不同初始條件下土體污染后的物理力學(xué)性質(zhì)變化實(shí)驗(yàn)研究

謝湘平， 王小軍， 趙東坡， 尹喜超

(安陽(yáng)工學(xué)院土木與建筑工程學(xué)院，安陽(yáng) 455000)

近年來，隨著城市化進(jìn)程的加快，建設(shè)用地日益緊張，大量污染土場(chǎng)地再利用不斷出現(xiàn)。大量研究表明，土體受到污染后工程性質(zhì)會(huì)發(fā)生不同程度的改變。根據(jù)污染物性質(zhì)不同主要可分為酸堿污染土、重金屬污染土及有機(jī)類(油類)污染土。劉漢龍等[1]、朱春鵬等[2]研究了寧波地區(qū)淤泥質(zhì)黏土受酸堿污染后土的基本物理性質(zhì)與壓縮特性的變化規(guī)律，研究結(jié)果表明，酸堿濃度的變化對(duì)污染土的物理力學(xué)性質(zhì)均存在一定的影響，且酸堿影響效果不同。酸濃度的增加導(dǎo)致有機(jī)含量減小、土粒密度減小、液限增大而塑限減小；堿濃度的增大會(huì)導(dǎo)致有機(jī)含量減小，土粒比重、液塑限增大；壓縮系數(shù)在酸堿污染物作用下均呈現(xiàn)明顯的增大的趨勢(shì)。趙莎等[3]、王麒等[4]、陳筠等[5]對(duì)貴陽(yáng)紅黏土在堿污染條件下的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明：在不同濃度堿液中養(yǎng)護(hù)的紅黏土質(zhì)量、含水率增高、密度降低；抗剪強(qiáng)度等力學(xué)指標(biāo)隨著NaOH堿液濃度的不同呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律；在同樣堿液濃度下，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長(zhǎng)，相關(guān)物理力學(xué)指標(biāo)也出現(xiàn)不同的變化規(guī)律。近年來，對(duì)于重金屬污染土的研究逐漸增多。儲(chǔ)亞等[6]研究了重金屬鋅污染淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的物理特性，發(fā)現(xiàn)隨著鋅離子濃度增加，土粒密度、液塑限和粉粒含量均呈減小趨勢(shì)，而黏粒含量和塑性指數(shù)則呈增大趨勢(shì)。宋澤卓[7]利用純凈黏土配置重金屬污染土，研究了不同濃度的重金屬污染土的工程性質(zhì)，研究發(fā)現(xiàn)污染后的土體抗剪強(qiáng)度降低、壓縮性增大，微觀結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)孔隙增大、黏粒含量降低等現(xiàn)象。呂偉豪等[8]研究了重金屬污染下膨脹土的變形特性，發(fā)現(xiàn)膨脹土受重金屬離子污染后膨脹率變大、膨脹性增強(qiáng)。賀瑤瑤等[9]對(duì)南京地區(qū)某基坑土體進(jìn)行了鎘污染研究，發(fā)現(xiàn)污染后的土體隨著鉻含量的增加，土體的抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和黏聚力顯著下降，滲透系數(shù)、內(nèi)摩擦角明顯增大，土體發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，大顆粒增多，孔隙增大，而針對(duì)石油及相關(guān)產(chǎn)品污染土的研究則相對(duì)較少，王林昌等[10]對(duì)黃河口沉積物在石油污染后的工程性質(zhì)進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)與原位試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)污染沉積物的重度、滲透系數(shù)和強(qiáng)度均有所降低，污染后的沉積物結(jié)構(gòu)多呈板狀和塊狀。鄭天元等[11-12]對(duì)淄博地區(qū)的油類污染土進(jìn)行了擊實(shí)試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)污染后的土體擊實(shí)曲線形態(tài)向無峰形轉(zhuǎn)變，最大干密度減小，并提出了“油膜潤(rùn)滑”理論解釋了油類污染土的擊實(shí)曲線的變化。陳偉勝等[13]對(duì)石油污染砂土的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明，原油和柴油的含量及性質(zhì)對(duì)非飽和砂土抗剪強(qiáng)度均有影響但遠(yuǎn)小于相同含量水的作用，且相對(duì)來說原油的潤(rùn)滑作用會(huì)更明顯降低污染砂土的強(qiáng)度。

