彭成 ，胡澤源，王東星，劉宵凌，莫彪，傅中志,

(1.南華大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 衡陽 421000；2.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210000；3.水利部土石壩破壞機(jī)理與防控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210000)

在我國的西部及東北地區(qū)，存在著大量的凍土地區(qū)，約占我國陸地面積的43%[1]。事實(shí)上，除了上述寒冷地區(qū)，即使在我國的中東部地區(qū)，也可能會發(fā)生冰雪災(zāi)害等極端惡劣天氣。反復(fù)凍融會改變土的結(jié)構(gòu)和土顆粒間的聯(lián)結(jié)狀態(tài)，從而導(dǎo)致土體力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變[2]。隨著國家大面積進(jìn)行基礎(chǔ)建設(shè)項目的開發(fā)，許多寒區(qū)建筑項目的實(shí)施均面臨著土體凍融損傷的問題。此外，土體長期經(jīng)受酸雨、生活與工業(yè)廢水等影響，則會處于酸性環(huán)境之中，導(dǎo)致土體發(fā)生一定程度的劣化損傷，我國許多地方都面臨著嚴(yán)重的環(huán)境污染問題[3]。目前有許多國內(nèi)外學(xué)者對凍融循環(huán)引起土體力學(xué)性質(zhì)變化進(jìn)行了深度的研究，土體在經(jīng)歷凍融循環(huán)后，其強(qiáng)度[4-7]、粒度成分[8]、彈性模量[9]與應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系[10]等方面產(chǎn)生了不同程度的影響。有的學(xué)者[10-11]對土體進(jìn)行三軸試驗(yàn)，進(jìn)一步研究了凍融循環(huán)對土體力學(xué)性質(zhì)影響的規(guī)律。同時，也有通過電鏡掃描(SEM)試驗(yàn)研究土體在凍融作用下微觀結(jié)構(gòu)的改變。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)作用破壞了土的原始膠結(jié)結(jié)構(gòu)，增大了土樣的孔隙比[12-13]，在凍融循環(huán)過程中產(chǎn)生了貫穿的孔隙和裂縫，從而影響了土體的強(qiáng)度[14]。對于水化學(xué)作用對土體強(qiáng)度的影響，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了較多的研究，也取得了一定的成果。文獻(xiàn)研究表明酸性溶液會對土體的強(qiáng)度[15-16]、孔隙比[17-18]、液塑限[19]和壓縮量[20]產(chǎn)生影響，其中粉質(zhì)黏土內(nèi)碳酸鈣類礦物的分解與再造是主導(dǎo)硫酸污染土塑性特性的一個重要因素[21]。綜上所述，國內(nèi)外在土體損傷力學(xué)、凍融循環(huán)以及化學(xué)腐蝕作用下的研究較多，并取得了許多有借鑒價值的研究成果，但在酸性水化學(xué)環(huán)境和凍融循環(huán)耦合作用下土體損傷機(jī)理研究方面并不多。為了更加清楚寒區(qū)工程土體的凍融與化學(xué)腐蝕對土體力學(xué)性質(zhì)的影響，本文通過鹽酸制備酸污染土，并制備三軸試樣，對試樣進(jìn)行凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)、三軸固結(jié)不排水實(shí)驗(yàn)與電鏡掃描實(shí)驗(yàn)，研究土體物理力學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律和微觀結(jié)構(gòu)變化，對寒區(qū)及酸污染地區(qū)相關(guān)工程項目提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 酸溶液的選擇與配置

以往學(xué)者研究酸溶液污染土?xí)r，常用的酸溶液配置有濃HCL和H2SO4，二者皆可造成建筑物地基土的損傷。考慮到實(shí)驗(yàn)的操作性，選擇使用濃HCL 配置酸溶液。已有研究表明[22]，在pH 值小于4 的水化學(xué)環(huán)境中，土體結(jié)構(gòu)變形差異更為明顯，故選擇pH 為1和3的2組酸溶液。模擬不同的水化學(xué)環(huán)境，分別配置出pH 為1和3的2組酸溶液，同時選取蒸餾水(pH=7)溶液進(jìn)行對照。

