姜華均,張星鵬,汪華斌,周 博

(華中科技大學 土木與水利工程學院,湖北 武漢 430074)

隨著世界經(jīng)濟的快速發(fā)展,工農(nóng)業(yè)中大量化石燃料的消耗以及其他自然資源的消耗,排放大量SO2及氮氧化物,使得大氣環(huán)境日益惡化。其中酸雨問題尤其嚴重,大氣中SO2的積聚是造成局地酸雨的主要原因。目前我國酸雨區(qū)主要集中在長江以南的大部分地區(qū)以及長江、珠江三角洲地區(qū),酸雨區(qū)域已經(jīng)占領了我國國土面積的10%以上,由此引發(fā)的酸雨污染問題日益受到重視。

酸性污染下巖土地基腐蝕導致對土體力學特性的影響引起了巖土工程界的高度重視[1],也是目前國際巖土體化學-力學耦合作用研究的難點和熱點之一。自然條件下，殘積土經(jīng)過酸雨的長期侵蝕,土壤發(fā)生化學-力學耦合作用?；◢弾r殘積土中存在的鐵質(zhì)膠結物在酸污染環(huán)境中發(fā)生溶解,引起土體結構破壞產(chǎn)生強度變化,進而誘發(fā)土體滑坡或基礎變形破壞,造成不可估量的損失[2,3]。酸污染的殘積土性狀取決于土顆粒、粒間膠結物和污染物的濃度以及土的結構和粒度、土粒間液體介質(zhì)、吸附陽離子的成分等[4],主要源于強酸環(huán)境中游離氧化鐵等物質(zhì)發(fā)生溶解引起土體團粒崩解。張先偉等[5]發(fā)現(xiàn)湛江地區(qū)地下水偏酸性且富含鐵離子,偏酸環(huán)境產(chǎn)生大量的鐵膠結物質(zhì)加強了土顆粒間的聯(lián)結作用,促使游離氧化鐵產(chǎn)生膠結效果進而提高土的強度。殘積土中顆粒團聚體的穩(wěn)定性不僅與氧化鐵的總含量有關,而且與氧化鐵在不同酸性環(huán)境的活化度關系密切[6]。

酸雨條件下花崗巖殘積土物質(zhì)成分和結構特征差異在很大程度上決定其力學特性,已有初步試驗結果表明：花崗巖殘積土受酸污染的溶蝕,土體原有結構破壞,土顆粒間的連接減弱甚至消失,導致抗剪強度參數(shù)黏聚力和內(nèi)摩擦角都降低[7]；酸性條件使土體發(fā)生離子交換,水膜中離子濃度增加,從而導致原有的雙電層結構發(fā)生變化,使花崗巖殘積土更易發(fā)生崩解[8]。鹽酸處理的花崗巖殘積土樣品中包裹在花崗巖殘積土基本團粒單元外圍的鐵、鋁膠質(zhì)被消耗掉,特別是結構吸力的減小造成鹽酸處理后的土樣在拉應力作用下容易被拉斷[9]。但是,目前只關注殘積土的強度和結構研究不足以科學闡明水土化學作用影響其變形破壞的機理,特別是我們沒法回避的關鍵科學問題：花崗巖殘積土在酸污染條件下其結構性如何受到損傷直至破壞？

三軸柔性壁滲透法通過固結模擬真實的土體應力狀況,利用一定的滲透壓使酸液在土體內(nèi)部發(fā)生滲流,可有效模擬酸雨的淋濾作用[10]。該方法可以精準控制及檢測圍壓、滲透壓、滲透時間等各個參數(shù)。在完成化學-力學耦合酸液滲透試驗之后,可以利用三軸儀本身的功能檢測酸滲透試樣的抗剪強度。本文利用酸液對花崗巖殘積土進行三軸柔性壁滲透試驗,其作為一種酸雨加速侵蝕試驗來反映殘積土在酸雨作用下的力學性質(zhì)變化規(guī)律。

