酸雨入滲對膨脹土抗剪強度的影響及微觀試驗研究

常錦，楊和平，肖杰,，毛瑞，童超

(1.長沙理工大學 交通運輸工程學院，湖南 長沙，410114；2.長沙理工大學 道路災變防治及交通安全教育部工程研究中心，湖南 長沙，410114;3.中鐵科研院有限公司，四川 成都，611731)

降雨入滲引起邊坡土體基質吸力減小并產生正的孔隙水壓力是邊坡滑坍的重要因素，然而，酸雨入滲的影響更為顯著，其可改變土體的礦物與化學成分及微結構，導致滑坡體宏觀性能發生改變，進而引起邊坡坍滑[1-2]。近年來，水化學環境對土體物理力學性質影響效應已成為巖土工程的研究熱點。韓鐵林等[3-6]開展了酸性環境下砂巖抗剪強度劣化性能的試驗研究，發現酸性溶液使砂巖抗剪強度的劣化損傷加劇。PRASAD等[7-8]研究了硫酸對黑棉土膨脹性的影響，發現硫酸侵蝕使土體的部分礦物質溶蝕，導致其膨脹性增大。GRATCHEV等[9]發現酸會溶蝕原狀土中的膠結物CaCO3，導致其黏聚力下降，且酸濃度越大，黏聚力下降越明顯。顧劍云等[10]發現重塑砂質粉土的黏聚力隨酸作用時間延長逐漸衰減并趨于穩定，內摩擦角變化小，抗剪強度的衰減可誘發滑坡，建議加強降酸雨型滑坡的研究。趙宇等[11]研究了黏土抗剪強度演化與酸雨引發滑坡的關系，發現滑面蒙脫石質量分數明顯增高，黏土礦物成分從含部分伊利石和伊/蒙混層礦物演化成含蒙脫石為主，加速了酸雨誘發滑坡，SHUZUI[12]也得出了類似結論。魏偉[13]發現酸性環境可溶蝕膨脹土內部的可溶性鹽及有機物質，改變其微觀結構，且酸性環境越強，其黏聚力及內摩擦角均減小，但未考慮大氣干濕循環作用對邊坡淺層不同深度土體的影響及其實際受力狀態。綜上可知，酸性環境對土體物理力學性質影響顯著，酸雨區邊坡滑坍不僅受土巖結構及基本性質影響，而且與所處的水化學環境密切相關。當前，隨著中國經濟建設快速發展，煤和化石燃料等的用量急劇增加，我國大氣環境問題日趨嚴重，2003—2015年廣西全區降雨中，百色地區pH最小時為2.32，且該地區的酸雨比例達67.2%[14-15]。現行公路土工試驗規程(JTG E40)并沒考慮 pH的影響，規定膨脹土基本性質試驗均在中性水環境中進行，測試結果與酸雨環境下的實際情況不符。目前尚無涉及酸雨入滲與干濕循環共同作用對膨脹土抗剪強度衰減影響的研究，而研究此條件下其抗剪強度衰減特性對邊坡穩定分析尤為重要，為此，本文作者以廣西酸雨重災區的百色原狀膨脹土為研究對象，模擬酸雨入滲條件開展飽和慢剪試驗，探究酸雨入滲對膨脹土抗剪強度的影響，并采用X線衍射儀(XRD)和掃描電子顯微鏡(SEM)開展酸雨入滲作用后試樣的微結構及礦物成分變化的試驗研究，闡明其對膨脹土強度特性影響的微觀作用機理。

1 試驗設計

1.1 試驗溶液制備

根據我國酸雨成分的構成特點[16]，參考已有模擬酸雨條件相關研究成果[5-6,13]，結合百色地區酸雨統計情況[14-15]，采用pH =7的蒸餾水中性溶液，選用稀硫酸和稀硝酸按物質的量比為 3:1分別配制pH=3和pH=5的酸性溶液。

1.2 試驗用土

選取典型風化殘積型百色膨脹土，取樣深約6 m，基本土性指標見表1。

表1 百色膨脹土的基本性質參數Table 1 Characteristic indexes of expansive soil

1.3 試驗方法

1) 干濕循環方案。膨脹土邊坡發生淺層坍滑時，其滑裂面受到上部土體的自重(豎向)作用力通常小于50 kPa[17]；本次干濕循環過程中均施加壓力為6.25，12.50，25.00和50.00 kPa的上覆荷載，以模擬大氣干濕循環作用實際邊坡在不同深度下土體的受力狀態。加荷裝置如圖1所示。