上述研究均通過室內(nèi)試驗(yàn)研究土體受污染后性質(zhì)的變化規(guī)律及機(jī)理，取得了一定的研究成果，但也存在以下不足：①?gòu)牟煌难芯拷Y(jié)果可以看出，不同地區(qū)地基土污染后的工程性質(zhì)變化規(guī)律有相似的趨勢(shì)，但也有完全相反的變化趨勢(shì)；②研究多從污染源種類及污染物濃度等因素考慮污染土的工程性質(zhì)變化及微觀結(jié)構(gòu)變化，對(duì)地基土本身性質(zhì)及初始條件的影響考慮得較少，且在同一研究中，多只考慮某一類污染物的作用，沒有橫向?qū)Ρ炔煌愋臀廴疚飳?duì)土的污染效果。

在前人研究的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)考慮地基土本身性質(zhì)及初始條件的不同，以及重金屬及石油類兩大類污染源條件下，土體污染前后物理力學(xué)性質(zhì)的變化，并結(jié)合已有研究成果進(jìn)行橫向?qū)Ρ龋越沂就馏w初始條件的不同對(duì)污染物作用的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)控制變量

(1)地基土性質(zhì)參數(shù)：實(shí)驗(yàn)選取土體顆粒及礦物組成、土體含水率等參數(shù)作為土體本身性質(zhì)參數(shù)的代表來考察不同地基土性質(zhì)對(duì)污染物的響應(yīng)。其中，顆粒及礦物組成的不同主要體現(xiàn)在采用了兩種典型的土，即黏性土和無黏性土。含水率以天然粉質(zhì)黏土的天然含水量20%為依據(jù)，上下浮動(dòng)取3個(gè)水平值(15%、20%、23%)，如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)控制變量及因素水平

(2)污染物種類：實(shí)驗(yàn)主要考慮安陽(yáng)為典型的工業(yè)城市，其工業(yè)門類齊全，考慮到工業(yè)結(jié)構(gòu)組成的特點(diǎn)，主要考慮以Pb2+和Fe3+為代表的重金屬污染源以及以油類為代表的有機(jī)物污染源。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

研究選取的黏性土取自于河南省安陽(yáng)市文峰區(qū)安陽(yáng)工學(xué)院校園內(nèi)2 m深處的典型地基土樣，土樣呈棕褐色，土質(zhì)良好，無明顯雜質(zhì)，且地上及周圍環(huán)境良好，無生活垃圾和工業(yè)垃圾堆放。將取回的土樣烘干、過2 mm篩并進(jìn)行一系列試驗(yàn)，得到其顆粒級(jí)配及物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，如表2、表3所示。該天然土樣為典型的粉質(zhì)黏土(下文簡(jiǎn)稱粉質(zhì)黏土)，硬塑狀態(tài)，中等壓縮性。據(jù)已有研究成果，該天然粉質(zhì)黏土的最優(yōu)含水率在其塑限附近，預(yù)估為17%左右[14]。

無黏性土采用人工配置而成，利用過2 mm篩的天然粉質(zhì)黏土與購(gòu)買的標(biāo)準(zhǔn)細(xì)砂按質(zhì)量比例為1∶100的比例混合制成，其顆粒級(jí)配、物理力學(xué)性質(zhì)如表2和表3所示。由數(shù)據(jù)可以分析出人工配置的無黏性屬于細(xì)砂(下文簡(jiǎn)稱細(xì)砂)，中等壓縮性。

表2 未污染土的顆粒級(jí)配組成

表3 未污染土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

1.3 污染土樣制備

將污染前的粉質(zhì)黏土與細(xì)砂均過2 mm篩完全烘干備用(下文將污染前的土簡(jiǎn)稱為素土)。對(duì)于重金屬污染土，首先利用Pb(NO3)2固體試劑與FeCl3.6H2O固體試劑配置成質(zhì)量濃度為8%的污染液。根據(jù)一定量的烘干素土，按照含水率要求計(jì)算出所需加入的污染液的量；汽油污染土則分別計(jì)算出所需加入的水量和汽油質(zhì)量，保證汽油的質(zhì)量濃度為8%，而加入的水又滿足相應(yīng)含水率的要求。將污染液均勻噴灑到烘干土樣上并不斷攪拌均勻，密封保存放入養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)7 d后取出進(jìn)行相應(yīng)的土工試驗(yàn)。

