王婧 牟聰 趙含瑞 丁建文

摘 要： 通過室內(nèi)試驗研究土體孔隙液中重金屬離子影響土體物理 力學性狀的機理，采用不同濃度的重金屬Cu2+、Zn2+、Pb2+摻入高嶺土、伊利石類黏土和鈉基膨潤土，研究土體界限含液率、不排水抗剪強度隨重金屬離子濃度的變化規(guī)律。試驗結(jié)果表明：以高嶺石、伊利石為主要黏土礦物的低活性土的液限、塑性指數(shù)隨離子濃度的增加而增大，鈉基膨潤土則表現(xiàn)出相反的變化規(guī)律;低活性黏土的不排水抗剪強度隨離子濃度增加而增大，高活性黏土強度則隨之減小;基于已有的無污染土體物理 力學性狀定量聯(lián)系，分析重金屬污染土的不排水抗剪強度與液性指數(shù)的定量關(guān)系，發(fā)現(xiàn)重金屬離子引起的不排水抗剪強度的變化可以歸結(jié)于重金屬離子引起的液塑限變化，表明重金屬Cu2+、Zn2+、Pb2+污染過程基本沒有產(chǎn)生化學反應，其物理 力學定量關(guān)系與已有的無污染土經(jīng)驗關(guān)系式一致。

關(guān)鍵詞： 黏土礦物;重金屬;界限含液率;不排水抗剪強度

中圖分類號：TU411.2;TU411.3? ? 文獻標志碼：A? ?文章編號：2096-6717（2020）02-0030-07

Experimental study on quantitative physical-strength relationship of heavy-metal-contaminated soils

Wang Jing， Mou Cong， Zhao Hanrui， Ding Jianwen

（School of Transportation， Southeast University， Nanjing 210096， P.R.China）

Abstract：? This study performed a series of laboratory tests for understanding the role of heavy metal ions in the physical-mechanical behaviour.Different kinds of soils， including kaolinite， illite clays and sodium bentonite， were mixed with different concentrations of heavy metals Cu2+， Zn2+， Pb2+ to measure the changes in the Atterberg limits and the undrained shear strength.The testing results show that： the liquid limit and plasticity index of low active soils increase with the ion concentration， but sodium bentonite shows the opposite trend; the undrained shear strength of low-active soils increases with the ion concentration， but conversely for the high-active soils; based on the existing quantitative correlation between physical and mechanical properties of non-polluted soils， the quantitative relationship between the undrained shear strength and liquidity index of contaminated soils is investigated.It is found that the changes of undrained shear strength caused by adding heavy metal ions can be attributed to the corresponding changes in liquid limit and plastic limit.Such a result indicates that there is almost no chemical reaction caused by heavy metal pollution.The physical-mechanical quantitative relationship of heavy-metal-contaminated soils is consistent with the existing empirical relationship of non-polluted soils.

Keywords： clay mineral; heavy metal; Atterberg limit; undrained shear strength

近20年來，中國城市化進程的加快促進了區(qū)域經(jīng)濟的快速發(fā)展，但也導致城市環(huán)境污染嚴重。2014年環(huán)境保護部和國土資源部發(fā)布了《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》，其中明確指出，長江三角洲、珠江三角洲和東北老工業(yè)基地等部分區(qū)域由于控制不嚴格、排放無序，以重金屬為典型代表的無機污染物嚴重超標[1]。

