重金属污染黏性土电阻率影响因素分析及其预测模型

储　亚　 刘松玉　 蔡国军　 边汉亮

(东南大学岩土工程研究所, 南京 210096)(东南大学江苏省城市地下工程与环境安全重点实验室, 南京 210096)



重金属污染黏性土电阻率影响因素分析及其预测模型

储亚 刘松玉 蔡国军 边汉亮

(东南大学岩土工程研究所, 南京 210096)(东南大学江苏省城市地下工程与环境安全重点实验室, 南京 210096)

采用改进的电阻率测试设备,对3种室内人工配制的重金属(Zn, Pb, Cd) 污染黏性土进行正交试验研究．探讨了4种因素(污染物掺量N、孔隙湿密度md、体积含水量Pr和污染种类S)对重金属污染黏性土电阻率的影响．结果表明：重金属污染黏性土电阻率随孔隙湿密度和体积含水量的增大呈指数函数减小，随污染物掺量的增大而减小,并且相同离子化合价的重金属离子对土体电阻率的影响规律基本一致．方差法和极差法分析表明,4种影响因素对重金属污染黏性土电阻率的影响程度不同,其影响程度大小依次为:N,md,Pr,S．此外,为将Archie电阻率预测模型的应用范围进行拓展,建立了适用于重金属污染黏性土的电阻率预测模型．该电阻率预测模型可以用于特定区域重金属污染场地的定量评价．

正交分析;重金属污染黏性土;土体电阻率;影响因素;预测模型

随着经济的快速发展,城市化和工业化进程的加快,土体污染问题越来越严重,已成为环境岩土工程中一项重要的研究课题[1]．土体污染的研究需要建立在污染区域调查评估的基础上．通过对污染场地的勘察测试,可了解污染区域的污染物类型、场地地质条件以及污染物分布情况,确定土体污染问题的处置方案,降低污染的影响[2-4]．

传统的污染场地测试方法费时费力,且取样点有限,不能全面反映整个污染场地的情况[5]．而电阻率测试方法具有快速、准确和无扰动等特点,已在污染土评价与判别中得到广泛应用．

土体电阻率是土体导电能力大小的量度[6],其影响因素众多,包括土颗粒的矿物组成、大小、形状、排列、孔隙结构(包括孔隙率、孔隙的分布与连通情况)、含水量、密度、孔隙液的化学成分、饱和度以及所处的环境温度等．对于重金属污染土,其受到重金属离子的影响,土体孔隙液导电性能显著提高,污染土电阻率变化明显[7-11],因此电阻率指标可以用于重金属污染土的评价．

本文采用正交试验设计方法[9-10],选取电阻率的4种主要影响因素(污染物掺量N、孔隙湿密度md、体积含水量Pr和污染种类S),分析了不同影响因素与电阻率间的变化关系．并通过方差法和极差法,分析确定重金属污染黏性土电阻率各种影响因素的具体影响程度．根据室内实测的重金属污染黏性土电阻率值,建立了基于孔隙湿密度md和体积含水量Pr的重金属污染黏性土电阻率预测模型,对重金属污染场地评价有一定的指导意义．

1　土体电阻率理论

Archie[6]在1942年通过砂土试验将土体电阻率与结构特性联系起来,提出了不考虑固体颗粒导电性的适用于饱和无黏性土、纯净砂岩的电阻率预测模型,即

ρ=aφ-mρw

(1)

式中,ρ为预测电阻率;ρw为孔隙水电阻率;φ为孔隙率;a为试验参数;m为胶结系数．

随后许多学者对土体电阻率预测模型进行了深入的理论分析与试验研究[11-12],拓展了Archie电阻率预测模型的适用范围．刘国华等[7]通过正交分析得出了含水率对天然土体电阻率影响最大的结论．Waxman等[12]通过非饱和纯净砂岩与无黏性砂的电阻率试验,得出了电阻率和饱和度之间的相关关系．Yoon等[13]采用电阻率探头进行室内模型试验测试,得出了电阻率与干密度和含水率之间的相关关系．

分析表明,上述研究成果多数建立在Archie电阻率预测模型的基础上,且土体电阻率与不同影响因素之间基本呈指数函数规律．本文基于Archie电阻率预测模型,采用双对数分析方法,建立了适用于重金属污染黏性土的电阻率预测模型．