1.4 實(shí)驗(yàn)方案

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)控制變量，采取了不完全正交法進(jìn)行組合，粉質(zhì)黏土分別考慮了3個(gè)含水率水平與3種污染物作用，而細(xì)砂則主要考慮了20%含水率水平下不同污染物的作用。研究主要進(jìn)行了密度、液塑限、壓縮系數(shù)、抗剪強(qiáng)度等指標(biāo)的直接測(cè)試。其中，密度測(cè)試采用環(huán)刀法，液塑限采用液塑限聯(lián)合測(cè)定儀測(cè)試，壓縮系數(shù)采用一維固結(jié)壓縮試驗(yàn)，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)采用不固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)測(cè)試。在制作所有環(huán)刀樣時(shí)，均給予相同的擊實(shí)參數(shù)以便消除壓實(shí)度不同的影響。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

由于土體工程性質(zhì)本身隨含水率的變化而變化，在分析含水率對(duì)污染土體工程性質(zhì)影響時(shí)，需考慮含水率對(duì)素土本身的相應(yīng)工程性質(zhì)的影響，因此采取相對(duì)變化率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，其定義式通式為

(1)

式(1)中：k為某個(gè)指標(biāo)，如密度、液塑限等，下標(biāo)0和1分別為污染前和污染后的指標(biāo)值。

2.1 物理性質(zhì)的變化規(guī)律

2.1.1 密度的變化規(guī)律

土的密度可以直觀反映土樣的疏密程度和干濕狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)采用環(huán)刀法對(duì)不同工況下的土體的密度進(jìn)行測(cè)量，并計(jì)算不同污染土相對(duì)于素土在不同含水率條件下的密度相對(duì)變化率，得到表4所示結(jié)果。

根據(jù)表4數(shù)據(jù)可以得到圖1～圖4所示的變化規(guī)律。從圖1可以看出，總體而言污染土的密度要比相同條件下素土的密度小，表現(xiàn)在圖3中的密度相對(duì)變化率均為負(fù)值；就不同污染物的影響來看，3種不同污染物對(duì)黏性土的影響大小是：汽油

表4 不同工況下土體密度實(shí)測(cè)值及其相對(duì)變化率

圖1 不同工況下土體密度的變化情況Fig.1 The change of soil density under different conditions

圖2 粉質(zhì)黏土污染土密度隨含水率的變化Fig.2 The change of density for polluted silty soil with different initial water content

圖3 不同工況下污染土密度的相對(duì)變化率Fig.3 The relative change rate of density under different conditions

圖4 不同土性的污染土密度相對(duì)變化率Fig.4 The relative change rate of density for different types of soil

2.1.2 液塑限變化規(guī)律

液塑限是黏性土的重要物理特性指標(biāo)，揭示出土體中所含的水分對(duì)土體性質(zhì)的影響。采用液塑限聯(lián)合測(cè)定法測(cè)得不同工況下的液塑限值。其中天然粉質(zhì)黏土的液塑限為定值，分別為29.5%和18.8%；在不同含水率條件下的各種污染土，認(rèn)為其礦物成分和土粒組成可能發(fā)生了變化，所以每種工況下的液塑限均進(jìn)行了測(cè)量，得到表5所示結(jié)果。

從表5和圖5～圖7可以看出，當(dāng)初始含水率低于最優(yōu)含水率時(shí)，污染土的塑限整體呈減小趨勢(shì)，塑限相對(duì)變化率為負(fù)值[圖7(a)]；而液限增大，表現(xiàn)在圖7(b)的液限相對(duì)變化率為正值；反之，初始含水率接近或大于土體最優(yōu)含水率時(shí)，污染土的塑限增大，而液限減小；液限相對(duì)變化率總體小于塑限相對(duì)變化率。這說明土體初始含水率對(duì)污染后土體的液塑限的影響呈現(xiàn)不同的規(guī)律。不同污染物條件下，汽油與Pb2+對(duì)液塑限的影響總體要大于Fe3+的影響。

