生活源污染质干湿循环下土体性质演化特征及机理*

2022-05-11郭玉良曹丽文

工程地质学报 2022年2期

郭玉良曹丽文蔡念

(①中国矿业大学资源与地球科学学院，徐州 221116，中国)(②福建水利电力职业技术学院，永安 366000，中国)

0 引言

污水、垃圾渗滤液等污染质侵入土体形成污染土，改变土体的物理力学性质，进而会导致地下水体污染、生态环境恶化、地表不均匀沉降、开裂等一系列环境与工程问题，对人类健康及工程活动造成重大影响(陈先华等，2003)。

目前对污染土性质的研究主要以石油污染土和重金属污染土为主，研究发现土体在石油污染物的侵蚀作用下，密度下降、压缩性提高、孔隙比变小、抗剪强度降低(Cook et al.，1992；Khamehchiyan et al.，2007；贾建丽等，2009；Rahman，2010; 王林昌等，2010；Elisha，2012；Kermani et al.，2012；Khosravi et al.，2013；Nasehi et al.，2016；李敏等，2018；Safehian et al.，2018)；污染土中重金属离子浓度越大，土体塑、液限越大，抗剪强度越小(Ratnaweera et al.，2006；张庆等，2018)。

生活源污染质指的是在日常生活或为日常生活提供服务的活动中产生的能够直接或者间接危害人类与环境的物质，包括各类固体生活垃圾及其产生的渗滤液和生活污水等。生活源污染质侵入土体便形成了生活源污染土。目前对于生活源污染土的研究，主要还是从环境污染与污染修复治理的角度展开(胡莎莎等，2019；王敏等，2019; 薛淼等，2019)。

除此之外，由于黏性土中含有大量的黏土矿物而具有胀缩性，在周期性降雨和蒸发作用下土体工程性质的变化对建设工程的影响尤为显著。研究发现黏土体在进行多次干湿循环作用后，土体排列更加松散，形成更大的孔隙空间，土颗粒间的胶结减弱，微观结构发生显著变化(Adnan et al.，1996)，土体强度急剧衰减(吕海波等，2009; 慕焕东等，2018)，在建设初期具有较高强度和稳定性的土体在经过多次干湿循环作用后将会发生严重的破坏(包承纲，2004；刘观仕等，2007)。

由此可见，复杂的生活源污染质侵入土体及在其干湿循环作用下黏土体性质将发生改变，给工程建设活动造成巨大影响。然而，目前对干湿循环条件下生活源污染土性质演化的研究还有待深入。

为进一步了解干湿循环过程中生活源污染土性质的变化特征，本文以生活源污染质降解终端的主要产物Na2CO3和Na3PO4的混合溶液作为污染质溶液，利用自主研发的土体渗透测试仪对粉质黏土进行干湿循环试验，并结合室内土工试验、土体表层图片分析、X射线荧光光谱分析，测试了试验前后土体基本性质和元素组成，分析了生活源污染质干湿循环作用下粉质黏土性质、表层裂隙和元素组成的演化规律，进而揭示了生活源污染质干湿循环作用对粉质黏土性质的影响机理。

1 生活源污染质对土体干湿循环试验

1.1 生活源污染质的确定及土样的选取

试验用土取自中国徐州表层粉质黏土，对土体进行室内土工试验测试及X射线衍射试验，得到未污染土体的基本性质指标和黏土矿物含量如表1、表2所示。

表1 未污染土体基本性质指标

表2 黏土矿物相对含量

利用筛分法和沉降法对试验用土的粒度成分进行分析，得到土颗粒分析曲线(图1)。从曲线中可以看出，土体不均匀系数Cu=3<5，曲率系数Cs=0.83<1，故属于均粒土，级配不良土。

1.2 干湿循环试验设计

采用自主研发的土体渗透测试仪来对土体进行干湿循环试验。该设备由渗流控制系统、渗透性测量系统和土体取样系统、废液收集系统、数据采集系统4部分组成，具体组成结构示意如图2所示。考虑重力对渗流的影响，确保渗流过程中土柱横截面上渗流压力与污染质浓度相同、水流及污染质运移方向与土柱纵向平行，并为了更好地满足土柱在饱和状态下渗流，更方便确定土柱达到饱和状态，故选择渗流方向为从沿土柱自下向上渗流。

图2 土体渗透测试仪

参照试验标准ASTM D4843-88和ASTM D559-03，将渗流12 h和自然风干24 h作为一次干湿循环过程，并设置0、2、4、6、8、10 6种循环次数，150 mm、120 mm、90 mm、60 mm、30 mm 5个土样渗流路径长度，并结合实际垃圾填埋场情况和室内实验条件确定渗流压力水头为0.1 MPa。

