氯化钠污染对压实黄土状粉土压缩特性的影响

武 超，何 斌,2，刘浩帆，郭志远，白晓红

(1.太原理工大学 土木工程学院，太原 030024；2.河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，南京 210098；3.华能新能源陕西分公司，西安 710048)

伴随城市化、工业化进程的步伐，传统工业引领下的经济发展带来了诸多的环境问题，其中土壤作为诸多污染物的最终受体[1]，污染土危害问题不容小觑。所谓污染土，是指由于致污物质的侵入，土的成分、结构和性质发生显著变异的土[2]。污染土的概念是由工程实际所衍生出来的，涉及到岩土工程、环境工程、土壤科学、化学与化工工程、生态学、卫生与防护以及测试技术等多学科领域，是介于这些学科边缘的交叉学科[3]。早在20世纪90年代，傅世法等[4]就对污染土的岩土工程问题进行了总结，较为全面地提出了污染土的评价原则；李琦等[5]分析了造纸厂废碱液污染土的环境岩土工程特性和污染机理；李相然等[6]对济南典型地区地基土污染腐蚀性质进行了变异研究；刘汉龙、朱春鹏等[7-9]对酸碱污染土工程特性及腐蚀机理进行了较为全面的总结；韩鹏举等[10]对盐碱污染土的工程性质进行了研究，建立了土样的压缩系数与浸泡溶液浓度的数学关系。目前，污染土基本物理性质的研究一般都是针对具体工程。以氯化钠为主的“氯盐类”融雪剂在城市、高速公路中应用较广，虽然便于融雪除雪，价格也便宜，但这样融化后的雪或冰变成液体，侵入土体，造成土体污染，危害极大[11]。山西地处黄河以北，是典型的黄土覆盖的山地高原，冬季多降雪，降雪后氯盐融雪剂的使用造成了土体的污染。故研究氯盐污染土的机理、污染土的物理化学和物理力学性质以及提出改良和治理污染土的对策有着重要意义。

土的压缩指标是影响土体工程稳定的重要指标。本文通过人工制备氯化钠污染土，研究不同含水量下，不同含盐量污染黄土状粉土的压缩变形特性，以期对评价氯化钠污染黄土状粉土的压缩性提供参考。

1 试验方案

1.1 土体情况

试验所用黄土取自太原市某工地的Q3黄土，取土深度5～6 m，将土样风干磨碎过孔径2 mm的筛备用，土样基本物理指标见表1.

表1 土样基本物理指标Table 1 Basic physical indicators of soil samples

1.2 试验方案

试验在常温常压条件下进行，采用人工拌和方法将土与不同浓度的氯化钠溶液充分拌和，达到“充分污染”的目的[12]。先把土与配置好的盐溶液拌和均匀后进行室内击实，形成不同含水量和不同污染物含量的击实土样；然后环刀取样后进行压缩试验，研究其压缩特性指标的变化规律。

参考《岩土工程勘察规范》[2]及前期研究成果，试验中配置的盐溶液含盐量以土为基准，分别设置为0，1.5，4.5，9，13 g/kg；设置土体含水量(质量分数)分别为14%，16%，18%，20%，22%.

本试验所用固结仪器为WG型单杠杆固结仪。使用前检查仪器，压力准确度符合现行国家标准；在固结容器内放置护环、透水板和薄型滤纸，将带有试样的环刀装入护环内，放上导环、试样上依次放上薄型滤纸、透水板和加压上盖，并将固结容器置于加压框架正中，使加压上盖与加压框架中心对准，安装百分表。施加1 kPa的预压力使试样与仪器上下各部件之间接触，测读百分表初读数；依次施加各级压力，第一级压力为50 kPa.压力等级为50，100，200，300，400，800，1 600，3 200 kPa。施加每级压力后24 h测定试样高度变化作为稳定标准。按此步骤逐级加压至试验结束。

1.3 污染土样的制备

称取1.8 kg过筛后的风干黄土样平铺于搪瓷盆内，分别按试验方案的含盐、含水量人工配置氯化钠污染液，试验所选用的污染介质为无水氯化钠(分析纯)，相对分子质量为58.44，试验用水为去离子水。配制盐溶液时氯化钠试剂用量见表2.