圖1 加荷裝置Fig.1 Loading device

圖1中，護環裝置的作用是為限制試樣吸濕膨脹后高出環刀部分土樣的側向變形。吸濕過程為：將切取的百色原狀環刀樣連同加荷裝置一并放入盛有不同pH溶液的托盤中靜置吸濕7 d，使其充分吸濕飽和。脫濕過程為：采用由真空泵、飽和桶和抽真空管組成的抽真空裝置(見圖2)將托盤中溶液抽干，隨后在50 ℃恒溫鼓風干燥箱中進行脫濕。在脫濕過程中，每間隔一段時間快速測量試樣的質量，以減小卸荷和加荷對試樣的擾動。試驗時，考慮最不利條件，先將飽水試樣脫濕至含水率13%(誤差小于0.3%)，即完成1次干濕循環，如此反復，直至預定干濕循環次數為止。

圖2 抽真空裝置Fig.2 Vacuuming device

2) 試驗方案。采用四聯電動直剪儀開展原狀土樣飽和慢剪試驗，試驗上覆壓力設為6.25，12.50，25.00和50.00 kPa，以研究實際邊坡淺層土體經不同酸性干濕循環作用后強度的衰減規律，剪切速率為0.02 mm/min。考慮到干濕循環周期偏長，本次試驗選取0，2，4和6次干濕循環試樣進行飽和慢剪試驗。

2 試驗結果及分析

在不同pH酸液及干濕循環作用次數n下，試樣峰值抗剪強度τ的實測結果如表2所示。

2.1 酸雨入滲作用對抗剪強度的影響

根據表2所示試驗結果，繪制干濕循環條件不同上覆壓力作用試樣峰值抗剪強度τ隨酸液pH的變化關系曲線，見圖3。

從表2和圖3可知：隨酸液pH減小，不同干濕循環次數各上覆壓力作用的試樣峰值抗剪強度τ均逐步減小；當n=0，酸液pH由7降至5和3時，6.25 kPa上覆壓力作用試樣τ由22.01 kPa分別降至20.01 kPa和17.98 kPa，降幅分別為9.1%和18.3%；當酸液pH=3，上覆壓力由6.25 kPa增至50.00 kPa時，前者τ降幅達后者的4.14倍。

在不同pH酸液作用下，試樣τ均隨n增大不斷減小，且干濕循環作用2次的降幅最大，而后降幅逐漸減緩，并在作用6次后基本達到穩定，這與楊和平等[18]的研究規律相似；在6.25 kPa上覆壓力作用下，當酸液pH為5和3時，試樣的峰值抗剪強度τ比pH=7時分別下降14.45%和26.01%，且pH越小，τ隨n增加下降的速度越快。究其原因可能是土樣內部礦物成分表面帶有一定量負電荷，能吸附溶液中的氫離子，當浸泡液酸性在一定范圍內增強時，溶液中氫離子溶度增大，黏土礦物表面吸附的氫離子增加并置換出其中的高價陽離子，引起電位升高，黏土顆粒間距變大，內部結構趨于分散，層間作用力下降[13,19-20]；此外，膨脹土吸濕體積膨脹受阻時產生膨脹力，當施加的上覆壓力小于膨脹力時，土樣發生體脹，土顆粒間間隙變大，孔隙率變大[18]，這增大了顆粒與酸液的接觸面積，使其抗剪強度在酸雨入滲作用下降幅更大；干濕循環次數n增加，試樣裂隙不斷發育，為酸雨入滲提供了便捷通道，土水化學反應更充分。劉華強等[21]指出干濕循環過程中膨脹土裂隙發育呈先快后慢的趨勢，這可能是導致抗剪強度在2次循環時衰減幅度普遍較大的影響因素。

表2 抗剪強度試驗結果Table 2 Results of shear strength tests

圖3 酸雨入滲作用下試樣抗剪強度的變化Fig.3 Changes of shear strength of specimens under acid rain infiltration

