酸溶液對(duì)原狀黃土抗拉強(qiáng)度的影響試驗(yàn)研究

劉華，胡鵬飛，王松鶴，劉乃飛，胡文樂，谷宏全

(1. 西安建筑科技大學(xué) a.土木工程學(xué)院；b. 陜西省巖土與地下空間工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710055；2. 西安理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，西安 710048)

隨著城市現(xiàn)代化和各行各業(yè)的快速發(fā)展，人類活動(dòng)對(duì)環(huán)境造成的影響越來越大，進(jìn)而引發(fā)了眾多的環(huán)境巖土工程問題，其中，工業(yè)企業(yè)對(duì)地基土的污染就是較為嚴(yán)重的問題之一[1]。由于黃土體的特殊組構(gòu)和工程性質(zhì)，由土體拉裂而引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害不容忽視，對(duì)黃土抗拉強(qiáng)度的研究越來越多地引起了學(xué)者們的重視。與此同時(shí)，城市建設(shè)、工業(yè)發(fā)展的污染物進(jìn)一步加劇了土體的污染，影響著黃土的抗拉強(qiáng)度演變及工程穩(wěn)定。因此，對(duì)于污染黃土抗拉強(qiáng)度的研究，在工程實(shí)際應(yīng)用中具有重要的意義。

近年來，學(xué)者們對(duì)于土體抗拉強(qiáng)度特性及工程實(shí)踐問題的研究也越來越多。Georgiannou等[2]通過拉伸試驗(yàn)和三軸壓縮研究了黏粒含量對(duì)不排水抗拉強(qiáng)度、拉伸應(yīng)變等力學(xué)特性的影響。Zhou等[3]采用巴西劈裂試驗(yàn)測(cè)定了凍土的抗拉強(qiáng)度，結(jié)果表明，凍土的含冰量直接影響著土的抗拉強(qiáng)度，其隨著溫度的降低而增加。吳旭陽等[4]研究了重塑黃土的抗拉變形破壞機(jī)理，并對(duì)破壞類型進(jìn)行分類，得出黃土的抗拉強(qiáng)度隨含水率的增加持續(xù)減小。王中妮等[5]研究了分散土改性劑對(duì)土的抗拉強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)氯化鋁、三氯乙酸可提高土的抗拉強(qiáng)度。袁志輝等[6-7]分別研究了含水率、基質(zhì)吸力對(duì)黃土的抗拉強(qiáng)度的影響，探討了含水率和干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)原狀黃土和重塑黃土抗拉強(qiáng)度的影響，進(jìn)一步分析了干濕循環(huán)下黃土抗拉強(qiáng)度的衰減機(jī)制。陳日高等[8]探究了金屬離子對(duì)土強(qiáng)度及力學(xué)性質(zhì)造成的影響，進(jìn)一步分析了污染土中土顆粒間的電離平衡狀態(tài)，及其對(duì)土體強(qiáng)度的改變。朱春鵬等[9]研究了酸堿濃度對(duì)污染土中有機(jī)質(zhì)含量、土粒比重、粒度成分和界限含水率的影響，并通過三軸試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)研究了不同濃度酸堿污染土的強(qiáng)度特性，進(jìn)一步分析了污染對(duì)土樣稠度狀態(tài)、孔隙比和微觀結(jié)構(gòu)的影響。夏磊等[10]通過模擬酸雨侵蝕土體試驗(yàn)，探究了土體礦物成分受酸雨影響以及土體密度、強(qiáng)度的變化規(guī)律?？紤]到目前的研究大都集中在未污染土的抗拉強(qiáng)度方面，在工程中，地基及路基在使用過程中或邊坡的自然狀態(tài)下會(huì)受到酸雨或酸堿性垃圾污染液的影響，結(jié)合孔隙水污染對(duì)黃土工程性質(zhì)的影響，對(duì)酸污染對(duì)黃土抗拉強(qiáng)度的演化特征影響的研究也十分必要。

