孔隙水酸污染誘發擊實黃土的崩解試驗研究

劉 華，谷宏全，胡鵬飛，胡文樂，牛澤林

(1.西安建筑科技大學 土木工程學院，陜西 西安 710055；2.陜西省巖土與地下空間工程重點實驗室，陜西 西安 710055)

黃土在世界各地分布廣泛，其中在我國西北地區的黃土高原分布連續、完整，其特征極為典型，分布面積約為63×104km2，占我國陸地總面積的6.6%[1].近年來由于工業、農業、建筑等行業快速發展，使得環境問題日益突出，導致我國酸雨狀況日趨嚴重，我國已成為了中-強酸雨區域面積最大的酸雨區之一，對酸污染土課題的研究有著實際意義[2].

土體的崩解是常見的地質現象之一，土工上是指土體浸水后發生土體碎裂、解體、崩落或強度折減的現象[3].近年來，由于巖土體等崩解所引發的工程地質事故屢見不鮮，國內外學者逐漸重視巖土體崩解特性相關研究工作.Lyles等[4]在室內模擬降雨條件下，研究了降水強度、持續時間和風速等對崩解的影響.Graber等[5]通過石膏材料、合成有機聚合物和富含有機物的廢棄物等材料對土壤進行改良，改善了土壤結構的穩定性.Geobel等[6]從表面張力和接觸角等方面研究了土壤潤濕特性對部分土壤有機質的穩定性的影響.李家春等[7]利用改進型浮筒崩解測試裝置對重塑黃土進行進行室內崩解試驗，得出試樣含水率和壓實度對崩解速度的影響，崩解速度隨著含水率、壓實度的增加而減少，含水率和壓實度達到一定限值時崩解速度很小，甚至崩解性消失.袁亮等[8]對取自不同地區的黃土進行比較，得出黃土的黏粒含量和礦物成分是影響黃土崩解的重要因素，不同粒度組成和含水率條件下對其崩解的影響.谷天峰等[9]通過對黑方臺黃土進行崩解試驗，得出托盤孔徑、試樣尺寸、初始含水率、水溫、pH值、水中鹽度等因素對崩解速度的影響關系.李喜安等[10]進行室內和原位崩解試驗，將崩解形式歸納為崩離、迸離和解離三種形式.黃土發生崩解的物質基礎是黏土礦物，發生的條件為膠結力遇水變弱，黃土顆粒或塊體所受的崩解合力大于其膠結力.曾慶建等[11]通過對照試樣進行吸水試驗，提出了利用自制設備進行試驗的經過修正的崩解量計算公式.王菁莪等[12]通過對非飽和重塑黃土的崩解速率和基質吸力進行試驗測算，最終得出基質吸力越大崩解速率越快，并給出初始基質吸力與崩解速率的函數關系.張抒等[13]對非飽和花崗巖殘積土的崩解機制進行研究，通過對不同含水率的試樣進行崩解試驗，從基質吸力、表面張力和孔隙氣壓等方面對崩解機理進行分析，得出平均崩解速率隨著有效孔隙率和基質吸力的增加而增加；金旭等[14]針對酸污染的花崗巖殘積土進行崩解研究，得出酸濃度、浸泡時間等因素與崩解速率的關系.

目前，土體崩解主要集中對天然原狀土和重塑土的研究，而對污染重塑黃土的崩解研究較少.本文通過自行裝配的崩解試驗裝置，對未污染黃土和硝酸污染黃土進行室內崩解試驗，對含水率、干密度、酸濃度等影響因素對崩解的影響進行了分析比較，找到含水率、干密度和酸濃度等與崩解速率的變化規律，以期對酸污染黃土場地的評價和設計施工提供有益的參考.

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用土取自陜西省銅川市區某施工現場的Q3黃土，取土深度2.0～3.0 m.基本物理指標見表1.顆粒分析曲線見圖1，不均勻系數Cu>5，曲率系數Cc∈(1，3)，本次土樣屬于級配良好的黃土狀粉質黏土.

表1 土樣的基本物理性質指標

圖1 顆粒分析曲線

依據有關部門針對降雨與環保的監測和統計數據，我國的酸雨類型有從硫酸型向硫酸-硝酸型轉變趨勢，本次試驗選用硝酸配置溶質質量濃度為1%、4%、8%、12%四種污染液進行試驗.

