金 旭，熊傳祥，鐘富林

(福州大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院， 福建 福州 350116)

酸污染條件下花崗巖殘積土崩解特性試驗(yàn)研究

金 旭，熊傳祥，鐘富林

(福州大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院， 福建 福州 350116)

通過人工方法制備了不同pH值的酸性溶液污染的原狀花崗巖殘積土，探討了不同pH值的酸及浸泡時(shí)間對(duì)土的崩解特性的影響。研究表明：在同一pH值的酸作用下，花崗巖殘積土在一定時(shí)間內(nèi)的崩解量隨浸泡時(shí)間的增加而增加，浸泡時(shí)間越久，增加量越大；在浸泡時(shí)間相同時(shí)，花崗巖殘積土在一定時(shí)間內(nèi)的崩解量隨著pH值的減小而增大，且pH值越小，增加量越大；同時(shí)，在同一浸泡時(shí)間下，崩解速度也隨著pH值的減小相應(yīng)增大。分析可知，雙電層結(jié)構(gòu)的改變和膠結(jié)物的溶蝕是花崗巖殘積土加速崩解的主要原因。

崩解；花崗巖殘積土；污染土；pH值

福州位于福建省中東部，是一個(gè)周山環(huán)抱的典型河口盆地，氣候潮濕多雨。福州市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展加速，工業(yè)化逐步提高，致使企業(yè)和工廠排放大量的污染物，這些污染物排放到大氣中，使福州降雨呈酸性且頻率較高。酸雨類型以硫酸型酸雨為主[1]。同時(shí)，福州地區(qū)廣泛分布花崗巖殘積土，該土主要為燕山期花崗巖類巖石在濕熱條件下經(jīng)長(zhǎng)期物理、化學(xué)風(fēng)化作用形成[2]。其成因決定其具有高液限、高孔隙比和干硬濕軟、易濕化崩解的特殊工程性質(zhì)。近年來，福州經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，大量的高層建筑不斷涌現(xiàn)，花崗巖殘積土作為建筑物基礎(chǔ)持力層的情況越來越多，而在工程實(shí)踐中，由于其特殊性質(zhì)導(dǎo)致的巖土工程問題時(shí)有發(fā)生[3-5]。鑒于花崗巖殘積土特殊的工程地質(zhì)特性和酸雨出現(xiàn)的頻繁性，考慮酸雨對(duì)崩解特性的影響之于該地區(qū)的巖土工程分析具有重要的意義。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)土的水化學(xué)作用及殘積土的崩解特性開展了相應(yīng)的研究工作，并取得一定成果。陳余道等[6]研究得出水動(dòng)力作用和化學(xué)條件的改變是導(dǎo)致土體崩解、土洞形成的主要因素。朱壽增[7]認(rèn)為土中膠結(jié)物在酸雨的溶蝕作用下破壞，使土顆粒間連接作用不斷減弱，導(dǎo)致土體原有結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化，以至于土體的抗剪強(qiáng)度降低，并且酸性越強(qiáng)作用越強(qiáng)烈。Anolerson O L等[8]進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，得出了不同化學(xué)溶液對(duì)各種孔隙影響參數(shù)的不同作用。Di M C等[9]研究得出土中腐殖質(zhì)以及其形成的復(fù)合膠體在受到堿污染時(shí)會(huì)發(fā)生一定變化，生成大多不溶于水的無機(jī)礦物官能團(tuán)。朱春鵬等[10]發(fā)現(xiàn)酸污染容易使土結(jié)構(gòu)連接力減小, 并且酸濃度增加越大，土的結(jié)構(gòu)連接力減小越多。簡(jiǎn)文彬等[11]對(duì)花崗巖殘積土進(jìn)行了室內(nèi)崩解試驗(yàn)研究，將殘積土的崩解依照崩解速度不同，大致分為三個(gè)發(fā)展階段。吳能森[12]從土體結(jié)構(gòu)性與損傷角度考慮，認(rèn)為軟化是導(dǎo)致花崗巖殘積土崩解的根本因素。張抒等[13]根據(jù)不同含水率和壓實(shí)度進(jìn)行室內(nèi)崩解試驗(yàn)，從微觀角度簡(jiǎn)化分析顆粒受力狀態(tài)，分析得出花崗巖殘積土崩解主要取決于孔隙氣壓和基質(zhì)吸力。