重金屬不僅污染土水體環(huán)境，嚴重危害人民身心健康，還會引起土體工程性質(zhì)改變。巖土工程中的污染土是指由于外來致污物質(zhì)侵入土體而改變原生性狀的土。重金屬污染物主要以廢液的形式直接排入江河湖海，目前，中國80%以上的城市河道受到了污染，河流污染直接導致底泥污染產(chǎn)生[2-3]。處理疏浚底泥方法主要分原位和異位處置[4-5]。由于河道疏浚底泥含水率普遍高于液限，無論是異位處理還是化學方法固化，首先需要解決的是脫水問題。排水固結(jié)法是巖土工程中常用的土體處理方法，其工程性質(zhì)不僅取決于土體材料本身，如礦物成分、微觀結(jié)構(gòu)、顆粒組成等，還受控于孔隙液的物理化學性質(zhì)。因此，研究污染土物理 力學性狀機理對大面積河道疏浚底泥的排水固結(jié)效果的評價分析具有重要意義。在重金屬污染土的工程性質(zhì)方面，已有不少學者進行了相關(guān)定性變化規(guī)律研究[6-8]。重金屬污染土物理性質(zhì)與力學性質(zhì)的定量關(guān)系是工程界關(guān)注的問題。

筆者配制了38組不同重金屬離子、不同濃度的污染土，其中，黏土礦物分別以高嶺石、伊利石、蒙脫石為主。采用落錐試驗研究了重金屬污染土的界限含液率、不排水抗剪強度隨重金屬污染濃度的變化規(guī)律，分析了重金屬污染土的不排水抗剪強度與物理參數(shù)的定量關(guān)系。

1 試樣與試驗方案

試驗土樣分別取自江蘇省南京市、連云港市、福建省寧德市。另外，試驗還采用商用高嶺土和鈉基膨潤土。

由于連云港土、寧德土屬于海相沉積土，為避免鹽分對試驗的影響，試驗之前采用洗鹽處理。試驗土樣的基本物理性質(zhì)見表1。其中，液限根據(jù)BS 1377-2：1990 Part 2，采用落錐貫入法進行測定;塑限根據(jù)ASTM D4318，采用搓條法進行測定;比重根據(jù)ASTM D854，采用比重瓶測定;顆分根據(jù)ASTM D422，采用密度計進行測定。此外，通過XRD試驗分析得到，南京土、連云港土、寧德土的黏土礦物以伊利石居多，而商用高嶺土和鈉基膨潤土的主要黏土礦物為高嶺石和蒙脫石。

由底泥中重金屬污染報告可知，鉛、銅、鋅污染頻率較高，污染濃度較大，對土體的工程性質(zhì)影響較大，故選用這3種重金屬進行人工配制污染土。外摻重金屬多采用硝酸鹽和氯化鹽的形式，其中硝酸鹽的溶解度較高，且硝酸根絡合重金屬能力較弱。因此，Pb污染物選擇硝酸鉛，化學式為Pb（NO3）2。Cu污染物選擇硝酸銅，化學式為Cu（NO3）2·3H2O。Zn污染物選擇六水合硝酸鋅，化學式為Zn（NO3）2·6H2O。人工制備重金屬污染土方法可分為濕法和干法，為保證重金屬離子與土顆粒的充分接觸，采用干法制備重金屬污染土。風干土過0.5 mm篩，將目標濃度的重金屬化合物充分溶解在去離子水中，與干土按配合比混合，通過手持式攪拌機攪拌土體5 min至均勻，使得重金屬硝酸鹽溶液充分被土體吸收。完全攪拌后的土體用塑料保鮮膜覆蓋，在室溫陰涼條件下靜置鈍化14 d時間。試驗前，將污染土再次攪拌均勻，進行物理力學試驗。

污染土的重金屬濃度定義為添加的重金屬離子質(zhì)量與孔隙溶液體積之比。根據(jù)重金屬污染狀況調(diào)查可知，重金屬離子污染濃度為3.0～30 g/L[9]，故配制重金屬離子濃度如表2所示。