1.2 試驗裝置與原理

1.2.1 試驗裝置

《土工試驗方法標準》(GB/T 50123-2019)中崩解試驗以及蔣定生等[3]學者使用浮筒式崩解儀進行了試驗.鑒于黃土在水中崩解時間較短，利用該裝置很較難準確計量試樣某一時刻的崩解量，特別對總崩解時間較短的試驗誤差較大.因此專家學者通過改進浮筒式崩解儀或自制崩解裝置進行崩解試驗，均取得較理想結果[8, 10-11, 15].本試驗通過自制裝置(圖2)進行試驗，主要由支架、盛水容器、吊籃、拉力計、數據采集器等組成.盛水容器斷面尺寸稍大于吊籃平面尺寸，吊籃用鐵絲拼接綁扎制作成10 cm×10 cm邊長的正方形網片，網眼尺寸10 mm×10 mm，崩解時用以放置試驗土樣.拉力計使用HP-20系列推拉力計，最大負荷2 Kg，分度值0.1 g，誤差±0.5%，采樣時間間隔0.1 s.該套裝置與傳統浮筒式崩解儀相比較的優點：可直接讀出未崩解試樣的浮重，裝置的讀數精度和頻率較高.

圖2 崩解試驗裝置

1.2.2 試驗基本原理和計算方法

試驗裝置通過數據采集記錄的是試樣在水中的浮重量，崩解率、崩解速度等指標需要對其進行換算.記錄數據前將吊籃單獨放在水中時將拉力計讀數歸零，拉力計讀數為試樣在吊籃上未崩解土體的浸水浮重.

以吊籃上未崩解飽和試樣為分析對象列出靜力平衡方程：

ρsatgV未崩=FN+ρwgV未崩

(1)

(2)

(3)

式中：M=FN/g，即拉力計讀數，g；ρsat為試樣飽和密度，g/cm3；MND為未崩解土體的飽和質量，g；VND為未崩解土體的體積，cm3；Vs為未崩解土體中的土顆粒體積，cm3；Vv為未崩解土體中的孔隙體積，cm3；k為轉換系數(無量綱).

(4)

(5)

式中：Msat為試樣理論飽和質量,g；MD為已崩解土體的飽和質量，g.

試樣放入水中初期，由于進入孔隙水分大于試樣崩落土顆粒，試樣浮重增加，在此段時間內的崩解量無法計量.當試樣吸水量與崩解量平衡時，試樣達到最大質量，通過觀察此刻試樣周圍氣泡明顯減少，假定此刻試樣完全飽和，式中Msat利用計算的理論飽和質量.

1.3 試樣制備與方法

1.3.1 試樣制備

首先將制樣備用的黃土碾碎過2 mm篩，篩余土顆粒晾干裝袋并測其含水率，以備制樣.按照試驗方案配置不同含水率、干密度和污染液濃度的土樣，其中硝酸污染試樣以硝酸溶液的質量與土粒質量的比值作為名義含水率進行配置.配置好后裝袋密封靜置養護24 h，使土壤內水量分布均勻.將配置好含水率的土壤，根據不同干密度計算出質量分2～3次放入直徑100 mm、高126 mm的輕型擊實筒內，擊實到計算試樣高度處，擊實完畢將試樣小心取出后用削土刀切成5 cm×5 cm×5 cm的立方體試樣.切土過程盡量縮短時間，減少水分流失，以保證試樣含水率的準確性.

依據前人研究成果和土體基本物理特性相結合，含水率、干密度(壓實度)、硝酸濃度取值見下表.

表2 試驗變量因素

1.3.2 試驗步驟

為消除試驗過程中其他因素影響，除試驗變量以外的其他條件盡量保持一致.記錄前將吊籃單獨懸掛在拉力計上放入水中，將拉力計讀數清零；然后將吊籃拿出，把試樣放置在吊籃中間位置，將吊籃和試樣懸掛在拉力計下部，點擊開始記錄數據后將吊籃和試樣放入水中，保證試樣垂直懸掛，且吊籃不得與容器壁接觸；按照一定時間間隔(10 s)記錄崩解過程中試樣的質量變化，并留存影像，至土樣完全崩解或拉力計讀數不再變化時停止記錄，保存數據.

2 試驗結果與分析

依據實驗結果，黃土崩解曲線可以分為三個階段(圖3所示)：OA段為水與試樣接觸后開始進入試樣孔隙，慢慢充滿孔隙的過程，為浸水逐漸飽和階段；AB段試樣孔隙逐漸被水充滿，試樣內的孔隙、裂隙等貫通聯結，膠結物被溶解，試樣表層土顆粒逐漸裂開、崩落，崩解率與時間基本成線性關系，為穩定崩解階段；BC段試樣大部分已經崩解，剩余內部土體經過浸泡軟化，其內摩擦角和黏聚力變小使其呈現黏流態或黏塑態留在托盤上，此時孔隙完全被水充填，內外氣壓相等，而后逐漸崩解直到完全崩落，為崩解的最后階段.由于AB段為崩解的主要階段且崩解較穩定，含水率和干密度較高試樣的分段界限不明顯，為便于統一崩解時間段，本試驗以該AB段的平均崩解速率進行分析比較.

