酸溶液對原狀黃土抗拉強度的影響試驗研究

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 a.土木工程學院；b. 陜西省巖土與地下空間工程重點實驗室，西安 710055；2. 西安理工大學 土木工程學院，西安 710048)

隨著城市現代化和各行各業的快速發展，人類活動對環境造成的影響越來越大，進而引發了眾多的環境巖土工程問題，其中，工業企業對地基土的污染就是較為嚴重的問題之一[1]。由于黃土體的特殊組構和工程性質，由土體拉裂而引發的地質災害不容忽視，對黃土抗拉強度的研究越來越多地引起了學者們的重視。與此同時，城市建設、工業發展的污染物進一步加劇了土體的污染，影響著黃土的抗拉強度演變及工程穩定。因此，對于污染黃土抗拉強度的研究，在工程實際應用中具有重要的意義。

近年來，學者們對于土體抗拉強度特性及工程實踐問題的研究也越來越多。Georgiannou等[2]通過拉伸試驗和三軸壓縮研究了黏粒含量對不排水抗拉強度、拉伸應變等力學特性的影響。Zhou等[3]采用巴西劈裂試驗測定了凍土的抗拉強度，結果表明，凍土的含冰量直接影響著土的抗拉強度，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理，并對破壞類型進行分類，得出黃土的抗拉強度隨含水率的增加持續減小。王中妮等[5]研究了分散土改性劑對土的抗拉強度的影響，發現氯化鋁、三氯乙酸可提高土的抗拉強度。袁志輝等[6-7]分別研究了含水率、基質吸力對黃土的抗拉強度的影響，探討了含水率和干濕循環次數對原狀黃土和重塑黃土抗拉強度的影響，進一步分析了干濕循環下黃土抗拉強度的衰減機制。陳日高等[8]探究了金屬離子對土強度及力學性質造成的影響，進一步分析了污染土中土顆粒間的電離平衡狀態，及其對土體強度的改變。朱春鵬等[9]研究了酸堿濃度對污染土中有機質含量、土粒比重、粒度成分和界限含水率的影響，并通過三軸試驗和直剪試驗研究了不同濃度酸堿污染土的強度特性，進一步分析了污染對土樣稠度狀態、孔隙比和微觀結構的影響。夏磊等[10]通過模擬酸雨侵蝕土體試驗，探究了土體礦物成分受酸雨影響以及土體密度、強度的變化規律。考慮到目前的研究大都集中在未污染土的抗拉強度方面，在工程中，地基及路基在使用過程中或邊坡的自然狀態下會受到酸雨或酸堿性垃圾污染液的影響，結合孔隙水污染對黃土工程性質的影響，對酸污染對黃土抗拉強度的演化特征影響的研究也十分必要。

測試土體抗拉強度的試驗方法分為直接法和間接法兩大類[11-12]。對于抗拉強度測試儀器尚未形成統一標準，相關測試儀器仍在討論和規范化過程中。Tamrakar等[13]研制了一種基于圓形夾持模具的抗拉強度試驗裝置。黨進謙等[14]對直剪儀進行了改造，研制出臥式單軸拉伸儀，試樣為長方體，通過手動加載來測量試樣的抗拉強度和軸向變形。大多自制的儀器原理相似，只是形狀即截面不同，分為規則截面和異形截面[15-16]。基于此，筆者采用端部夾具和化學粘結相結合的方法進行試驗。

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

1 試驗概況

1.1 土樣基本物理性質

試驗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，取樣現場見圖1，黃土的基本物理參數見表1。該層土樣土質疏松，含有少量蟲孔，微量植物根系，顆分曲線如圖2所示。

