不同酸度渗透溶液对重塑黄土渗透特性影响研究

王 婷，张爱军，刘宏泰，安 鹏

（1．西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌 712100；2．机械工业勘察设计研究院，西安 710043）

不同酸度渗透溶液对重塑黄土渗透特性影响研究

王 婷1，张爱军1，刘宏泰2，安 鹏1

（1．西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌 712100；2．机械工业勘察设计研究院，西安 710043）

通过对杨凌黄土进行三轴渗透试验和常规渗透试验，分析了不同干密度的重塑黄土分别在pH＝7．0的无气纯水及pH＝3．0，4．0，5．0的乙酸溶液渗透下渗透系数的变化规律，研究了黄土在含酸渗透水流作用下的劣化性质，为分析黄土在酸溶液渗透作用下强度变化以及黄土构筑物的稳定变化特性提供依据。试验结果表明：①饱和黄土的渗透系数随着干密度的增加而减小。②在一定的干密度下，黄土的渗透系数随围压的增大而减小。③饱和黄土在pH＝3．0酸溶液短期渗透下的渗透系数最大，随着酸溶液pH值的增大，渗透系数随之减小，因为酸溶液中的氢离子溶解了黄土中的难溶盐形成了新的渗流通道；而纯水pH＝7．0渗透下土样的渗透系数介于pH＝3．0和pH＝4．0渗透下土样的渗透系数之间，是因为纯水采用的是煮沸过的无气水，相比之下试验配置的酸溶液本身存在少量的气体，从而影响了渗透系数的大小。④渗透系数随时间的增加而出现减小的趋势。试样进行三轴渗透和常规渗透，得出渗透系数都有随时间的延长而减小的规律。

重塑黄土；酸溶液；渗透试验；渗透性

1 研究背景

黄土是我国西北地区主要的筑坝材料。近年来，随着环境污染不断加剧，西北地区酸雨频率增大，土地污染亦屡见不鲜，且多呈酸性。截止2004年对渭河的检测表明，该河水的pH均在4．5到5．1之间，有些河段甚至更为严重。污染源通过渗透作用浸入土中，其中的酸性物质会对黄土中的胶结物如碳酸钙类物质进行破坏，从而导致土体结构发生改变，使土变成具有蜂窝状的结构，颗粒分散、表面粗糙，甚至出现局部空穴，导致土坝、堤坝、路基等黄土构筑物在一定程度上受到破坏。目前，国内对污染土的研究大多数是有关环境保护和土壤学方面的，而纯岩土工程意义上的成果却很少。美国Lehigh大学已经研究出一种用以研究污染物在土中的渗透性，并测定土的抗剪强度的三轴仪，荷兰也发展了几种野外快速试验方法和一些快速提取土中污染物质的方法［1－2］。而近年来国内也研究出了一些特殊的测试技术，如中国有色金属长沙勘察设计研究院有限公司傅世法等人做了煮沸酸液试验，广西大学吴恒等采用CT（计算机断层x射线技术）［3］和STM（扫描隧道显微镜）测试技术［4］。

以往对于渗透性的研究大多采用常规渗透仪进行，所得到的渗透系数没有考虑现场土体所受复杂应力的影响，而试验所用土样从原位置处取出存在一个应力的释放过程，因此常规渗透仪所测出的渗透系数一般要大于土体原有的渗透系数，这使得分析的结果往往存在很大偏差［5］。对土样进行三轴渗透试验研究，考虑土体所受复杂应力这一因素，可有效克服常规渗透试验的不足、减小误差。

本论文通过在实验室内配置4种不同酸度的渗透溶液，对不同密度的黄土进行三轴渗透试验和常规渗透试验，研究了不同酸度渗透溶液下饱和黄土渗透系数的变化规律，同时分析了在渗透作用下土体中钙离子的淋失量、干密度、孔隙比和围压对试样渗透系数的影响。通过含酸渗透水流对黄土进行渗透试验，分析其规律可以作为一种加速渗透试验来反映黄土在长期渗流作用下的劣化性质，同时对于分析黄土构筑物在污染水流作用下的力学特性变化规律，研究黄土构筑物长期安全特性也具有重要的实际意义。