表2 各浓度溶液配制试剂用量表Table 2 Table of reagent dosage for preparation of solutions of various concentrations

将配置好的盐溶液均匀喷洒于土样上，将土充分拌匀后装入盛土容器内密封，润湿一昼夜后称取一定量污染土，倒入击实桶内分层击实，击实方法参照《土工试验方法标准》[13]，单位体积击实功取592.2 kJ/m3，击实完成后再用环刀切取压缩用试样，备用。

2 污染土样初始孔隙比及击实曲线分析

2.1 含盐量及含水量对污染土初始孔隙比的影响

土样的孔隙比定义为土中孔隙体积与固体体积之比[14]，工程上常用孔隙比e表示土中孔隙的含量，表征土体的密实程度，其主要与土体形成过程中所受的压力、颗粒级配和颗粒排列的状况有关。本试验通过污染土室内击实得到不同含水量、不同含盐量污染黄土状粉土的击实试样，测得其密度换算得出不同试样的初始孔隙比见图1所示。

图1 不同含水量、含盐量试样初始孔隙比Fig.1 Initial void ratio of samples with different water content and salt content

由图1可得，在本试验含水量及含盐量范围内，在同一含盐量条件下，初始孔隙比随初始含水量变化规律均相似，即土样的初始孔隙比均随含水量的增加先减小后增大，在含水量(质量分数)为16%，氯化钠溶液质量分数为13 g/kg时，e0达到最小。在同一含水量条件下，无污染土的初始孔隙比最大，土样孔隙比随土样含盐量增加而呈减小的趋势。在本试验含水量及含盐量范围内，同一含水量下无污染土与污染土的初始孔隙比变化幅度随含水量的增加而减小。

产生这一现象的原因是，氯化钠溶于水后电解成Na+与Cl-和强极性的水分子发生水合作用，生成具有一定数目水分子配位的水合离子，但Na+与Cl-所结合的水分子并不牢靠[15]；黏土颗粒由于表面带有负电荷，颗粒周围形成电场，在电场作用下，钠离子被吸引分布在颗粒四周，负电荷被部分中和，中和后形成的电场内层电场作用减弱，电场作用下颗粒表面定向排列的水分子厚度变薄，结合水膜变薄[16]。黏土颗粒间静电斥力减小，相同击实能作用下，土颗粒更易于排列紧密，即在相同含水量下，氯化钠污染介质含量愈大，污染土愈易被压密，初始孔隙比愈小。

2.2 氯化钠污染土击实曲线特征

土单位体积中固体颗粒部分的质量称为土的干密度，在工程上常把干密度作为评定土体紧密程度的标准；不同含水量，不同含盐量污染土的击实曲线见图2.

图2 不同含盐量污染土击实曲线Fig.2 Compaction curve of contaminated soil with different salt contents

由图2可得，氯化钠污染土具有一般黏性土的击实特征。但是，在同一含水量下，随着污染土中氯化钠含量增加，土的干密度呈增大趋势，印证了初始孔隙比的变化规律。对比不同含盐量污染土的击实曲线发现，未污染土和氯化钠质量分数为1.5 g/kg污染土，含水量为18%时达到最大干密度；氯化钠质量分数为4.5 g/kg污染土，含水量为16%，18%时干密度基本相同；而氯化钠含量为9 g/kg和13 g/kg污染土，含水量为16%时达到最大干密度。表明在一定击实功下，随着土中含盐量的增加，土的最优含水量有变小的趋势。最优含水量变小的原因如前所述，氯化钠污染土体后，使得黏土颗粒吸附的水膜厚度变薄，即与未被污染前相比，结合水减少。相同击实能下，污染土达到最密实状态时所需的总水量减少，故盐污染土相较未污染土最优含水量减小，最大干密度提高。

3 室内压缩试验结果分析

3.1 e-lgp曲线分析

土在侧限条件下的压缩特性通常用土的孔隙比e和竖向压应力lgp的关系曲线表示[15]。图3给出氯化钠污染土在不同含水量、含盐量情况下的e-lgp曲线。

由图3可得，随着竖向应力的增加，污染土孔隙比呈减小趋势，线型基本一致。在相同含水量下，污染土随着含盐量的增加，e-lgp曲线较未污染土呈逐渐下移趋势，这是由其初始孔隙比所决定的，含盐量愈大，试样的初始孔隙比愈小。图3(a)和图3(b)分别为含水量为16%和18%条件下，不同氯化钠含量污染土的e-lgp曲线。由图可见，击实土样中含盐量愈大，土样愈易被压密。由图3(a)，(b)，在含水量为16%，18%下，氯化钠含量为1.5 g/kg时，其e-lgp曲线与无污染土的曲线趋于重合，即在最优含水量及其偏干侧轻微的氯化钠污染对土的e-lgp曲线影响较小；氯化钠含量为4.5 g/kg时其曲线较无污染土发生明显下移。由图3(c)可知，当含水量为20%(最优含水量偏湿侧)时，不同氯化钠污染土的e-lgp曲线差异不明显，但是与无污染土的e-lgp曲线具有明显差异，特别是当压力较小时，差异显著，随着压力的增大，曲线趋于重合。综上可知，对于氯化钠污染黄土状粉土，在最优含水量及其偏干侧，氯化钠含量对污染土e-lgp曲线的影响更为显著，而在最优含水量偏湿侧，氯化钠含量对污染土e-lgp曲线影响较最优含水量偏干侧减弱。

图3 不同含水量、含盐量下污染土的e-lgp曲线Fig.3 e-lgp curves of different water and salt contents

3.2 压缩指数讨论

由e-lgp曲线可得到表示土压缩性大小的指标压缩指数Cc，某一压力范围内的压缩模量应按下式(1)计算，一般取p=100～200 kPa区间的参考值。不同含水量、含盐量污染土的压缩指数见表3.