1 柔性壁酸液滲透試驗及分析

1.1 方案設計

表1 試驗方案

花崗巖殘積土基本物理參數(shù)見表2,經(jīng)化學全分析試驗所得花崗巖殘積土主要氧化物的絕對含量如表3所示。

表2 花崗巖殘積土基本物理性質(zhì)指標

表3 花崗巖殘積土各氧化物含量

1.2 試驗裝置

利用GDS三軸儀的滲透功能模塊與剪切功能模塊進行酸液滲透試驗以及三軸剪切試驗,設置隔離容器避免儀器受到酸的腐蝕,如圖1所示。

圖1 酸液隔離容器

該儀器由上部隔離室、下部隔離室以及伸縮分隔帶組成,將酸液與壓力控制器隔離,避免酸液腐蝕壓力控制器。上部隔離室內(nèi)部存放純水,與壓力控制器相連,下部隔離室存儲酸液,與三軸壓力室相連。中央黑色分隔帶承受壓力,分隔純水與酸液。

1.3 試驗處理與方法

1.3.1 制樣飽和

按照《土工試驗方法標準》將包裹好的土樣放入無水的真空缸內(nèi),啟動抽氣泵排出缸內(nèi)空氣使真空度接近0.1 MPa,并保持抽氣狀態(tài)1 h。之后打開排氣閥門引導水流入缸,待水漫過土樣頂部,關閉排氣閥門,繼續(xù)抽氣12 h使之飽和。

1.3.2 隔離容器安裝

將back壓力控制器與base壓力控制器吸滿純水,將隔離容器與壓力控制器相連,關閉隔離容器頂部排氣閥,設置壓力向容器內(nèi)排入壓力室的純水,打開隔離容器頂部閥門使壓力控制器純水排空至隔離容器裝滿純水。

1.3.3 酸液滲透分析

設置滲透壓力為40 kPa,滲透時間為12 h或24 h,開始進行酸滲透。完成滲透過程,收集滲透液以檢測離子濃度。

1.3.4 固結與不排水剪切試驗

當試樣完成相應設置的酸滲透之后,設置所需的固結圍壓,完成固結之后,關閉排水閥門,設置剪切速率0.25 mm/min,軸向應變達到25%時自動終止剪切。

1.4 滲透液離子檢測結果分析

檢測試樣滲透液的Fe3+、Ca2+、Mg2+含量,總共包括18個溶液試樣。統(tǒng)計每個試樣的流量體積與離子濃度,計算其溢出離子平均含量,結果如圖2～4所示。

圖2 Ca2+流失量變化

圖3 Fe3+流失量變化

圖4 Mg2+流失量變化

由圖2～4可以看出,相同pH酸液滲透時間越長,離子流失量越大,滲透液與試樣金屬離子交換作用時間越長。相同作用時間,不同pH值滲透液造成的離子流失量大小關系依次為：pH3>pH7>pH1。

pH=1時,H+與金屬氧化物發(fā)生反應程度加劇,但是根據(jù)滲透試驗結果分析,試樣的滲透系數(shù)明顯降低,溶液滲透量急劇減小,因此因滲透液帶出的離子損失量偏少,多數(shù)離子殘留于試樣內(nèi)部,但Fe3+流失量較為明顯；pH=3時,滲透系數(shù)偏大,在滲透流量與pH值的共同影響下,試樣在pH3滲透液下離子流失量最大；pH=7時,可以發(fā)現(xiàn)Ca2+與Mg2+的流失量均低于pH3樣本的值,CaO與MgO活性較高,純水溶液中發(fā)生水化反應生成微溶于水的氫氧化物,少量Ca2+與Mg2+流失。Fe2O3為倍半氧化物,其等電pH值為7.1,與純水非常接近,因此在純水滲透液中幾乎不發(fā)生發(fā)應,但排出的滲透液中仍然檢測出Fe3+,說明土樣內(nèi)部存在一部分可溶性鐵鹽。綜上可知,化學-力學耦合作用下,酸雨對土體的結構性損傷受到酸雨濃度、滲透時間以及流量的綜合影響。

