劉 華，張碩成，魯 潔，牛澤林，馮志焱，劉 剛

(1.西安建筑科技大學 土木工程學院，陜西 西安 710055;2.西安建筑科技大學 陜西省巖土與地下空間工程重點實驗室，陜西 西安 710055;3.中鐵北京工程局集團第一工程有限責任公司，陜西 渭南 714000)

黃土和黃土狀土廣泛地分布于世界各地.其中我國黃土高原所覆蓋的黃土因其獨特的地質成因和所表征的古氣候環(huán)境學意義，其空間分布特征和工程影響都極具代表性.從巖土工程的長期穩(wěn)定性角度出發(fā)，由于黃土特殊的組構特點使得部分黃土具有增濕而產(chǎn)生的額外變形，從而以濕陷系數(shù)大小作為穩(wěn)定性評價指標之一；另一方面，黃土的濕陷敏感性一般可認為是黃土浸水后發(fā)生濕陷的難易、快慢及大小的程度[1]，它與黃土的濕陷系數(shù)既有聯(lián)系又有區(qū)別.因此對于黃土的濕陷性及其所引發(fā)的工程問題，專家學者進行了大量針對性的室內外試驗[2-3]，理論分析[4-5]并且做出了相關的評價討論[6].同時，黃土的水敏演變結果也會產(chǎn)生其他相關的巖土工程問題，如：滑坡，地表開裂、地面沉降等.杜文舉[7]就陜西新寨村滑坡進行了細致分析，得出了濕陷性黃土產(chǎn)生滑坡的工程地質條件和滑坡成因.張茂省[8]也對陜西吳起廟溝鄉(xiāng)大岔村的大臺滑坡的產(chǎn)生原因進行了分析，得出降水與黃土特殊的組構是造成滑坡的主要原因.Wu[9]通過室內試驗進一步驗證了雨水浸入與黃土邊坡的穩(wěn)定性之間的關系.因此，濕陷性不僅是黃土內在結構變化的外觀體現(xiàn)，也是黃土地區(qū)地質災害、工程災害發(fā)生和整治的關鍵性因素.

隨著近些年我國城市化進程和工業(yè)化的快速發(fā)展，黃土地區(qū)的環(huán)境污染現(xiàn)象尤其是對土地的污染問題變得越來越不容忽視.工廠排放的氣體如果未經(jīng)處置排入空氣，將會直接改變大氣降水的pH值[10].若工業(yè)廢水和生活污水直接排放到土壤當中，這些酸堿溶液進入土體與黃土中的物質發(fā)生物理化學反應，使得黃土的組構和成分都發(fā)生了變化，改變了黃土的物理力學性能、濕陷性及濕陷敏感性，進而放大了實際工程穩(wěn)定性的不確定性.已有學者對該問題表現(xiàn)了極大的關注，并針對酸、堿污染土的壓縮性質做過一些相關的試驗研究，李琦等[11]和李相然等[12]通過室內試驗分析了酸、堿污染對土體壓縮性變化的影響，研究結果表明，酸、堿污染后土體壓縮系數(shù)均產(chǎn)生變大的趨勢.諶文武等[13]則利用SH技術加固污染黃土取得了較為滿意的結果.Fan等[14]從孔隙水化學與力學的視角分析并討論了黑方臺地區(qū)的黃土滑坡事件.因此，分析該類污染黃土的工程性質以及探明其演變過程和發(fā)生機理，對于工程應急災害處置，判明巖土工程失效原因有著重要的實際意義.

基于此，本文試驗分別采用重塑黃土和原狀黃土為測試土樣，就酸堿溶液濃度和污染物種類對于黃土濕陷性影響進行分析研究，并對酸堿污染土樣的濕陷性及濕陷敏感性變化規(guī)律進行對比分析，得出了酸堿溶液對黃土濕陷特征的影響規(guī)律，為水環(huán)境污染對黃土工程性質的影響提供數(shù)據(jù)資料和有益的參考.

1 試樣制備及試驗方法

1.1 試樣的制備

試樣用土分為兩組：第一組為重塑黃土.取樣點和制樣過程見圖1.

(1)黃土碾碎，烘干后過2 mm的標準篩.

(2)把質量濃度為5%、10%、15%的HNO3和NaOH加入到等質量的土體中，控制含水率均為20%，并做一組含水量相同的無污染土樣作為對比.