2　试验方法及设备

为了定量研究重金属污染黏性土电阻率各影响因素的影响程度,通过实验室人工配制,制备3种重金属(Zn,Pb,Cd)污染黏性土进行电阻率测试试验．

2.1试验材料

本试验用土取自南京河西某涵洞工程施工场地,所取试验用土为长江漫滩相粉质黏土,含少量有机质,取土深度为5～7m．其主要的物理性质如表1所示．

表1　试验土主要物理性质

2.2试样制备

为了达到模拟污染土的效果,采用硝酸盐作为重金属污染源．硝酸盐具有溶解度高(高阳离子活动性)且对水泥水化反应干扰较小等优点[14]．根据课题组前期研究,设计重金属污染物掺量N分别为0,50,166.67,500,1 666.67,5 000mg/kg[15]．

试验用土中加入完全溶解的重金属污染溶液进行拌合．待充分拌合后,将污染土样用自封袋密封,并放入标准养护室(温度为(20±2)℃,相对湿度大于70%)中养护,养护48h后,放入烘箱于105 ℃下烘烤48h．烘干后研磨筛分成污染土粉末,以保证污染土样的均匀性．最后,根据试验需求采用静压法制备污染土样.具体试验方案为:

① 添加去离子水,配制5种不同含水量(13%,16%,19%,22%,25%)的重金属污染土样．

② 根据定体积原则,采用静压法配制6种不同孔隙率的重金属污染土样,孔隙率分别为0.40,0.42,0.44,0.46,0.48,0.50．

③ 在20 ℃恒温室中进行污染土电阻率测试．

2.3试验设备及方案

本文使用改进的四电极MillerSoilBox(见图1,尺寸为φ5cm×15cm)进行电阻率测试,其电流和电压读数稳定精确,易于换算成真实电阻率．四电极MillerSoilBox两侧与等面积导电铜片(铜片以螺丝固定管帽内部)相连,用以全截面导电．圆柱形测试盒上部每隔5cm预留出孔洞用以探针贯入测量．试样的电阻率值计算公式为

(2)

式中,ρm为实测电阻率;V为两电极间电势差;A为圆柱体截面积;I为测试过程中试样两端电流;L为电极间的距离．通过测试得到这些参数值，即可得到ρm.

图1　电阻率测试装置电路示意图(单位：cm)

在50Hz频率的稳压状态下进行电阻率测试(见图2),并根据式(2)计算出相应的电阻率值．

图2　四电极法电阻率测试图

3　试验数据分析

3.1污染土电阻率影响因素分析

由文献[1,11,13]可知,电阻率与大多数影响因素之间存在指数函数关系．为了深入研究各因素的影响程度,在双对数坐标系中进行电阻率与影响因素关系分析．研究发现,不同浓度的重金属污染黏性土电阻率与孔隙湿密度和体积含水量在双对数坐标系下均呈直线关系[15]．本文以污染物掺量50mg/kg为例进行具体分析．

3.1.1孔隙湿密度

Yoon等[14]研究发现,土体电阻率随土中孔隙液含量的增加呈指数下降的趋势,并将孔隙湿密度定义为孔隙液质量和土体孔隙体积之比．当土中孔隙液含量增加,土体的孔隙湿密度增加,导致土体电阻率下降．孔隙湿密度md计算公式为

(3)

式中,Mw为孔隙液质量;Vv为孔隙体积;Ms为干土质量;Vsoil为土样体积;rd为土样干密度．

图3为不同重金属污染黏性土的电阻率与孔隙湿密度之间的关系图．从图中可以看出,重金属污染黏性土电阻率与孔隙湿密度之间有良好的相关性,呈指数函数分布．在双对数坐标系下,电阻率与孔隙湿密度呈直线关系．电阻率随着污染黏性土的孔隙湿密度增加而降低．这是由于孔隙湿密度的升高会引起含水率或干密度的增加．当含水率增加时,土体内部孔隙液含量增加,电阻率下降．当干密度增加时,土体内部的饱和度增加,导电路径增加,从而引起土体电阻率的下降．根据图3,重金属污染黏性土电阻率与孔隙湿密度的函数关系为

(4)

式中,C为拟合参数;b为孔隙液质量比系数．

图3　重金属污染黏性土电阻率与孔隙湿密度关系

(N=50 mg/kg

3.1.2体积含水量

文献[11-12]研究发现,土体电阻率和体积含水量(即孔隙液体积和土体总体积之比)存在相关性,即电阻率随体积含水量的增大而减小．体积含水量Pr计算公式为

(5)