綜上所述，目前對(duì)酸污染下花崗巖殘積土崩解特性的研究較少，固研究存在一定的必要性。本文擬通過室內(nèi)崩解試驗(yàn)，模擬花崗巖殘積土在不同pH值條件下，經(jīng)過不同的浸泡時(shí)間，崩解特性的變化，探討酸污染對(duì)花崗巖殘積土崩解特性變化的影響，并分析其作用機(jī)理，以期為酸污染下的巖土工程分析提供一定依據(jù)。

1 試驗(yàn)土樣與試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)土料

花崗巖殘積土土樣取自福州軟件園C區(qū)生活服務(wù)樓東側(cè)邊坡治理工程，取土深度1 m～2 m，土樣呈褐黃色?，F(xiàn)場(chǎng)取樣如圖1所示。根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，土體母巖為燕山晚期花崗斑巖。X射線衍射分析結(jié)果顯示其主要礦物為石英、鉀長(zhǎng)石和高嶺石。土樣基本物理力學(xué)指標(biāo)見表1，土樣粒度分布如表2所示。通過粒度分布表及物性指標(biāo)，根據(jù)《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)》[14]可知，其屬于礫質(zhì)黏性土。其中Cu>10，表明顆粒分布范圍較大，但Cc<1，表明土中缺少中間粒組，顆粒分布呈“兩頭多、中間少”的分布特征。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)取樣圖

表1 土樣的物理性質(zhì)指標(biāo)

表2 土樣粒度分布

1.2 試驗(yàn)方案

試塊大小為6.18 cm×6.18 cm×4.00 cm，試樣質(zhì)量為210 g～220 g，分別將其浸泡在pH=2.0、pH=3.0、pH=4.0、pH=5.6的酸性溶液和pH=7.0的純凈水中，酸性溶液采用硫酸(H2SO4)溶液。浸泡時(shí)間分別為7 d、14 d、28 d。達(dá)到浸泡時(shí)間后，將試樣取出，常溫下風(fēng)干至原含水率，再分別進(jìn)行崩解試驗(yàn)。具體操作步驟和注意事項(xiàng)如下：

(1) 采集的環(huán)刀樣用保鮮膜包裹后，放在盒中，并用膠帶密封，在實(shí)驗(yàn)室避光陰涼處保存，避免水分散失。

(2) 將所取原狀環(huán)刀試樣兩端放置濾紙和透水石，再用橡皮筋將其勒緊，每?jī)蓚€(gè)試樣為一組，浸泡于配置的酸性溶液中，并用保鮮膜密封，防止溶液揮發(fā)。

(3) 達(dá)到預(yù)定浸泡天數(shù)，將試樣取出，在室內(nèi)常溫條件下，使水分慢慢蒸發(fā)。

(4) 浸泡的試樣放在穩(wěn)定的環(huán)境中，溫度和濕度恒定，并定期監(jiān)測(cè)溶液的pH值變化，依據(jù)監(jiān)測(cè)值做相應(yīng)調(diào)整，使pH值保持不變。

(5) 崩解時(shí)，將試樣放在鐵絲網(wǎng)中部位置，保持浮筒平衡，然后勻速、緩慢的將試樣放入，以減少試樣的擾動(dòng)，待試樣完全放入并穩(wěn)定后，立即記錄浮筒初始讀數(shù)。讀數(shù)時(shí)，視線要保持與水面平齊，后面根據(jù)相應(yīng)時(shí)間記錄浮筒讀數(shù)。

1.3 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用南京精科宇盛儀器有限公司生產(chǎn)的SHY-1型土壤濕化試驗(yàn)儀，實(shí)驗(yàn)裝置如圖2、圖3所示。圖3中：“1”為邊長(zhǎng)10 cm鐵絲網(wǎng)，鐵絲直徑約2 mm，網(wǎng)孔10 mm×10mm，“2”為直徑為6.18 cm、高為4 cm的環(huán)刀試樣，“3”為圓柱形水槽，直徑15 cm，高60 cm，“4”為浮筒，直徑為4.5 cm，高為29 cm，最小刻度1 mm。