(3)用保鮮膜將重塑污染土體封存靜置7 d.采用標準擊實方法，依據(jù)GB/T50123-1999土工試驗方法，環(huán)刀制樣.

圖1 試樣取樣與制備：慶陽取樣點現(xiàn)場Fig.1 Remodeled soil samples

圖2 原狀黃土顆分曲線Fig.2 Particle size curve

第二組為原狀黃土，分別取自甘肅省慶陽市和陜西省延安新區(qū)的某2個施工開挖現(xiàn)場，取土深度分別為3.8 m和4.5 m，如圖1所示.

(1)現(xiàn)場取樣后，用環(huán)刀制備試樣土樣.在土樣表面均勻布點，每點注入等量污染液.控制污染液的質量濃度為10%，污染土樣含水率為20%.

(2)用保鮮膜將土樣放置入密封缸內，靜置7天后進行濕陷系數(shù)測試試驗.其中原狀土天然含水率和黃土物理特性見表1.

表1 Q3黃土的基本物理指標

1.2 試驗方法和設備

試驗在室內常溫下進行.根據(jù)GB/T 50123-1999和GB 50025-2004推薦的土工試驗方法標準.

(1)第一組重塑黃土濕陷性系數(shù)測試試驗采用單線法，土樣編號分組為無污染土、濃度為5%酸污染土、10%酸污染土、15%酸污染土、5%堿污染土、10%堿污染土和15%堿污染土.每小組5個土樣，分別加壓50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa和400 kPa.每30 min讀數(shù)1次，直至表盤讀數(shù)穩(wěn)定(即每小時下沉量不大于0.01 mm).

(2)第二組原狀黃土濕陷性系數(shù)測試試驗采用雙線法.每個地區(qū)用濃度為10%的H2SO4、HCL和NaOH污染，為避免含水率對實驗數(shù)據(jù)造成影響，保留一組天然含水率土樣并做一組含水率為20%的增濕原狀土樣作實驗對比進行濕陷性試驗.慶陽地區(qū)保留一組同濃度HNO3污染土樣.

試驗設備采用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的WG型系列固結儀，如圖3所示.濕陷系數(shù)由式(1)得出.

(1)

式中：δs為濕陷系數(shù)(δs=0.015是濕陷與否的評價標準)；h0為試樣初始高度，mm；h1為某級壓力下試樣穩(wěn)定高度，mm；h2為該級壓力下浸水后試樣穩(wěn)定高度，mm.

圖3 室內濕陷系數(shù)測定試驗Fig.3 Collapsibility test

2 試驗結果分析

2.1 污染重塑黃土濕陷系數(shù)特征

由圖4可知，受HNO3污染的土樣在浸水前后濕陷系數(shù)變化明顯，呈“強軟化型”趨勢；而受NaOH污染的土樣浸水前后濕陷系數(shù)變化較平緩，呈“弱軟化型”趨勢.考慮到黃土的部分濕陷性是由于其大孔隙架空結構及土粒間膠結物質的破壞產(chǎn)生的，結合已有試驗結果和工程實例發(fā)現(xiàn)，堿溶液對土體的腐蝕破壞力要比酸溶液小些[15-16].

圖4 不同濃度污染重塑黃土濕陷系數(shù)與壓力的關系Fig.4 Relationship between pressure and collapsibility coefficient of contaminated soil by different concentration

同時可見，重塑條件下黃土的濕陷系數(shù)在受到酸堿溶液侵蝕下，總體上在一個非常小的濕陷性系數(shù)范圍內變化，這是由于重塑作用擠密了黃土土樣使其具有較小的孔隙比所導致.污染土體的濕陷系數(shù)隨著壓力的增加都呈現(xiàn)出先增后減的趨勢.受到HNO3污染的土樣隨著溶液濃度的增加濕陷系數(shù)變大，但是受到NaOH污染的土體卻隨著溶液濃度的增加反而逐漸變小.重塑黃土受到HNO3腐蝕后，雖然在制作土樣過程中土體受到壓實，但隨著鹽分溶于水中，形成了很多新的孔隙，且隨著酸的濃度增加，鹽量增加，新孔隙會更大，從而增大了濕陷系數(shù).與酸溶液污染相反，受到NaOH溶液污染的土體隨著堿濃度的增加濕陷系數(shù)逐漸變小.唐大雄等[17]指出堿污染土浸水后土體會發(fā)生膨脹，且隨著堿濃度的增加，土體積膨脹的增加.土樣濕陷系數(shù)隨著堿的濃度增加而減小可能是由于NaOH在腐蝕完膠結物質后與土中的物質反應生成新的鹽類，這些鹽類可溶性較低.隨著溶液濃度的增加，這些鹽類填充進入被腐蝕的孔隙中，土樣趨于密實的程度呈增長趨勢，表明高濃度對土樣的密實作用要強于低濃度[18].