2 酸滲透三軸滲透試驗結果分析

2.1 滲透時間對滲透系數(shù)的影響

計算各時間段的平均滲透系數(shù):前1 h每10 min計算一次,1 h后每間隔一小時計算一次,試樣在pH1、pH3、pH7滲透液下的滲透系數(shù)變化趨勢如圖5所示,不同pH值滲透試樣的滲透系數(shù)隨滲透時間的增長而減小。部分數(shù)據(jù)點因儀器測量誤差較前1 h的滲透系數(shù)略微增大,總體上隨時間的增漲而緩慢減小。試驗中,填充于骨架顆粒間的細微顆粒因滲透壓作用由下往上遷移,滲透試驗完成后,試樣上部更為堅硬,下部孔隙比變大,上部孔隙比變小。細小顆粒不斷隨著滲透液遷移至試樣上部,試樣滲透系數(shù)逐漸下降。

圖5 試樣滲透系數(shù)變化趨勢

根據(jù)大量的滲透試驗結果,提出重塑土樣滲透系數(shù)k隨時間的衰減符合式(1)：

k=k0t-b

(1)

式中：k為土樣在t時刻的滲透系數(shù)(cm/s);k0為土樣初試滲透系數(shù),取第一個小時的平均滲透系數(shù)(cm/s)；b為滲透系數(shù)衰減率,量綱為T-1,單位形式與t一致。

三軸滲透試驗中,滲透系數(shù)衰減率b與初試滲透系數(shù)k0、滲透壓、固結圍壓、干密度、滲透液性質(zhì)等有關。對于一定滲透壓、固結圍壓、干密度、滲透液的滲透土樣,測得初試滲透系數(shù)k0(試驗取第一個小時的平均滲透系數(shù)),由公式(1)求得任意時刻的滲透系數(shù),預測土樣滲透系數(shù)隨時間變化。驗證該函數(shù)的擬合效果,如圖6所示。

圖6 不同pH滲透試樣滲透系數(shù)隨時間變化擬合曲線

由圖6可見,當其他試驗條件相同時,滲透液pH=1時該函數(shù)擬合效果最佳,隨著滲透液pH值升高,其擬合程度變差,且滲透系數(shù)衰減率b值逐漸減小,滲透液對于滲透系數(shù)的影響程度逐漸下降。

2.2 滲透液pH值對滲透系數(shù)的影響

由圖5所示,酸性滲透液試樣的滲透系數(shù)在前5 h內(nèi)降低幅度較大。滲透初期,初始滲透系數(shù)的大小關系為：pH1>pH3>pH7。隨著滲透時間的延長,試樣滲透系數(shù)明顯下降,且酸液pH值越低,其下降幅度越大。在滲透5 h之后酸滲透試樣的滲透系數(shù)低于純水滲透的試樣。由于滲透液中的離子與土體的金屬氧化物發(fā)生反應,使試樣結構遭到破壞,進而影響其滲透性能,反映滲透液對滲透系數(shù)的影響。

Al2O3與Fe2O3是花崗巖殘積土組成基本結構的金屬氧化物,而溶解的氧化物膠體對黏土的水穩(wěn)定性、稠度、滲透性、結構強度等均有重要影響[12],酸液中的H+能溶解在花崗巖殘積土團粒外部包裹的鐵、鋁膠質(zhì),破壞花崗巖殘積土微觀結構,團聚體失去膠結物的約束[9],內(nèi)部團聚體細小的粘性顆粒被釋放,孔隙被填充,因此試樣滲透性能將會隨著試樣與酸反應程度的提高而下降。本實驗使用酸溶液以硫酸為主,硫酸密度(1.8305 g/cm3)及動力粘滯系數(shù)(0.021 Pa·s)均比水大,因此酸滲透試樣的滲透系數(shù)略低于純水滲透試樣。

3 酸滲透不排水剪切試驗結果分析

3.1 滲透液pH值的影響

圖7，8分別為12，24 h試樣有效偏應力-軸向應變曲線。由圖7，8可知,試樣偏應力q-軸向應變ε1關系曲線呈應變硬化關系,在軸向應變ε1<5%時,不同pH值滲透液滲透試樣的偏應力增長趨勢相近。隨著軸向應變增大,不同試樣的偏應力差距趨于明顯。相同的滲透時間,試樣峰值偏應力pH1>pH7>pH3。

