有機(jī)污染液對(duì)膨潤(rùn)土壓縮性狀的影響研究

陳永風(fēng)

(山東華宇工學(xué)院，山東 德州 253000)

0 引言

早期防滲工程中，壓實(shí)黏土墊層使用較多。隨環(huán)境工程、地下工程等對(duì)防滲要求的不斷提高，以膨潤(rùn)土為主要材料的土工織物膨潤(rùn)土墊正廣泛應(yīng)用于核廢料處置、衛(wèi)生填埋場(chǎng)、河流堤壩、人工湖、污水處理池、地下室等防滲截污工程[1-2]。根據(jù)年鑒資料顯示，我國(guó)2017年生活垃圾清運(yùn)量21 510.9萬(wàn)噸，污泥產(chǎn)量達(dá)7 436萬(wàn)噸。這些產(chǎn)量巨大的廢棄物在填埋處理過程中在壓實(shí)和微生物分解作用下，其中污染物隨水分溶出，又與降雨和徑流等一起形成氨氮含量高、有機(jī)污染物濃度高、溶解性固體含量較高的滲濾液[3]，因此在襯墊系統(tǒng)中采用膨潤(rùn)土利用其較低的滲透性避免“二次污染”的產(chǎn)生。實(shí)踐證明，為改善水質(zhì)和提高河道過水、排洪及航運(yùn)能力的疏浚工程會(huì)產(chǎn)生大量的疏浚底泥，疏浚底泥中含有大量的有機(jī)污染物、病原體、微生物及重金屬等[4]。另外，自然界中大量存在的有機(jī)污染物對(duì)該地區(qū)工程建設(shè)會(huì)產(chǎn)生不可忽視的影響。

研究表明，有機(jī)質(zhì)具有孔隙多、比表面積大、吸附性強(qiáng)等特點(diǎn)，因此有機(jī)質(zhì)的存在會(huì)對(duì)土體的工程性質(zhì)產(chǎn)生顯著影響[5]。污水處理廠產(chǎn)生的污泥和疏浚底泥中富含的有機(jī)污染物會(huì)改變土體的工程力學(xué)性質(zhì)，使得污泥和疏浚泥再利用工程中的難度加大。垃圾和污泥等廢棄物處理以填埋為主[6]，廢棄物中有機(jī)污染物在接觸到膨潤(rùn)土?xí)r，仍會(huì)改變其膨潤(rùn)土原有的優(yōu)良特性，從而影響填埋場(chǎng)使用期限?？梢姡芯坑袡C(jī)污染物對(duì)土體物理力學(xué)性質(zhì)的影響十分有必要。探究有機(jī)污染物對(duì)膨潤(rùn)土力學(xué)性狀的影響對(duì)保證防滲截污工程長(zhǎng)期運(yùn)行具有重要意義，該項(xiàng)研究值得開展。

1 試驗(yàn)概況

采用人工配置有機(jī)污染土探究有機(jī)污染物對(duì)膨潤(rùn)土工程壓縮性狀的影響，考慮到實(shí)際襯墊工程中由于鈉基膨潤(rùn)土具有其優(yōu)良的防滲性能而應(yīng)用廣泛，試驗(yàn)土樣選用經(jīng)商業(yè)渠道購(gòu)入的鈉基膨潤(rùn)土。

使用的鈉基膨潤(rùn)土原產(chǎn)地為我國(guó)河南省，外觀為灰白色粉末。

鈉基膨潤(rùn)土作為一種黏土礦物，其中蒙脫石含量≥85%，對(duì)鈉基膨潤(rùn)土的性質(zhì)起決定作用。鈉基膨潤(rùn)土屬于高液限黏土。

添加有機(jī)污染物選取富里酸、腐植酸鈉和尿素，均是由商業(yè)渠道購(gòu)得且同一批次。將所用富里酸、腐植酸鈉、尿素在60℃烘箱中烘干至質(zhì)量恒重后，配置不同濃度的有機(jī)污染液：5%、5.0%及10.0%富里酸溶液；2.5%和5.0%富里酸+腐植酸鈉(1∶1)混合溶液，后稱為混合溶液；2.5%和5.0%腐植酸鈉溶液；2.5%和10.0%尿素溶液，除尿素溶液外觀為清澈透明液體外，其他溶液外觀均呈黑色液體。

將配置的均一有機(jī)污染液與鈉基膨潤(rùn)土混合并攪拌均勻后，置于室溫20℃的環(huán)境中密封保存7 d后進(jìn)行其他物理力學(xué)試驗(yàn)[7]。

壓縮試驗(yàn)儀器采用Hong等[8]設(shè)計(jì)改進(jìn)的輕型固結(jié)儀，改裝后的固結(jié)儀將傳統(tǒng)固結(jié)儀中金屬蓋替換成有機(jī)玻璃蓋后可實(shí)現(xiàn)初級(jí)荷載0.5 kPa，壓縮試驗(yàn)的加載順序?yàn)椋?.5-1.5-3.125-6.25-12.5-25-50-100-200-400-800-1 600 kPa。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 壓縮曲線歸一化

土體的歸一化是土力學(xué)研究的基本課題之一，其對(duì)土體的性質(zhì)描述和估算提供了一種十分簡(jiǎn)便的方式，在建立土體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)化推導(dǎo)過程、減少參數(shù)數(shù)量及檢驗(yàn)土力學(xué)中的一些經(jīng)驗(yàn)關(guān)系對(duì)某種土類的適應(yīng)性上具有一定的意義[9]。目前，已有較多學(xué)者針對(duì)土體壓縮曲線歸一化性狀這一方面進(jìn)行了大量的研究，旨在更好地分析和預(yù)測(cè)土體壓縮性狀。

Burland[10]研究表明，重塑黏土的壓縮性和強(qiáng)度特性可以較好地解釋天然沉積黏土相應(yīng)特性，重塑黏土性質(zhì)作為土體的固有性質(zhì)可以為評(píng)價(jià)天然黏土的原位狀態(tài)和結(jié)構(gòu)對(duì)原位性能提供重要參考。他通過探究大量不同初始含水率重塑土的壓縮特性，提出了一種可以將各種黏土壓縮特性聯(lián)系在一起的歸一化參數(shù)孔隙指數(shù)Iv，通過類比液限指數(shù)Iv=(w-wP)/(wL-wP)的定義得到的孔隙指數(shù)表達(dá)式如下：

(1)

Burland在探究初始含水率對(duì)重塑土壓縮曲線影響時(shí)，通過分析大量重塑土壓縮曲線后表明可利用孔隙指數(shù)將不同液限土的壓縮曲線歸一在一條線上即重塑土固有壓縮曲線ICL(intrinsic compression line)，能夠較好地預(yù)測(cè)初始含水率在1.0～1.5倍液限重塑土的壓縮曲線，具體表達(dá)式如下：

(2)

(3)

圖1 添加不同濃度不同種類有機(jī)污染液的 鈉基膨潤(rùn)土的曲線(1.25 wL) curve(1.25wL)of sodium bentonite with different concentration and kinds of organic contamination

2.2 有機(jī)污染溶液對(duì)土體固有壓縮指標(biāo)的影響

(4)

(5)

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(8)

圖預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值對(duì)比Fig.2 Comparison of value

圖預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值對(duì)比Fig.3 Comparison of measured value

3 結(jié)論

由壓縮試驗(yàn)所得試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Burland提出的固有壓縮曲線ICL和Hong等提出的擴(kuò)展的固有壓縮曲線EICL對(duì)鈉基膨潤(rùn)土及有機(jī)污染土壓縮曲線的預(yù)測(cè)效果良好。