測(cè)試土體抗拉強(qiáng)度的試驗(yàn)方法分為直接法和間接法兩大類[11-12]。對(duì)于抗拉強(qiáng)度測(cè)試儀器尚未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)測(cè)試儀器仍在討論和規(guī)范化過程中。Tamrakar等[13]研制了一種基于圓形夾持模具的抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)裝置。黨進(jìn)謙等[14]對(duì)直剪儀進(jìn)行了改造，研制出臥式單軸拉伸儀，試樣為長方體，通過手動(dòng)加載來測(cè)量試樣的抗拉強(qiáng)度和軸向變形。大多自制的儀器原理相似，只是形狀即截面不同，分為規(guī)則截面和異形截面[15-16]?；诖?，筆者采用端部夾具和化學(xué)粘結(jié)相結(jié)合的方法進(jìn)行試驗(yàn)。

以銅川黃土為研究對(duì)象，采用自行裝配的黃土臥式單軸抗拉強(qiáng)度測(cè)試儀，測(cè)試酸污染條件下原狀黃土的抗拉強(qiáng)度，探討不同酸、不同濃度對(duì)黃土抗拉強(qiáng)度的影響，分析黃土抗拉強(qiáng)度在酸污染作用下的變化機(jī)制。

1 試驗(yàn)概況

1.1 土樣基本物理性質(zhì)

試驗(yàn)所用原狀黃土土樣取自銅川市某在挖基坑，取土深度2～3 m。采用人工取土的方法取得Q3原狀黃土土樣，取樣現(xiàn)場(chǎng)見圖1，黃土的基本物理參數(shù)見表1。該層土樣土質(zhì)疏松，含有少量蟲孔，微量植物根系，顆分曲線如圖2所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)取樣概況

圖2 顆分曲線Fig.2 Particle distribution

表1 基本物理性質(zhì)指標(biāo)

1.2 試樣制備

試驗(yàn)所選酸液包括鹽酸、硫酸和硝酸3種，酸溶液配置濃度為0.1、0.5、1.0、2.0 mol/L 4個(gè)梯度。考慮到化工業(yè)、造紙工業(yè)廢水直接排放或泄露的未稀釋的污水對(duì)土體造成的污染[17]，所選取酸溶液的高濃度為1.0、2.0 mol/L。由于污染過程空氣揮發(fā)、地下水和雨水的稀釋，致使酸污染濃度有所降低，故考慮設(shè)置濃度為0.1、0.5 mol/L。

將配置好的0.1、0.5、1.0、2.0 mol/L濃度的酸溶液通過抽氣污染方法，在溫度20 ℃，氣壓1.01×105kPa下制備污染試樣，污染試驗(yàn)裝置如圖3所示。根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)[18]規(guī)定，采用削樣器將原狀土塊分割、削制成直徑39.1 mm、高80 mm的圓柱體試樣。將制備好的試樣兩端加上濾紙和透水石，然后用橡皮膜包裹，一端通過錐形導(dǎo)氣嘴連接導(dǎo)氣管，打開氣壓泵和進(jìn)氣閥門，通過氣壓表讀數(shù)顯示，調(diào)節(jié)好飽和缸中氣壓，然后將計(jì)算好的污染液注入試樣上端，開始污染試樣，在相同氣壓條件下污染完所需全部試樣。將污染制備完成后的試樣用保鮮膜包裹封裝，貼上標(biāo)簽并標(biāo)明濃度，放入保濕缸中靜置48 h以上，為下階段試驗(yàn)使用。所用原狀試樣的平均密度為1.59 g/cm3，平均含水率為15.4%，在試樣體積相同的條件下，使用污染裝置進(jìn)行等體積污染液入滲，控制入滲后含水率為20%，之后在恒溫恒濕箱(溫度25 ℃，濕度20%)中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，直至進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)，測(cè)定最終含水率為20%。鑒于實(shí)際環(huán)境中土體處于不同的干濕狀態(tài)，后期會(huì)對(duì)不同干濕程度的酸污染土體的抗拉強(qiáng)度進(jìn)一步研究，以期為工程應(yīng)用及有關(guān)科學(xué)問題提供可靠的理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