1.2 試樣制備

試樣取自湖南某地的紅黏土，經(jīng)過一系列土工實(shí)驗(yàn)，測得紅黏土的各項物理性質(zhì)如表1所示。

表1 紅黏土物理性質(zhì)Table 1 Physical properties of red clay

取3 組5 000 g 的紅黏土，分別將700 g 的酸溶液和蒸餾水噴灑在紅黏土里混合，密封后在常溫常壓下等待其反應(yīng)20 d，反應(yīng)完成后將土樣取出，此時測得土樣含水率為18%。按照土工試驗(yàn)規(guī)程[23]，將其制成直徑 3.91 cm，高8.0 cm 的圓柱體試樣，每組溶液制備15 個試樣，分3 組共制備45個試樣，將制備好的試樣用保鮮膜包裹后放入試樣養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)14 d，并做好記錄。

1.3 試驗(yàn)方法

將制作完成的試樣放入微機(jī)全自動混凝土慢速凍融試驗(yàn)設(shè)備中進(jìn)行凍融試驗(yàn)。設(shè)置凍結(jié)時的溫度為-20 ℃，持續(xù)12 h；融化時的溫度為20 ℃，持續(xù)12 h，1 次凍融循環(huán)周期為24 h。根據(jù)以往學(xué)者的研究表明[8]，凍融循環(huán)10次后，紅黏土的強(qiáng)度變化幅度較小，故設(shè)定0，1，3，5，9次凍融循環(huán)次數(shù)，重點(diǎn)研究10 次以內(nèi)凍融循環(huán)作用對紅黏土力學(xué)性質(zhì)的影響。試樣編號如表2所示。

表2 紅黏土試樣編號設(shè)計Table 2 Red clay sample numbering design

完成凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)之后，將試樣進(jìn)行CU(固結(jié)不排水)實(shí)驗(yàn)，三軸實(shí)驗(yàn)儀器選用TSZ-1 全自動三軸儀，采用100，200 和300 kPa 共3 種圍壓。設(shè)置加載速率為0.8 mm/min，實(shí)驗(yàn)過程中軸向應(yīng)變達(dá)到20%時停止實(shí)驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變特性

經(jīng)過三軸實(shí)驗(yàn)繪制了300 kPa 圍壓下，不同凍融循環(huán)次數(shù)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖1 所示。從圖中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線中可以看出凍融循環(huán)對紅黏土的力學(xué)特性有較大影響，同一pH 值情況下，經(jīng)歷的凍融循環(huán)次數(shù)越多，土體偏應(yīng)力往往越小。

圖1 紅黏土試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(σ3=300 kPa)Fig.1 Stress-strain curves of red clay under different freeze-thaw (confining pressure is 300 kPa)

從圖1(a)，1(b)和1(c)可以看出，在應(yīng)力-應(yīng)變曲線的初始階段，即軸向應(yīng)變在5%以內(nèi)時，隨著軸向應(yīng)變的增加，偏應(yīng)力的增長較快，呈現(xiàn)出線性增長的趨勢。而在軸向應(yīng)變達(dá)到5%之后，酸性環(huán)境下的土體在未受凍融或初次凍融時，偏應(yīng)力隨著軸向應(yīng)變的增大而減小。

在用蒸餾水制作紅黏土試樣時，因?yàn)橥馏w本身沒有經(jīng)受鹽酸污染，試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線為應(yīng)變硬化型，即偏應(yīng)力隨著軸向應(yīng)變一直增加，即使達(dá)到峰值后并未降低；而在遭受鹽酸污染后，可以看出試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線由應(yīng)變硬化型過渡到應(yīng)變軟化型，即偏應(yīng)力達(dá)到峰值后隨軸向應(yīng)變的增加逐漸減少。由圖1(d)可知，Z1-0的土體試樣較Z7-0與Z3-0的土體試樣，其軟化特性更為明顯，說明酸溶液濃度的提升可以加速紅黏土的軟化特性。酸性環(huán)境下的土體在經(jīng)歷凍融循環(huán)作用后，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線的形態(tài)發(fā)生了明顯改變，軟化特性逐漸減弱，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)變硬化型。

2.2 抗剪強(qiáng)度

根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，繪制出試樣的抗剪強(qiáng)度隨pH 值以及凍融循環(huán)次數(shù)的變化關(guān)系，如圖2所示。

圖2 紅黏土抗剪強(qiáng)度與凍融循環(huán)與關(guān)系Fig.2 Relationships between freeze-thaw cycles and shear strength of red clay