圖3 典型黃土崩解曲線

2.1 崩解體形態變化特征

試樣浸水后，周圍開始產生大量氣泡，水壓驅替孔隙氣體逃逸，外層及棱角處的土顆粒最先開始脫落，試樣平面緩慢出現環向裂縫，擴展到一定寬度脫落母體發生崩落，外形逐漸呈現出棱角形狀.而后隨著試樣飽和，氣泡逐步減少，土體呈軟黏流塑狀，緩慢滑落托盤，直至崩解完畢或穩定不再崩解為止.含水率低的試樣崩解過程中氣泡特點是小而密集，而含水率高的試樣則相反.

崩解過程中，含水率相對較低的試樣成散粒狀崩落，崩落粒度均勻且崩解進行穩定，最終崩解率基本達到100%；隨著含水率的增加，開始有部分土體以集粒、凝塊等形態崩落，其崩落帶有一定程度的隨機性，崩解率逐漸降低，當含水率達到20%時崩解率基本降至為零.

最終崩解率主要受含水率、干密度控制，隨著干密度和含水率增加崩解率減小；當含水率小于16%時，干密度對崩解率的影響不太顯著，基本都能達到100%；當含水率大于16%時，干密度對崩解率的影響顯著增強，且隨著干密度的增加崩解率逐漸減小.

2.2 未污染土的崩解速率變化

黃土主要由碎屑礦物(石英、長石、方解石、白云石)和黏土礦物(水云母、高嶺石、蒙脫石)組成，主要化學成分有：SiO2、Al2O3、CaO等.膠結物主要由易溶鹽(Na+、K+、Mg+、Ca2+的氯鹽、碳酸鹽和硫酸鹽)、中溶鹽(CaSO4)和難溶鹽(CaCO3)組成[1].當試樣遇水后，土體膠結物中的易溶鹽被水溶解，膠結力迅速降低，隨著水的滲入，基質吸力逐漸減小.由于基質吸力作用，水沿著孔隙等進入土體，同時隨著基質吸力的減小，水分吸附在土顆粒表面形成水膜，由于孔隙分布不均勻，水先進入基質吸力較大的小孔隙內，隨后進入孔隙次大一級的孔隙；在水進入土體的同時部分孔隙內空氣還未來得及排出，導致孔隙氣壓增加，在孔隙內形成局部高壓的集中力.如圖4所示，當斥力大于吸力時土體開始崩解.

圖4 土體浸水示意圖

通過室內崩解試驗，可分析得出未污染試樣在不同干密度和含水率條件下穩定崩解階段的平均崩解速率見表3.

表3 未污染土的平均崩解速率

圖5、圖6為不同干密度和含水率條件下平均崩解速率的變化曲線圖.如圖所示，相同干密度條件下，平均崩解速率隨著含水率的增加總體呈現先增加后減小趨勢，當干密度達到一定值時，平均崩解速率隨含水率增加而減小；相同含水率條件下，平均崩解速率隨著干密度的增加而減小.

圖5 未污染試樣含水率-平均崩解率曲線

圖6 未污染試樣干密度-平均崩解率曲線

隨著初始含水率的增加，土顆粒間水膜厚度增加導致吸力減小，由基質吸力的作用，水快速進入試樣內部，將土顆粒間可溶性膠結物溶解降而低其結構吸力，總吸力減小，在水進入土體的同時部分孔隙內空氣還未來得及排出，當吸力小于斥力時，土體開始崩解.當初始含水率繼續增加時，土體中一部分孔隙被封閉，致使孔隙連通性、滲透性降低，部分土顆粒以集粒和凝塊等形式存在，從而崩解速率降低.崩解速率隨含水率增加呈現先增加后下降的趨勢，含水率繼續增加到20%時，試樣基本不發生崩解.

黃土在干密度較低狀態時，土體結構松散，多架空孔隙結構，隨著試樣干密度增加，土顆粒排列緊密孔隙被填充，當試樣壓實度達到95%左右時，架空孔隙基本消失，土體微觀結構形式轉變為鑲嵌結構，孔隙減少，滲透性降低，崩解性降低[16].隨著干密度增加，孔隙總體積和尺寸減小，吸水量減小，孔隙內由氣壓升高引起的集中應力減小.當干密度達到1.7 g/cm3(壓實度95.5%)時，隨著初始含水率的增加，土的滲透性減弱使水很難進入土樣內部，崩解速率隨著干密度的增加而逐漸減小.如圖6所示，以干密度ρd為橫坐標，崩解速率v為縱坐標，對不同條件下的崩解速率進行擬合，滿足下式：

(6)

式中，a、b為擬合參數，不同含水率條件下的a、b值列于表4.