2 考慮可溶性重金屬的含液率計算

土是由固體顆粒、水和氣體3部分組成的三相體系。土體的含水率通常定義為土中孔隙水的質(zhì)量與土顆粒的質(zhì)量的比值，一般通過在105 ℃烘箱中烘干來進行測定。需要注意的是，對于孔隙溶液中含有可溶性重金屬離子的土樣，當土樣烘干時，液相中的可溶性重金屬將變?yōu)楣滔啵沟脺y定的烘干土樣質(zhì)量為干土顆粒質(zhì)量與可溶重金屬固體質(zhì)量之和。此時，若采用常規(guī)公式（1）計算土樣含水率將產(chǎn)生誤差。針對孔隙溶液中可溶鹽的存在影響土體物理指標這一問題，Noorany[10]、ASTM D4542提出了含液率這一概念，并給出計算方法。試驗所用重金屬污染物也屬于可溶鹽離子，重金屬污染物隨著土體中水分的變化狀態(tài)而變化，故同樣采用含液率w的計算方法，見式（2）。

w0= mw md = mw ms+mhm

（1）

w= mf ms = mw+mhm ms? （2）

式中：w0、w、ms、md、mf、mw、mhm分別為土樣含水率、土樣含液率、土顆粒質(zhì)量、烘干后試樣總質(zhì)量、土樣孔隙液體質(zhì)量、土體中水質(zhì)量以及孔隙液體中可溶重金屬的質(zhì)量。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 界限含液率變化規(guī)律

液限、塑性指數(shù)等物理指標均采用含液率的計算方法。圖1給出了高嶺土、伊利石類黏土在重金屬離子作用下液限隨離子濃度的變化曲線。隨著孔隙溶液中重金屬離子濃度的增加，污染土的液限值逐漸增大，兩者非線性相關(guān)。對于重金屬污染鈉基膨潤土，從圖2可知污染土的液限隨著重金屬離子濃度的增加而減小，呈現(xiàn)相反的變化規(guī)律。

此外，結(jié)合圖1、圖2可以看出，當添加重金屬離子濃度c為5 g/L時，污染土的液限變化幅度較大。以鈉基膨潤土為例，在重金屬離子Cu2+、Pb2+的作用下，液限值分別從261.8%急劇降至99%、155.8%，而當重金屬離子濃度逐漸增大時，其液限變化幅度隨之減小。相較于原土，Cu2+添加后液限變化幅度明顯大于Pb2+、Zn2+，表明Cu2+對土體的影響大于Pb2+、Zn2+。

孔隙溶液重金屬離子濃度改變引起土體液限的改變，是黏土礦物顆粒與孔隙液電解質(zhì)溶液共同作用的宏觀表現(xiàn)。究其原因可歸納為：1）擴散雙電層厚度的變化;2）黏土顆粒帶電性變化導致微觀結(jié)構(gòu)改變;3）黏土顆粒與鹽溶液反應生成難溶的沉淀物或結(jié)晶[11-14]。

Sridharan等[15]指出，對于高嶺石、伊利石類低活性礦物黏土，孔隙電解質(zhì)溶液會影響?zhàn)ね令w粒間相互作用力，導致顆粒排列形式改變，進而引起宏觀上液限的改變。此時，雙電層厚度隨孔隙溶液的變化對液限的影響并不顯著;而當土體為蒙脫石類黏土時，其液限的變化主要受到土顆粒表面擴散雙電層的影響?？紫度芤簩ν馏w液限的影響是以某一種機理為主導，兩種機理共同作用的結(jié)果。

根據(jù)擴散雙電層理論，雙電層厚度與電解質(zhì)的化合價以及濃度的平方根呈反比。故當以蒙脫石為主要黏土礦物的鈉基膨潤土受到重金屬污染時，重金屬離子與鈉基膨潤土顆粒表面的鈉離子進行交換，重金屬離子的化合價高于鈉離子，因此，隨著重金屬離子濃度的逐漸增大，鈉基膨潤土顆粒表面的雙電層厚度變薄，持水能力顯著下降，表現(xiàn)為液限減小。另一方面，對于以高嶺石、伊利石為主要黏土礦物的低活性黏土，文獻[13-14，16]詳細研究了孔隙液pH值、離子濃度等化學因素對高嶺土結(jié)構(gòu)的影響，并以此分析高嶺土物理性質(zhì)的變化機理。顆粒間引力是影響高嶺石類黏土物理性質(zhì)的主要因素。當孔隙溶液中重金屬離子濃度升高時，黏土顆粒粒間引力增加，斥力減小，此時顆粒間形成邊 面絮凝締合，聚合體內(nèi)部大孔隙結(jié)構(gòu)增多，持水能力增強，引起土體液限增加。

