重金属污染粉质黏土强度特性实验研究

张志亮　张嘉培+韩林+郭慧英

摘 要：将不同浓度CuCl2溶液与北京某地粉质黏土拌和制成重塑土样，对其进行三轴固结不排水剪切实验。结果表明，随着Cu2+浓度的增大，土样的轴向应力差不断降低，同时抗剪强度指标有效粘聚力与有效内摩擦角也相应降低。通过对试验结果空间平面拟合，建立了以法向应力、渗透吸力双应力变量描述的强度模型。

关键词：污染土体；抗剪强度；渗透吸力；强度模型

0 引言

随着工业化进程的加速发展，建设工程中遇到了越来越多的污染土问题，重金属污染土是其中之一。重金属离子在侵蚀土体的过程中会进行长期的积累、沉淀和迁移等行为，这些行为会导致土体的物理结构与化学性质发生变化，进而影响土体的强度和变形特性[1，2，3]。对此，国内外许多学者做了研究，并取得了一些成果。Arthur 等[4]的研究结果表明，重金属铜离子浓度的变化会导致土体的物理特性发生改变。陆海军等[5]从微观结构试验分析得到铅污染黏土相较于原状土孔隙率增大，随含铅污染物浓度增大，污染黏土的抗剪强度降低，粘聚力与内摩擦角分别减小。莫菲苹等[1]针对粗颗粒土做了三轴固结不排水剪切试验并与直剪试验进行对比，结果表明同围压作用下，随着重金属离子浓度的增大，土体抗剪强度不断降低，且不同离子浓度作用下抗剪强度与法向应力关系曲线近似一致。P.Witteveend等[6]在固结试验中发现渗透吸力对土体变形有重要影响，随着渗透吸力增大，土体变形增大. Pineda[7]通过直剪试验研究孔隙液浓度对软黏土强度影响规律，并分析抗剪强度与孔隙液电导率之间的关系，结果表明随着孔隙液浓度增大，电导率增大，软黏土的强度提高。即在高浓度孔隙液作用下，土粒变得密实，从而强度提高。 郭慧英等[8]通过理论推导证明了渗透吸力可以作为控制土体力学性状的独立应力状态变量，并进行了室内三轴固结不排水剪切实验，结果表明随土样中离子浓度增大，有效粘聚力和内摩擦角均降低。

虽然国内外学者针对污染土强度已经做了一些研究，但多采用直剪试验，不能真实反映土体破坏状态和过程。本文通过不同浓度的CuCl2溶液侵蚀北京某施工场地粉质黏土制得试样，开展室内三轴固结不排水实验。实验结束后测定孔隙液电导率，通过孔隙液电导率计算渗透吸力。并通过分析剪切实验数据，建立了渗透吸力和法向应力共同作用下的双应力变量扩展摩尔-库仑强度模型。

1 北京某施工场地粉质黏土三轴强度实验

1.1 实验材料

实验土取自北京某施工场地粉质黏土，其基本物理性质如下：

1.2 土样制备

采用室内轻型击实标准制样，试样直径为50mm，高度為100mm，具体操作步骤如下：

（1）将2500g土样铺在塑料薄膜上，并将500g溶液均匀喷洒在土样上，充分搅拌并在保鲜袋静置48小时使水分均匀。

（2）土样分四层击实，每层土样重量为95g，高度为2.5厘米，将层与层处刮毛。

（3）将土样置于抽气饱和缸进行饱和，以一个大气压的压力连续进行抽气两小时以上，并完全浸泡在水中10个小时以上。之后将土样通过三轴仪施加反压进一步饱和，至B，认为土样完全饱和。

1.3 三轴固结不排水剪切实验：

试验仪器为污染土柔性壁三轴仪。对不同浓度CuCl2溶液侵蚀过的土样分别施加100kPa、200kPa、300kPa、400kPa围压，对其进行固结不排水剪切强度试验。

2 结果与分析

2.1 各离子浓度作用下应力应变关系曲线

由图1可知，随着轴向应变增大，其应力也逐渐增大，刚开始呈线性增大，增大到一定程度开始变缓，发生塑性变形，应力应变呈硬化型。在各个围压下，随着Cu2+浓度不断增加，土样的轴向应力差出现不同程度的降低。即重金属离子的侵入，在某种程度上改变了土颗粒原有的结构排列，使土样抗剪强度降低，且随着离子浓度增大，其改变量减小。此结果可能与黏土颗粒比表面积有关。在黏土颗粒比表面积一定时，当离子浓度增大到饱和，其对黏土颗粒结构排列的侵蚀和弱化达到极限，此时即使离子浓度继续增加，土体抗剪强度也不再发生变化。

2.2 极限强度与最大围压关系曲线

由图2可以看出，土体极限应力随着离子浓度增大而减小，因此在工程实践中应该考虑重金属离子侵蚀对土体产生的弱化作用。在15g/L、20g/L离子浓度下，土样的极限应力大致相同，则由于土体自身结构所限，随着离子浓度增大，土体强度并不会持续降低，而是存在一个极限值。

