不同初始条件下土体污染后的物理力学性质变化实验研究

谢湘平， 王小军， 赵东坡， 尹喜超

(安阳工学院土木与建筑工程学院，安阳 455000)

近年来，随着城市化进程的加快，建设用地日益紧张，大量污染土场地再利用不断出现。大量研究表明，土体受到污染后工程性质会发生不同程度的改变。根据污染物性质不同主要可分为酸碱污染土、重金属污染土及有机类(油类)污染土。刘汉龙等[1]、朱春鹏等[2]研究了宁波地区淤泥质黏土受酸碱污染后土的基本物理性质与压缩特性的变化规律，研究结果表明，酸碱浓度的变化对污染土的物理力学性质均存在一定的影响，且酸碱影响效果不同。酸浓度的增加导致有机含量减小、土粒密度减小、液限增大而塑限减小；碱浓度的增大会导致有机含量减小，土粒比重、液塑限增大；压缩系数在酸碱污染物作用下均呈现明显的增大的趋势。赵莎等[3]、王麒等[4]、陈筠等[5]对贵阳红黏土在碱污染条件下的物理力学性质进行了一系列实验研究，研究结果表明：在不同浓度碱液中养护的红黏土质量、含水率增高、密度降低；抗剪强度等力学指标随着NaOH碱液浓度的不同呈现不同的变化规律；在同样碱液浓度下，随着养护时间的增长，相关物理力学指标也出现不同的变化规律。近年来，对于重金属污染土的研究逐渐增多。储亚等[6]研究了重金属锌污染淤泥质粉质黏土的物理特性，发现随着锌离子浓度增加，土粒密度、液塑限和粉粒含量均呈减小趋势，而黏粒含量和塑性指数则呈增大趋势。宋泽卓[7]利用纯净黏土配置重金属污染土，研究了不同浓度的重金属污染土的工程性质，研究发现污染后的土体抗剪强度降低、压缩性增大，微观结构上呈现孔隙增大、黏粒含量降低等现象。吕伟豪等[8]研究了重金属污染下膨胀土的变形特性，发现膨胀土受重金属离子污染后膨胀率变大、膨胀性增强。贺瑶瑶等[9]对南京地区某基坑土体进行了镉污染研究，发现污染后的土体随着铬含量的增加，土体的抗压强度、抗剪强度和黏聚力显著下降，渗透系数、内摩擦角明显增大，土体发生团聚现象，大颗粒增多，孔隙增大，而针对石油及相关产品污染土的研究则相对较少，王林昌等[10]对黄河口沉积物在石油污染后的工程性质进行了室内试验与原位试验研究，发现污染沉积物的重度、渗透系数和强度均有所降低，污染后的沉积物结构多呈板状和块状。郑天元等[11-12]对淄博地区的油类污染土进行了击实试验研究，发现污染后的土体击实曲线形态向无峰形转变，最大干密度减小，并提出了“油膜润滑”理论解释了油类污染土的击实曲线的变化。陈伟胜等[13]对石油污染砂土的抗剪强度进行了试验研究，研究结果表明，原油和柴油的含量及性质对非饱和砂土抗剪强度均有影响但远小于相同含量水的作用，且相对来说原油的润滑作用会更明显降低污染砂土的强度。

上述研究均通过室内试验研究土体受污染后性质的变化规律及机理，取得了一定的研究成果，但也存在以下不足：①从不同的研究结果可以看出，不同地区地基土污染后的工程性质变化规律有相似的趋势，但也有完全相反的变化趋势；②研究多从污染源种类及污染物浓度等因素考虑污染土的工程性质变化及微观结构变化，对地基土本身性质及初始条件的影响考虑得较少，且在同一研究中，多只考虑某一类污染物的作用，没有横向对比不同类型污染物对土的污染效果。

在前人研究的基础上，重点考虑地基土本身性质及初始条件的不同，以及重金属及石油类两大类污染源条件下，土体污染前后物理力学性质的变化，并结合已有研究成果进行横向对比，以揭示土体初始条件的不同对污染物作用的影响。