類似的變化規(guī)律也出現(xiàn)在塑性指數(shù) 離子濃度關(guān)系曲線中。圖3、圖4顯示以高嶺石、伊利石、蒙脫石為主要黏土礦物的源土在添加不同種類、不同濃度的重金屬離子后塑性指數(shù)的變化規(guī)律。隨著孔隙溶液中重金屬離子濃度的增加，以低活性黏土礦物為主的污染土塑性指數(shù)均逐漸增大。而重金屬污染鈉基膨潤土的塑性指數(shù)變化則表現(xiàn)出相反的變化規(guī)律，且塑性指數(shù)在低濃度范圍內(nèi)（c<5 g/L）變化趨勢顯著。

3.2 不固結(jié)不排水抗剪強度變化規(guī)律

落錐試驗是一種用于測定界限含水率的常用試驗方法，但究其本質(zhì)為測定土體的不固結(jié)不排水抗剪強度。Hansbo[17]提出計算重塑土不固結(jié)不排水抗剪強度的公式

Curd2 Mg =K （3）

式中：Cur為重塑土不固結(jié)不排水抗剪強度;M為落錐質(zhì)量;g為重力加速度;d為落錐深度;K為恒定數(shù)值，與錐尖角度、錐體表面與土體之間的摩擦力有關(guān)。試驗過程中，可通過在錐尖涂抹凡士林減小摩擦系數(shù)，故一般條件下只考慮錐體質(zhì)量、錐尖角度對K值的影響。

一些學者通過不同質(zhì)量和角度的落錐試驗，給出了相應的K的經(jīng)驗值[18-19]。筆者根據(jù)BS規(guī)范選取落錐質(zhì)量為80 g，錐尖角度為30°，故計算不固結(jié)不排水抗剪強度時取K為0.85。

不同重金屬污染黏土的不固結(jié)不排水抗剪強度試驗結(jié)果如圖5～圖7所示。圖5結(jié)果顯示，當高嶺土中外摻可溶性重金屬污染物時，不排水抗剪強度均隨著含液率的增大而減小。同種重金屬離子不同孔隙液體濃度污染的高嶺土，相同含液率下，高離子濃度土樣的不排水抗剪強度 含液率關(guān)系曲線位于低離子濃度土樣的上方。表明在相同含液率條件下，土體不排水抗剪強度明顯受到孔隙液重金屬離子的影響，且離子濃度越大，不固結(jié)不排水抗剪強度越大。從圖6試驗結(jié)果可知，當黏土礦物以伊利石為主時，污染土的不排水抗剪強度隨含液率的變化趨勢同污染高嶺土試驗結(jié)果相似。

對于鈉基膨潤土試樣，從圖7可以看出，污染土的不排水抗剪強度 含液率關(guān)系均呈負相關(guān)趨勢，與前者高嶺土、伊利石類黏土試樣結(jié)果一致。需要指出，對于同種重金屬污染鈉基膨潤土，在同一含液率下，孔隙溶液離子濃度高的污染土不排水抗剪強度曲線位于離子濃度低的污染土曲線下方，即相同含液率下，重金屬離子濃度的增加反而降低污染土的不排水抗剪強度，呈現(xiàn)出與高嶺土、伊利石類黏土試樣相反的變化規(guī)律。

