程峰 王星華

(中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙410075)

重金屬污染土廣泛分布于我國有色資源大省廣西、貴州、云南等地.由于重金屬污染土的研究尚不深入，工程施工中往往將其作為一般土進(jìn)行處理，導(dǎo)致了很多工程事故的發(fā)生［1］. 目前對(duì)于重金屬污染土的研究主要側(cè)重于影響機(jī)理的研究，而對(duì)于污染土的力學(xué)性能、固化性能的研究成果鮮見報(bào)道.查甫生等［1］的研究表明，重金屬元素被巖土體吸附后并不是穩(wěn)定下來的，它不斷的腐蝕與遷移破壞了土體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，降低了土顆粒間膠結(jié)力. 黃敏等［2］的研究表明，重金屬污染土在傳統(tǒng)的固化劑水泥、石灰等作用下，可以有效改善其力學(xué)強(qiáng)度與穩(wěn)定性，但固化后土體的結(jié)構(gòu)受到破壞，彈塑性較差，且固化成本較高并不能廣泛推廣. 黃敏等［2］通過重金屬遷移試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，有機(jī)固化劑具有良好的保水性，能有效限制重金屬污染物在土中的遷移，同時(shí)對(duì)污染物的腐蝕具有抑制作用，有效改善了土體的物理性能指標(biāo)，但對(duì)于有機(jī)固化劑的配比方案及固化效果未進(jìn)行深入研究.為了進(jìn)一步探討有機(jī)固化劑合理的原料、配合比以及對(duì)重金屬的污染土固化效果，文中通過選擇有機(jī)固化劑原料進(jìn)行配合比試驗(yàn)，對(duì)原狀土、污染土與添加有機(jī)固化劑的污染土進(jìn)行了三軸排水剪切對(duì)比試驗(yàn)，研究有機(jī)固化劑固化前后重金屬的污染土的強(qiáng)度特性與體變特性，為工程上治理重金屬污染土提供合理與可靠的措施依據(jù).

此外，文獻(xiàn)［3］研究表明，污染土受到重金屬元素遷移與吸附作用后，應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)為顆粒間的錯(cuò)位滑移.文獻(xiàn)［2，4-5］研究者認(rèn)為傳統(tǒng)的單屈服面模型在描述錯(cuò)位滑移的應(yīng)變關(guān)系時(shí)存在一定缺陷.文中在文獻(xiàn)［5］粗顆粒土雙屈服面本構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，采用修正劍橋模型作為壓縮屈服面函數(shù)，將斯托勒(Stolle)屈服函數(shù)［6］和Pietruszczak 準(zhǔn)則［4-5］聯(lián)立作為剪切屈服面函數(shù)，建立了一個(gè)適用于重金屬污染土的應(yīng)變軟化雙屈服面彈塑性本構(gòu)模型，該模型克服了傳統(tǒng)單屈服面模型不能夠描述污染土應(yīng)變關(guān)系的臨界狀態(tài)的缺陷.

1 有機(jī)固化土試驗(yàn)

1.1 有機(jī)固化劑作用機(jī)理

有機(jī)固化劑是一種高濃縮的有機(jī)溶液，具有很強(qiáng)的置換、溶解能力［7-8］.其作用于污染土后能有效阻止重金屬污染元素對(duì)土壤顆粒間雙電層結(jié)構(gòu)的破壞和水化膜的損傷，限制土中膠體礦物與侵入元素的離子交換活動(dòng)，阻止膠結(jié)物的溶蝕;固化劑產(chǎn)生的化學(xué)力能封閉重金屬陽離子的擴(kuò)散路徑，修復(fù)土顆粒間雙電層的厚度，使土中的膠體礦物保持電離平衡，以提高土顆粒間的膠結(jié)力［8］. 固化劑工作原理見圖1.