1 实验材料与方法

1.1 实验控制变量

(1)地基土性质参数：实验选取土体颗粒及矿物组成、土体含水率等参数作为土体本身性质参数的代表来考察不同地基土性质对污染物的响应。其中，颗粒及矿物组成的不同主要体现在采用了两种典型的土，即黏性土和无黏性土。含水率以天然粉质黏土的天然含水量20%为依据，上下浮动取3个水平值(15%、20%、23%)，如表1所示。

表1 实验控制变量及因素水平

(2)污染物种类：实验主要考虑安阳为典型的工业城市，其工业门类齐全，考虑到工业结构组成的特点，主要考虑以Pb2+和Fe3+为代表的重金属污染源以及以油类为代表的有机物污染源。

1.2 实验材料

研究选取的黏性土取自于河南省安阳市文峰区安阳工学院校园内2 m深处的典型地基土样，土样呈棕褐色，土质良好，无明显杂质，且地上及周围环境良好，无生活垃圾和工业垃圾堆放。将取回的土样烘干、过2 mm筛并进行一系列试验，得到其颗粒级配及物理力学性质指标，如表2、表3所示。该天然土样为典型的粉质黏土(下文简称粉质黏土)，硬塑状态，中等压缩性。据已有研究成果，该天然粉质黏土的最优含水率在其塑限附近，预估为17%左右[14]。

无黏性土采用人工配置而成，利用过2 mm筛的天然粉质黏土与购买的标准细砂按质量比例为1∶100的比例混合制成，其颗粒级配、物理力学性质如表2和表3所示。由数据可以分析出人工配置的无黏性属于细砂(下文简称细砂)，中等压缩性。

表2 未污染土的颗粒级配组成

表3 未污染土的物理力学性质指标

1.3 污染土样制备

将污染前的粉质黏土与细砂均过2 mm筛完全烘干备用(下文将污染前的土简称为素土)。对于重金属污染土，首先利用Pb(NO3)2固体试剂与FeCl3.6H2O固体试剂配置成质量浓度为8%的污染液。根据一定量的烘干素土，按照含水率要求计算出所需加入的污染液的量；汽油污染土则分别计算出所需加入的水量和汽油质量，保证汽油的质量浓度为8%，而加入的水又满足相应含水率的要求。将污染液均匀喷洒到烘干土样上并不断搅拌均匀，密封保存放入养护箱内养护，养护7 d后取出进行相应的土工试验。

1.4 实验方案

根据上述实验控制变量，采取了不完全正交法进行组合，粉质黏土分别考虑了3个含水率水平与3种污染物作用，而细砂则主要考虑了20%含水率水平下不同污染物的作用。研究主要进行了密度、液塑限、压缩系数、抗剪强度等指标的直接测试。其中，密度测试采用环刀法，液塑限采用液塑限联合测定仪测试，压缩系数采用一维固结压缩试验，抗剪强度指标采用不固结不排水剪切试验测试。在制作所有环刀样时，均给予相同的击实参数以便消除压实度不同的影响。

2 实验结果与分析

由于土体工程性质本身随含水率的变化而变化，在分析含水率对污染土体工程性质影响时，需考虑含水率对素土本身的相应工程性质的影响，因此采取相对变化率作为评价指标，其定义式通式为

(1)

式(1)中：k为某个指标，如密度、液塑限等，下标0和1分别为污染前和污染后的指标值。

2.1 物理性质的变化规律

2.1.1 密度的变化规律

土的密度可以直观反映土样的疏密程度和干湿状态。实验采用环刀法对不同工况下的土体的密度进行测量，并计算不同污染土相对于素土在不同含水率条件下的密度相对变化率，得到表4所示结果。

根据表4数据可以得到图1～图4所示的变化规律。从图1可以看出，总体而言污染土的密度要比相同条件下素土的密度小，表现在图3中的密度相对变化率均为负值；就不同污染物的影响来看，3种不同污染物对黏性土的影响大小是：汽油