圖3 污染試驗(yàn)裝置

1.3 試驗(yàn)過程及方法

采用單軸直接拉伸試驗(yàn)，單軸抗拉裝置分為立式和臥式，臥式拉伸可避免拉伸中試樣自重對(duì)結(jié)果產(chǎn)生的影響，具有操作簡(jiǎn)易性、可靠性和高效性[19]。為規(guī)避目前相關(guān)抗拉強(qiáng)度儀器的一些適用區(qū)間，針對(duì)試驗(yàn)自行裝配并調(diào)試了臥式抗拉強(qiáng)度測(cè)試儀，其優(yōu)點(diǎn)為：可避免試樣自重帶來的誤差，直觀反映試樣破壞形態(tài)，操作簡(jiǎn)單易懂。為解決試樣和玻璃承臺(tái)摩擦力、試樣連接問題的缺點(diǎn)，采用涂抹凡士林減小摩擦、機(jī)械和化學(xué)聯(lián)結(jié)相結(jié)合的方法減小誤差，進(jìn)一步優(yōu)化試驗(yàn)裝置，如圖4所示。

圖4 臥式抗拉強(qiáng)度測(cè)試儀Fig.4 Horizontal tensile strength

將經(jīng)過酸溶液污染之后通過抽氣飽和法制備好的試樣放入臥式抗拉強(qiáng)度測(cè)試儀中進(jìn)行試驗(yàn)，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析研究酸污染土的拉應(yīng)力-應(yīng)變的變化規(guī)律。

為避免試驗(yàn)過程中出現(xiàn)問題，減小各組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差，相同酸溶液下每個(gè)摩爾濃度梯度設(shè)置3個(gè)試樣(結(jié)果取平均值，且極差小于平均值的30%)。為了進(jìn)行對(duì)比，另外設(shè)置3個(gè)含水率相同的未污染試樣，原狀黃土試樣總計(jì)39個(gè)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 酸污染黃土抗拉強(qiáng)度的變化

酸污染對(duì)黃土抗拉強(qiáng)度造成的影響包括微觀方面和宏觀方面。微觀方面：黃土中含有大量的高鈣物質(zhì)，其中，碳酸鈣膠結(jié)鹽含量可達(dá)10.75%～15.8%[20]，黃土中含有的各種碳酸鹽和酸液反應(yīng)之后生成新的物質(zhì)，改變了原有的化學(xué)組成成分，影響黃土的抗拉強(qiáng)度。宏觀方面：酸液浸入到黃土內(nèi)，由于液體的流動(dòng)以及化學(xué)成分的改變，改變了黃土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。通過單軸拉伸試驗(yàn)，得到酸污染黃土的抗拉強(qiáng)度，見表2。

表2 不同種類酸污染黃土的抗拉強(qiáng)度

2.2 不同種類酸污染對(duì)黃土抗拉強(qiáng)度的影響

由表2可以看出，未污染的黃土抗拉強(qiáng)度為11.82 kPa，經(jīng)過酸污染的黃土的抗拉強(qiáng)度都發(fā)生了不同程度的降低。隨著摩爾濃度的增加鹽酸和硝酸的污染，黃土抗拉強(qiáng)度逐漸減?。划?dāng)濃度到達(dá)1 mol/L時(shí)，鹽酸、硫酸和硝酸污染的黃土抗拉強(qiáng)度比較接近；隨著摩爾濃度的增加硫酸的污染，黃土抗拉強(qiáng)度逐漸增加，但并沒有恢復(fù)到未污染的黃土抗拉強(qiáng)度。