圖1 固化劑工作機(jī)理Fig.1 Mechanism of curing agent

有機(jī)固化土與一般的石灰固化土、水泥固化土不同，它固化后形成的板狀結(jié)構(gòu)不會(huì)破壞土體本身的 性能［3，8］，且具有良好的彈塑性. 重金屬污染土經(jīng)固化后不易產(chǎn)生裂縫，保水性較好，有效提高了土的剪切強(qiáng)度、壓實(shí)性與穩(wěn)定性.

1.2 試驗(yàn)材料

1.2.1 有機(jī)固化劑原料

主要成分為環(huán)氧固化劑(4.4 二氨基二苯基甲烷)、環(huán)氧固化促進(jìn)劑(四乙基溴化胺)、稀釋劑(二乙二醇—乙醚). 環(huán)氧固化劑可以有效限制水化膜的破壞，減少膠體礦物的溶蝕;環(huán)氧固化促進(jìn)劑有效促進(jìn)土顆粒的膠結(jié)，增強(qiáng)凝聚力;稀釋劑控制重金屬元素遷移，降低其腐蝕能力. 有機(jī)固化劑所采用的原料屬于環(huán)保材料［7］，不會(huì)對(duì)土體造成二次污染;另外有機(jī)固化劑作用土體后具有良好的黏附性能、保水性能，有效防止水土流失問題的發(fā)生.

1.2.2 試驗(yàn)土樣原料

原狀土、污染土土樣原料均取自廣西崇左市大新鉛鋅礦附近同片區(qū)粉質(zhì)粘土，污染土其粒度構(gòu)成為粒徑6.85 mm，顆粒含量超過55%. 采用SSFD-600 光譜檢測儀檢測土中重金屬污染元素主要為鉛、鋅、鎘(含量分別為:0.15%、0.42%、1.01%)3種元素，綜合含量為0.53%. 根據(jù)實(shí)驗(yàn)室對(duì)所取土樣的物理性質(zhì)指標(biāo)檢測結(jié)果，污染土天然含水量多低于液限，屬于低液限型土，重金屬污染土與同片區(qū)的未受到重金屬污染的土在粒徑構(gòu)成上存在明顯差異.土樣主要物理性質(zhì)指標(biāo)見表1.

表1 污染土的主要性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Main property indicators of contaminated soil

1.3 試驗(yàn)土樣制備

采用所取原料土制備3 種試驗(yàn)土樣:原狀土、污染土、添加固化劑配方的污染土，固化劑成分與水的含量見表2.

表2 試樣的配比方案Table 2 Ratio solution of samples

將所取原狀土、污染土原料分別烘干，搗碎過2 mm篩后，作為試驗(yàn)原料土. 按表2 配比方案稱取相應(yīng)質(zhì)量的原料土和水揉和均勻，在標(biāo)準(zhǔn)試模中澆搗后制成試驗(yàn)土樣.按表2 固化土配比方案稱取相應(yīng)質(zhì)量的原料土、固化劑和水，將固化劑和水混合搖勻后倒入原料土中，在標(biāo)準(zhǔn)試模中揉和均勻后制成固化土試樣. 兩種試樣制作完成后，放入保濕器內(nèi)存放24 h 以備試驗(yàn)使用.

1.4 三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn)(CD)

所用試樣尺寸均為:直徑3.91 cm，高8.0 cm.由于污染土的剪脹、剪縮性能變化較大，試驗(yàn)分兩種圍壓:低圍壓為90、120、240 kPa;相對(duì)中高圍壓為600、900、1200 kPa. 分別進(jìn)行三軸飽和排水剪切試驗(yàn)，分析對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，以此來研究固化前后重金屬元素污染土的力學(xué)強(qiáng)度和體變性能變化.

1.5 試驗(yàn)結(jié)果與討論

圖2 －7 分別為試樣在低圍壓和相對(duì)中高圍壓下的三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn)的σ1－σ3-ε1、εv-ε1和σ1/σ3-ε1關(guān)系曲線.

