劉 鵬 ，黃 英 ，金克盛，張祖蓮，符必昌

（昆明理工大學，云南昆明 6 50500）

0 引言

作為云南廣泛分布的紅土資源，以其物理性質(zhì)差，力學性質(zhì)較好［1］的優(yōu)勢大量應用于云南的各種基礎設施建設，對于云南地區(qū)經(jīng)濟的發(fā)展起著重要作用。長期以來，大量的實際工程和科學研究［2-3］為有效利用紅土積累了豐富的工程經(jīng)驗和研究成果，但由于紅土的特殊性，紅土地區(qū)仍不時發(fā)生地質(zhì)災害［4］，造成嚴重損失。因而對于紅土地區(qū)地質(zhì)災害發(fā)生機制的研究將有助于地質(zhì)災害的有效防治。研究表明，紅土的特殊性關鍵在于紅土中的氧化鐵特別是游離氧化鐵。王繼莊［5］、孔令偉［6-7］、馬琳［8］等分別研究了紅土中游離氧化鐵對紅土的工程性質(zhì)及膠結作用的影響，表明紅土中氧化鐵尤其是游離氧化鐵的存在，對于紅土的顆粒膠結起著至關重要的作用，對于紅土的工程性質(zhì)影響很大，而代志宏［9］的研究表明了自然狀態(tài)下土體中的鐵離子發(fā)生遷移的問題。

對于高溫、潮濕、多雨的云南紅土，在水環(huán)境條件下特別是滲流條件下，對紅土的特殊性起關鍵作用的鐵氧化物的遷移問題缺少研究，而紅土中鐵氧化物的遷移直接影響到紅土結構的穩(wěn)定性。由于自然水環(huán)境條件下紅土中的鐵氧化物遷移緩慢，短時間難以觀測到顯著變化。因此，為模擬紅土中鐵氧化物的遷移過程，本文針對云南典型紅土，人工制備含鐵紅土試樣，采用浸泡試驗的方法，測試分析不同影響因素下水溶液中三價鐵離子的濃度變化，為深入研究紅土中鐵離子的遷移特性和遷移機理奠定基礎。

1 試驗方案

1.1 試驗土料及試劑

試驗土料選用昆明世博生態(tài)城典型紅土，其基本特性見表1，試劑選取實驗室常用的六水合硫酸鐵溶液。將試劑按一定濃度稀釋后加入紅土中，人工制備含鐵紅土試樣，通過浸泡試驗測試水溶液中三價鐵離子的濃度，研究水環(huán)境條件下紅土中的鐵離子的遷移變化特性。

表1 紅土樣的基本特性Table 1 Properties of the laterite

1.2 試驗方案

水環(huán)境條件下鐵離子的濃度變化取決于含鐵紅土樣的內(nèi)在特性和外在因素的影響。紅土樣的內(nèi)在特性主要包括自身的密實程度、含水率以及紅土中鐵離子的濃度等，外在因素主要指環(huán)境溫度以及浸泡時間的影響，其內(nèi)外因共同作用的結果決定了紅土中鐵離子的遷移過程，引起水溶液中鐵離子濃度的變化。因此，為了對比分析不同因素對紅土中鐵離子遷移過程的影響，本試驗考慮擊實功、含水率、溫度和浸泡時間四個影響因素，研究紅土樣中的鐵離子遷移到水溶液中的濃度。

