(biāo)準(zhǔn)；不同含水量，不同含鹽量污染土的擊實曲線見圖2.

圖2 不同含鹽量污染土擊實曲線Fig.2 Compaction curve of contaminated soil with different salt contents

由圖2可得，氯化鈉污染土具有一般黏性土的擊實特征。但是，在同一含水量下，隨著污染土中氯化鈉含量增加，土的干密度呈增大趨勢，印證了初始孔隙比的變化規(guī)律。對比不同含鹽量污染土的擊實曲線發(fā)現(xiàn)，未污染土和氯化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5 g/kg污染土，含水量為18%時達(dá)到最大干密度；氯化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.5 g/kg污染土，含水量為16%，18%時干密度基本相同；而氯化鈉含量為9 g/kg和13 g/kg污染土，含水量為16%時達(dá)到最大干密度。表明在一定擊實功下，隨著土中含鹽量的增加，土的最優(yōu)含水量有變小的趨勢。最優(yōu)含水量變小的原因如前所述，氯化鈉污染土體后，使得黏土顆粒吸附的水膜厚度變薄，即與未被污染前相比，結(jié)合水減少。相同擊實能下，污染土達(dá)到最密實狀態(tài)時所需的總水量減少，故鹽污染土相較未污染土最優(yōu)含水量減小，最大干密度提高。

3 室內(nèi)壓縮試驗結(jié)果分析

3.1 e-lgp曲線分析

土在側(cè)限條件下的壓縮特性通常用土的孔隙比e和豎向壓應(yīng)力lgp的關(guān)系曲線表示[15]。圖3給出氯化鈉污染土在不同含水量、含鹽量情況下的e-lgp曲線。

由圖3可得，隨著豎向應(yīng)力的增加，污染土孔隙比呈減小趨勢，線型基本一致。在相同含水量下，污染土隨著含鹽量的增加，e-lgp曲線較未污染土呈逐漸下移趨勢，這是由其初始孔隙比所決定的，含鹽量愈大，試樣的初始孔隙比愈小。圖3(a)和圖3(b)分別為含水量為16%和18%條件下，不同氯化鈉含量污染土的e-lgp曲線。由圖可見，擊實土樣中含鹽量愈大，土樣愈易被壓密。由圖3(a)，(b)，在含水量為16%，18%下，氯化鈉含量為1.5 g/kg時，其e-lgp曲線與無污染土的曲線趨于重合，即在最優(yōu)含水量及其偏干側(cè)輕微的氯化鈉污染對土的e-lgp曲線影響較??；氯化鈉含量為4.5 g/kg時其曲線較無污染土發(fā)生明顯下移。由圖3(c)可知，當(dāng)含水量為20%(最優(yōu)含水量偏濕側(cè))時，不同氯化鈉污染土的e-lgp曲線差異不明顯，但是與無污染土的e-lgp曲線具有明顯差異，特別是當(dāng)壓力較小時，差異顯著，隨著壓力的增大，曲線趨于重合。綜上可知，對于氯化鈉污染黃土狀粉土，在最優(yōu)含水量及其偏干側(cè)，氯化鈉含量對污染土e-lgp曲線的影響更為顯著，而在最優(yōu)含水量偏濕側(cè)，氯化鈉含量對污染土e-lgp曲線影響較最優(yōu)含水量偏干側(cè)減弱。

圖3 不同含水量、含鹽量下污染土的e-lgp曲線Fig.3 e-lgp curves of different water and salt contents

3.2 壓縮指數(shù)討論

由e-lgp曲線可得到表示土壓縮性大小的指標(biāo)壓縮指數(shù)Cc，某一壓力范圍內(nèi)的壓縮模量應(yīng)按下式(1)計算，一般取p=100～200 kPa區(qū)間的參考值。不同含水量、含鹽量污染土的壓縮指數(shù)見表3.

(1)

式中：e為土樣的孔隙比；p為豎向壓力，kPa.

表3 不同含水量、含鹽量土的壓縮指數(shù)CcTable 3 Compression index Cc of soil with different water content and salt content

由表3可得，黃土狀粉土受到氯化鈉污染后，相較污染前其壓縮指數(shù)發(fā)生變化。在相同含水量下，隨著氯化鈉含量增大，污染土的壓縮指數(shù)Cc呈減小趨勢；土中含鹽量≤4.5 g/kg時，壓縮指數(shù)在最優(yōu)含水量及其偏干側(cè)相差并不明顯，在最優(yōu)含水量偏濕側(cè)壓縮指數(shù)明顯增大；土中含鹽量>4.5 g/kg時，壓縮指數(shù)在最優(yōu)含水量及其偏濕側(cè)相差并不明顯，隨著含水量的增大，壓縮指數(shù)明顯增大。根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》[2]污染對土的工程特性影響程度可用工程特性指標(biāo)變化率加以區(qū)分，定義壓縮指數(shù)變化率為污染前后壓縮指數(shù)的差值與污染前壓縮指數(shù)之百分比；不同含水量下不同氯化鈉含量污染土壓縮指數(shù)變化率見表4.