式中,Vw为孔隙液体积;Sr为土样饱和度．

图4为不同重金属污染黏性土电阻率与体积含水量之间的关系图．从图中可看出,重金属污染黏性土电阻率与体积含水量之间有良好的相关性,呈指数函数分布．在双对数坐标系下,电阻率随着污染黏性土体积含水量的增加呈线性降低．这是由于体积含水量的升高会引起孔隙率或饱和度的增加,当孔隙率或饱和度增加时,土体内部的导电路径增加,从而引起土体电阻率降低．根据图4,重金属污染黏性土电阻率与体积含水量的函数关系为

(6)

式中,D为拟合参数;d为体积含水量系数．

图4　重金属污染黏性土电阻率与体积含水量关系

(N=50 mg/kg

3.1.3污染物掺量

图5给出了孔隙湿密度为0.397g/cm3时,3种重金属污染黏性土电阻率与污染物掺量之间的关系．从图中可以看出,在双对数坐标系下电阻率随污染物掺量的增加而降低．当污染物掺量小于1 000mg/kg时电阻率下降缓慢,污染物掺量大于1 000mg/kg时电阻率急速下降．3种重金属污染黏性土电阻率变化趋势基本一致．这是由于3种重金属离子的离子化合价均为正2价,电学势能相似．

图5　重金属污染黏性土电阻率与污染物掺量关系

根据图5中的拟合公式分析得出,3种重金属污染黏性土电阻率与污染物掺量呈倒数相关性．当污染物掺量N=0mg/kg时,重金属污染黏性土电阻率ρ=ρu=Eρw,其中ρu为未污染黏性土的电阻率值,E为未污染黏性土电阻率参数．随着污染物掺量的增加,电阻率趋近于零,与所得试验结果一致．根据上述分析建立基于污染物掺量的重金属污染黏性土电阻率预测公式:

(7)

式中，f为污染物掺量系数．

3.2正交试验分析

目前国内外主要通过极差法(直观法)[7]进行土体电阻率显著性分析,但是所设定的影响因素水平值较为自主,只能定性地了解各影响因素对电阻率的影响程度,无法给出具体的显著性评判．本文采用SPSS软件,综合方差法和极差法2种分析方法[7],研究重金属污染黏性土电阻率4种影响因素的显著性．

通过2组正交试验进行方差法分析,每组采用3因素3水平．第1组:孔隙湿密度(因素A1)、污染物掺量(因素B)、污染种类(因素C);第2组:体积含水量(因素A2)、污染物掺量、污染种类．每组影响因素的控制水平如表2所示．根据SPSS软件的显著性方差处理方法,得出4种影响因素的显著性结果,如表3所示．

表2　因素水平表

表3　方差分析表

进行极差法分析时,将影响因素的水平编号作为横坐标,对应的电阻率值作为纵坐标,绘出各影响因素与电阻率指标的极差关系,如图6所示．极差法和方差法分析表明,4种影响因素对重金属污染黏性土电阻率的影响程度不同,其影响程度大小依次为:污染物掺量(因素B)、孔隙湿密度(因素A1)、体积含水量(因素A2)、污染种类(因素C)．

3.3重金属污染黏性土电阻率预测模型

上述显著性分析结果表明,当污染物为等离子化合价重金属离子时,污染种类对土体电阻率的影

图6　各影响因素与电阻率的极差关系

响不大,在电阻率预测模型的分析过程中可以忽略．本文通过孔隙湿密度、体积含水量以及污染物掺量3种影响因素的综合分析,建立了适用于重金属污染黏性土的电阻率预测模型．

以孔隙湿密度与体积含水量2种影响因素为基础,分别建立相应的重金属污染黏性土电阻率预测模型．将式(1)、(4)和(6)代入式(7)中得出相应的重金属污染黏性土电阻率预测模型,即

(8)

采用重金属Zn污染土电阻率试验数据进行分析,将试验数据代入式(8)得出相应的区域重金属污染黏性土电阻率预测模型,如图7所示．湿密度预测法和体积含水量预测法的电阻率预测模型分别为

(9)

(10)