抗剪強(qiáng)度取值參照應(yīng)力-應(yīng)變曲線關(guān)系得出，選擇偏應(yīng)力峰值(應(yīng)力-應(yīng)變曲線為應(yīng)變軟化型)或者15%軸向應(yīng)變所對應(yīng)的偏應(yīng)力值(應(yīng)力-應(yīng)變曲線為應(yīng)變硬化型)為抗剪強(qiáng)度值。由圖2(a)所知，在300，200 和100 kPa 3 種不同的圍壓下，紅黏土的抗剪強(qiáng)度均隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸下降，初次凍融循環(huán)就對紅黏土的承載能力產(chǎn)生了較大的劣化作用。在5次凍融后，紅黏土的抗剪強(qiáng)度下降達(dá)到了40%以上，而在5 次與9 次凍融循環(huán)間只下降了約10%的抗剪強(qiáng)度，說明在5次凍融循環(huán)之前，抗剪強(qiáng)度的下降幅度較大，而在凍融循環(huán)5次之后，紅黏土的抗剪強(qiáng)度下降幅度逐漸變小。在凍融循環(huán)的過程中，水的形態(tài)變化是造成紅黏土抗剪強(qiáng)度變化的根本原因，在水凍結(jié)成冰時產(chǎn)生的凍脹力會對土的顆粒骨架造成破壞，對土體的強(qiáng)度造成影響。

由圖2(b)所知，在酸性溶液反應(yīng)的紅黏土試樣抗剪強(qiáng)度小于在蒸餾水溶液反應(yīng)中的試樣，且隨著酸性濃度的增加而降低。不同pH 值試樣隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，抗剪強(qiáng)度降低的幅度存在著差異，經(jīng)歷9 次凍融循環(huán)后，pH=7 的試樣與pH=1和pH=3 的酸性環(huán)境下反應(yīng)的紅黏土試樣，抗剪強(qiáng)度分別下降了36%，54.5%和51.5%。說明酸性環(huán)境會在凍融過程中加劇紅黏土的劣化程度，溶液酸性越高，紅黏土的抗剪強(qiáng)度下降幅度更大，劣化程度越明顯。在酸性溶液的侵蝕下，土體中的膠結(jié)物受到破壞，從而削弱了土體顆粒間聯(lián)結(jié)狀態(tài)，降低了土體的強(qiáng)度。

2.3 變形模量

采用文獻(xiàn)[15]中的計算方式確定變形模量，即取最大偏應(yīng)力一半時的偏應(yīng)力與其所對應(yīng)的應(yīng)變的比值作為變形模量，繪制出不同酸性環(huán)境下試樣的變形模量隨凍融循環(huán)的關(guān)系，如圖3所示。

圖3 變形模量-凍融循環(huán)關(guān)系Fig.3 Relationships between deformation modulus and freeze-thaw cycle

由圖3可知，紅黏土的變形模量隨凍融循環(huán)次數(shù)增加逐漸下降，且在5次凍融之后，變形模量下降的幅度明顯減緩，出現(xiàn)了較穩(wěn)定的趨勢，在多次凍融循環(huán)后，3 種不同pH 值環(huán)境下的紅黏土的變形模量逐漸一致。

對圖3 的數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性擬合，得到如圖4 所示曲線。

圖4 變形模量-凍融循環(huán)擬合曲線Fig.4 Deformation modulus-freeze-thaw cycle fitting curves

由圖中擬合曲線可得到不同pH 值溶液下紅黏土的變形模量隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律函數(shù)，如式(1)：

其中：待定參數(shù)A，t，k與相關(guān)系數(shù)R2的取值如表3所示。從圖4可以看出，相同pH值環(huán)境下，紅黏土的變形模量隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈指數(shù)型減少。

表3 參數(shù)A，t，k和R2的取值Table 3 Values of parameters A,t,k and R2

2.4 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

通過黏聚力的分析可以看出土顆粒之間的膠結(jié)情況，內(nèi)摩擦角的分析則可以看出土顆粒之間的摩擦和咬合作用。圖5 為不同pH 值環(huán)境下紅黏土黏聚力、內(nèi)摩擦角與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系。

圖5 不同pH值下抗剪強(qiáng)度參數(shù)與凍融循環(huán)關(guān)系Fig.5 Relationship between shear strength parameters and freeze-thaw cycles at different pH values