原狀黃土的抗拉性能由黃土本身土顆粒間的吸附強(qiáng)度和黏聚力組成，其黏聚力由土體內(nèi)多種碳酸鹽及鹽類薄膜形成的化學(xué)膠結(jié)作用形成，吸附強(qiáng)度通過土顆粒間的基質(zhì)吸力和毛細(xì)壓力產(chǎn)生[7]。原狀黃土中含有一定的含水氧化物和膠體氧化物，構(gòu)成膠結(jié)物的顆粒直徑一般小于0.01 mm，而主要部分膠結(jié)物的顆粒粒徑小于0.005 mm，為鈣質(zhì)膠結(jié)物[21]。對(duì)其進(jìn)行X射線能譜分析，如圖5所示。從圖5可以看出，原狀土金屬元素中含有大量的Si、Al、Fe、Ca、Mg以及少量的Ti、Na、K，非金屬元素有O、C、S，在測(cè)試過程中，由于固定試樣的碳導(dǎo)電裝置可能會(huì)在試樣表面留有碳粉，結(jié)果中C的含量可能偏高。結(jié)合元素分析圖可知，原狀黃土中礦物成分主要有SiO2、Fe2O3、Al2O3、CaCO3、易溶鹽Mg2+和易溶鹽Ca2+。

圖5 原狀黃土EDS能譜分析圖Fig.5 EDS energy spectrum analysis diagram

不同種類酸污染黃土抗拉強(qiáng)度的降低主要是由于土體中含有的碳酸鹽及其他化學(xué)物質(zhì)和鹽酸、硝酸反應(yīng)生成了可溶性鹽和其他新的物質(zhì)，破壞了土體原有的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使其抗拉強(qiáng)度下降。土體中游離的氧化物SiO2、Fe2O3、Al2O3、CaCO3在鹽酸和硝酸的環(huán)境下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)方程式為

Fe2O3+6HCl=2FeCl3+3H2O

Al2O3+6HCl=2AlCl3+3H2O

CaCO3+2HCl=CaCl2+H2O+CO2

Al2O3+6HNO3=2Al(NO3)3+3H2O

(1)

土中游離的氧化物與鹽酸和硝酸不斷發(fā)生反應(yīng)，由式(1)可知，隨著酸溶液濃度的不斷增加，膠結(jié)氧化物溶蝕的速度加快，含量不斷減小，生成的氯化鐵、氯化鋁、氯化鈣和硝酸鋁為易溶于水的鹽。隨著膠結(jié)氧化物的不斷溶蝕，土顆粒間的孔隙變大，結(jié)構(gòu)連接逐漸減弱，原生結(jié)構(gòu)排列遭到破壞，抗拉強(qiáng)度逐漸減小。由于黃土碳酸鈣含量豐富，和硫酸反應(yīng)之后生成難溶性硫酸膠結(jié)鹽，化學(xué)反應(yīng)方程式為

Fe2O3+3H2SO4=Fe2(SO4)3+3H2O

CaCO3+H2SO4=CaSO4+H2O+CO2

Al2O3+3H2SO4=Al2(SO4)3+3H2O

(2)

圖6 不同種類酸污染試樣微觀結(jié)構(gòu)及二值化結(jié)果Fig.6 Microstructure and binarization results of different types of acid-contaminated

嵌在土顆粒孔隙中，新生成的膠結(jié)鹽和細(xì)小土顆粒沉淀之后阻塞了孔隙通道[22]，形成了新的土顆粒之間的黏結(jié)結(jié)構(gòu)，造成硫酸污染黃土抗拉強(qiáng)度隨著濃度的增加而增大。

由圖6可以看出，蒸餾水試樣有很多大塊顆粒凝聚在一起并形成土顆粒間大孔隙；試樣受到1.0 mol/L的鹽酸和硝酸污染之后，土體內(nèi)孔隙及膠結(jié)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，大塊顆粒減少，小孔隙增多，導(dǎo)致土體內(nèi)結(jié)構(gòu)疏松，抗拉強(qiáng)度下降；試樣受到1.0 mol/L的硫酸污染之后，大塊顆粒明顯增多，小孔隙減少，生成的難溶性鹽填補(bǔ)了部分孔隙，加強(qiáng)了土顆粒間的支撐，強(qiáng)度增大。