重塑土在制樣過程中通過人工擊實，已基本失去濕陷性，但是仍可以得出濕陷系數(shù)受酸堿溶液污染發(fā)生改變的結論.為進一步研究酸堿污染對原狀黃土濕陷性的危害及影響，課題組選取陜北和隴東的原狀黃土進行濕陷性試驗.

2.2 污染原狀黃土濕陷系數(shù)特征

如圖5所示，原狀黃土經(jīng)過濕陷性試驗得出的濕陷系數(shù)隨壓力增加而變化的曲線圖.未經(jīng)預處理的原狀土樣、含水率與污染土一樣為20%的增濕原狀土樣濕陷曲線基本重合且濕陷性系數(shù)均未達到濕陷界限值0.015，而受到酸堿污染的土樣隨著壓力的增長都先后突破了0.015，發(fā)生了濕陷變形，使得原狀黃土的濕陷性判定結果從不濕陷性轉向中等濕陷性.進一步的，酸堿溶液對粉質黃土的侵蝕，使得黃土的濕陷起始壓力也大幅度減小，在圖5中顯示為與δs=0.015直線的交點左移.

圖5 不同污染源下的濕陷系數(shù)與壓力關系示意圖Fig.5 Relationship between pressure and collapsibility coefficient of different concentrations solutions

2.3 污染黃土的濕陷敏感性特征

如圖6所示，試驗結束后烘干土樣.隨著污染溶液濃度的增加，土樣的顏色也隨之加深呈棕紅色.未經(jīng)過污染土樣烘干后，依然保持土樣原色，對比分析有助于我們肉眼觀察土體的污染情況.同時結合式(2)和式(3)對試驗后的土樣孔隙比進行分析，得出圖7為受酸堿污染后土樣孔隙比在各級壓力下與初始孔隙比之間的關系曲線.受到酸溶液污染的土樣孔隙比與初始孔隙比的比值在壓力作用下隨著壓力的增加而減小.隨著酸濃度的增加孔隙比變大，隨著堿濃度的增加孔隙比變小.這一結果與濕陷系數(shù)隨酸堿濃度變化規(guī)律一致.

(2)

(3)

式中：e0為初始孔隙比；ds為顆粒的相對比重，文中取2.71；w0為初始含水率；γw為水的重度；γ0為土體重度；ei為該級壓力下的孔隙比；ΔH為試樣壓縮量；H0為試樣初始高度.

圖6 室內濕陷性系數(shù)試驗后土樣烘干表面Fig.6 The indoor collapsibility of loess samples after drying

圖7 各級壓力下孔隙比與初始孔隙比的比值變化示意圖Fig.7 The relationship of ratio between void ratio at different pressure and initial void ratio

圖8 無污染重塑土壓縮穩(wěn)定高度與時間的關系曲線Fig.8 Relationship between compression and time of non-contaminated remodeled loess

圖9 5%濃度的HNO3和NaOH溶液重塑土壓縮穩(wěn)定高度與時間的關系曲線Fig.9 Relationship between compression and time of 5% HNO3 and NaOH contaminated remodeled loess

圖10 10%濃度的HNO3和NaOH溶液重塑土壓縮穩(wěn)定高度與時間的關系曲線Fig.10 Relationship between compression and time of 10% HNO3and NaOH contaminated remodeled loess

圖11 15%濃度的HNO3和NaOH溶液重塑土壓縮穩(wěn)定高度與時間的關系曲線Fig.11 Relationship between compression and time of 15% HNO3and NaOH contaminated remodeled loess