圖2 崩解設(shè)備圖

圖3崩解設(shè)備示意圖

2 試驗(yàn)成果與機(jī)理分析

2.1 試驗(yàn)成果

試樣一放入水中，即立刻開始崩解，開始呈粉末狀、散粒狀剝落，并伴有少量氣泡冒出，而后試樣上部開始逐漸出現(xiàn)裂縫，殘積土呈散粒狀、小塊狀剝落，隨著剝落進(jìn)行，裂縫逐漸變大，土樣呈塊狀剝落，形狀發(fā)生較大變化，崩解速度明顯上升。最后隨著周圍大塊的崩落，崩解逐漸完成，土樣幾乎不發(fā)生變化，只有少量土樣呈散粒狀崩落。綜上可見，花崗巖殘積土崩解速度大概存在三個(gè)階段，即初期慢速崩解、中期快速崩解和后期慢速崩解。崩解量和崩解速度由以下公式求解[15-16]。

(1)

(2)

式中：At為試樣在t時(shí)刻的崩解量，%；R0為試驗(yàn)開始時(shí)浮筒齊水面處刻度的瞬間穩(wěn)定讀數(shù)，mm；Re為方格網(wǎng)空載時(shí)浮筒齊水面處刻度讀數(shù)，mm；Rt為試驗(yàn)開始后t時(shí)刻浮筒齊水面處的刻度讀數(shù)，mm；Vt為試樣在某個(gè)時(shí)段(ti～ti+1)的平均崩解速度，1/min。

試樣崩解多發(fā)生在前10 min，之后試樣呈現(xiàn)零星崩解，甚至放置數(shù)天崩解量仍未發(fā)生太大變化。鑒于試樣的主要崩解集中于前10 min，故認(rèn)為崩解1 h時(shí)的崩解量，可作為判斷花崗巖殘積土崩解性強(qiáng)弱的判斷依據(jù)。

圖4和圖5分別為不同pH值下崩解量隨浸泡時(shí)間變化曲線和不同浸泡天數(shù)下崩解量隨pH值變化曲線。從圖4可以看出，在相同pH值條件下，試樣的崩解量隨著浸泡天數(shù)的增加而增大。在pH=5.6和pH=7.0時(shí)崩解量增加的趨勢(shì)不明顯，而隨著pH值的降低，崩解量隨浸泡天數(shù)增加而增大的趨勢(shì)逐漸明顯，且pH值的降低對(duì)崩解量的影響也越來越明顯，特別當(dāng)pH=2.0時(shí)的崩解量相較于pH=3.0時(shí)的崩解量有較大幅度的提升。分析圖5可知，在相同浸泡天數(shù)下，試樣的崩解量隨著pH值的減小而增大。且浸泡14 d相較于浸泡7 d時(shí)的崩解量提升幅度，比浸泡28 d相較于浸泡14 d時(shí)的崩解量提升幅度大。

圖4 浸泡時(shí)間對(duì)崩解量的影響

圖5 pH值對(duì)崩解量的影響

圖6為試樣浸泡時(shí)間為7 d時(shí)，不同pH值浸泡試樣的崩解量和崩解速度曲線。從圖6可以看出，試樣在前幾分鐘崩解較為緩慢，根據(jù)pH值的不同，開始加速崩解時(shí)間不一，時(shí)間大致分布在2 min～4 min。其中當(dāng)pH=2.0時(shí)最快開始加速崩解，隨著pH值的增加，開始加速崩解的時(shí)間逐漸延長(zhǎng)。加速崩解持續(xù)時(shí)間大致分布在2 min～7 min，加速崩解之后，崩解速度又漸趨平緩，呈明顯的三段式崩解。

(a)At-t(b)Vt-t

圖6浸泡7 d后的崩解曲線

圖7為試樣浸泡14 d時(shí)，不同pH值浸泡試樣的崩解量和崩解速度曲線。從圖7可以看出，試樣開始加速崩解時(shí)間均在2 min左右，相較于浸泡7 d，開始加速崩解時(shí)間有一定提前。加速崩解持續(xù)時(shí)間大致分布在2 min～6 min，相較于浸泡7 d時(shí)，持續(xù)時(shí)間有一定的縮短，但可見崩解速度相較于浸泡7 d時(shí)有一定的增加。同時(shí)，試樣也呈明顯的三段式崩解。

(a)At-t(b)Vt-t

圖7浸泡14 d后的崩解曲線

圖8為試樣浸泡時(shí)間為28 d時(shí)，不同pH值浸泡試樣的崩解量和崩解速度曲線。從圖8可以看出，試樣開始加速崩解時(shí)間在2 min左右。在1 min～2 min時(shí)，崩解量出現(xiàn)相對(duì)較大的提高，但并未開始加速崩解。相較與浸泡14 d，浸泡28 d的試樣開始加速崩解時(shí)間相似。而加速崩解持續(xù)時(shí)間大致分布在2 min～5 min，相較于浸泡14 d，持續(xù)時(shí)間又有一定縮短，但崩解速度相較于浸泡14 d變化不明顯。