圖7 12 h試樣有效偏應力-軸向應變曲線

圖8 24 h試樣有效偏應力-軸向應變曲線

離子檢測與滲透試驗結果表明,滲透液pH=1,酸液H+濃度增大,化學反應程度加劇,但由于試樣滲透系數(shù)急劇下降,滲透量急劇減小,影響花崗巖殘積土強度的膠質(zhì)未能通過滲透液流出,殘存于試樣內(nèi)部,試樣偏應力峰值最大。pH=3時,試樣滲透系數(shù)下降程度較小,相同時間內(nèi)的滲透量依舊較大,且相應金屬氧化物在該pH值下均能發(fā)生反應,離子隨著滲透液流出試樣內(nèi)部,離子流失量最多,偏應力峰值最小；pH=7時,滲透量最大,并使得土體的一定量可溶性鹽流失,對土體造成的損傷較大,因此偏應力峰值位于上述兩者之間。

圖9，10分別為12，24 h試樣超靜孔隙水壓力-軸向應變曲線。由圖9，10可見,相同滲透時間,pH1酸液滲透試樣的超靜孔隙水壓力Δu在各圍壓條件下變化趨勢相同,都隨著應變的增大而逐漸增大,未達到峰值,其值差距不大。經(jīng)pH3與pH7滲透液滲透試樣的超靜孔隙水壓力變化趨勢相同,隨著軸線應變的增大而呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢。在各圍壓下,超靜孔隙水壓力在軸向應變ε1<5%相近,之后增長到該圍壓下對應的峰值,其峰值隨著圍壓的增大而增大,達到峰值后孔隙水壓力呈現(xiàn)下降趨勢,圍壓越大,下降幅度越大。相同條件下,pH3滲透液試樣其超靜孔隙水壓力值在下降階段略大于pH7滲透液滲透的試樣,表明pH3滲透試樣的粘性增大,滲透系數(shù)降低,孔隙水壓力消散較為緩慢。

圖9 12 h試樣超靜孔隙水壓力-軸向應變曲線

圖10 24 h試樣超靜孔隙水壓力-軸向應變曲線

圖11，12分別為12，24 h試樣偏應力-平均有效應力曲線。由圖11，12可以看出,在相同的滲透時間內(nèi),pH3與pH7滲透液滲透試樣在不同圍壓下應力路徑變化趨勢相同,都為偏應力在剪切過程中持續(xù)增大。平均有效應力在固結圍壓較小時先緩慢減小后持續(xù)增大,在固結圍壓較大時前期有短暫的增加過程。盡管pH3-12 h-100 kPa試樣出現(xiàn)了應變軟化現(xiàn)象,但是在相同酸滲透條件下,試樣在不同圍壓下的有效應力路徑包絡線都趨近一條直線。pH3與pH7滲透液試樣應力路徑相差不大,各階段接近平行。pH1滲透液試樣有效應力路徑變化趨勢與上述兩種條件試樣不同。在滲透液pH=1條件下,平均有效應力p′在高圍壓下呈現(xiàn)出持續(xù)增大的趨勢,在圍壓較低時存在先增大后減小最后持續(xù)增大的趨勢。其包絡線斜率明顯小于pH3與pH7滲透液滲透的試樣。

圖11 滲透12 h試樣偏應力-平均有效應力曲線

圖12 滲透24 h試樣偏應力-平均有效應力曲線

3.2 滲透時間的影響

圖13～15分別為不同滲透時間試樣的偏應力-軸向應變曲線、超靜孔隙水壓力-軸向應變曲線、偏應力-平均有效應力曲線。由圖13可以看出,在滲透液pH值相等的情況下,滲透24 h試樣的偏應力峰值基本小于滲透12 h的試樣。固結圍壓增大,兩者之間的差距逐漸變小。結合離子檢測結果分析,滲透時間增長,溶液與土體水化反應時間越長,其與游離氧化物、倍半氧化物反應產(chǎn)生的可溶性鹽在滲透壓的作用下持續(xù)從試樣排出,土體內(nèi)部孔隙變大,得到的偏應力峰值減小。高固結圍壓下的土體偏應力峰值主要受土體顆粒骨架結構的影響,水化環(huán)境改變對偏應力峰值的影響相對較小。