具體試驗方案如下：

（1）含水率（22.6％）和溫度（22.5℃）不變，擊實功按10擊、15擊、20擊、25擊和30擊的擊數(shù)變化；

（2）擊實功（15擊）和溫度（22.5℃）不變，含水率按23.7％、25.9％、26.4％、28.5％、32.0％變化；

（3）擊實功（15擊）和含水率（22.6％）不變，溫度按7.5℃、12.5℃、22.5℃、32.5℃、40.0℃、50.0℃變化。

這樣，根據(jù)試驗方案制備好含鐵紅土試樣，進行浸泡試驗，即可提取含鐵離子的水溶液樣，測試水溶液中鐵離子的濃度，分析水溶液中鐵離子濃度的變化特性。

2 水溶液中鐵離子濃度的測定

2.1 含鐵離子水溶液的提取

水溶液中鐵離子濃度的測定首先需要制備含鐵離子的水溶液樣。試樣的制備包括擊實、切取、浸泡、提取水溶液幾個環(huán)節(jié)。按照擬定的試驗方案，根據(jù)各含水率大小，將濃度為2％的六水合硫酸鐵溶液稀釋后加入紅土中，按照擊實試驗方法制備含鐵紅土樣，再用壓縮環(huán)刀切取浸泡試樣（15個），包裹好紗布后放入盛有400mL自來水的燒杯中（400mL自來水剛好淹沒包裹樣）進行浸泡，并放入恒溫水箱，控制溫度和浸泡時間，每隔1h，提取燒杯中的水溶液樣，并將包裹樣重新放入盛有400mL自來水的燒杯中，按照浸泡時間，繼續(xù)提取水溶液樣。本次浸泡試驗持續(xù)3h，共提取水溶液樣45個。

2.2 鐵離子濃度的測定方法

鐵離子濃度的測定方法主要有鄰菲羅啉分光光度法、原子吸收分光光度法、二氮雜菲分光光度法等［10］幾種。由于原子吸收分光光度法需要較昂貴的儀器——原子吸收分光光度計，二氮雜菲分光光度法要求的實驗藥劑和實驗條件比較苛刻，所以本試驗采用鄰菲羅啉分光光度法測定溶液中鐵離子的濃度，其分光光度計見圖1。

圖1 分光光度計Fig.1 The spectrophotometer

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式中：CFe——鐵離子的濃度（mg·L-1）；

m——根據(jù)標準曲線計算出的水樣中鐵的含量（mg）；

V——取樣體積（L）。

這樣，提取出含鐵水溶液后，就可以根據(jù)鄰菲羅啉分光光度法測試水溶液中鐵離子的濃度。

2.3 鐵離子濃度的測試結果

根據(jù)試驗方案，將不同擊實功、不同含水率、不同溫度以及不同浸泡時間下制備好的水溶液按照測定方法測試出水溶液中三價鐵離子Fe3+的濃度，測試結果見表2，鐵離子濃度的單位為mg·L-1。

表2 不同影響因素下水溶液中鐵離子的濃度Table 2 The concentration of Fe3+in water

表2中，浸泡時間0～1h、1～2h、2～3h分別代表總觀測時段內(nèi)的每一時間間隔，對應的濃度分別為每種情況下每一時間間隔新增加的鐵離子濃度；鐵離子的總濃度即為各個觀測時段濃度之和。

3 試驗結果分析

3.1 擊實功對鐵離子濃度的影響

根據(jù)表2，可以得到在含水率和溫度不變時，水溶液中鐵離子的總濃度隨擊實功和浸泡時間的變化情況（圖2），其濃度變化程度可以根據(jù)濃度曲線的斜率來分析（表3）。

圖2 不同擊實功不同浸泡時間水溶液中鐵離子的濃度Fig.2 The concetration of Fe3+changes with compactions and immersing history

（2）圖2a表明，就總的浸泡時間而言，不管擊實功的大小如何，在同一擊實功下，水溶液中鐵離子的總濃度都隨浸泡時間的延長而增大，如10擊時，當浸泡時間由 1h增加到 3h，鐵離子的總濃度由1.068 mg·L-1提高到2.797 mg·L-1；圖 2b表明，在相同浸泡時間下，水溶液中鐵離子的總濃度隨擊數(shù)的增大而逐漸減小，如浸泡時間2h，當擊數(shù)由10擊增大到30擊，鐵離子的總濃度由1.972 mg·L-1減小到1.839 mg·L-1。說明浸泡時間越長或擊實功越低，遷移到水溶液中的鐵離子越多。這是由于密實程度越低的紅土能夠提供更為通暢的遷移通道導致鐵離子更易遷移的緣故。

（3）不同擊實功下，圖2a的幾條曲線基本疊加在一起，表明擊實功的變化對水溶液中鐵離子濃度的影響很小，如浸泡時間3h，當擊數(shù)從10擊提高到30擊，水溶液中鐵離子的總濃度僅從2.797 mg·L-1減小到2.638 mg·L-1，變化很小。說明希望通過提高擊實功來降低紅土中鐵離子的遷移，效果不顯著。