2 试验方案及原理

2．1 试验材料

试验所用的土样取自杨凌地区渭河第二阶地，属Q3黄土，取土深度为9 m左右。土料的物理性质指标见表1，化学性质指标见表2。

表1 黄土的物理性质指标Table 1 Physical properties of loess

表2 黄土的化学性质指标Table 2 Chem ical properties of loess

2．2 试样的制备和渗透溶液的配置

采用直径为39．1 mm、高为80 mm的圆柱体标准制样器制备三轴渗透重塑土样；直径61．8 mm，高度40 mm环刀压样器制备常规样；密度控制为ρd＝1．55，1．60，1．65 g／cm3（即压实系数分别为η＝0．92，0．95，0．98）；试样制成后在真空抽气缸内充分抽气后进水饱和。

本试验考虑了实际污染作用，最终确定配置pH＝3．0，4．0，5．0（99．5%的乙酸配置而成）和pH＝7．0（煮沸过的无气纯水）渗透溶液，以研究不同酸度渗透水流对黄土渗透系数变化规律的影响。

乙酸是一元弱酸，在水溶液中存在以下电离平衡，即

乙酸溶液中电离出来的真正参与反应的H＋决定了乙酸溶液的pH值，衡量乙酸在水溶液中电离强度的参数是其电离常数Ka，Ka的大小主要取决于温度。因此温度不变时，一定浓度的乙酸溶液的pH值是一定的。本次试验以20℃室温为标准来配置乙酸溶液，在20℃时查表［6］得乙酸的电离常数Ka＝1．76×10－5。Ka与溶液中各离子关系如公式（2）所示，即

式中：C（H＋）为乙酸溶液达到电离平衡时的H＋物质的量浓度（mol／L）；C（Ac－）为乙酸溶液达到电离平衡时Ac－物质的量浓度（mol／L）；C（HAc）为乙酸溶液达到电离平衡时HAc物质的量浓度（mol／L）。

pH＝4．0时，根据pH定义由pH＝－lg（H＋）＝4．0得出溶液中电离出来的H＋浓度为C（H＋）＝10－4mol／L，利用公式（2）便可算得配置一定物质的量浓度乙酸溶液所需的乙酸量，pH＝3．0和pH＝5．0方法同上。然后严格按化学溶液配置规范进行溶液的配置。本次试验渗透溶液物质的量浓度见表3。2．3 试验原理

表3 20℃下不同pH值时乙酸物质的量浓度Table 3 M olar concentrations of acetic acid of different pH values at 20℃

土体的渗透性，即土体通过渗透水流的能力。常规渗透试验是通过TST－55型土壤渗透仪实现的，该仪器对土样不能施加围压，故土样被认为是没有围压作用的。这种情况下不考虑应力场对饱和黄土土样产生的影响。三轴渗透试验是将土样的渗透性测试放在三轴仪上进行，在渗透试验前对土样进行固结，以反映土体在实际受力情况下的变化，研究在不同应力下黄土的渗透性，并且考虑原位的应力状态，尽量避免取土扰动的影响。通过对土样施加恒定的周围压力，待土样固结完成后，以恒定的水头用配置好的4种不同酸度的渗透溶液对土样进行渗透试验，测得土样在各种因素影响下的渗透系数。

三轴试验过程中，在试样侧壁周围涂抹凡士林，采用橡皮膜套住试样，并且用橡皮圈将橡皮膜两端扎紧在压力室底座和试样帽上，以达到最佳止水效果。当施加了周围压力时，橡皮膜会紧贴在试样周围；同时恒定的水头是通过渗透反压施加在试样底部的，控制周围压力始终大于渗透反压，从而进一步有效地控制试样侧壁止水。另外，在对试样进行10 h渗透之后，还可以采集孔隙水压力等数据，提高了试样的利用率和试验效率。

