生活源污染質(zhì)干濕循環(huán)下土體性質(zhì)演化特征及機(jī)理*

郭玉良 曹麗文 蔡 念

(①中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，徐州 221116，中國)(②福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，永安 366000，中國)

0 引 言

污水、垃圾滲濾液等污染質(zhì)侵入土體形成污染土，改變土體的物理力學(xué)性質(zhì)，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致地下水體污染、生態(tài)環(huán)境惡化、地表不均勻沉降、開裂等一系列環(huán)境與工程問題，對(duì)人類健康及工程活動(dòng)造成重大影響(陳先華等，2003)。

目前對(duì)污染土性質(zhì)的研究主要以石油污染土和重金屬污染土為主，研究發(fā)現(xiàn)土體在石油污染物的侵蝕作用下，密度下降、壓縮性提高、孔隙比變小、抗剪強(qiáng)度降低(Cook et al.，1992；Khamehchiyan et al.，2007；賈建麗等，2009；Rahman，2010; 王林昌等，2010；Elisha，2012；Kermani et al.，2012；Khosravi et al.，2013；Nasehi et al.，2016；李敏等，2018；Safehian et al.，2018)；污染土中重金屬離子濃度越大，土體塑、液限越大，抗剪強(qiáng)度越小(Ratnaweera et al.，2006；張慶等，2018)。

生活源污染質(zhì)指的是在日常生活或?yàn)槿粘Ｉ钐峁┓?wù)的活動(dòng)中產(chǎn)生的能夠直接或者間接危害人類與環(huán)境的物質(zhì)，包括各類固體生活垃圾及其產(chǎn)生的滲濾液和生活污水等。生活源污染質(zhì)侵入土體便形成了生活源污染土。目前對(duì)于生活源污染土的研究，主要還是從環(huán)境污染與污染修復(fù)治理的角度展開(胡莎莎等，2019；王敏等，2019; 薛淼等，2019)。

除此之外，由于黏性土中含有大量的黏土礦物而具有脹縮性，在周期性降雨和蒸發(fā)作用下土體工程性質(zhì)的變化對(duì)建設(shè)工程的影響尤為顯著。研究發(fā)現(xiàn)黏土體在進(jìn)行多次干濕循環(huán)作用后，土體排列更加松散，形成更大的孔隙空間，土顆粒間的膠結(jié)減弱，微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化(Adnan et al.，1996)，土體強(qiáng)度急劇衰減(呂海波等，2009; 慕煥東等，2018)，在建設(shè)初期具有較高強(qiáng)度和穩(wěn)定性的土體在經(jīng)過多次干濕循環(huán)作用后將會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的破壞(包承綱，2004；劉觀仕等，2007)。

由此可見，復(fù)雜的生活源污染質(zhì)侵入土體及在其干濕循環(huán)作用下黏土體性質(zhì)將發(fā)生改變，給工程建設(shè)活動(dòng)造成巨大影響。然而，目前對(duì)干濕循環(huán)條件下生活源污染土性質(zhì)演化的研究還有待深入。

為進(jìn)一步了解干濕循環(huán)過程中生活源污染土性質(zhì)的變化特征，本文以生活源污染質(zhì)降解終端的主要產(chǎn)物Na2CO3和Na3PO4的混合溶液作為污染質(zhì)溶液，利用自主研發(fā)的土體滲透測(cè)試儀對(duì)粉質(zhì)黏土進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)，并結(jié)合室內(nèi)土工試驗(yàn)、土體表層圖片分析、X射線熒光光譜分析，測(cè)試了試驗(yàn)前后土體基本性質(zhì)和元素組成，分析了生活源污染質(zhì)干濕循環(huán)作用下粉質(zhì)黏土性質(zhì)、表層裂隙和元素組成的演化規(guī)律，進(jìn)而揭示了生活源污染質(zhì)干濕循環(huán)作用對(duì)粉質(zhì)黏土性質(zhì)的影響機(jī)理。

1 生活源污染質(zhì)對(duì)土體干濕循環(huán)試驗(yàn)

1.1 生活源污染質(zhì)的確定及土樣的選取

試驗(yàn)用土取自中國徐州表層粉質(zhì)黏土，對(duì)土體進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn)測(cè)試及X射線衍射試驗(yàn)，得到未污染土體的基本性質(zhì)指標(biāo)和黏土礦物含量如表1、表2所示。