从图7中可以看出,本文所建立的区域重金属污染黏性土电阻率预测模型相关系数较高,可以较好地模拟出天然土体受重金属污染后电阻率的变化情况．

3.4电阻率预测模型对比

将3种不同重金属污染黏性土(Zn,Pb,Cd)电阻率的实测值代入所得出的区域重金属污染黏性土电阻率预测模型(式(9)和(10))中,对比分析重金属污染黏性土电阻率的预测值ρ和实测值ρm．两种重金属污染黏性土电阻率预测模型的对比如图8所示．

从图8中可以看出,根据重金属Zn污染土电阻率试验数据得出的区域重金属污染黏性土电阻率预测模型拟合度较高,预测模型计算得出的预测值和实测值基本一致．该重金属污染黏性土电阻率预测模型可以用于重金属污染黏性土的定量评价．

(a) 基于孔隙湿密度的电阻率预测值

(b) 基于体积含水量的电阻率预测值

(a) 湿密度预测法

(b) 体积含水量预测法

4　结论

1) 分析了孔隙湿密度、体积含水量、污染物掺量以及污染种类4种影响因素和重金属污染黏性土电阻率的相关关系．指出重金属污染黏性土电阻率随孔隙湿密度和体积含水量的增加呈指数函数关系降低,并与污染物掺量的一次方程呈倒数关系,且3种重金属污染黏性土的电阻率变化规律基本相似．

2) 由显著性分析结果得出,4种因素对重金属污染黏性土电阻率的影响程度不同,各影响因素的主次顺序为:N,md,Pr,S．

3) 建立了基于孔隙湿密度、体积含水量与污染物掺量的重金属污染黏性土电阻率预测模型,并采用重金属Zn污染土电阻率试验数据拟合出相应的区域重金属污染黏性土电阻率预测模型．通过对比发现,模型预测值和实测值吻合较好．该电阻率预测模型可以作为一种有效的重金属污染黏性土的评价方法．

References)

[1]余勤飞, 侯红, 吕亮卿, 等. 工业企业搬迁及其对污染场地管理的启示——以北京和重庆为例[J]. 城市发展研究, 2010, 17(11):95-100. DOI:10.3969/j.issn.1006-3862.2010.11.016.

Yu Qinfei, Hou Hong, Lü Liangqing, et al. Industrial enterprise relocation and their implications to contaminated site management—Beijing and Chongqing case study[J].UrbanStudies, 2010, 17(11):95-100. DOI:10.3969/j.issn.1006-3862.2010.11.016.(in Chinese)

[2]朱春鹏, 刘汉龙. 污染土的工程性质研究进展[J]. 岩土力学, 2007, 28(3):625-630.DOI:10.3969/j.issn.1000-7598.2007.03.036.

Zhu Chunpeng, Liu Hanlong. Study on engineering properties of polluted soil[J].RockandSoilMechanics, 2007, 28(3):625-630. DOI:10.3969/j.issn.1000-7598.2007.03.036.(in Chinese)

[3]Yin C Y, Ghazaly S M, Bin M H. Chemical stabilization of scrap metal yard contaminated soil using ordinary portland cement: Strength and leachability aspects[J].BuildingandEnvironment, 2007, 42(2):794-802. DOI:10.1016/j.buildenv.2005.09.013.

[4]Dermatas D, Meng X. Utilization of fly ash for stabilization/solidification of heavy metal contaminated soils[J].EngineeringGeology, 2003, 70(3):377-394. DOI:10.1016/s0013-7952(03)00105-4.

[5]沈珠江. 原状取土还是原位测试——土质参数测试技术发展方向刍议[J]. 岩土工程学报, 1996, 18(5):90-91.

Shen Zhujiang. Undisturbed soil or in situ tests—The soil parameter test technology development direction[J].JournalofGeotechnicalEngineering, 1996, 18(5): 90-91. (in Chinese)

[6]Archie G E. The electrical resistivity log as an aid in determining some reservoir characteristics[J].TransactionsoftheAIME, 1942, 146(1):54-62. DOI:10.2118/942054-g.

[7]刘国华, 王振宇, 黄建平. 土的电阻率特性及其工程应用研究[J]. 岩土工程学报, 2004, 26(1):83-87.DOI:10.3321/j.issn:1000-4548.2004.01.016.