（4）鐵離子濃度隨擊實功的變化曲線基本都呈線性關系（表3），圖2a中，當擊數(shù)由10擊提高到30擊時，曲線的斜率總體上由0.930減小到0.877，說明擊數(shù)越高，鐵離子濃度隨時間提高越?。粓D2b中，當浸泡時間由1h增加到3h。其斜率由-0.009增大到-0.004。說明浸泡時間越長，鐵離子濃度隨擊數(shù)的提高越少。

表3 不同影響因素下各濃度變化曲線的斜率Table 3 The slope rates of concentration curves of Fe3+

3.2 含水率對鐵離子濃度的影響

根據(jù)表2，圖3給出了在擊實功和溫度不變時，水溶液中鐵離子的總濃度隨含水率和浸泡時間的變化情況，濃度變化曲線的斜率見表3。

（1）表2表明，就每一個浸泡時間而言，在相同浸泡時間，隨著含水率的增大，水溶液中鐵離子的濃度逐漸增大，如0～1h時間，當含水率由23.7％提高到32.0％時，鐵離子的濃度由1.025 mg·L-1增大到1.354 mg·L-1；在相同含水率下，隨浸泡時間的延長，水溶液中鐵離子的濃度逐漸減小。顯然，0～1h的濃度（1.025-1.354 mg·L-1）大于1～2h的濃度（0.885-1.125 mg·L-1），1～2h的濃度大于2～3h的濃度（0.821-0.912 mg·L-1）。說明土體的含水越少或浸泡時間越往后，遷移到水溶液中的鐵離子越少。

圖3 不同含水率不同浸泡時間水溶液中鐵離子的濃度Fig.3 The concetration of Fe3+changes with water content and immersing history

（2）圖3a表明，就總的浸泡時間而言，不管含水率的大小如何，在同一含水率下，水溶液中鐵離子的總濃度都隨浸泡時間的延長而增大，如含水率為23.7％時，當浸泡時間由1h增加到3h，鐵離子的總濃度由1.025 mg·L-1提高到2.731 mg·L-1；圖3b表明，同一浸泡時間，水溶液中鐵離子的總濃度隨含水率的增大也逐漸增大，如浸泡時間2h，當含水率由23.7％提高到32.0％，鐵離子的總濃度由1.91mg·L-1增大到2.479 mg·L-1。說明浸泡時間越長或含水越高，遷移到水溶液中的鐵離子越多。這是由于含水越高的紅土顆粒對鐵離子的吸附能力越弱導致鐵離子更易發(fā)生遷移的緣故。

（3）鐵離子濃度隨含水率的變化曲線基本都呈線性關系，表3表明，圖3a中，當含水率由23.7％提高到32.0％時，曲線的斜率由0.908增大到1.130，說明含水率越高，鐵離子濃度隨時間提高越大；圖3b中，當浸泡時間由1h增加到3h，斜率由0.041增大到0.082。說明浸泡時間越長，鐵離子濃度隨含水率的提高越大。

（4）由于圖3a的曲線比圖2a分散，表明含水率的變化對水溶液中鐵離子濃度的影響較擊實功大，相應地，含水率對紅土樣中鐵離子遷移能力的影響也較擊實功大。說明降低含水可以控制紅土中鐵離子的遷移。

3.3 溫度對鐵離子濃度的影響

根據(jù)表2，圖4給出了在擊實功和含水率不變時，水溶液中鐵離子的總濃度隨溫度和浸泡時間的變化情況，濃度變化曲線的斜率見表3。

圖4 不同溫度不同浸泡時間水溶液中鐵離子的濃度Fig.4 The concetration of Fe3+changes with temperature and immersing history

（1）表2表明，就每一個浸泡時間而言，在相同浸泡時間，隨著溫度的升高，水溶液中鐵離子的濃度逐漸增大，如0～1h時間，當溫度由7.5℃提高到50.0℃時，鐵離子的濃度由0.452mg·L-1增大到1.257mg·L-1；在相同溫度下，隨浸泡時間的延長，水溶液中鐵離子的濃度逐漸減小。很明顯，0～1h的濃度（0.452-1.257 mg·L-1）大于1～2h的濃度（0.254-1.112 mg·L-1），1～2h的濃度大于2～3h的濃度（0.087-0.985 mg·L-1）。說明土體的溫度越低或浸泡時間越往后，遷移到水溶液中的鐵離子越少。