圖2 低圍壓下σ1 －σ3-ε1 試驗(yàn)曲線對(duì)比Fig.2 Comparison of σ1 －σ3-ε1test curves under low confining pressure添加固化劑試驗(yàn)結(jié)果 污染土試驗(yàn)結(jié)果 原狀土試驗(yàn)結(jié)果

圖3 中高圍壓下σ1 －σ3-ε1 試驗(yàn)曲線結(jié)果對(duì)比Fig.3 Comparison of σ1 －σ3-ε1test curves under relatively high confining pressure添加固化劑試驗(yàn)結(jié)果 污染土試驗(yàn)結(jié)果 原狀土試驗(yàn)結(jié)果

圖4 低圍壓下σ1/σ3-ε1 試驗(yàn)曲線結(jié)果對(duì)比Fig.4 Comparison of σ1/σ3-ε1test curves under low confining pressure添加固化劑試驗(yàn)結(jié)果 污染土試驗(yàn)結(jié)果 原狀土試驗(yàn)結(jié)果

圖5 中高圍壓下σ1/σ3-ε1 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.5 Comparison between σ1/σ3-ε1test curves under low confining pressure添加固化劑試驗(yàn)結(jié)果 污染土試驗(yàn)結(jié)果 原狀土試驗(yàn)結(jié)果

圖6 低圍壓下εv-ε1 試驗(yàn)曲線結(jié)果對(duì)比Fig.6 Comparison between εv-ε1test curves under low confining pressure添加固化劑試驗(yàn)結(jié)果 污染土試驗(yàn)結(jié)果 原狀土試驗(yàn)結(jié)果

圖7 中高圍壓下εv-ε1 試驗(yàn)曲線結(jié)果對(duì)比Fig.7 Comparison between εv-ε1test curves under low confining pressure添加固化劑試驗(yàn)結(jié)果 污染土試驗(yàn)結(jié)果 原狀土試驗(yàn)結(jié)果

從圖2、3 中可以看出，原狀污染土在低圍壓與相對(duì)中高圍壓下，峰值強(qiáng)度隨圍壓的增大提高得較小，添加有機(jī)固化劑配方的污染土的峰值強(qiáng)度在低圍壓下提高了近30%，在高圍壓下峰值強(qiáng)度提高得更為明顯，提高了近50%.從圖4、5 中可以看出，未添加固化劑配方的重金屬污染土在低圍壓作用下的試樣表現(xiàn)出很高的峰值主應(yīng)力比，但在高圍壓條件下，峰值主應(yīng)力比表現(xiàn)出急劇降低. 而添加固化劑配方的污染土在兩種圍壓下峰值主應(yīng)力比都表現(xiàn)得較為平穩(wěn). 從圖6、7 中可以看出，未添加固化劑配方的試樣在峰值剪應(yīng)力之后表現(xiàn)為應(yīng)變軟化特性，而添加固化劑配方的試樣在峰值剪應(yīng)力之后表現(xiàn)為應(yīng)變硬化特性. 對(duì)比兩種試樣的εv-ε1關(guān)系曲線可以發(fā)現(xiàn)，污染土試樣在低圍壓條件下表現(xiàn)出先剪縮(εv＞0)后顯著剪脹(εv＜0)，在相對(duì)中高圍壓條件下剪脹逐漸減弱，剪縮逐漸增強(qiáng);固化土試樣在兩種圍壓條件下大部分應(yīng)變范圍基本都表現(xiàn)為剪縮變形特性，其剪脹變形特性僅在臨近剪切破壞時(shí)才表現(xiàn)出來.