表4 不同含水率時a、b數值

圖7 參數a、b擬合曲線

以a、b值為縱坐標，含水率為橫坐標，分別按照公式(7)、(8)進行擬合：

(7)

b=Aω2+Bω+C

(8)

式中：A、B、C、D、E、a0、q、mu為擬合參數，參數值列于下表5、6.

表5 a值擬合參數

表6 b值擬合參數

可以看出擬合效果較理想，由此可根據試樣初始含水率利用公式(7)(8)計算出a、b值，然后將a、b值代入公式(6)算出平均崩解速率.

2.3 硝酸污染土的崩解速率變化

有研究[17]表明，土體受到污染時，由于原生礦物、次生礦物中的黏土礦物的性質均較穩定，因而暫不考慮其與酸的反應，主要考慮土顆粒間的膠結物、可溶性鹽和游離氧化物等物質與酸的反應.

黃土中孔隙水被硝酸溶液污染后，主要可能發生的化學反應如下式：

CaCO3+2HNO3=Ca(NO3)2+H2O+CO2↑

(9)

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

(10)

圖8為干密度為1.5 g/cm3、硝酸溶液質量濃度為8%情況下的含水率-崩解速率曲線，隨著含水率的增加，崩解速率呈現先增加后減小趨勢，含水率達到16%時，崩解速率達到最大.硝酸污染試樣與未污染試樣的含水率與崩解速率的變化趨勢總體相似，都呈現先增加后減小，變化幅度較小，且均在含水率為16%達到峰值崩解速率.受含水率的增加影響，土顆粒間水膜厚度增加導致吸力減小，水進入試樣內部將可溶性膠結物溶解降而低其結構吸力，同時由于水的進入形成部分高壓孔隙區，當吸力小于斥力時，土體開始崩解.含水率繼續增加，土體結構由散粒狀逐漸變為集粒和凝塊等結構，滲透性降低，從而崩解速率降低.含水率繼續增加到一定程度(20%)時，基本不發生崩解.對比相同條件下的未污染試樣，硝酸溶液的加入使孔隙水內的離子數增加，土顆粒表面的電荷數增加，擴散層中的部分離子被吸入固定層，雙重作用下顆粒間的吸力增加.吸力的增加抵消一部分膠結物被溶解造成的吸力降低，因此硝酸溶液的加入未造成試樣崩解速率的大幅度增加.

圖8 污染試樣含水率-平均崩解率曲線

圖9為含水率為12%、硝酸濃度為8%情況下的干密度-崩解速率曲線，崩解速率隨著干密度的增加而減小，干密度對崩解速率影響較大.隨著干密度的增加，土體內的架空孔隙結構逐漸被充填消失，土體微觀結構轉變為鑲嵌結構，孔隙減少，滲透性降低，水不能自由進入土體內部，因此崩解速率隨著干密度的增加而逐漸減小.對比相同條件下的未污染試樣，試樣在硝酸污染前后崩解速率變化趨勢相同，且變化幅度較小.

圖9 污染試樣干密度-平均崩解率曲線

圖10 污染試樣硝酸濃度-平均崩解率曲線

(11)

式中：P、Q和R為擬合參數；η為硝酸濃度.采用最小二乘法擬合得P=0.655，Q=-0.084，R=4.492，相關系數R2=0.998，相關性較好.

3 結論

本文通過室內崩解試驗，探討了不同干密度、含水率和硝酸濃度的黃土試樣崩解速率的基本變化規律和結果，得到了以下結論：

(1)原狀黃土的崩解速率主要受含水率和干密度兩個因素控制，平均崩解速率隨著干密度的增加而減小，隨著含水率的增加呈現先增加后減小趨勢，在含水率為16%附近達到最大值；

(2)根據室內試驗數據分析，建立了重塑污染黃土的崩解速率與干密度、含水率和硝酸濃度之間的函數關系表達式；

(3)硝酸污染黃土的含水率、干密度與平均崩解速率的變化趨勢與未污染黃土的規律基本一致，即平均崩解速率隨著干密度增加而減小，隨著含水率的增加呈先增加后減小趨勢；黃土被硝酸污染以后，土體內部膠結物被溶解，硝酸濃度的增加平均崩解速率有所增加.