(1)

式中：e为土样的孔隙比；p为竖向压力，kPa.

表3 不同含水量、含盐量土的压缩指数CcTable 3 Compression index Cc of soil with different water content and salt content

由表3可得，黄土状粉土受到氯化钠污染后，相较污染前其压缩指数发生变化。在相同含水量下，随着氯化钠含量增大，污染土的压缩指数Cc呈减小趋势；土中含盐量≤4.5 g/kg时，压缩指数在最优含水量及其偏干侧相差并不明显，在最优含水量偏湿侧压缩指数明显增大；土中含盐量>4.5 g/kg时，压缩指数在最优含水量及其偏湿侧相差并不明显，随着含水量的增大，压缩指数明显增大。根据《岩土工程勘察规范》[2]污染对土的工程特性影响程度可用工程特性指标变化率加以区分，定义压缩指数变化率为污染前后压缩指数的差值与污染前压缩指数之百分比；不同含水量下不同氯化钠含量污染土压缩指数变化率见表4.

由表4可得，相对于无污染土而言，氯化钠污染土的压缩指数都不同程度地得到了降低，这与前面的试验结果相吻合。需要注意的是，相同氯化钠含量下，压缩指数变化率随含水量的增大而提高，且当含水量由16%增大到18%时，变化幅度明显，当含水量由18%增大到20%时，变化较小，甚至可忽略。另外当含水量相同时，压缩指数变化率随氯化钠含量的增大而提高。

表4 不同含水量、含盐量污染土较污染前压缩指数Cc变化率Table 4 Compression index Cc change rate of polluted soil with different water content and salt content

3.3 压缩模量讨论

侧限压缩条件下，土的压缩模量Es由下式计算：

(2)

式中：e0为土样的初始孔隙比；av为土的压缩系数，MPa-1.

由公式(2)可知，压缩模量Es除了与压缩系数av有关，还与土的初始孔隙比e0有关。相关学者建议采用压缩模量作为土的压缩性指标，因为压缩模量既考虑了污染土压缩系数的变化，也考虑了初始孔隙比的变化[9]。本文在此仅以(100～200) kPa范围内的压缩模量进行分析。

由试验数据计算而得的Es值列于表5，从表5中可见，土的压缩模量随氯化钠质量分数的增大而提高。当w(NaCl)≤4.5 g/kg时，随含水量增大，土的压缩模量是先增大后减小，在含水量为18%时Es最大；当w(NaCl)>4.5 g/kg时，土的压缩模量随含水量的增大而减小。这主要是因为当w(NaCl)≤4.5 g/kg时，土的最优含水量在18%左右，w(NaCl)>4.5 g/kg时，土的最优含水量为16%左右，所以Es在最优含水量时达到最大。

表5 不同含水量、含盐量污染土压缩模量Table 5 Compressive modulus of contaminated soil with different water content and salinity

4 结论

本文对不同含水量、含盐量氯化钠污染压实黄土状粉土进行了一维压缩试验，探讨了不同含水量下无污染土与不同质量分数氯化钠污染土压缩变形特性的差异，主要得出以下结论：

1) 相同击实条件及含水量情况下，无污染土的初始孔隙比最大，土样孔隙比随污染土样含盐量增加而呈减小的趋势；与初始孔隙比相对应的，无污染土的干密度最小，土样的干密度随土样含盐量增加呈增加的趋势；对比不同含盐量污染土的击实曲线发现，随着土中含盐量的增加，土的最优含水量较无污染土减小。

2) 对于氯化钠污染黄土状粉土，在最优含水量及其偏干侧，氯化钠含量对污染土e-lgp曲线的影响更为显著，而在最优含水量偏湿侧，氯化钠含量对污染土e-lgp曲线影响较最优含水量偏干侧减弱。

3) 黄土状粉土受到氯化钠污染后，在相同含水量下，随着氯化钠含量增大，污染土的压缩指数Cc呈减小趋势，压缩指数变化率呈增大趋势，压缩模量Es呈增大趋势。土中含盐量小于等于4.5 g/kg时，压缩指数在最优含水量及其偏干侧相差并不明显，在最优含水量偏湿侧压缩指数明显增大。压缩模量在最优含水量18%处取得最大值；土中含盐量大于4.5 g/kg时，压缩指数在最优含水量及其偏湿侧相差并不明显，随着含水量的增大，压缩指数明显增大；压缩模量在最优含水量为16%处取得最大值。