2.2 酸雨入滲作用對抗剪強度的影響

采用直線法擬合表2中試驗結果，得到不同 pH的酸液作用抗剪強度參數黏聚力c和內摩擦角φ隨干濕循環作用次數n的變化關系，分別如圖4和圖5所示。

圖4 黏聚力c隨干濕循環次數的變化Fig.4 Relationship between cohesion and dry-wet cycles

圖5 內摩擦角φ隨干濕循環次數的變化Fig.5 Relationship between inner friction angle and dry-wet cycles

從圖4可知：在不同pH的酸液環境下，試樣c均隨n增加而減小，且pH越小，下降幅度越大；干濕循環作用2次的降幅最大，當n=2時，pH為5和3的酸液作用試樣c分別為10.01 kPa和8.12 kPa，分別比pH=7時的11.80 kPa下降15.2%和31.2%；當n增至6次時，在3種不同pH的酸液環境下，試樣的c基本穩定。從圖5可見：隨n增加，不同pH的酸液作用試樣φ均下降，前2次干濕循環作用的降幅大，隨后即趨于穩定，但pH越小，降幅越大。這表明隨n增加，膨脹土抗剪強度的降低主要表現為黏聚力降低，這與文獻[22]中的結論相一致；酸雨入滲作用使土體黏聚力進一步下降，且干濕循環作用將加劇c衰減，肖杰等[23]認為正是由于c急劇降低，導致膨脹土塹坡的淺層坍滑破壞，對于實際膨脹土邊坡，酸雨入滲作用可能加速其發生坍滑破壞。

2.3 酸雨入滲作用對抗剪強度衰減規律

為定量分析酸雨入滲作用下，不同干濕循環次數作用下百色原狀膨脹土的抗剪強度衰減規律，給出強度絕對衰減率Δ(n,u,k)的定義：

式中：n為干濕循環次數；u為pH；k為施剪時試樣所受上覆壓力；τ(n,u,k)為試樣在干濕循環次數為n、酸液pH=u、上覆壓力為k時的抗剪強度。

根據式(1)及表2，計算得到不同 pH的酸液環境不同上覆壓力(6.25，12.50，25.00和50.00 kPa)作用試樣的絕對衰減率與干濕循環次數的關系曲線，如圖6所示。

從圖6可知：試樣抗剪強度的絕對衰減率Δ隨酸液pH減小而逐步增大；當n一定時，在不同pH的酸液作用下，Δ均隨上覆壓力增大而減小，這說明上覆壓力對試樣的強度衰減起到了抑制作用；當上覆壓力一定時，Δ隨n的增加而漸增，每2次干濕循環后的衰減幅度逐次變小；當n=2時，pH為3和7的溶液在 6.25 kPa上覆壓力作用下，Δ分別為 57.1%和40.2%，當上覆壓力增至50 kPa時，Δ分別降至29.1%和 20.3%。這說明酸雨入滲作用加劇了膨脹土強度的衰減，對實際膨脹土邊坡工程而言，酸雨入滲作用對邊坡淺層土體的強度衰減最明顯，該影響隨土層深度的增加而逐漸減弱。

3 酸雨入滲作用下膨脹土的微觀試驗研究

取不同pH酸液(pH為3，5和7)環境下經干濕循環次數n為1和4次作用試樣開展XRD試驗及SEM掃描電鏡試驗。

圖6 酸雨入滲作用下的絕對衰減率Fig.6 Absolute attenuation rates of acid rain infiltration

3.1 酸雨入滲作用下膨脹土的XRD試驗

不同pH酸液作用下試樣XRD圖譜如圖7所示。由圖7可知：當n=1時，酸液pH減小，蒙脫石、伊利石、高嶺石等黏土礦物特征峰強度均出現不同程度的衰減，且pH越小，衰減越劇烈；當n=4時，pH為7的黏土礦物特征峰強度無明顯變化，而pH為3的黏土礦物特征峰強度繼續下降；與pH為7的溶液相比，pH為3時的蒙脫石、伊利石和高嶺石等黏土礦物特征峰強度分別降低42%，51%和58%。這表明酸雨入滲作用使土體中游離SiO2，Al2O3，K2O，MgO和 CaO等膠結物出現不同程度溶蝕和淋濾，且酸液pH越小，該效應越明顯，在干濕循環作用下，土體反復脹縮，促進了微孔隙的發育，為酸雨入滲創造了更有利的條件，導致土顆粒與酸液間的水土化學作用更劇烈。