時間/min無污染5%HNO310%HNO315%HNO35%NaOH10%NaOH15%NaOH50kPa240330330420210210210100kPa390450450480300360420200kPa510600600600480480630300kPa660720720720570600660400kPa720840840840720780780

由圖8～11中可以看出，重塑土樣在各級壓力下的穩(wěn)定過程及穩(wěn)定量隨時間的變化關系，隨著HNO3和NaOH溶液質量濃度的增加，各級壓力作用下的土樣濕陷穩(wěn)定時間大多都表現(xiàn)出延滯的趨勢，從表2中可以進一步看出酸污染土穩(wěn)定時間始終比無污染土長，而堿污染土在低濃度時濕陷穩(wěn)定時間要短于無污染土樣，隨著溶液濃度的增加穩(wěn)定時間才逐漸接近無污染土樣.

圖12為原狀Q3黃土在各級壓力下受到不同污染液的濕陷穩(wěn)定時間與土樣壓縮高度的變化圖.可見H2SO4溶液對原狀土樣的穩(wěn)定時間影響最大，而NaOH溶液反向減小了穩(wěn)定時間.對比表3可知，對比原狀土樣和增濕后的原狀土樣，增濕會使穩(wěn)定時間增長；對比原狀土樣和堿液污染，堿液減小了穩(wěn)定時間；對比原狀土樣和酸液污染，酸液則增加了穩(wěn)定時間.

表3 各地原狀土樣穩(wěn)定時間

圖12 污染原狀土樣壓縮穩(wěn)定高度與時間的關系曲線Fig.12 Relationship between compression and time of contaminated intact loess

3 討論

出于工程安全的角度，工業(yè)廠房或民用建筑需修建在完全消除(或部分消除)濕陷性的黃土地基上[19]，但如果遇到酸雨或者酸堿廢液滲漏至已經(jīng)消除濕陷性的黃土地基中，盡管在本試驗中黃土的濕陷性系數(shù)變化不大，但穩(wěn)定時間會發(fā)生明顯的變化.結合水溶液的化學成分變化的不確定性，這對黃土場地的工程質量可能會造成一定的損傷，尤其是在高壓力段的長期穩(wěn)定性判定中，仍需進行下一步針對性的研究.其次，在邊坡工程和黃土斜坡地質災害整治中，宜把此類污染黃土的濕陷性造成的危害作為影響斜坡穩(wěn)定的重要條件考慮.從原先判定的不濕陷性黃土越級成為濕陷性土層，濕陷起始壓力也逐漸減小.原狀黃土的初始結構性對孔隙水化學溶液的敏感，會使得斜坡土層內部的應力重分布和結構重組，甚至在較小的自重應力作用下產(chǎn)生濕陷變形，從而誘發(fā)斜坡的長期演變致災和支擋結構的受力重分布.

4 結論

本文通過對重塑與原狀兩種不同狀態(tài)的Q3黃土進行室內濕陷性系數(shù)測定試驗，得到以下幾點結論：

(1)對于標準擊實下的重塑黃土而言，受HNO3污染的土樣在加壓后濕陷系數(shù)變化明顯，而受NaOH污染過的土體加壓后濕陷系數(shù)變化較平緩.污染土體的濕陷系數(shù)隨著壓力的增加都呈現(xiàn)出先增后減的趨勢.受到HNO3污染的土樣隨著酸濃度的增加濕陷系數(shù)呈現(xiàn)“強軟化型”趨勢，而受到NaOH污染的土體隨著堿濃度的增加濕陷系數(shù)呈現(xiàn)“弱軟化型”趨勢；

(2)原狀Q3粉質黃土的孔隙水酸堿污染，會產(chǎn)生濕陷性系數(shù)增大的結果，使得原先評價結果為不濕陷的黃土變?yōu)闈裣菪?同時，也使?jié)裣萜鹗級毫p??；

(3)污染黃土在各級壓力下的穩(wěn)定時長及穩(wěn)定量，隨著酸溶液濃度的增加而增加，隨著堿溶液濃度的增加而減小.各級壓力作用下土樣的濕陷速率隨著濃度的增大而增大.

(4)H2SO4污染的土樣濕陷系數(shù)在各級壓力下都是最大的，濕陷系數(shù)在各級壓力下最小的為注水及原狀土樣.H2SO4污染的土樣在浸水后穩(wěn)定時間基本最長.