3 不同酸度渗透溶液对黄土渗透特性的影响

3．1 不同酸度渗透溶液对黄土渗透系数的影响

为了研究酸污染土的渗透性，试验配置了不同pH值的渗透溶液，用三轴仪进行了渗透试验，测定了在不同pH值渗透下土样的渗透系数变化规律。对试验数据分析得出，饱和黄土的渗透系数随着干密度的增加而减小；因为随着干密度的增加，黄土中存在的分布不均匀的大孔隙被消除，土样的孔隙比减小，过水断面减小，从而导致了土体渗透性的减小。同时在干密度一定的情况下，黄土的渗透系数随围压的增大而减小，主要是由于孔隙比的减小和密度的增大，而围压水压力的增大对渗透水流的影响较小，符合一般规律。对不同干密度的土样在4种pH值溶液渗透下的渗透时间达到8 h时刻的渗透系数进行整理，如表4所示。从表中可看出，土样在酸性溶液短期渗透下的渗透系数随着渗透溶液pH值的减小而增大。当围压为200 kPa时，干密度为1．60 g／cm3的土样在pH＝5．0酸溶液渗透下的渗透系数为0．38×10－6cm／s，在pH＝3．0酸溶液渗透下的渗透系数为4．60×10－6cm／s，增加了4．22× 10－6cm／s，达91．70%。在三轴试验过程中，试样侧壁涂有凡士林，且控制围压始终大于渗透反压，所以无侧壁漏水的影响；同时在试验过程中，温度始终保持在27～28℃之间，温度对渗透系数带来的影响也很小，围压分别为100，300 kPa时，密度为1．55，1．65 g／cm3的土样也有相同的规律，渗透系数测量精确，因此排除了试验误差的影响。

渗透溶液中H＋的浓度每增加0．1 mol／L，则渗透系数会相应的增加50%～90%不等。可见，干密度相同的土样在不同酸度溶液渗透作用下渗透性的变化幅度是不相等的，笔者认为增加程度取决于土体的矿物成分和渗透溶液的浓度，主要是水－土之间的相互作用，包括溶蚀作用、沉淀或结晶作用和阳离子交换吸附作用，它们都能对土的渗透性产生影响，只是效应不同。溶蚀作用指在水化作用和渗透作用下，土中的一部分矿物、盐类物质运移到水中，颗粒组成发生了改变，黏粒含量减少，进而提高了土体的透水能力。沉淀或结晶作用是指渗透水溶液与土中水以及土中的矿物和盐类发生物理化学反应生成新的沉淀物或结晶，水溶液中的一些元素和离子将固结到土孔隙中或者是晶格体上，从而降低了土体的透水能力［7］。乙酸中的Ac－在酸性条件下会与黄土中的Al3＋，Fe3＋，Cu2＋等金属离子反应生成络合物，络合物在孔隙中对渗透水流有一定的阻碍作用。在渗流作用下，以碳酸钙为主的胶结物以及其他盐分发生溶蚀和沉淀或结晶作用时，改变的是土颗粒的组成和联结方式，而阳离子交换吸附作用则改变土颗粒表面的双电层。黏土颗粒表面带有负电荷，其表面将吸附一些阳离子，这些阳离子对双电层的影响很大。由于黏土颗粒表面吸附的阳离子总电荷不变，一般情况下水土之间的阳离子交换吸附处于平衡状态。而水化学环境的变化会破坏这种平衡，使黏土颗粒吸附的阳离子在短时间内迅速扩散、交换，不仅影响了土颗粒的亲水性，还在很大程度上影响着双电层的发育。当双电层较薄时，渗透通道增大导致土体的渗透性增强；相反，当双电层较厚时，土体结构处于分散、不稳定状态，造成水流断面减小，从而使土的渗透性也减小。双电层发育意味着重力水减少，结合水增加，土的渗透性变差；反之，重力水增多，渗透性变好。