圖1 現場取樣概況

圖2 顆分曲線Fig.2 Particle distribution

表1 基本物理性質指標

1.2 試樣制備

試驗所選酸液包括鹽酸、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個梯度。考慮到化工業、造紙工業廢水直接排放或泄露的未稀釋的污水對土體造成的污染[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、地下水和雨水的稀釋，致使酸污染濃度有所降低，故考慮設置濃度為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，污染試驗裝置如圖3所示。根據《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—2019)[18]規定，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，一端通過錐形導氣嘴連接導氣管，打開氣壓泵和進氣閥門，通過氣壓表讀數顯示，調節好飽和缸中氣壓，然后將計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，貼上標簽并標明濃度，放入保濕缸中靜置48 h以上，為下階段試驗使用。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%)中進行養護，直至進行后續試驗，測定最終含水率為20%。鑒于實際環境中土體處于不同的干濕狀態，后期會對不同干濕程度的酸污染土體的抗拉強度進一步研究，以期為工程應用及有關科學問題提供可靠的理論依據和數據支撐。

圖3 污染試驗裝置

1.3 試驗過程及方法

采用單軸直接拉伸試驗，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結果產生的影響，具有操作簡易性、可靠性和高效性[19]。為規避目前相關抗拉強度儀器的一些適用區間，針對試驗自行裝配并調試了臥式抗拉強度測試儀，其優點為：可避免試樣自重帶來的誤差，直觀反映試樣破壞形態，操作簡單易懂。為解決試樣和玻璃承臺摩擦力、試樣連接問題的缺點，采用涂抹凡士林減小摩擦、機械和化學聯結相結合的方法減小誤差，進一步優化試驗裝置，如圖4所示。

圖4 臥式抗拉強度測試儀Fig.4 Horizontal tensile strength

將經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度測試儀中進行試驗，記錄試驗數據，分析研究酸污染土的拉應力-應變的變化規律。

為避免試驗過程中出現問題，減小各組試驗數據的誤差，相同酸溶液下每個摩爾濃度梯度設置3個試樣(結果取平均值，且極差小于平均值的30%)。為了進行對比，另外設置3個含水率相同的未污染試樣，原狀黃土試樣總計39個。

2 試驗結果分析

2.1 酸污染黃土抗拉強度的變化

酸污染對黃土抗拉強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，其中，碳酸鈣膠結鹽含量可達10.75%～15.8%[20]，黃土中含有的各種碳酸鹽和酸液反應之后生成新的物質，改變了原有的化學組成成分，影響黃土的抗拉強度。宏觀方面：酸液浸入到黃土內，由于液體的流動以及化學成分的改變，改變了黃土的內部結構。通過單軸拉伸試驗，得到酸污染黃土的抗拉強度，見表2。

表2 不同種類酸污染黃土的抗拉強度

2.2 不同種類酸污染對黃土抗拉強度的影響

由表2可以看出，未污染的黃土抗拉強度為11.82 kPa，經過酸污染的黃土的抗拉強度都發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，黃土抗拉強度逐漸減小；當濃度到達1 mol/L時，鹽酸、硫酸和硝酸污染的黃土抗拉強度比較接近；隨著摩爾濃度的增加硫酸的污染，黃土抗拉強度逐漸增加，但并沒有恢復到未污染的黃土抗拉強度。

原狀黃土的抗拉性能由黃土本身土顆粒間的吸附強度和黏聚力組成，其黏聚力由土體內多種碳酸鹽及鹽類薄膜形成的化學膠結作用形成，吸附強度通過土顆粒間的基質吸力和毛細壓力產生[7]。原狀黃土中含有一定的含水氧化物和膠體氧化物，構成膠結物的顆粒直徑一般小于0.01 mm，而主要部分膠結物的顆粒粒徑小于0.005 mm，為鈣質膠結物[21]。對其進行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，在測試過程中，由于固定試樣的碳導電裝置可能會在試樣表面留有碳粉，結果中C的含量可能偏高。結合元素分析圖可知，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度的降低主要是由于土體中含有的碳酸鹽及其他化學物質和鹽酸、硝酸反應生成了可溶性鹽和其他新的物質，破壞了土體原有的內部結構，使其抗拉強度下降。土體中游離的氧化物SiO2、Fe2O3、Al2O3、CaCO3在鹽酸和硝酸的環境下發生化學反應，反應方程式為

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生反應，由式(1)可知，隨著酸溶液濃度的不斷增加，膠結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。隨著膠結氧化物的不斷溶蝕，土顆粒間的孔隙變大，結構連接逐漸減弱，原生結構排列遭到破壞，抗拉強度逐漸減小。由于黃土碳酸鈣含量豐富，和硫酸反應之后生成難溶性硫酸膠結鹽，化學反應方程式為