由表4可得，相對于無污染土而言，氯化鈉污染土的壓縮指數(shù)都不同程度地得到了降低，這與前面的試驗結(jié)果相吻合。需要注意的是，相同氯化鈉含量下，壓縮指數(shù)變化率隨含水量的增大而提高，且當(dāng)含水量由16%增大到18%時，變化幅度明顯，當(dāng)含水量由18%增大到20%時，變化較小，甚至可忽略。另外當(dāng)含水量相同時，壓縮指數(shù)變化率隨氯化鈉含量的增大而提高。

表4 不同含水量、含鹽量污染土較污染前壓縮指數(shù)Cc變化率Table 4 Compression index Cc change rate of polluted soil with different water content and salt content

3.3 壓縮模量討論

側(cè)限壓縮條件下，土的壓縮模量Es由下式計算：

(2)

式中：e0為土樣的初始孔隙比；av為土的壓縮系數(shù)，MPa-1.

由公式(2)可知，壓縮模量Es除了與壓縮系數(shù)av有關(guān)，還與土的初始孔隙比e0有關(guān)。相關(guān)學(xué)者建議采用壓縮模量作為土的壓縮性指標(biāo)，因為壓縮模量既考慮了污染土壓縮系數(shù)的變化，也考慮了初始孔隙比的變化[9]。本文在此僅以(100～200) kPa范圍內(nèi)的壓縮模量進(jìn)行分析。

由試驗數(shù)據(jù)計算而得的Es值列于表5，從表5中可見，土的壓縮模量隨氯化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而提高。當(dāng)w(NaCl)≤4.5 g/kg時，隨含水量增大，土的壓縮模量是先增大后減小，在含水量為18%時Es最大；當(dāng)w(NaCl)>4.5 g/kg時，土的壓縮模量隨含水量的增大而減小。這主要是因為當(dāng)w(NaCl)≤4.5 g/kg時，土的最優(yōu)含水量在18%左右，w(NaCl)>4.5 g/kg時，土的最優(yōu)含水量為16%左右，所以Es在最優(yōu)含水量時達(dá)到最大。

表5 不同含水量、含鹽量污染土壓縮模量Table 5 Compressive modulus of contaminated soil with different water content and salinity

4 結(jié)論

本文對不同含水量、含鹽量氯化鈉污染壓實黃土狀粉土進(jìn)行了一維壓縮試驗，探討了不同含水量下無污染土與不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)氯化鈉污染土壓縮變形特性的差異，主要得出以下結(jié)論：

1) 相同擊實條件及含水量情況下，無污染土的初始孔隙比最大，土樣孔隙比隨污染土樣含鹽量增加而呈減小的趨勢；與初始孔隙比相對應(yīng)的，無污染土的干密度最小，土樣的干密度隨土樣含鹽量增加呈增加的趨勢；對比不同含鹽量污染土的擊實曲線發(fā)現(xiàn)，隨著土中含鹽量的增加，土的最優(yōu)含水量較無污染土減小。

2) 對于氯化鈉污染黃土狀粉土，在最優(yōu)含水量及其偏干側(cè)，氯化鈉含量對污染土e-lgp曲線的影響更為顯著，而在最優(yōu)含水量偏濕側(cè)，氯化鈉含量對污染土e-lgp曲線影響較最優(yōu)含水量偏干側(cè)減弱。

3) 黃土狀粉土受到氯化鈉污染后，在相同含水量下，隨著氯化鈉含量增大，污染土的壓縮指數(shù)Cc呈減小趨勢，壓縮指數(shù)變化率呈增大趨勢，壓縮模量Es呈增大趨勢。土中含鹽量小于等于4.5 g/kg時，壓縮指數(shù)在最優(yōu)含水量及其偏干側(cè)相差并不明顯，在最優(yōu)含水量偏濕側(cè)壓縮指數(shù)明顯增大。壓縮模量在最優(yōu)含水量18%處取得最大值；土中含鹽量大于4.5 g/kg時，壓縮指數(shù)在最優(yōu)含水量及其偏濕側(cè)相差并不明顯，隨著含水量的增大，壓縮指數(shù)明顯增大；壓縮模量在最優(yōu)含水量為16%處取得最大值。