3．2 围压作用下不同酸度溶液黄土渗透系数与时

间关系

从围压100 kPa固结下3种干密度土样的渗透系数与时间的关系曲线（图1）中可得出：经pH＝3．0酸溶液渗透土样的渗透系数最大，随着酸溶液pH值的增大，渗透系数随之减小。而经pH＝7．0纯水渗透土样的渗透系数介于pH＝3．0和pH＝4．0酸溶液渗透下的渗透系数之间。原因分析如下：

（1）pH＝3．0酸溶液渗透土样的渗透系数最大，随着酸溶液pH值的增大，渗透系数随之减小。这主要是因为乙酸溶液中的氢离子溶解了试样孔隙中的主要胶结物——难溶盐而形成了新的孔隙通道，从而使渗透系数增大。土中的各种胶体、可溶性盐和游离氧化物与酸发生了反应［8］，同时黏土矿物中的铝、铁等高价金属盐类被乙酸溶液溶解，且随着酸浓度的增大这种反应程度也增大［9］。H＋浓度的增加会置换出土体中的阳离子，使原本处于稳定状态的结构变得不稳定，粒间的连接力被削弱，使得土粒在外力作用下更容易发生位移。孔隙间的胶结物被溶解了，使得土体孔隙增大，渗透通道增多。因此，pH＝3．0酸溶液渗透下的渗透系数最大，pH＝4．0酸溶液渗透下的渗透系数次之，pH＝5．0酸溶液渗透下的渗透系数最小。

从表2中看出，土样中难溶盐的含量远大于易溶盐和中溶盐总量，而难溶盐主要以石灰石碳酸钙为主作为胶结物存在于颗粒之间，在黄土中占据着一定的孔隙。酸性溶液渗透下碳酸钙的淋失增加了土体的孔隙比，使得原本胶结在一起的颗粒分离，在渗透力的作用下发生移动，影响孔隙比在渗流方向的大小分布，进而改变渗透性。试验中通过测定渗出溶液中钙离子的含量来计算土体中碳酸钙含量的变化。但鉴于渗流时间较短，渗透反压较小，单一围压下渗流出的水量非常少，以致不足以进行化学滴定。因此，混合了同一干密度土样3个不同围压下经过同一渗流溶液渗流出的溶液，综合测定钙离子的流失量，如表5所示。表中对土体经渗流后剩余碳酸钙的含量均以土中碳酸钙质量百分含量来描述，其定义为

表4 土样在不同pH值溶液渗透下t＝8 h时的渗透系数kTable 4 Values of permeability coefficient k of loess samp les in solutions of different acidities（t＝8 h）

图1 土样在不同酸度溶液三轴渗透下k与t的关系曲线（σ3＝100 kPa）Fig．1 Relation between k and t of loess sample triaxially perm eated w ith solutions of different acidities（σ3＝100 kPa）

式中：m0为土样中碳酸钙的初始含量（g）；m′为根据流出溶液中钙离子含量计算出来的土样碳酸钙流失量（g）。

表5 土样经不同酸度溶液渗透后的碳酸钙含量Table 5 Contents ofω（CaCO3）of loess sam ple permeated w ith solutions of different acidities

从表5中可看出，不同干密度的土样经pH＝3．0酸溶液渗透后钙离子的流失量最大。土样中CaCO3总含量小，由于渗透试验的时间较短，CaCO3的流失量较小，所以差别不是很大，但规律明显，试验过程中严格按照土工试验规程中的EDTA法测得Ca＋的含量，因此可以排除存在误差的可能性。

（2）纯水pH＝7．0渗透下土样的渗透系数介于pH＝3．0和pH＝4．0渗透下土样的渗透系数之间，推测是因为纯水采用的是煮沸过的无气水，相比之下试验配置的酸溶液本身存在少量的气体，且其中的氢离子与黄土中的难溶盐反应也会生成微量的气体CO2。由于气体不能及时排除，便聚集在土颗粒之间，不仅降低了渗透水流的有效孔隙比，减小了孔隙流槽的过水断面，更重要的是阻塞了某些孔隙通道，从而表现出了图1所示的渗透规律。