由上述可知，重金屬污染土的不排水抗剪強度 離子濃度的變化規(guī)律與物理性質(zhì)變化規(guī)律基本一致，故對污染土物理性狀 強度兩者之間的關(guān)系展開分析。

4 物理性質(zhì)和強度性質(zhì)的內(nèi)在聯(lián)系

為了定量化評價天然沉積土的力學性狀，眾多學者建立了合適的重塑土不固結(jié)不排水抗剪強度Cu和液性指數(shù)IL之間的關(guān)系。Lerouil等[20]通過對重塑土進行落錐試驗，給出了土體的不固結(jié)不排水抗剪強度與液性指數(shù)的經(jīng)驗公式，其中0.5

Cu= 1 （IL-0.21）2??（4）

Locat等[21]在此基礎上，提出了IL在1.5～6.0范圍內(nèi)的重塑土抗剪強度經(jīng)驗公式

Cu=? 1.167 IL? 2.44 （5）

已有文獻表明，對于非污染土，液性指數(shù)是最常用的分析重塑土不固結(jié)不排水抗剪強度的物理參數(shù)，故對重金屬污染土樣展開相關(guān)研究。圖8顯示不同重金屬污染不同種類黏土的不排水抗剪強度與液性指數(shù)的關(guān)系。當含液率較低時，土體與錐體間摩擦力較大，給試驗結(jié)果帶來的誤差較大，故取試驗土樣IL在0.8～1.5范圍內(nèi)，可以看出，污染黏土不固結(jié)不排水抗剪強度隨液性指數(shù)增大而減小，與非污染土的變化規(guī)律一致。此外，試驗土樣數(shù)據(jù)點基本位于Lerouil等[20]、Locat等[21]提出的經(jīng)驗關(guān)系曲線上，表明當孔隙液中添加重金屬離子時，土體與孔隙溶液僅發(fā)生物理反應，污染土的強度性質(zhì)改變是由土的物理性質(zhì)（界限含液率）變化引起的。將實測值和計算值進行對比，如圖9所示，重金屬污染土在IL=0.8～1.5范圍內(nèi)的不排水抗剪強度與液性指數(shù)的定量關(guān)系成立。因此，當已知重金屬污染土液限隨孔隙溶液重金屬離子濃度的變化規(guī)律時，即可采用IL對污染土不固結(jié)不排水抗剪強度Cu的改變進行定量分析。

5 結(jié)論

對以伊利石為主要黏土礦物的天然沉積土和商用高嶺土、鈉基膨潤土摻入可溶性重金屬，并進行一系列落錐試驗，得到以下主要結(jié)論：

1）對于低活性礦物黏土，液限、塑性指數(shù)隨重金屬離子濃度增加而增大，而高活性礦物黏土呈現(xiàn)出相反的變化規(guī)律。

2）低活性黏土的不排水抗剪強度隨孔隙液重金屬離子濃度增加而增大，高活性黏土強度則隨之減小。

3）對比分析已有的無污染土物理 力學性狀定量聯(lián)系與本研究試驗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)重金屬污染土不排水抗剪強度的改變可歸結(jié)于孔隙液重金屬離子引起的液塑限變化。其不排水抗剪強度 液性指數(shù)定量關(guān)系與已有的無污染土經(jīng)驗關(guān)系式一致。

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（編輯 胡玲）

收稿日期：2019-11-11

基金項目：? 國家自然科學基金（51978159）

作者簡介：? 王婧（1995- ），女，主要從事軟土地基處理研究，E-mail： yantu_wjsdu@163.com。

丁建文（通信作者），男，副教授，博士，E-mail：jwding2006@163.com。

Received： 2019-11-11

Foundation items：? National Natural Science Foundation of China（No.51978159）

Author brief：? Wang Jing （1995- ）， main research interest： soft foundation treatment， E-mail： yantu_wjsdu@163.com.

Ding Jianwen（corresponding author），associate professor，PhD，E-mail：jwding2006@163.com.