表1 未污染土體基本性質(zhì)指標(biāo)

表2 黏土礦物相對(duì)含量

利用篩分法和沉降法對(duì)試驗(yàn)用土的粒度成分進(jìn)行分析，得到土顆粒分析曲線(圖1)。從曲線中可以看出，土體不均勻系數(shù)Cu=3<5，曲率系數(shù)Cs=0.83<1，故屬于均粒土，級(jí)配不良土。

1.2 干濕循環(huán)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用自主研發(fā)的土體滲透測(cè)試儀來對(duì)土體進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)。該設(shè)備由滲流控制系統(tǒng)、滲透性測(cè)量系統(tǒng)和土體取樣系統(tǒng)、廢液收集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4部分組成，具體組成結(jié)構(gòu)示意如圖2所示?？紤]重力對(duì)滲流的影響，確保滲流過程中土柱橫截面上滲流壓力與污染質(zhì)濃度相同、水流及污染質(zhì)運(yùn)移方向與土柱縱向平行，并為了更好地滿足土柱在飽和狀態(tài)下滲流，更方便確定土柱達(dá)到飽和狀態(tài)，故選擇滲流方向?yàn)閺难赝林韵孪蛏蠞B流。

圖2 土體滲透測(cè)試儀

參照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)ASTM D4843-88和ASTM D559-03，將滲流12 h和自然風(fēng)干24 h作為一次干濕循環(huán)過程，并設(shè)置0、2、4、6、8、10 6種循環(huán)次數(shù)，150 mm、120 mm、90 mm、60 mm、30 mm 5個(gè)土樣滲流路徑長度，并結(jié)合實(shí)際垃圾填埋場情況和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)條件確定滲流壓力水頭為0.1 MPa。

首先用蒸餾水按照土體最優(yōu)含水率20.7%采用分層擊實(shí)法制備土柱(Ф80 mm)，然后裝樣，用污染質(zhì)溶液進(jìn)行滲流12 h后，卸下土柱倒放在通風(fēng)處自然風(fēng)干24 h完成一次干濕循環(huán)。其中：選擇每次滲流流量穩(wěn)定后的水壓力值和流量值進(jìn)行滲透系數(shù)的計(jì)算。

2 生活源污染質(zhì)干濕循環(huán)下土體性質(zhì)演化特征

2.1 生活源污染質(zhì)干濕循環(huán)對(duì)土體滲透性的影響

滲透系數(shù)是土體滲透性的重要表征參數(shù)。繪制不同滲流路徑長度下，土體滲透系數(shù)隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化曲線，如圖3所示。

圖3 土體滲透系數(shù)隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化曲線

(1)隨著干濕循環(huán)次數(shù)的逐漸增多，土體滲透系數(shù)呈現(xiàn)先增大后趨于穩(wěn)定的規(guī)律，且滲流路徑短的土體先達(dá)到穩(wěn)定，滲流路徑長的土體存在一定的滯后特征。

(2)土體在經(jīng)過相同次數(shù)的干濕循環(huán)后，滲流路徑越短的土體滲透系數(shù)越大，主要是由于滲流路徑短的土體在干濕循環(huán)過程中主要以滲透沖刷和水分蒸發(fā)作用為主，而滲流路徑長的土樣相較于滲流路徑短的土樣離子吸附和反應(yīng)生成偏硅酸鹽、偏鋁酸鹽、碳酸鹽和磷酸鹽等難溶物質(zhì)等作用更加明顯，導(dǎo)致土體滲透系數(shù)的變化具有一定的滯后性。

2.2 生活源污染質(zhì)干濕循環(huán)對(duì)土體密度和電阻率的影響

土體密度和電阻率是反應(yīng)土體受到污染程度的重要指標(biāo)。將土體密度、電阻率與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系繪制成曲線，如圖4所示。

圖4 土體密度和電阻率隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化曲線

(1)土體在干濕循環(huán)的過程中密度變化情況可在一定程度上反應(yīng)土體含水率的變化，因此，可以發(fā)現(xiàn)隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，土體含水率逐漸降低然后略有回升，且滲流路徑長的土樣開始回升的拐點(diǎn)存在一定的滯后性。