表5 不同工況下黏性土的液塑限實(shí)測(cè)值與相對(duì)變化率

圖5 不同工況下污染黏性土的液塑限變化Fig.5 The change of water ratio limits under different circumstances

圖6 不同含水率的污染黏性土液塑限的變化Fig.6 The change of water ratio limits for polluted silty clay with different initial water content

2.2 力學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律

2.2.1 壓縮系數(shù)的變化規(guī)律

壓縮系數(shù)是反映土體壓縮性的指標(biāo)，反映了土體在上部荷載作用下的變形情況。土體壓縮系數(shù)越大，土的壓縮性越大，可能產(chǎn)生的變形和沉降量越大，對(duì)工程安全有重要影響。研究采用一維固結(jié)壓縮試驗(yàn)，測(cè)得未污染的素土與不同初始含水率條件下各種污染土的壓縮系數(shù)如表6所示。

從表6和圖8～圖11可以看出，不同條件下的污染土的壓縮系數(shù)均小于相應(yīng)條件下的素土的壓縮系數(shù)(圖8)；這與已有研究中污染土的壓縮系數(shù)變大、壓縮性增強(qiáng)的結(jié)論剛好相反，究其原因可能在于：在制作壓縮試驗(yàn)的環(huán)刀樣時(shí)，預(yù)先進(jìn)行了人工擊實(shí)，這一操作預(yù)先導(dǎo)致了一部分的壓縮，而這部分壓縮量并未計(jì)算在最終的壓縮量?jī)?nèi)，使得本來具有較大的孔隙的污染土體，特別是污染黏性土預(yù)先得到壓縮，從而導(dǎo)致壓縮試驗(yàn)過程中測(cè)得的壓縮量反而變小。

圖7 不同工況下污染粉質(zhì)黏土液塑限相對(duì)變化率Fig.7 The relative change rate of plastic limit and liquid limit of polluted silty clay

土體污染前后的壓縮系數(shù)隨著含水率的增大而增大(圖9)，總體而言，低含水率條件下壓縮系數(shù)的相對(duì)變化率要小于高含水率條件下的(圖10)。這主要是因?yàn)楹试酱螅懦龅乃蕉啵瑢?dǎo)致壓縮系數(shù)越大。

各種污染黏性土中，Pb2+污染后的污染土壓縮系數(shù)變化最大，而細(xì)砂在各種污染物作用后的壓縮系數(shù)變化不大(圖8、圖10)。對(duì)于粉質(zhì)黏土而言，重金屬離子污染土的壓縮系數(shù)隨初始含水率的增大而增大，而汽油污染土的壓縮系數(shù)總體隨初始含水率的增大而增大，但在最優(yōu)含水率前后的變化速率不同(圖9)。同樣條件下的黏性土的壓縮性要明顯大于細(xì)砂的壓縮性(圖8)，且污染物對(duì)粉質(zhì)黏土的壓縮性影響要大于細(xì)砂(圖11)。

2.2.2 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)變化規(guī)律

抗剪強(qiáng)度是土的最重要的力學(xué)性質(zhì)，直接關(guān)系到土體工程性質(zhì)的好壞。抗剪強(qiáng)度指標(biāo)(黏聚力和內(nèi)摩擦角)是評(píng)價(jià)土體性質(zhì)和工程設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)。本研究采用直接剪切試驗(yàn)測(cè)量各種工況下土的抗剪強(qiáng)度，得到相關(guān)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)如表7所示。

表6 不同工況下土體壓縮系數(shù)實(shí)測(cè)值及相對(duì)變化率

圖8 不同工況下污染土的壓縮系數(shù)變化Fig.8 The change of compressive coefficient under different circumstances

圖9 不同含水率的污染黏性土的壓縮系數(shù)變化Fig.9 The change of compressive coefficient for polluted silty clay with different initial water content

圖10 不同工況下污染土的壓縮系數(shù)相對(duì)變化率Fig.10 The relative change rate of compressive coefficient under different conditions