3.2 酸雨入滲作用下膨脹土的SEM試驗

不同pH的酸液作用下試樣SEM試驗結果如圖8所示。

從圖8可見：當n=1時，隨酸液pH減小，土體微孔隙加速發育，微孔隙尺寸和數目均增加，整體結構漸趨分散；隨干濕循環次數增加(n=4)，不同pH的酸液作用下土體微結構體積均增大，微結構排列趨于紊亂，且 pH越小，微結構單元更松散，孔隙分布也越廣泛。

4 討論

廖世文等[24-25]采用化學分析法對湖北勛縣和陜西安康膨脹土的膠結作用進行了研究，發現游離氧化鐵和碳酸鹽等膠結物的存在使土體結構性增強，且這種結構強度屬于物理化學聯結形成的不可逆的聯結強度；一旦溶液介質條件發生變化，膠結物的理化性質改變，該結構強度容易喪失[26]。劉劍等[18]發現 HNO3會溶蝕蒙脫石，使膠結物質量分數降低，導致重塑土黏聚力下降。

圖7 不同pH時酸液作用的XRD圖譜Fig.7 XRD patterns under different pH acidic solutions

圖8 不同pH的酸液作用下土樣微結構(×5 000)Fig.8 Microstructures of soil samples eroded by different pH solutions

上述研究均強調了膨脹土中膠結物對土體結構強度的重要作用。此外，WANG等[26]從黏土礦物表面電荷的變化探究了酸性環境對高嶺土抗剪強度衰減的影響，認為酸性環境主要影響和攻擊的對象是邊緣電荷而不是基礎表面電荷。魏偉等[13,18]認為酸性環境下離子交換作用引起黏土礦物表面電位升高，致使土水界面間擴散層及水化膜變厚，層間作用力下降，是導致土體抗剪強度下降的主要因素。

根據酸雨入滲作用下百色原狀膨脹土抗剪強度的試驗結果，發現酸雨入滲作用使得土體抗剪強度峰值、黏聚力及內摩擦角出現不同程度衰減，且該衰減趨勢隨入滲酸雨pH減小而進一步增強。然而，膨脹土的黏聚力由結構連接力及吸附力 2部分構成，從 XRD結果(圖7)發現受酸雨入滲作用土中膠結物發生溶蝕和淋濾，這可能是導致土體結構性降低的原因；同時，從SEM圖(圖8)中觀察到隨酸雨入滲作用土體微孔隙體積和數目的增大，微結構單元變得分散，這將導致膨脹土土粒間結合水膜的厚度與土粒間距變大，土粒間吸附力降低，宏觀上表現為土體黏聚力下降，抗剪強度出現衰減。在酸雨入滲作用下，膨脹土表面礦物電荷變化及離子交換作用等因素對土體抗剪強度的影響有待進一步研究。

5 結論

1) 酸液pH越小，百色原狀膨脹土抗剪強度衰減越顯著，干濕循環作用前2次的衰減最大，且在較低上覆壓力作用下，衰減作用更明顯。

2) 隨干濕循環次數n增加，在不同pH的酸液環境下黏聚力c均減小，且pH越小，黏聚力降幅越大，當n增至6次時，黏聚力c基本趨于穩定，而摩擦角φ在前2次干濕循環作用下衰減，但衰減幅度不大，隨后趨于穩定。

3) 酸雨入滲作用使土體中黏土礦物出現不同程度溶蝕和淋濾；土中游離膠結物質量分數降低，使土體結構性減弱，加速土體孔隙發育，微結構單元變得分散，土粒間吸附力降低，宏觀抗剪強度和黏聚力下降，且該衰減趨勢隨酸液pH減小而進一步增強。

4) 酸雨入滲作用使膨脹土邊坡淺層土體抗剪強度下降，且在大氣干濕循環作用下，加速其強度衰減，進而加快坡體滑面的形成。對于實際膨脹土邊坡，酸雨入滲作用可能加速其發生淺層坍滑破壞。