2.3 不同侵蚀离子浓度作用下摩尔强度包线及抗剪强度指标变化曲线

由图4可知，随着离子浓度增大，有效抗剪强度指标c′cu、φ′cu均降低。其中离子浓度的变化对土样的粘聚力影响较大，随着CuCl2浓度从5g/L增长到20g/L，c′cu由51.8kPa降低到40.1kPa，φ′cu由15.6。降低到14.0。另外，金属离子浓度从15 g/L增大到20g/L时，粘聚力改变量较小，此时抗剪强度变化量也较小。

粘性土的粘聚力由其黏粒间的各种物理化学力所决定，包括库仑力，范德华力，双电层排斥力等等。一方面重金属离子的侵入改变了土颗粒间原有的相互作用，破坏了黏土原有的胶结结构，致使其胶结强度下降。另一方面，当重金属离子侵入时，孔隙液中阳离子Cu2+会被吸附到土颗粒上并置换同等化合价的极性水分子，平衡黏土表面负电位，使得黏土扩散双电层厚度减小，结合水膜变薄，颗粒间排斥力减小，颗粒间易于移动，导致黏聚力降低。另外，由于黏土颗粒所带电荷量是一定的，则重金属离子与结合水膜中的水分子的最大交换量也是定值，即随着重金属离子浓度增大达到饱和后，结合水膜厚度保持不变，土样宏观粘聚力趋于定值。

3 基于渗透吸力的强度模型

3.1抗剪强度与渗透吸力间关系曲线endprint

三轴仪施加围压挤出土样孔隙液，应用电导仪测试其电导率并计算相应的渗透吸力[9]。渗透吸力与电导率之间的关系式为：

π=0.0191EC1.074 （1）

π--渗透吸力，单位kPa，

EC--孔隙流体电导率，单位μs/cm。

通过计算得到对应土体的渗透吸力：

由图5可知，在相同围压下，渗透吸力对于土体抗剪强度影响一致，即随着渗透吸力增加，抗剪强度降低。不同围压下，各条曲线大致平行，也证明了渗透吸力可以作为有别于力学荷载的新因素。渗透吸力由孔隙液浓度引起，对土体的强度有着不可忽视的弱化作用。现今污染土问题日益严重，则基于渗透吸力的化力耦合作用应引起高度重视。

3.2 双应力变量描述的扩展摩尔库伦强度模型

根据图6，引入渗透吸力作为应力变量，得到双应力变量描述的强度公式为：

τ=c′+σtanφp-πtanφc （2）

其中σ为试样所受法向应力，π为渗透吸力，φp为与净法向应力对应的内摩擦角，φc为与渗透吸力对应的内摩擦角，tanφ、tanφc为拟合参数，拟合公式方差R2=0.9909。

根据本文三轴试验结果，具体强度表达式为：

τ=51+σtan14.8°-πtan3° （3）

4 结论

（1）隨着重金属离子浓度增加，孔隙液电导率增加，渗透吸力增加，土体的抗剪强度降低，强度指标粘聚力与内摩擦角分别降低。

（2）重金属离子的侵蚀破坏了土颗粒间原有的胶结作用，并使双电层厚度变薄，颗粒间排斥力减小，使黏土粘聚力减小。

（3）建立了基于法向应力和渗透吸力的双应力变量的摩尔-库伦强度模型：

τ=c′+σtanφp-πtanφc

所建模型在宏观上能够定量揭示重金属离子浓度对土体抗剪强度的影响，具有较高的工程应用价值。

参考文献

[1]莫菲苹，程峰.重金属污染物侵入对土体强度影响的试验研究[J].矿产与地质，2015，29（1）：114-117.

[2]张志红，李红艳，师玉敏.重金属Cu2+污染土渗透特性试验及微观结构分析[J].土木工程学报，2014，47（12）：122-129.

[3]Barbour S L， FredlundD G. Mechanisms of osmoticflow and volume change in clay soils[J]. CanadianGeotechnical Journal， 1989， 26（4）： 551–562.

[4]Emmanuel Arthur， Per Moldrup， Martin Holmstrup，et al. Soil microbial and physicalproperties and their relations along a steep copper gradient. Agriculture[J].Ecosystems and Environment，2012，159：9–18.

[5]陆海军，廖朱玮，汪琪，赵颖，陈威，铅污染黏土微观结构与变形强度特性[J].岩石力学与工程学报，2014，33（增2）：4252-4257.

[6]P.Witteveen，A.Ferrari，L.Laloui.An experimental and constitutive investigation on the chemo-mechanical behaviour of a clay.Geotechnique 63，2013，No.3，244-255.

[7]J.A. Pineda， R. Kelly， L. Bates， D. Sheng and S. Sloan.Effects of pore fluid salinity on the shear strength of asoftclay[J].American Society of CivilEngineers，2013，1460-1469.

[8]郭慧英，张志红，陶连金. 基于渗透吸力的侵蚀黏土强度模型[J].黑龙江科技大学学报.2016，26（4）：422-428

[9]N. Peroni， A. Tarantino. Measurement of osmotic suction using thesqueezing technique[J].Springer Proceedings in Physics，2004，93：159-168.endprint