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構及二值化結果Fig.6 Microstructure and binarization results of different types of acid-contaminated

嵌在土顆粒孔隙中，新生成的膠結鹽和細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結構，造成硫酸污染黃土抗拉強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，土體內孔隙及膠結結構發生改變，大塊顆粒減少，小孔隙增多，導致土體內結構疏松，抗拉強度下降；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了部分孔隙，加強了土顆粒間的支撐，強度增大。

如圖7所示，經過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，吸附在孔隙中的細顆粒已經被硫酸腐蝕；經過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力-應變關系

為考慮不同濃度酸對污染黃土抗拉強度產生的不同影響，繪出拉應力-應變曲線。孫萍等[23]通過單軸拉伸試驗并運用RFPA進行黃土拉伸破裂仿真分析得出，土體受到極限拉應力時，內部裂紋在極短時間內產生，土體突然破壞，沒有明顯的徑縮現象，為脆性斷裂。經過3種酸污染之后，隨著應變的增加，土體的拉應力不斷增大，直至試樣破壞，其拉應力-應變曲線類型為應變硬化型。

隨著應變的增加，在同一摩爾濃度下污染的原狀黃土試樣抗拉強度不斷增加，增大的趨勢走向為非線性，對污染原狀黃土的拉應力和應變進行非線性擬合，如圖8所示，擬合關系式為

σt=mεtn

(3)

式中：σt為拉應力，kPa；εt為應變；m和n為擬合參數。

圖8 酸污染土的拉應力-應變擬合關系曲線Fig.8 Tensile stress-strain curve of acid-contaminated

不同種類的酸、不同摩爾濃度對應的擬合參數值m和n不同，見圖9，擬合的相關系數R2達到0.99。

通過對不同摩爾濃度和參數m進行擬合，得到關于濃度的函數m，函數式為

(4)

式中：c為不同酸的濃度；f0、v、w為擬合參數，見表3。

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

表3 不同酸濃度的相關函數擬合參數

由圖9可以發現，隨著摩爾濃度的變化，參數n值在0.55～0.74之間浮動，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。

結合式(3)、式(4)和n=0.64可以得到不同種類酸的濃度和拉應力的函數關系式，可作為計算酸污染黃土抗拉強度的一個經驗公式用于工程實踐。

2.4 酸污染對黃土抗拉強度損傷率的影響

不同濃度酸污染黃土的抗拉強度損傷率可采用式(5)進行計算。

(5)

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

表4 不同濃度酸污染后黃土抗拉強度損傷率

3 討論

Mohr-Coulomb強度理論廣泛應用于土的壓剪破壞，未考慮黃土的拉剪破壞，聯合強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、單軸壓縮試驗和單軸拉伸試驗驗證了聯合強度理論。

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

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

(6)

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

表5 拉剪聯合強度擬合參數

從圖10可以看出，強度包絡線隨著鹽酸濃度的增加逐漸向里收縮，抗拉強度和抗剪強度都逐漸減小，黏聚力也逐漸減小。受到酸污染之后，土體抗拉強度和抗剪強度均出現損傷。通過拉-剪聯合強度模型，結合式(6)和表5參數，進一步分析酸污染對黃土拉-剪強度的影響。在進行邊坡穩定性分析時，應考慮黃土存在拉伸破壞，通過拉-剪聯合強度模型得出的拉-剪強度指標較為實際，能夠保證工程的安全性，可靠性。

4 結論

通過人工制備酸污染的原狀黃土，測試了其抗拉強度的演變規律，得出以下結論：

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

2)不同濃度酸液污染后黃土的抗拉強度降低或增長，定性分析是由于化學反應生成可溶性鹽和難溶鹽，改變了黃土內部組成成分，導致黃土原生內部顆粒間聯結發生破壞進而重組。

3)通過室內試驗探討了酸液污染黃土的抗拉強度損傷率和濃度的關系，得出經驗擬合關系。