2 體變特性本構(gòu)模型

重金屬元素在土體中的遷移、吸附作用引起土體結(jié)構(gòu)形態(tài)的變化，導(dǎo)致了土體產(chǎn)生剪縮、剪脹變形特性［4-9］，其主要的塑性變形為顆粒間的錯(cuò)位滑移［5］，尤其在施加荷載時(shí)這種特性表現(xiàn)得更為明顯，力學(xué)特性類似于粗粒土［10］. 為了反映這一體變特性，文中以適應(yīng)于粗顆粒土的函數(shù)為基礎(chǔ)，采用剪切屈服函數(shù)和壓縮屈服函數(shù)顯式積分格式聯(lián)立，建立重金屬污染土的雙屈服面本構(gòu)模型.

2.1 初始函數(shù)

2.1.1 剪切屈服函數(shù)

由前述試驗(yàn)結(jié)果可知重金屬污染土的剪切特性主要表現(xiàn)為剪縮、剪脹變形，其剪切規(guī)律符合Pietruszczak 硬化準(zhǔn)則［4］，即

式中，B 為材料常數(shù)，εs 為剪應(yīng)變，MP為峰值應(yīng)力比.

剪切方程的具體形式采用Gajo 和Wood［4-5］提出的屈服函數(shù)三維推廣式:

式中，A 為模型參數(shù)，Md為轉(zhuǎn)換應(yīng)力比，表示p-q 關(guān)系曲線中轉(zhuǎn)換線斜率，p 為平均正應(yīng)力，q 為剪應(yīng)力，q= σ1－ σ3，g(θ)為形狀函數(shù)，θ 為應(yīng)力方位角(Lode 角)，試驗(yàn)時(shí)取θ=/6，η 為應(yīng)力比，η=q/p.

根據(jù)Ishihara 等［4］提出的應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)換概念，殘余應(yīng)力比Mr、峰值應(yīng)力比MP與孔隙比的關(guān)系如下:

式中，Mr為殘余應(yīng)力比，MP為峰值應(yīng)力比，e 為孔隙比，a 為模型參數(shù)，R 為形狀參數(shù).

由剪脹性的定義［5，11］可知，體應(yīng)變?cè)隽喀舙v 與剪應(yīng)變?cè)隽恐缺硎就馏w的剪脹性，其表達(dá)式為

整理式(1)－(4)可得剪切屈服函數(shù)等效形式為

式中，p0為有效初始平均應(yīng)力.

為了方便計(jì)算，將式(5)按Stolle 全量雙曲線的屈服函數(shù)［10］簡化形式表示，即

式中，M 為殘余應(yīng)力比，g(θ)為形狀函數(shù)，其表達(dá)式為

式中，φ 為內(nèi)摩擦角.

2.1.2 壓縮屈服函數(shù)

重金屬污染土的壓縮特性與一般土差別不大.對(duì)于純壓縮變形機(jī)理，修正的劍橋模型形式并結(jié)合相關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則，可以很好地反映壓縮引起的塑性體積應(yīng)變［5，9-11］.通過引入形狀參數(shù)R，具體的屈服函數(shù)和塑性函數(shù)形式如下:

式中，pc為固結(jié)壓力.

重金屬污染土在剪切變形時(shí)，各向表現(xiàn)出明顯的同性硬化，其體應(yīng)變過程可用修正的劍橋模型表示，即

式中，dpc為固結(jié)壓力增量，*為v-lnp 壓縮曲線斜率，v 為體積比容;κ*為v-lnp 回彈曲線斜率.

2.2 雙曲面本構(gòu)方程

根據(jù)上述定義的初始函數(shù)，采用顯式格式的數(shù)值積分方案，其體積應(yīng)變和剪切應(yīng)變?cè)隽糠謩e表示為

式中，1為壓縮曲線斜率，2為剪切曲線斜率.

由df1=0 可以得到

由df2=0 可以得到

將式(12)、(13)代入式(10)、(11)，可得

式中，K 為曲線斜率系數(shù)，G 為材料常數(shù).

或

一般情況下控制三軸排水應(yīng)變?cè)囼?yàn)的圍壓保持不變［12］，即dσ3=0，其中dε1和dσ3已知，針對(duì)該條件推導(dǎo)如下.

