鐵離子作用下膨脹土干濕循環(huán)裂隙演化機(jī)制

肖桂元 朱耀琪 王延偉 徐光黎 張達(dá)錦

摘要：為探究重金屬Fe3+作用下膨脹土干濕循環(huán)裂隙演化機(jī)制，以不同濃度Fe2（SO4）3溶液作用的飽和膨脹土為對象，開展干濕循環(huán)裂隙試驗、掃描電鏡（SEM）試驗與X射線衍射（XRD）試驗，研究Fe3+作用下膨脹土干濕循環(huán)裂隙、微觀結(jié)構(gòu)和礦物成分的演化規(guī)律及機(jī)制。結(jié)果表明：相同干濕次數(shù)下，隨Fe3+濃度增加，土體裂隙面積率下降；隨干濕次數(shù)增加，相同濃度土體裂隙面積率總體上升；Fe3+作用下，粒間孔隙波動性微變，黏土礦物晶體結(jié)構(gòu)損傷，晶層間距減小；干濕作用后，粒間孔隙劇增，土體結(jié)構(gòu)破壞，晶體損傷加劇。總結(jié)出Fe3+作用下膨脹土干濕循環(huán)裂隙演化機(jī)制為：水分子在土體內(nèi)反復(fù)遷移，劣化土體結(jié)構(gòu)，形成拉應(yīng)力，導(dǎo)致裂隙產(chǎn)生；Fe3+則在一定程度上縮小顆粒間距，增強(qiáng)抗拉強(qiáng)度，降低拉應(yīng)力，抑制了裂隙發(fā)育。

摘要：膨脹土； 鐵離子； 干濕循環(huán)； 裂隙演化

中圖法分類號： TU 443

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.01.026

0 引 言

膨脹土作為一種常見的特殊土，因其富含親水性黏土礦物，具有非常強(qiáng)的水敏性，在干燥少雨的自然環(huán)境下，失水收縮產(chǎn)生大量裂隙。裂隙的產(chǎn)生和發(fā)育會嚴(yán)重破壞土體完整性，使土體強(qiáng)度降低，同時加劇雨水滲透與水分蒸發(fā)［1］，進(jìn)而膨脹土工程性質(zhì)劣化，嚴(yán)重危害土工建筑物安全。早在20世紀(jì)30年代，國外學(xué)者Terzaghi就曾指出膨脹土裂隙會對其工程失穩(wěn)產(chǎn)生重大影響。國內(nèi)學(xué)者殷宗澤等［2］也從多方面論證了膨脹土邊坡裂隙的形成會使土質(zhì)邊坡強(qiáng)度降低，裂隙水增加，導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。

為此，眾多學(xué)者對土體裂隙發(fā)育規(guī)律和機(jī)制做了大量研究。在裂隙發(fā)育規(guī)律方面，眾研究均與定量計算相結(jié)合，Liu［3］、Vogel［4］等利用圖像處理技術(shù)，定量分析了土體裂隙發(fā)育過程。許錫昌等［5］也針對膨脹土脫濕全過程，指出膨脹土開裂具有明顯的階段性特征。在機(jī)制方面，唐朝生等［6-7］從定性方向針對土體脫濕過程中形成的吸力與土體自身抗拉強(qiáng)度進(jìn)行了研究，指出吸力與抗拉強(qiáng)度是土體產(chǎn)生裂隙的關(guān)鍵因素。張家俊等［8］從膨脹土在干燥環(huán)境下的裂隙演變規(guī)律中發(fā)現(xiàn)由土體含水率梯度引起的拉應(yīng)力是影響膨脹土開裂程度的關(guān)鍵因素。汪時機(jī)等［9］通過土體局部含水率梯度和不均勻收縮差異對張拉應(yīng)力進(jìn)行了公式化計算，并對其脫濕過程與力學(xué)機(jī)制進(jìn)行了研究。此外，一些學(xué)者對土體裂隙演化規(guī)律的影響因素進(jìn)行了研究，如壓實度、自由膨脹率［10］、均勻性、尺寸［11］、干密度、初始含水率［5］、厚度［12］、蒙脫石含量［13］、干濕循環(huán)次數(shù)［14］等。