（2）圖4a表明，就總的浸泡時間而言，不管溫度的大小如何，在同一溫度下，水溶液中鐵離子的總濃度都隨浸泡時間的延長而增大，如溫度為22.5℃時，當浸泡時間由1h增加到3h，鐵離子的總濃度由1.003 mg·L-1提高到2.690mg·L-1；圖4b 表明，同一浸泡時間，水溶液中鐵離子的總濃度隨溫度的升高逐漸增大，如浸泡時間2h，當溫度由7.5℃提高到50.0℃，鐵離子的總濃度由0.706mg·L-1增大到2.369mg·L-1。說明浸泡時間越長或溫度越高，遷移到水溶液中的鐵離子越多。這是由于溫度越高的紅土其離子運動越快的緣故。

（3）表3表明，圖4a中，各種溫度下，鐵離子濃度隨時間的變化曲線基本都呈線性關系，當溫度為7.5℃和12.5℃時，曲線比較平緩，斜率僅為0.263和0.573；當溫度由22.5℃提高到50.0℃時，曲線的斜率則由0.895增大到1.117，說明溫度較低時，鐵離子濃度隨時間增長緩慢，溫度越高，濃度提高越大；圖4b中，鐵離子濃度隨溫度的變化趨勢以22.5℃為界可以看成兩部分線性變化，22.5℃以下曲線較陡，22.5℃以上曲線變平緩，浸泡時間1h線的斜率由0.035減小為0.010，2h線的斜率由0.075減小為0.018，3h線的斜率由0.122減小為0.024。說明浸泡時間越長，鐵離子濃度增加越多。但由于溫度較低時的曲線斜率大于溫度較高時的曲線斜率，說明溫度較低時，鐵離子濃度隨溫度的升高增加較快；溫度較高時，鐵離子濃度隨溫度的升高增加變緩。這是由于紅土樣的密度大于水溶液的密度，導致溫度變化過程中達到溫度平衡時溫度的流動方向不同引起的。

（4）由于圖4a的曲線相比圖2a、圖3a更為分散，表明溫度的變化對水溶液中鐵離子濃度的影響較擊實功和含水率都大，相應地，溫度對紅土樣中鐵離子遷移能力的影響也較擊實功和含水率顯著。說明降低溫度可以有效控制紅土中鐵離子的遷移。

浸泡試驗結果表明，含鐵紅土樣經(jīng)過浸泡后，引起水溶液中鐵離子的濃度增大，說明紅土樣中的鐵離子發(fā)生了遷移，其遷移過程同樣受到擊實功、含水率、溫度以及浸泡時間的影響，水溶液中鐵離子的濃度變化特性間接反映了紅土中鐵離子的遷移特性以及遷移能力。很顯然，水溶液中鐵離子的濃度越高，反映出紅土樣中鐵離子的遷移能力越強。因此，以紅土遷移到水溶液中的鐵離子變化為基礎，就可以深入研究水環(huán)境條件下紅土中鐵離子的遷移特性和遷移機理，為揭示紅土地區(qū)地質(zhì)災害的發(fā)生發(fā)展機制提供科學依據(jù)。

4 結論

通過人工制備含鐵紅土樣的浸泡試驗，開展了不同影響因素下紅土中鐵離子的遷移試驗研究，得到如下結論：

（1）在水環(huán)境條件下，紅土中鐵離子的遷移引起水溶液中鐵離子的濃度變化可以間接反映紅土中鐵離子遷移過程的快慢；

（2）不同影響因素下，水溶液中鐵離子的總濃度隨浸泡時間的延長、擊實功的減小、含水率的提高和溫度的升高呈線性增大；

（3）不同影響因素下鐵離子濃度變化曲線的斜率大小反映了各個因素的影響程度。水溶液中鐵離子的濃度變化隨擊實功的減小、含水率的提高和溫度的升高呈線性減??；

（4）就考慮的幾種影響因素而言，水溶液中的鐵離子濃度受溫度影響最大，擊實功影響最小，含水率影響居中。據(jù)此，可以有針對性地提出控制紅土中鐵離子遷移的措施；

（5）水溶液中鐵離子的濃度變化可以為深入研究水環(huán)境條件下紅土中鐵離子的遷移特性和遷移機理奠定基礎，為揭示紅土地區(qū)地質(zhì)災害的發(fā)生發(fā)展機制提供科學依據(jù)。

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