由于

式中，ε1為主應(yīng)變，εv為剪縮應(yīng)變，εs為剪脹應(yīng)變.

將式(19)代入式(20)并聯(lián)立式(21)可得

在Matlab 程序?qū)κ?23)進(jìn)行數(shù)值積分，可解得dp 和dq，再代入式(20)可以得到dεv和dεs.

2.3 模型參數(shù)的確定

模型共有10個(gè)材料參數(shù)，所采用的模型參數(shù)是根據(jù)上述污染土的試驗(yàn)結(jié)果曲線而來.其中A 為剪脹參數(shù)，hv、m 為硬化參數(shù)，由εv-ε1曲線確定為塑性剪應(yīng)變，由q-ε1曲線確定;B、a 為軟化參數(shù)，由q-εs曲線確定;G0為材料參數(shù)，由大三軸試驗(yàn)卸載時(shí)的q-εs曲線確定;Mp為對(duì)應(yīng)的η =q/p 峰值剪切強(qiáng)度;Mr為殘余狀態(tài)應(yīng)力比，由曲線η-ε1確定;υ為比容，由卸載時(shí)p-εv曲線并通過式K = G2·(1 +υ)/［3(1 － 2υ)］確定. 根據(jù)文獻(xiàn)［2］、文獻(xiàn)［13 －14］試驗(yàn)結(jié)果，選取3 組試樣試驗(yàn)結(jié)果確定模型計(jì)算參數(shù)，見表3.

表3 模型的計(jì)算參數(shù)Table 3 Calculating parameters of the model

2.4 模型擬合結(jié)果與討論

根據(jù)上述選取的3 組試樣的試驗(yàn)結(jié)果繪制qε1，εv-ε1和σ1/σ3-ε1曲線，并將表3 中的參數(shù)作為雙屈服面應(yīng)變軟化彈塑性本構(gòu)模型的計(jì)算參數(shù)，通過Matlab 軟件進(jìn)行計(jì)算并繪制出擬合曲線.試驗(yàn)結(jié)果及模型擬合結(jié)果的對(duì)比曲線如圖8、9 所示. 從圖8、圖9 模型擬合曲線可以看出，模型擬合與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，能夠較好地反映兩種圍壓下重金屬污染土的應(yīng)力水平變化以及體縮向體脹發(fā)展的體變過程.模型擬合結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證有機(jī)固化劑可以有效提高重金屬污染土剪切強(qiáng)度，改善污染土低圍壓條件下剪脹、高圍壓條件下剪縮的變形性能.

圖8 低圍壓模型擬合結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.8 Comparison between model simulations and results of test under low confining pressure添加固化劑試驗(yàn)結(jié)果 未添加固化劑試驗(yàn)結(jié)果 模型擬合結(jié)果

圖9 中高圍壓模型模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.9 Comparison between model simulations and test results under relatively high confining pressure添加固化劑試驗(yàn)結(jié)果 污染土試驗(yàn)結(jié)果 原狀土試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

(1)有機(jī)物固化劑能顯著提高重金屬污染土的峰值強(qiáng)度，在有機(jī)固化劑配合比不變時(shí)，能使峰值強(qiáng)度提高近30% ～50%，隨著圍壓的增加峰值強(qiáng)度提高越明顯;

(2)有機(jī)固化劑能有效地改善重金屬污染土應(yīng)變軟化與應(yīng)變硬化的性能，使其在不同圍壓下的剪脹、剪縮特性趨于平穩(wěn)，增加土體的穩(wěn)定性;

(3)重金屬污染土雙曲面體變本構(gòu)模型克服了單屈服面模型不能描述土體由剪脹到剪縮應(yīng)變臨界狀態(tài)的缺陷. 數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較為接近，表明該模型在描述重金屬污染土的體變特性方面具有優(yōu)越性.

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