如圖所示，紅黏土的黏聚力隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加逐漸下降，同一凍融次數(shù)下，紅黏土黏聚力隨溶液pH 值的降低而降低。初次凍融循環(huán)就會使紅黏土黏聚力大幅下降，而在5 次凍融循環(huán)后，下降的趨勢逐漸變緩；隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試樣的內(nèi)摩擦角變化規(guī)律不明顯，但總體上有著減小的趨勢，溶液pH 值的減小也會降低土體內(nèi)摩擦角。

2.5 微觀結(jié)構(gòu)

土體的微觀結(jié)構(gòu)是影響土體工程性質(zhì)的本質(zhì)因素，為探究紅黏土在酸性環(huán)境以及凍融循環(huán)作用后的微觀結(jié)構(gòu)情況，取試樣中部土樣為掃描樣品進(jìn)行電鏡掃描試驗(yàn)，分別獲取了100，200，500，1 000，2 000倍5種不同放大倍數(shù)的圖像，選取具有代表性的微觀圖片如圖6所示。

圖6 土樣的微觀結(jié)構(gòu)Fig.6 Microstructure of soil samples

從圖6(a)和6(b)可以看出，原狀土樣較為密實(shí)，表面較為光滑，土體內(nèi)的孔隙與裂隙較少，土骨架顆粒多以凝塊狀為主。隨著酸的侵蝕，土樣表面變得粗糙，此外土樣顆粒開始分散，孔隙與裂隙變多，如圖6(c)和6(d)所示。通過高彥斌等[21]研究發(fā)現(xiàn)，土體孔隙中酸溶液pH 值變化以及土中非黏土礦物的分解與再造是導(dǎo)致的土體結(jié)構(gòu)變化的重要原因。酸溶液會逐步侵蝕紅黏土顆粒之間的鈣質(zhì)膠結(jié)物，同時與紅黏土中的氧化物和有機(jī)質(zhì)反應(yīng)，紅黏土之間的孔隙隨著酸蝕強(qiáng)度的增強(qiáng)逐漸增大，導(dǎo)致紅黏土的孔隙比變大，因此造成土顆?；竟羌艿钠茐?，從而影響紅黏土的強(qiáng)度。

從圖6(e)，6(f)，6(g)和6(h)可知，經(jīng)歷凍融循環(huán)作用后，土體中的裂隙進(jìn)一步延伸，孔隙明顯增多變大，顆粒之間的接觸方式從面與面接觸逐步變?yōu)辄c(diǎn)與面的接觸，土樣的孔隙比進(jìn)一步增大，從而導(dǎo)致紅黏土的承載能力降低。這與葉萬軍等[13]從微觀角度的研究結(jié)果一致。凍融循環(huán)對土體產(chǎn)生破環(huán)的主要原因是由于土體之間的水分，凍融會使土體中的水從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，再從固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，而在凍結(jié)過程中會產(chǎn)生出凍脹力，從而增大了土體內(nèi)的孔隙體積，同時這種凍脹力會降低土體顆粒之間的聯(lián)結(jié)作用，對土顆粒骨架產(chǎn)生破壞；而在溫度升高后，土體內(nèi)的冰逐漸融化，水分在孔隙之間更容易遷移，如此反復(fù)就會導(dǎo)致土體劣化程度逐漸增大。

3 結(jié)論

1) 紅黏土與鹽酸溶液進(jìn)行水化學(xué)反應(yīng)后，應(yīng)力-應(yīng)變曲線為應(yīng)變軟化型，而隨凍融循環(huán)次數(shù)增加，軟化特性逐漸減弱。

2) 酸性溶液的侵蝕與凍融循環(huán)的耦合作用劣化土體的抗剪強(qiáng)度，初次凍融循環(huán)便會造成抗剪強(qiáng)度與變形模量的大幅度下降，在5次凍融循環(huán)后下降的幅度趨于穩(wěn)定；通過對變形模量與凍融循環(huán)進(jìn)行非線性擬合，變形模量隨凍融次數(shù)的增加呈指數(shù)型劣化規(guī)律。

3) 酸蝕作用會降低紅黏土凝聚力和內(nèi)摩擦角，在同一pH 值下，隨凍融循環(huán)次數(shù)增加，土體凝聚力持續(xù)減弱，內(nèi)摩擦角變化規(guī)律不明顯。

4) 凍融循環(huán)和酸性溶液耦合作用破壞土體結(jié)構(gòu)和改變顆粒間的聯(lián)結(jié)形式，增大土體孔隙與裂隙，從而劣化土體力學(xué)性能。