3．3 不同酸度溶液常规渗透下黄土渗透系数与时间关系

本试验对常规样进行了20 h的渗透，由图2可看出渗透系数有随时间的延长而逐渐减小的趋势。

图2 土样在不同酸度溶液常规渗透下k与t的关系曲线Fig．2 Relation between k and t of loess sample conventionally permeated w ith solution of different acidities

由于黄土中存在着大孔隙，因此在渗透初期溶液在大孔隙中流动时阻力较小，渗透系数较大；但随着渗透的发生和发展，土体和渗透溶液发生上节所述的溶蚀作用，土中的细小颗粒会在渗透压力的作用下出现移动，但在仪器和透水石的固定作用下，这些小颗粒并没有随着渗透溶液而被带出土体，只是向更为密实的状态移动；土体所具有的比较特殊的粒状架空体系被破坏，这使得土体孔隙比沿渗流方向不再均匀，试样下表面孔隙比变大，而上部孔隙比变小，土体的有效通道被堵塞。试验结束后观察土样的底层，大孔隙比较多，出现了由于颗粒运移而造成的麻面；与之相反，顶层相对比较光整。

乙酸中的Ac－在酸性条件下会与黄土中的金属离子反应生成络合物，络合物在孔隙中对渗透水流也有一定的阻碍作用，同时H＋与黄土中的难溶盐发生反应，一方面可以消耗碳酸盐增大渗透孔隙，另一方面会产生少量的CO2气体，气体无法排除，也在一定程度上减小了有效的过水通道。两者的叠加作用影响着黄土的渗透系数，使渗透系数随着时间的延长而出现减小的趋势。

以上试验结果反映了短期酸溶液在黄土中的渗透规律，长期渗透规律有待进一步研究。

4 结 论

本文研究了不同酸度渗透溶液下黄土的渗透系数的变化规律，分析了干密度、孔隙比、围压和渗透溶液酸度对试样渗透系数的影响。得出了如下的主要结论：

（1）饱和黄土的渗透性主要取决于干密度的大小。渗透系数随着干密度的增加而减小。干密度增加，土样的孔隙比减小，过水断面减小，导致渗透性能降低。

（2）在一定的干密度下，黄土的渗透系数随围压的增大而减小。围压增大时，土样在固结过程中孔隙比减小，密度随之增大；当围压增加到一定值时，固结对土的结构性会产生破坏作用，从而使得土体颗粒重新组合和排列，大孔隙消失，孔隙比进一步减小，使渗透系数也随之大为减小。

（3）饱和黄土在pH＝3．0的酸溶液渗透下的渗透系数最大，随着酸溶液pH值的增大，渗透系数随之减小，因为酸溶液中的氢离子溶解了黄土中的难溶盐形成了新的渗流通道；而纯水pH＝7．0渗透下土样的渗透系数介于pH＝3．0和pH＝4．0渗透下土样的渗透系数之间，是因为纯水采用的是煮沸过的无气水，相比之下试验配置的酸溶液本身存在少量的气体，从而影响了渗透系数的大小。

（4）通过对试样进行三轴渗透和常规渗透，得出渗透系数都有随时间的延长而减小的规律。颗粒运移而导致的土体渗流通道的堵塞是造成渗透系数减小的主要原因。

以上结果适用于酸溶液在黄土中短时间的渗透分析，长时间渗透规律有待进一步研究。

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［2］ HJELDNESE I，BRETVIK SK，SKOGLUND K A，etal．An Experimental Study of Oil Contamination Spreading in Sand［C］∥ACSE．Proceedings of the Specialty Conference on Geotechnical Practice in Waste Disposal，Part 1，New Orleans，Louisiana，February 24－26，1995：373－388．