(a)At-t(b)Vt-t

圖8浸泡28 d后的崩解曲線

2.2 試驗(yàn)機(jī)理分析

(1) 花崗巖殘積土的強(qiáng)度很大程度上受土體顆粒間的膠結(jié)物的影響，而酸會(huì)對(duì)土中起膠結(jié)作用的倍半氧化物, 氧化鈣鎂等進(jìn)行溶蝕[17],影響了土的粒間連接,破壞土體原有結(jié)構(gòu)，使土顆粒間的連接減弱甚至消失。同時(shí)，土顆粒中一些不溶性膠粒變成可溶性的離子也降低了粒間連接力和黏性，從而更有利于崩解的發(fā)生。

(2) 在酸性溶液作用下，可溶性鹽以及游離氧化物被溶蝕[18]，且隨著酸濃度的增大這種溶蝕作用也相應(yīng)增強(qiáng)，從而導(dǎo)致花崗巖殘積土孔隙比增大，使崩解加快。

(3) 土粒的雙電層由決定電位離子層和固定層、擴(kuò)散層構(gòu)成，酸性條件使土體發(fā)生離子交換,水膜中離子濃度增加[19]，從而導(dǎo)致原有的雙電層結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使花崗巖殘積土更易發(fā)生崩解。

3 結(jié) 論

(1) pH值相同條件下，隨著浸泡時(shí)間的增加，花崗巖殘積土的崩解量會(huì)適當(dāng)?shù)脑黾?，浸泡時(shí)間越長(zhǎng)，增加量越大，浸泡14 d相對(duì)于浸泡7 d崩解量有明顯提升，但浸泡28 d相對(duì)于浸泡14 d增加量不明顯。

(2) 在浸泡時(shí)間一定時(shí)，隨著pH值的減小，花崗巖殘積土的崩解量會(huì)呈現(xiàn)不同程度的增加，酸性越強(qiáng)增加量越大。當(dāng)溶液的pH值達(dá)到4.0時(shí),試樣的崩解量相比pH=5.6和pH=7.0時(shí)有一定提高。而當(dāng)pH值達(dá)到2.0時(shí),試樣的崩解量發(fā)生較為明顯的增大。

(3) 花崗巖殘積土崩解速度隨著浸泡天數(shù)和pH值的變化發(fā)生相應(yīng)的改變。在同一pH值下，浸泡天數(shù)的增加會(huì)使試樣較早開始加速崩解，但加速崩解持續(xù)時(shí)間相對(duì)較短。在同一浸泡時(shí)間中，較小pH值浸泡的試樣，會(huì)更早發(fā)生加速崩解，崩解速度相對(duì)較大，但加速崩解持續(xù)時(shí)間相對(duì)較短。

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ExperimentalStudyonDisintegrationCharacteristicsofGraniteResidualSoilUnderAcidPollution

JIN Xu, XIONG Chuanxiang, ZHONG Fulin

(CollegeofEnvironmentandResources,FuzhouUniversity,Fuzhou,Fujian350116,China)

In this paper, undisturbed granite residual soil contaminated by acidic solution of different pH values was prepared, and the effects of different pH values and soaking time on soil disintegration characteristics were discussed. The results show that under the same pH value, the disintegration amount of granite residual soil in a certain time will increase with the increase of soaking time, and the longer the soaking time, the greater the increased value. When the soaking time is the same, the disintegration amount of granite residual soil increases with the decrease of pH value in a certain time, and the smaller the pH value, the greater the increased time. At the same time, disintegration rate increases with the decrease of pH value at the same soaking time. The analysis shows that the dissolution of cement and the change of electrical double layer structure are the main reasons for the accelerated disintegration of granite residual soil.

disintegration;graniteresidualsoil;contaminatedsoil;pHvalue

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.06.039

2017-07-19

2017-09-03

金 旭(1994—)，男，河南開封人，碩士研究生，研究方向?yàn)閹r土工程。 E-mail:1072959304@qq.com

熊傳祥(1967—)，男，湖北公安人，博士，副教授，主要從事地基處理和土力學(xué)方面的教學(xué)與研究工作。E-mail:xiongchx@aliyun.com

TU411.2

A

1672—1144(2017)06—0194—05