(2)土體電阻率隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加逐漸降低然后趨于穩(wěn)定，同樣滲流路徑長的土體的電阻率達(dá)到穩(wěn)定也存在一定的滯后性。

(3)土體電阻率受土體含水率和土體孔隙水溶液濃度的共同影響，對(duì)比圖4a和圖4b可以發(fā)現(xiàn)，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，土體含水率降低，但電阻率下降，說明土體中孔隙水溶液的濃度逐漸增大。

2.3 生活源污染質(zhì)干濕循環(huán)對(duì)土體力學(xué)性質(zhì)的影響

利用環(huán)刀(Φ61.8 mm×20 mm)取出干濕循環(huán)試驗(yàn)后和自然蒸發(fā)土柱中的土樣，進(jìn)行直剪試驗(yàn)，得到土體抗剪強(qiáng)度、黏聚力(c)、內(nèi)摩擦角(φ)3個(gè)能夠反應(yīng)土體力學(xué)性質(zhì)的重要指標(biāo)，并分別繪制各力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化曲線，如圖5所示。

圖5 土體抗剪強(qiáng)度隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化曲線

另外，粉質(zhì)黏土中含有較多黏土礦物。由于黏土礦物具有較強(qiáng)的親水性，遇水體積膨脹，失水體積收縮。當(dāng)土體含水率小于塑限時(shí)，土體表面就會(huì)開裂，產(chǎn)生裂縫。

為研究干濕循環(huán)對(duì)土體干縮性質(zhì)的影響，在實(shí)驗(yàn)中對(duì)干濕循環(huán)過程中土體進(jìn)行拍照，得到土體裂縫在不同干濕循環(huán)次數(shù)下的照片，如圖6所示。并利用MATLAB軟件計(jì)算出土體裂縫的表觀孔隙比，得到土體開裂表觀裂隙率與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線，如圖7所示。

圖6 土體干縮裂縫隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化

圖7 土體開裂表觀裂隙率與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線

(1)土體抗剪強(qiáng)度、c和φ都隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加先降低，最后趨于穩(wěn)定。

(2)滲流路徑長的土體的抗剪強(qiáng)度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)相對(duì)于滲流路徑短的土體存在一定的滯后性。

(3)隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加，土體表面干縮裂縫均呈現(xiàn)出逐漸發(fā)育擴(kuò)展的變化規(guī)律。

(4)在干濕循環(huán)過程中，土體的一些小裂隙在循環(huán)滲透中出現(xiàn)了“愈合”的現(xiàn)象。

(5)土體表觀孔隙比隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)出雙線性增加的變化趨勢(shì)，其中0～4次循環(huán)滿足式(1)，判定系數(shù)為0.999 93。

n=0.001 67+0.2475p

(1)

R2=0.999 93

(2)

式中：n為表觀裂隙率(%)；p為干濕循環(huán)次數(shù)(次)；R2為判定系數(shù)。

4～10次循環(huán)滿足式(3)，判定系數(shù)為0.995 68。

n=-1.392+0.601p

(3)

R2=0.995 68

(4)

式中符號(hào)同上。

2.4 生活源污染質(zhì)干濕循環(huán)對(duì)土體元素遷移的影響

為研究生活源污染質(zhì)干濕循環(huán)下土體元素的遷移特征，選取Si、Al、Na、Ca、P、C 6種代表性元素，利用X射線熒光光譜儀(BRUKER S8 TIGER)對(duì)干濕循環(huán)試驗(yàn)前后土體元素含量進(jìn)行測(cè)試分析，并以試驗(yàn)前后元素的密度變化量(即試驗(yàn)后單位體積土體所含(某)元素的密度減去試驗(yàn)前該元素的密度)為衡量指標(biāo)，得到各元素密度變化量隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化曲線，如圖8所示。

圖8 代表性元素的密度變化量隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化曲線

(1)以Na2CO3和Na3PO4作為污染質(zhì)溶液對(duì)土體進(jìn)行干濕循環(huán)作用后，Si、Al、Ca 3種元素密度降低，P、Na、C 3種元素密度升高。