由表7數(shù)據(jù)和圖12可以看出，總體而言，不同初始含水率條件下，粉質(zhì)黏土污染后黏聚力值呈增大趨勢(shì)，Pb2+污染土的黏聚力增大幅度最大；非黏性土污染后的黏聚力值變化不大。不同初始含水率條件下，各種污染黏性土的內(nèi)摩擦角均小于未污染黏性土的，而污染后的非黏性土內(nèi)摩擦角則呈增大趨勢(shì)；就不同污染物的影響而言，總體上表現(xiàn)為重金屬離子污染條件下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的變化率要大于汽油污染條件下的相應(yīng)變化率。

圖11 不同土性的污染土壓縮系數(shù)相對(duì)變化率Fig.11 The the relative change rate of compressive coefficient for different type of soil

圖12 不同工況下土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)變化Fig.12 The change of shear strength indexes under different initial conditions

圖13反映了粉質(zhì)黏土各種條件下抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨含水率的變化情況。未污染的粉質(zhì)黏土黏聚力隨著含水率的增大而減小，內(nèi)摩擦角則呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，而污染后的粉質(zhì)黏土隨著含水率的增大總體上呈現(xiàn)先減小后增大，在靠近最優(yōu)含水率(20%)時(shí)達(dá)到最低；內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，其中，含水率由15%到20%時(shí)，下降速率較緩，由20%到23%時(shí)，下降速率增大。由此可以合理推斷，當(dāng)土體初始含水率為最優(yōu)含水率時(shí)，污染物的作用對(duì)黏聚力與內(nèi)摩擦角的影響最大。

表7 不同工況下土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)實(shí)測(cè)值

圖13 不同污染黏性土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨含水率的變化Fig.13 The change of shear strength indexes for polluted silty clay with water content

3 結(jié)論

從土體本身性質(zhì)出發(fā)，特別是探討了不同初始含水狀態(tài)和顆粒組成、礦物組成等因素對(duì)同樣污染物作用下的物理力學(xué)性質(zhì)改變的影響，得到以下結(jié)論。

(1)土體初始含水率不同，各種污染物作用下的物理性質(zhì)指標(biāo)的變化情況不同。其中，污染粉質(zhì)黏土污染前后的密度隨著含水率的增大而增大，但當(dāng)含水率低于最優(yōu)含水率時(shí)，各污染物對(duì)粉質(zhì)黏土的污染效果較明顯，密度相對(duì)變化率最大；隨著含水率的增大，各污染土的密度相對(duì)變化率均減小。當(dāng)初始含水率低于最優(yōu)含水率時(shí)，不同污染土的塑限整體呈減小趨勢(shì)，而液限增大；反之，當(dāng)初始含水率接近或大于土體最優(yōu)含水率時(shí)，污染土的塑限增大，而液限減小。

(2)土體初始含水率不同，各種污染物作用下的力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)變化也不同。初始含水率越大，壓縮系數(shù)越大，污染后的壓縮系數(shù)的變化率也越大。未污染的粉質(zhì)黏土黏聚力隨著含水率的增大而減小、內(nèi)摩擦角則呈現(xiàn)降低趨勢(shì)；污染后的粉質(zhì)黏土的黏聚力隨著含水率的增大總體上呈現(xiàn)先減小后增大，內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，其中，含水率小于最優(yōu)含水率時(shí)，下降速率較緩，大于最優(yōu)含水率后，下降速率增大。

(3)土體顆粒及礦物組成對(duì)污染物污染效果也有很大的影響。總體而言，細(xì)砂相較黏性土在同樣污染物作用后物理力學(xué)性質(zhì)更加穩(wěn)定，相對(duì)變化率更小；且在抗剪強(qiáng)度指標(biāo)特別是內(nèi)摩擦角的變化與粉質(zhì)黏土呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)，即各種污染黏性土的內(nèi)摩擦角均小于未污染黏性土的，而污染后細(xì)砂的內(nèi)摩擦角則呈增大趨勢(shì)。

(4)就污染物種類的影響效果而言，總體上表現(xiàn)為重金屬離子污染物對(duì)黏性土的污染效果要大于同樣條件下汽油的污染效果。