Liu Guohua, Wang Zhenyu, Huang Jianping. Research on electrical resistivity feature of soil and its application[J].ChineseJournalofGeotechnicalEngineering, 2004, 26(1):83-87. DOI:10.3321/j.issn:1000-4548.2004.01.016.(in Chinese)

[8]韩立华, 刘松玉, 杜延军. 温度对污染土电阻率影响的试验研究[J]. 岩土力学, 2007, 28(6):1151-1155.DOI:10.3969/j.issn.1000-7598.2007.06.016.

Han Lihua, Liu Songyu, Du Yanjun. Experiment study on effect of temperature on electrical resistivity of contaminated soils[J].RockandSoilMechanics, 2007, 28(6):1151-1155. DOI:10.3969/j.issn.1000-7598.2007.06.016.(in Chinese)

[9]韩立华. 电阻率法在污染土评价与处理中的应用研究[D]. 南京:东南大学交通学院, 2006.

[10]董晓强, 苏楠楠, 黄新恩, 等. 污水浸泡对水泥土强度和电阻率特性影响的试验研究[J]. 岩土力学, 2014, 35(7):1855-1862,1870.

Dong Xiaoqiang, Su Nannan, Huang Xin’en, et al. Effect of sewage on electrical resistivity and strength of cemented soil[J].RockandSoilMechanics, 2014, 35(7):1855-1862,1870.(in Chinese)

[11]Keller G, Frischknecht F.Electricalmethodsingeophysicalprospecting[M]. New York: Pergamom Press, 1966: 514-517.

[12]Waxman M H, Smits L J M. Electrical conductivities in oil-bearing shaly sands[J].SocietyofPetroleumEngineersJournal, 1968, 8(2):107-122. DOI:10.2118/1863-a.

[13]Yoon G, Oh M, Park J. Laboratory study of landfill leachate effect on resistivity in unsaturated soil using cone penetrometer[J].EnvironmentalGeology, 2002, 43(1):18-28. 10.1007/s00254-002-0649-1.

[14]Boardman D I. Lime stabilisation: Clay-metal-lime interactions[D]. Leicester Loughborough, United Kingdom: Department of Civil and Building Engineering, Loughborough University, 1999.

[15]储亚,刘松玉,蔡国军,等.锌污染土物理与电学特性试验研究[J]. 岩土力学, 2015, 36(10): 2862-2868.

Chu Ya, Liu Songyu, Cai Guojun, et al. An experimental study of physical and electrical characteristics of zinc contaminated silty clay[J].RockandSoilMechanics, 2015, 36(10): 2862-2868. (in Chinese)

Impact factor analysis of resistivity of heavy metal polluted cohesive soil and its prediction model

Chu Ya Liu Songyu Cai Guojun Bian Hanliang

(Institute of Geotechnical Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China) (Jiangsu Key Laboratory of Urban Underground Engineering and Environmental Safety, Southeast University, Nanjing 210096, China)

The improved resistivity test equipment was used to explore the heavy metal polluted cohesive soil by an orthogonal experiment. The polluted soil samples were prepared with three kinds of indoor artificial heavy metals (Zn, Pb, Cd). The impacts of four factors (pollution concentrationN, moisture densitymd, volumetric water contentPr, and pollution typeS) on the resistivity of the heavy metal polluted soil were discussed. The results show that the resistivity of the heavy metal polluted soil decreases exponentially with the increase of the moisture density and the volumetric water content. The resistivity decreases with the increase of the pollution concentration. The heavy metal ions with similar ion valence have the same effects on the soil resistivity. The analysis results of the variance method and the range method show that the four factors have different influences on the resistivity of the heavy metal polluted soil. The order of the impact degree isN,md,Pr,S. In addition, the prediction model for the resistivity of heavy metal polluted cohesive soil is established to extend the application range of Archie’s model. The resistivity prediction model can be used to quantitatively evaluate the heavy metal polluted sites in a specific region.

orthogonal analysis; heavy metal polluted cohesive soil; soil resistivity; impact factor; prediction model

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.04.032

2016-01-29.作者简介: 储亚(1987—),男,博士生;刘松玉(联系人),男,博士,教授,博士生导师,liusy@seu.edu.cn.

国家自然科学基金重点资助项目(41330641)、国家自然科学基金资助项目(41202203).

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.04.032.

TU411

A

1001-0505(2016)04-0866-06

引用本文: 储亚,刘松玉,蔡国军,等.重金属污染黏性土电阻率影响因素分析及其预测模型[J].东南大学学报(自然科学版),2016,46(4):866-871.