表4 不同工况下土体密度实测值及其相对变化率

图1 不同工况下土体密度的变化情况Fig.1 The change of soil density under different conditions

图2 粉质黏土污染土密度随含水率的变化Fig.2 The change of density for polluted silty soil with different initial water content

图3 不同工况下污染土密度的相对变化率Fig.3 The relative change rate of density under different conditions

图4 不同土性的污染土密度相对变化率Fig.4 The relative change rate of density for different types of soil

2.1.2 液塑限变化规律

液塑限是黏性土的重要物理特性指标，揭示出土体中所含的水分对土体性质的影响。采用液塑限联合测定法测得不同工况下的液塑限值。其中天然粉质黏土的液塑限为定值，分别为29.5%和18.8%；在不同含水率条件下的各种污染土，认为其矿物成分和土粒组成可能发生了变化，所以每种工况下的液塑限均进行了测量，得到表5所示结果。

从表5和图5～图7可以看出，当初始含水率低于最优含水率时，污染土的塑限整体呈减小趋势，塑限相对变化率为负值[图7(a)]；而液限增大，表现在图7(b)的液限相对变化率为正值；反之，初始含水率接近或大于土体最优含水率时，污染土的塑限增大，而液限减小；液限相对变化率总体小于塑限相对变化率。这说明土体初始含水率对污染后土体的液塑限的影响呈现不同的规律。不同污染物条件下，汽油与Pb2+对液塑限的影响总体要大于Fe3+的影响。

表5 不同工况下黏性土的液塑限实测值与相对变化率

图5 不同工况下污染黏性土的液塑限变化Fig.5 The change of water ratio limits under different circumstances

图6 不同含水率的污染黏性土液塑限的变化Fig.6 The change of water ratio limits for polluted silty clay with different initial water content

2.2 力学性质的变化规律

2.2.1 压缩系数的变化规律

压缩系数是反映土体压缩性的指标，反映了土体在上部荷载作用下的变形情况。土体压缩系数越大，土的压缩性越大，可能产生的变形和沉降量越大，对工程安全有重要影响。研究采用一维固结压缩试验，测得未污染的素土与不同初始含水率条件下各种污染土的压缩系数如表6所示。

从表6和图8～图11可以看出，不同条件下的污染土的压缩系数均小于相应条件下的素土的压缩系数(图8)；这与已有研究中污染土的压缩系数变大、压缩性增强的结论刚好相反，究其原因可能在于：在制作压缩试验的环刀样时，预先进行了人工击实，这一操作预先导致了一部分的压缩，而这部分压缩量并未计算在最终的压缩量内，使得本来具有较大的孔隙的污染土体，特别是污染黏性土预先得到压缩，从而导致压缩试验过程中测得的压缩量反而变小。

图7 不同工况下污染粉质黏土液塑限相对变化率Fig.7 The relative change rate of plastic limit and liquid limit of polluted silty clay

土体污染前后的压缩系数随着含水率的增大而增大(图9)，总体而言，低含水率条件下压缩系数的相对变化率要小于高含水率条件下的(图10)。这主要是因为含水率越大，排出的水越多，导致压缩系数越大。

各种污染黏性土中，Pb2+污染后的污染土压缩系数变化最大，而细砂在各种污染物作用后的压缩系数变化不大(图8、图10)。对于粉质黏土而言，重金属离子污染土的压缩系数随初始含水率的增大而增大，而汽油污染土的压缩系数总体随初始含水率的增大而增大，但在最优含水率前后的变化速率不同(图9)。同样条件下的黏性土的压缩性要明显大于细砂的压缩性(图8)，且污染物对粉质黏土的压缩性影响要大于细砂(图11)。

2.2.2 抗剪强度指标变化规律

抗剪强度是土的最重要的力学性质，直接关系到土体工程性质的好坏。抗剪强度指标(黏聚力和内摩擦角)是评价土体性质和工程设计中的重要参数。本研究采用直接剪切试验测量各种工况下土的抗剪强度，得到相关抗剪强度指标如表7所示。