(2)隨著干濕循環(huán)土樣滲流路徑的縮短，元素的密度變化量逐漸增大。

3 生活源污染質(zhì)干濕循環(huán)下土體性質(zhì)演化機(jī)理

粉質(zhì)黏土在生活源污染質(zhì)降解終端產(chǎn)物干濕循環(huán)下土體性質(zhì)發(fā)生變化的實(shí)質(zhì)就是污染質(zhì)溶液與土顆粒間的相互作用。通過室內(nèi)試驗(yàn)及理論分析，歸納總結(jié)出生活源污染質(zhì)降解終端產(chǎn)物干濕循環(huán)下粉質(zhì)黏土性質(zhì)演化機(jī)理主要有以下5個(gè)方面(蔡念，2019)(圖9)：

圖9 生活源污染質(zhì)降解終端產(chǎn)物對(duì)土體進(jìn)行干濕循環(huán)作用機(jī)理

(1)滲流沖刷作用：污染質(zhì)溶液在土體中滲流，在滲透力的作用下，土體中的微小顆粒會(huì)沿著污染質(zhì)溶液的滲流方向在土體孔隙間搬運(yùn)、流失，使土體密度下降，孔隙度變大(滲透性增強(qiáng))，孔隙水連通性增強(qiáng)(電阻率下降)，同時(shí)軟化土顆粒間的黏結(jié)，使土體抗剪強(qiáng)度下降。

生成的沉淀堵塞土體孔隙，對(duì)土顆粒產(chǎn)生膠結(jié)作用，使土體孔隙度降低，滲透性減弱，電阻率升高，抗剪強(qiáng)度增加。同時(shí)，也是土體密度隨干濕循環(huán)次數(shù)增加而產(chǎn)生回升現(xiàn)象的主要原因。

(3)Na+離子吸附作用：污染質(zhì)溶液中大量的Na+離子吸附在帶負(fù)點(diǎn)的黏土顆粒表面，使土體雙電層變薄，進(jìn)而使土體滲透性增強(qiáng)。

(4)濕脹干縮作用：黏土礦物是一種極具親水性的物質(zhì)，遇水膨脹，失水收縮。由于試驗(yàn)用土中含有大量的黏土礦物，因此，在蒸發(fā)過程中，土體表面含水率和密度降低，失水體積收縮，土體表面裂縫變寬，電阻率、干密度和抗剪強(qiáng)度增加；在滲流過程中，土體吸水體積膨脹，裂縫變窄，一些小裂隙甚至發(fā)生“愈合”。

(5)重力下滲作用：土體在自然蒸發(fā)的過程中，在沒有滲流壓力的情況下，重力成為土體水分向下滲流的主要驅(qū)動(dòng)力，使土體下部含水率升高，電阻率下降，密度增大，抗剪強(qiáng)度降低。

4 結(jié) 論

本文以Na2CO3和Na3PO4的混合溶液為生活源污染質(zhì)溶液對(duì)粉質(zhì)黏土進(jìn)行滲流試驗(yàn)，研究分析了代表性生活源污染質(zhì)干濕循環(huán)下土體性質(zhì)的演化特征，并揭示了生活源污染質(zhì)降解終端產(chǎn)物干濕循環(huán)對(duì)土體性質(zhì)的影響機(jī)理。

(1)土體在進(jìn)行生活源污染質(zhì)降解終端產(chǎn)物10次干濕循環(huán)過程中，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，滲透性增強(qiáng)，電阻率降低，密度先減小后有所回升，黏聚力和內(nèi)摩擦角減小，且滲流路徑長的土體相對(duì)于滲流路徑短的土體具有一定的滯后性。

(2)隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，土體表面干縮裂縫均逐漸發(fā)育擴(kuò)展，由于干濕循環(huán)中的加濕過程可以緩解土體裂縫的發(fā)育，土體的一些小裂隙在干濕循環(huán)過程中會(huì)出現(xiàn)“愈合”的現(xiàn)象。

(3)滲流路徑越長的土體內(nèi)部元素的密度變化量越小。

(4)生活源污染質(zhì)降解終端產(chǎn)物干濕循環(huán)對(duì)粉質(zhì)黏土性質(zhì)演化的影響機(jī)理主要可以概括為滲流沖刷作用、生成偏硅酸鹽、偏鋁酸鹽、碳酸鹽和磷酸鹽等難溶物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)、Na+離子吸附作用、濕脹干縮作用和重力下滲作用5個(gè)方面。