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（编辑：姜小兰）

长江科学院副院长汪在芹带队赴南水北调中线河南段进行质量回访

2012年11月24至25日，长江科学院（简称长科院）副院长汪在芹率长科院检测中心常务副主任何英杰、材料与结构研究所副所长肖汉江、材料与结构研究所副总工程师彭尚仕、科研计划处科长张晖一行5人赴河南拜访南水北调中线干线管理局河南直管局业主和设计方，并开展质量回访工作。南水北调中线干线管理局河南直管局副局长蔡建平、质量安全处处长梁宇、长江勘测规划设计研究院副总工程师吴德绪、邓州设代处处长谢波与副处长王莉等领导热情接待了汪在芹一行。

此次回访本着对工程负责、对业主负责、对长科院负责的精神，通过现场与业主和设计方的沟通，了解长科院承担的南水北调河南段现场的工作状况、成果质量，以及服务等方面的有关情况。汪在芹一行听取业主和设计方对试验室运行中所存在问题的意见和建议，并交换了意见，达成共识。

汪在芹一行还对长科院承担的南水北调中线干线项目法人质量检测Ⅲ标段项目的邓州和鲁山的2个试验室日常的组织管理、人员配备、仪器设备使用、检测成果质量控制、试验室环境、安全等方面进行了检查和指导。汪在芹要求试验室全体工作人员严格按照长科院检测中心《质量手册》要求运作、加强团结协作、加强与业主各部门的联系和沟通，主动为南水北调工程建设着想，以积极、主动、负责的态度完成各项工作。工作间隙还询问了大家的生活情况，并代表长科院慰问了现场所有员工。

（摘自：长江水利科技网）

Permeability Properties of Reshaped Loess in Osmotic Solution of Different Acidities

WANG Ting1，ZHANG Ai-jun1，LIU Hong-tai2，AN Peng1
（1．College ofWater Resources and Architectural Engineering，Northwest Agricultural and Forestry University，Yangling 712100，China；2．China JK Institute of Engineering Investigation and Design，Xi’an 710043，China）

Through triaxial permeability tests and conventional permeability tests on reshaped Yangling loess of different dry densities，we analyzed the rules of permeability coefficient variation of the saturated loess respectively in gas-free pure water with pH＝7．0，and acetic acid solution with pH＝3．0，pH＝4．0 and pH＝5．0．We also investigated the degradation of loess permeated with acid solution．The research provides basis for analyzing the strength variation and the stability of loess structures permeated with acid solution．The results are as follows：（1）the permeability coefficientof saturated loess decreaseswith the growth of dry density；（2）with a constant dry density，the permeability coefficient reduces along with the increasing of confining pressure；（3）the largest permeability coefficient appearswhen the loess is permeated with acid solution with pH＝3．0 in short-term，and with the rise of pH value，the permeability coefficient decreases as a resultof the dissolving of insoluble salts by hydrogen ions of acid solution，forming new seepage channels．The permeability coefficient of pure water with pH＝7．0 is between that of acid solution with pH＝3．0 and pH＝4．0．It is because that the pure water used in the test is boiled and gas-free，while there is small amountof gas in the acid solution for the test；（4）the permeability coefficient reduces with the increasing of time．

reshaped loess；acid solution；permeability test；penetrability

TU411．1

A

1001－5485（2013）02－0035－06

10．3969／j．issn．1001－5485．2013．02．008

2011－11－07；

2011－12－21

国家自然科学基金项目（50779058）；冻土工程国家重点实验室开放基金（SKLFSE200803）

王 婷（1988－），女，甘肃张掖人，硕士研究生，从事黄土工程理论与计算研究，（电话）13474072001（电子信箱）wwdsd＠nwsuaf．edu．cn。

张爱军（1964－），男，山西阳高人，教授，博士，主要从事特殊土力学特性、岩土工程数值分析方面的研究，（电话）02987082956（电子信箱）Zaj＠nwsuaf．edu．cn。