然而，近年隨著城市化與工業(yè)化的快速發(fā)展，重金屬污染土地問題日益嚴(yán)峻，對人類生命健康與土體物理力學(xué)性能造成非常大的影響［15］；且中國許多膨脹土地區(qū)氣候季節(jié)性特征明顯，土體長期受到干濕循環(huán)作用，強(qiáng)度破壞嚴(yán)重［16］。因此前人分別對重金屬與干濕作用下膨脹土的物理力學(xué)性質(zhì)做了大量探索，并取得了豐富的成果［17-19］。但是目前關(guān)于重金屬作用下膨脹土裂隙演化規(guī)律的研究較少，且均未考慮干濕循環(huán)作用。在生活垃圾淋濾液和工業(yè)廢水中重金屬Fe3+的濃度是非常高的［20］，且有學(xué)者用Fe3+浸出污泥中的其他重金屬離子［21-22］，為此研究重金屬Fe3+作用下膨脹土干濕循環(huán)裂隙演化機(jī)制，對膨脹土工程性質(zhì)及邊坡穩(wěn)定性具有非常實際的意義。

本文以不同濃度Fe2（SO4）3溶液作用的膨脹土為對象，開展干濕循環(huán)作用下的裂隙試驗，采用固定拍照及稱重裝置與IPP圖像處理軟件定性定量分析膨脹土試樣裂隙特征照片與參數(shù)變化，得到了Fe3+作用下膨脹土干濕循環(huán)裂隙演化規(guī)律。利用掃描電鏡儀（SEM）與X射線衍射儀（XRD），分析Fe3+作用下膨脹土干濕循環(huán)期間的微觀變化，進(jìn)而對Fe3+作用下膨脹土干濕循環(huán)裂隙演化機(jī)制進(jìn)行剖析。

1 試 驗

1.1 試驗用土

本試驗所用膨脹土取自湖北省丹江口地區(qū)，取土深度約3～5 m，呈灰白色，基本物理性質(zhì)指標(biāo)見圖1與表1。

1.2 Fe3+作用土制備

將試驗膨脹土風(fēng)干碾碎，并過2 mm篩，再將處理過的膨脹土存放于陰涼干燥處的密封塑料桶中備用。設(shè)計Fe2（SO4）3溶液濃度分別為0，5.0，10.0，15.0 g/L（pH依次為6.87，2.11，1.65，1.09），按要求配置并放室溫下靜置3 d，使其均勻溶解。隨后將備好的膨脹土按最優(yōu)含水率21％與Fe2（SO4）3溶液均勻攪拌，攪拌成松散土樣。再將土樣裝入密封的保鮮袋中，養(yǎng)護(hù)7 d。根據(jù)膨脹土最大干密度指標(biāo)與試樣壓實度標(biāo)準(zhǔn)（95%），采用靜壓法將松散污染土樣制成初始干密度1.634 g/cm3，直徑61.8 mm、高20 mm的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀樣，隨后將環(huán)刀樣放入真空飽和缸內(nèi)抽真空，并將其浸泡在不同F(xiàn)e3+濃度的污染液中負(fù)壓飽和12 h，作為干濕循環(huán)處理前的初始土樣。

1.3 干濕循環(huán)作用下的裂隙試驗

干燥脫濕方法：為模擬外界高溫環(huán)境下膨脹土體脫濕過程，取飽和試樣放入40 ℃恒溫箱中，適時取出試樣稱重拍照，觀測其含水率與裂隙發(fā)育變化，直至試樣重量不再變化（含水率約5％）。

飽和增濕方法：從恒溫箱中取出干燥試樣，放入真空飽和缸內(nèi)抽真空，隨后抽入不同F(xiàn)e3+濃度的溶液，使其負(fù)壓飽和12 h，此為完成1次干濕循環(huán)。

如此反復(fù)進(jìn)行干濕循環(huán)，次數(shù)分別為1，2，3，4，5次（因各濃度試樣在第0次干濕期間均未產(chǎn)生裂隙，故不做比較）。

1.4 SEM試驗

取完成1次與5次干濕循環(huán)的不同F(xiàn)e3+濃度干燥試樣，進(jìn)行切樣、貼導(dǎo)電膠、噴金處理以制作電鏡掃描樣品，再將樣品放入電鏡掃描真空箱，使用S-4800型掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀察拍照。根據(jù)唐朝生等［23］的研究，為使試驗結(jié)果全面、客觀，本次試驗拍攝800倍的微觀電子圖像，掃描點選取孔隙與顆粒相對均勻的點，避開大孔隙與大顆粒，每個試樣拍攝3張照片。