表6 不同工况下土体压缩系数实测值及相对变化率

图8 不同工况下污染土的压缩系数变化Fig.8 The change of compressive coefficient under different circumstances

图9 不同含水率的污染黏性土的压缩系数变化Fig.9 The change of compressive coefficient for polluted silty clay with different initial water content

图10 不同工况下污染土的压缩系数相对变化率Fig.10 The relative change rate of compressive coefficient under different conditions

由表7数据和图12可以看出，总体而言，不同初始含水率条件下，粉质黏土污染后黏聚力值呈增大趋势，Pb2+污染土的黏聚力增大幅度最大；非黏性土污染后的黏聚力值变化不大。不同初始含水率条件下，各种污染黏性土的内摩擦角均小于未污染黏性土的，而污染后的非黏性土内摩擦角则呈增大趋势；就不同污染物的影响而言，总体上表现为重金属离子污染条件下的抗剪强度指标的变化率要大于汽油污染条件下的相应变化率。

图11 不同土性的污染土压缩系数相对变化率Fig.11 The the relative change rate of compressive coefficient for different type of soil

图12 不同工况下土的抗剪强度指标变化Fig.12 The change of shear strength indexes under different initial conditions

图13反映了粉质黏土各种条件下抗剪强度指标随含水率的变化情况。未污染的粉质黏土黏聚力随着含水率的增大而减小，内摩擦角则呈现降低趋势，而污染后的粉质黏土随着含水率的增大总体上呈现先减小后增大，在靠近最优含水率(20%)时达到最低；内摩擦角呈现降低趋势，其中，含水率由15%到20%时，下降速率较缓，由20%到23%时，下降速率增大。由此可以合理推断，当土体初始含水率为最优含水率时，污染物的作用对黏聚力与内摩擦角的影响最大。

表7 不同工况下土的抗剪强度指标实测值

图13 不同污染黏性土抗剪强度指标随含水率的变化Fig.13 The change of shear strength indexes for polluted silty clay with water content

3 结论

从土体本身性质出发，特别是探讨了不同初始含水状态和颗粒组成、矿物组成等因素对同样污染物作用下的物理力学性质改变的影响，得到以下结论。

(1)土体初始含水率不同，各种污染物作用下的物理性质指标的变化情况不同。其中，污染粉质黏土污染前后的密度随着含水率的增大而增大，但当含水率低于最优含水率时，各污染物对粉质黏土的污染效果较明显，密度相对变化率最大；随着含水率的增大，各污染土的密度相对变化率均减小。当初始含水率低于最优含水率时，不同污染土的塑限整体呈减小趋势，而液限增大；反之，当初始含水率接近或大于土体最优含水率时，污染土的塑限增大，而液限减小。

(2)土体初始含水率不同，各种污染物作用下的力学性质指标变化也不同。初始含水率越大，压缩系数越大，污染后的压缩系数的变化率也越大。未污染的粉质黏土黏聚力随着含水率的增大而减小、内摩擦角则呈现降低趋势；污染后的粉质黏土的黏聚力随着含水率的增大总体上呈现先减小后增大，内摩擦角呈现降低趋势，其中，含水率小于最优含水率时，下降速率较缓，大于最优含水率后，下降速率增大。

(3)土体颗粒及矿物组成对污染物污染效果也有很大的影响。总体而言，细砂相较黏性土在同样污染物作用后物理力学性质更加稳定，相对变化率更小；且在抗剪强度指标特别是内摩擦角的变化与粉质黏土呈现相反的趋势，即各种污染黏性土的内摩擦角均小于未污染黏性土的，而污染后细砂的内摩擦角则呈增大趋势。

(4)就污染物种类的影响效果而言，总体上表现为重金属离子污染物对黏性土的污染效果要大于同样条件下汽油的污染效果。