圖13 不同滲透時間試樣偏應力-軸向應變曲線

由圖14可以看出,pH3、pH7滲透液試樣分別滲透12，24 h時,軸向應變較低時超靜孔隙水壓力相近。達到峰值后,24 h試樣孔隙水壓力降低幅度較小而12 h試樣孔隙水壓力降低幅度大,由于試樣的滲透系數(shù)隨著滲透時間的延長而降低,其超靜孔隙水壓力消散較緩慢。當滲透液pH=1時,由于試樣滲透系數(shù)降低過大,孔隙水壓力受剪切的影響較大。

圖14 不同滲透時間試樣超靜孔隙水壓力-軸向應變曲線

由圖15可知,在相同滲透液滲透條件下,試樣不同滲透時間下的應力路徑變化規(guī)律相同。滲透24 h試樣的偏應力小于滲透12 h試樣。整體上滲透24 h試樣應力路徑在滲透12 h試樣的左方,說明平均有效應力小于滲透12 h的試樣。

圖15 不同滲透時間試樣偏應力-平均有效應力曲線

3.3 強度參數(shù)

取軸向應變ε1=15%對應的修正有效應力值繪制強度包絡線,根據(jù)莫爾-庫倫強度理論計算有效內(nèi)摩擦角φ′、有效黏聚力c′。不同酸滲透條件下試樣的φ′、c′與滲透液pH值、滲透時間的關系如表4所示。

表4 不同滲透條件下的強度參數(shù)

由表4可知,相同滲透時間試樣的有效黏聚力c′ 隨著滲透液pH值的升高而降低；相同滲透液pH值時,滲透時間越長,其有效黏聚力越低。由于滲透液會使土樣膠結結構破壞,其流失量越大,對土體結構總體破壞程度越高,內(nèi)部膠質(zhì)產(chǎn)生的黏聚力越低。不同pH試樣的有效內(nèi)摩擦角φ′ 大體相近。

4 小 結

本文通過柔性壁酸滲透試驗研究酸雨對花崗巖殘積土的溶蝕作用,利用原子光譜分析法檢測滲透液金屬離子流失量,并對酸滲透試樣進行三軸固結不排水剪切試驗,分析酸滲透過程對土體強度特性的影響,得出以下結論：

(1)酸滲透試驗殘積土的滲透系數(shù)隨著滲透時間增長而降低,滲透系數(shù)的降低速度隨著滲透液pH值降低而加快；滲透系數(shù)隨時間呈一定冪函數(shù)衰減變化。

(2)原子光譜分析法檢測滲透液Fe3+、Ca2+、Mg2+濃度,發(fā)現(xiàn)pH3滲透液試樣滲透系數(shù)降低幅度較小,滲透流量較高,各金屬離子流失量最高。pH7滲透流量最高,但Fe3+的溶蝕作用不明顯。滲透液pH=1時,試樣滲透系數(shù)k降低近10倍,滲透流量最小,排出滲透液中的金屬離子含量最低。

(3)不同酸滲透條件下花崗巖殘積土的固結不排水剪切試驗應力應變曲線呈應變硬化,其峰值偏應力受到H+濃度、滲透時間、滲透流量綜合影響。相同條件下滲透時間越長,偏應力峰值越低。不同pH值滲透試樣的有效偏應力峰值大小依次為：pH1>pH7>pH3。

(4)不同酸滲透條件花崗巖殘積土的超靜孔隙水壓力隨軸向應變ε1增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。滲透時間越長,滲透液pH值越低,超靜孔隙水壓力消散越緩慢；相同pH值滲透試樣的應力路徑各階段接近平行；平均有效應力與滲透時間相關,滲透時間越長,其平均有效應力越小,其應力路徑越靠左下。酸滲透試樣的有效黏聚力c′ 隨著滲透液pH值升高、滲透時間延長而減小,而不同pH試樣的有效內(nèi)摩擦角相近。