如圖7所示，經(jīng)過1.0 mol/L硫酸污染后的試樣表面具有明顯的孔隙，孔隙大約0.1～1.0 mm，吸附在孔隙中的細(xì)顆粒已經(jīng)被硫酸腐蝕；經(jīng)過1.0 mol/L硝酸污染后的試樣也有明顯的孔隙，鹽酸次之。宏觀來看，不同種類的酸對(duì)土體的腐蝕狀況為硫酸>硝酸>鹽酸>蒸餾水。

圖7 不同種類酸污染試樣表面變化Fig.7 Changes in the surface of samples contaminated by different types of

2.3 不同濃度酸污染黃土的拉應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

為考慮不同濃度酸對(duì)污染黃土抗拉強(qiáng)度產(chǎn)生的不同影響，繪出拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線。孫萍等[23]通過單軸拉伸試驗(yàn)并運(yùn)用RFPA進(jìn)行黃土拉伸破裂仿真分析得出，土體受到極限拉應(yīng)力時(shí)，內(nèi)部裂紋在極短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生，土體突然破壞，沒有明顯的徑縮現(xiàn)象，為脆性斷裂。經(jīng)過3種酸污染之后，隨著應(yīng)變的增加，土體的拉應(yīng)力不斷增大，直至試樣破壞，其拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線類型為應(yīng)變硬化型。

隨著應(yīng)變的增加，在同一摩爾濃度下污染的原狀黃土試樣抗拉強(qiáng)度不斷增加，增大的趨勢(shì)走向?yàn)榉蔷€性，對(duì)污染原狀黃土的拉應(yīng)力和應(yīng)變進(jìn)行非線性擬合，如圖8所示，擬合關(guān)系式為

σt=mεtn

(3)

式中：σt為拉應(yīng)力，kPa；εt為應(yīng)變；m和n為擬合參數(shù)。

圖8 酸污染土的拉應(yīng)力-應(yīng)變擬合關(guān)系曲線Fig.8 Tensile stress-strain curve of acid-contaminated

不同種類的酸、不同摩爾濃度對(duì)應(yīng)的擬合參數(shù)值m和n不同，見圖9，擬合的相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到0.99。

通過對(duì)不同摩爾濃度和參數(shù)m進(jìn)行擬合，得到關(guān)于濃度的函數(shù)m，函數(shù)式為

(4)

式中：c為不同酸的濃度；f0、v、w為擬合參數(shù)，見表3。

圖9 不同酸污染土的擬合參數(shù)m、n與摩爾濃度關(guān)系圖Fig.9 The relationship between the fitting parameters m, n and the molar concentration of different acid-contaminated

表3 不同酸濃度的相關(guān)函數(shù)擬合參數(shù)

由圖9可以發(fā)現(xiàn)，隨著摩爾濃度的變化，參數(shù)n值在0.55～0.74之間浮動(dòng)，可知n值受摩爾濃度變化的影響并不大，取其平均值等值于n值，即n=0.64。

結(jié)合式(3)、式(4)和n=0.64可以得到不同種類酸的濃度和拉應(yīng)力的函數(shù)關(guān)系式，可作為計(jì)算酸污染黃土抗拉強(qiáng)度的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式用于工程實(shí)踐。

2.4 酸污染對(duì)黃土抗拉強(qiáng)度損傷率的影響

不同濃度酸污染黃土的抗拉強(qiáng)度損傷率可采用式(5)進(jìn)行計(jì)算。

(5)

式中：Kσt為酸污染黃土抗拉強(qiáng)度損傷率，%；σt0為未污染黃土抗拉強(qiáng)度值，kPa；σtc為c濃度時(shí)污染黃土抗拉強(qiáng)度值，kPa；c為物質(zhì)的量濃度，mol/L。表4為經(jīng)過不同濃度酸污染后黃土抗拉強(qiáng)度損傷率，從表中可以看出，隨著鹽酸和硝酸濃度的增大，其抗拉強(qiáng)度損傷率也不斷增大；硫酸污染黃土的抗拉強(qiáng)度損傷率卻不斷減小。