首先用蒸馏水按照土体最优含水率20.7%采用分层击实法制备土柱(Ф80 mm)，然后装样，用污染质溶液进行渗流12 h后，卸下土柱倒放在通风处自然风干24 h完成一次干湿循环。其中：选择每次渗流流量稳定后的水压力值和流量值进行渗透系数的计算。

2 生活源污染质干湿循环下土体性质演化特征

2.1 生活源污染质干湿循环对土体渗透性的影响

渗透系数是土体渗透性的重要表征参数。绘制不同渗流路径长度下，土体渗透系数随干湿循环次数的变化曲线，如图3所示。

图3 土体渗透系数随干湿循环次数的变化曲线

(1)随着干湿循环次数的逐渐增多，土体渗透系数呈现先增大后趋于稳定的规律，且渗流路径短的土体先达到稳定，渗流路径长的土体存在一定的滞后特征。

(2)土体在经过相同次数的干湿循环后，渗流路径越短的土体渗透系数越大，主要是由于渗流路径短的土体在干湿循环过程中主要以渗透冲刷和水分蒸发作用为主，而渗流路径长的土样相较于渗流路径短的土样离子吸附和反应生成偏硅酸盐、偏铝酸盐、碳酸盐和磷酸盐等难溶物质等作用更加明显，导致土体渗透系数的变化具有一定的滞后性。

2.2 生活源污染质干湿循环对土体密度和电阻率的影响

土体密度和电阻率是反应土体受到污染程度的重要指标。将土体密度、电阻率与干湿循环次数的关系绘制成曲线，如图4所示。

图4 土体密度和电阻率随干湿循环次数的变化曲线

(1)土体在干湿循环的过程中密度变化情况可在一定程度上反应土体含水率的变化，因此，可以发现随着干湿循环次数的增加，土体含水率逐渐降低然后略有回升，且渗流路径长的土样开始回升的拐点存在一定的滞后性。

(2)土体电阻率随着干湿循环次数的增加逐渐降低然后趋于稳定，同样渗流路径长的土体的电阻率达到稳定也存在一定的滞后性。

(3)土体电阻率受土体含水率和土体孔隙水溶液浓度的共同影响，对比图4a和图4b可以发现，随着干湿循环次数的增加，土体含水率降低，但电阻率下降，说明土体中孔隙水溶液的浓度逐渐增大。

2.3 生活源污染质干湿循环对土体力学性质的影响

利用环刀(Φ61.8 mm×20 mm)取出干湿循环试验后和自然蒸发土柱中的土样，进行直剪试验，得到土体抗剪强度、黏聚力(c)、内摩擦角(φ)3个能够反应土体力学性质的重要指标，并分别绘制各力学性质指标随干湿循环次数的变化曲线，如图5所示。

图5 土体抗剪强度随干湿循环次数的变化曲线

另外，粉质黏土中含有较多黏土矿物。由于黏土矿物具有较强的亲水性，遇水体积膨胀，失水体积收缩。当土体含水率小于塑限时，土体表面就会开裂，产生裂缝。

为研究干湿循环对土体干缩性质的影响，在实验中对干湿循环过程中土体进行拍照，得到土体裂缝在不同干湿循环次数下的照片，如图6所示。并利用MATLAB软件计算出土体裂缝的表观孔隙比，得到土体开裂表观裂隙率与干湿循环次数的关系曲线，如图7所示。

图6 土体干缩裂缝随干湿循环次数的变化

图7 土体开裂表观裂隙率与干湿循环次数的关系曲线

(1)土体抗剪强度、c和φ都随着干湿循环次数的增加先降低，最后趋于稳定。

(2)渗流路径长的土体的抗剪强度达到稳定状态相对于渗流路径短的土体存在一定的滞后性。

(3)随干湿循环次数的增加，土体表面干缩裂缝均呈现出逐渐发育扩展的变化规律。

(4)在干湿循环过程中，土体的一些小裂隙在循环渗透中出现了“愈合”的现象。

(5)土体表观孔隙比随着干湿循环次数的增加呈现出双线性增加的变化趋势，其中0～4次循环满足式(1)，判定系数为0.999 93。

n=0.001 67+0.2475p

(1)

R2=0.999 93

(2)

式中：n为表观裂隙率(%)；p为干湿循环次数(次)；R2为判定系数。

4～10次循环满足式(3)，判定系数为0.995 68。

n=-1.392+0.601p

(3)

R2=0.995 68

(4)

式中符号同上。

2.4 生活源污染质干湿循环对土体元素迁移的影响

为研究生活源污染质干湿循环下土体元素的迁移特征，选取Si、Al、Na、Ca、P、C 6种代表性元素，利用X射线荧光光谱仪(BRUKER S8 TIGER)对干湿循环试验前后土体元素含量进行测试分析，并以试验前后元素的密度变化量(即试验后单位体积土体所含(某)元素的密度减去试验前该元素的密度)为衡量指标，得到各元素密度变化量随干湿循环次数的变化曲线，如图8所示。