表4 不同濃度酸污染后黃土抗拉強(qiáng)度損傷率

3 討論

Mohr-Coulomb強(qiáng)度理論廣泛應(yīng)用于土的壓剪破壞，未考慮黃土的拉剪破壞，聯(lián)合強(qiáng)度理論不但包括了剪切破壞，還包括了拉伸破壞。Li等[24]通過三軸剪切試驗(yàn)、單軸壓縮試驗(yàn)和單軸拉伸試驗(yàn)驗(yàn)證了聯(lián)合強(qiáng)度理論。

通過酸污染黃土抗拉強(qiáng)度的研究，以鹽酸為例，繪制不同濃度下的拉伸和剪切強(qiáng)度破壞線，即聯(lián)合強(qiáng)度理論包絡(luò)線圖，如圖10所示，采用雙曲線進(jìn)行擬合，擬合公式為

圖10 拉伸和壓剪強(qiáng)度破壞線示意圖Fig.10 Tensile and shear strength failure

(6)

式中：τ為剪應(yīng)力；σ為應(yīng)力；σt為抗拉強(qiáng)度；A和B為擬合參數(shù)(見表5)，雙曲線與縱軸的交點(diǎn)為抗拉強(qiáng)度的黏聚力指標(biāo)ct，雙曲線在橫軸的截距為σt。根據(jù)試驗(yàn)得出的Mohr-Coulomb強(qiáng)度包線延長至水平軸的負(fù)半軸，交點(diǎn)的值即黃土的抗拉強(qiáng)度名義值，可以得出0.1 mol/L的抗拉強(qiáng)度名義值為91.96 kPa，而實(shí)際抗拉強(qiáng)度值為9.76 kPa，名義值接近實(shí)際值的10倍，通過Mohr-Coulomb強(qiáng)度包線得到的抗拉強(qiáng)度值過于偏大，在實(shí)際工程應(yīng)用中會(huì)產(chǎn)生安全隱患。

表5 拉剪聯(lián)合強(qiáng)度擬合參數(shù)

從圖10可以看出，強(qiáng)度包絡(luò)線隨著鹽酸濃度的增加逐漸向里收縮，抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度都逐漸減小，黏聚力也逐漸減小。受到酸污染之后，土體抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度均出現(xiàn)損傷。通過拉-剪聯(lián)合強(qiáng)度模型，結(jié)合式(6)和表5參數(shù)，進(jìn)一步分析酸污染對(duì)黃土拉-剪強(qiáng)度的影響。在進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析時(shí)，應(yīng)考慮黃土存在拉伸破壞，通過拉-剪聯(lián)合強(qiáng)度模型得出的拉-剪強(qiáng)度指標(biāo)較為實(shí)際，能夠保證工程的安全性，可靠性。

4 結(jié)論

通過人工制備酸污染的原狀黃土，測(cè)試了其抗拉強(qiáng)度的演變規(guī)律，得出以下結(jié)論：

1)經(jīng)過不同濃度的鹽酸、硝酸和硫酸溶液污染之后，其抗拉強(qiáng)度較未污染均有所降低。污染液種類不同，污染土樣抗拉強(qiáng)度表現(xiàn)為：硫酸>鹽酸>硝酸。

2)不同濃度酸液污染后黃土的抗拉強(qiáng)度降低或增長，定性分析是由于化學(xué)反應(yīng)生成可溶性鹽和難溶鹽，改變了黃土內(nèi)部組成成分，導(dǎo)致黃土原生內(nèi)部顆粒間聯(lián)結(jié)發(fā)生破壞進(jìn)而重組。

3)通過室內(nèi)試驗(yàn)探討了酸液污染黃土的抗拉強(qiáng)度損傷率和濃度的關(guān)系，得出經(jīng)驗(yàn)擬合關(guān)系。