柔性壁酸渗透条件下花岗岩残积土力学特性试验研究

姜华均,张星鹏,汪华斌,周 博

(华中科技大学 土木与水利工程学院,湖北 武汉 430074)

随着世界经济的快速发展,工农业中大量化石燃料的消耗以及其他自然资源的消耗,排放大量SO2及氮氧化物,使得大气环境日益恶化。其中酸雨问题尤其严重,大气中SO2的积聚是造成局地酸雨的主要原因。目前我国酸雨区主要集中在长江以南的大部分地区以及长江、珠江三角洲地区,酸雨区域已经占领了我国国土面积的10%以上,由此引发的酸雨污染问题日益受到重视。

酸性污染下岩土地基腐蚀导致对土体力学特性的影响引起了岩土工程界的高度重视[1],也是目前国际岩土体化学-力学耦合作用研究的难点和热点之一。自然条件下，残积土经过酸雨的长期侵蚀,土壤发生化学-力学耦合作用。花岗岩残积土中存在的铁质胶结物在酸污染环境中发生溶解,引起土体结构破坏产生强度变化,进而诱发土体滑坡或基础变形破坏,造成不可估量的损失[2,3]。酸污染的残积土性状取决于土颗粒、粒间胶结物和污染物的浓度以及土的结构和粒度、土粒间液体介质、吸附阳离子的成分等[4],主要源于强酸环境中游离氧化铁等物质发生溶解引起土体团粒崩解。张先伟等[5]发现湛江地区地下水偏酸性且富含铁离子,偏酸环境产生大量的铁胶结物质加强了土颗粒间的联结作用,促使游离氧化铁产生胶结效果进而提高土的强度。残积土中颗粒团聚体的稳定性不仅与氧化铁的总含量有关,而且与氧化铁在不同酸性环境的活化度关系密切[6]。

酸雨条件下花岗岩残积土物质成分和结构特征差异在很大程度上决定其力学特性,已有初步试验结果表明：花岗岩残积土受酸污染的溶蚀,土体原有结构破坏,土颗粒间的连接减弱甚至消失,导致抗剪强度参数黏聚力和内摩擦角都降低[7]；酸性条件使土体发生离子交换,水膜中离子浓度增加,从而导致原有的双电层结构发生变化,使花岗岩残积土更易发生崩解[8]。盐酸处理的花岗岩残积土样品中包裹在花岗岩残积土基本团粒单元外围的铁、铝胶质被消耗掉,特别是结构吸力的减小造成盐酸处理后的土样在拉应力作用下容易被拉断[9]。但是,目前只关注残积土的强度和结构研究不足以科学阐明水土化学作用影响其变形破坏的机理,特别是我们没法回避的关键科学问题：花岗岩残积土在酸污染条件下其结构性如何受到损伤直至破坏？

三轴柔性壁渗透法通过固结模拟真实的土体应力状况,利用一定的渗透压使酸液在土体内部发生渗流,可有效模拟酸雨的淋滤作用[10]。该方法可以精准控制及检测围压、渗透压、渗透时间等各个参数。在完成化学-力学耦合酸液渗透试验之后,可以利用三轴仪本身的功能检测酸渗透试样的抗剪强度。本文利用酸液对花岗岩残积土进行三轴柔性壁渗透试验,其作为一种酸雨加速侵蚀试验来反映残积土在酸雨作用下的力学性质变化规律。

1 柔性壁酸液渗透试验及分析

1.1 方案设计

表1 试验方案

花岗岩残积土基本物理参数见表2,经化学全分析试验所得花岗岩残积土主要氧化物的绝对含量如表3所示。

表2 花岗岩残积土基本物理性质指标

表3 花岗岩残积土各氧化物含量

1.2 试验装置

利用GDS三轴仪的渗透功能模块与剪切功能模块进行酸液渗透试验以及三轴剪切试验,设置隔离容器避免仪器受到酸的腐蚀,如图1所示。

图1 酸液隔离容器

该仪器由上部隔离室、下部隔离室以及伸缩分隔带组成,将酸液与压力控制器隔离,避免酸液腐蚀压力控制器。上部隔离室内部存放纯水,与压力控制器相连,下部隔离室存储酸液,与三轴压力室相连。中央黑色分隔带承受压力,分隔纯水与酸液。

1.3 试验处理与方法

1.3.1 制样饱和

按照《土工试验方法标准》将包裹好的土样放入无水的真空缸内,启动抽气泵排出缸内空气使真空度接近0.1 MPa,并保持抽气状态1 h。之后打开排气阀门引导水流入缸,待水漫过土样顶部,关闭排气阀门,继续抽气12 h使之饱和。

1.3.2 隔离容器安装

将back压力控制器与base压力控制器吸满纯水,将隔离容器与压力控制器相连,关闭隔离容器顶部排气阀,设置压力向容器内排入压力室的纯水,打开隔离容器顶部阀门使压力控制器纯水排空至隔离容器装满纯水。

1.3.3 酸液渗透分析

设置渗透压力为40 kPa,渗透时间为12 h或24 h,开始进行酸渗透。完成渗透过程,收集渗透液以检测离子浓度。

1.3.4 固结与不排水剪切试验

当试样完成相应设置的酸渗透之后,设置所需的固结围压,完成固结之后,关闭排水阀门,设置剪切速率0.25 mm/min,轴向应变达到25%时自动终止剪切。

1.4 渗透液离子检测结果分析

检测试样渗透液的Fe3+、Ca2+、Mg2+含量,总共包括18个溶液试样。统计每个试样的流量体积与离子浓度,计算其溢出离子平均含量,结果如图2～4所示。

图2 Ca2+流失量变化

图3 Fe3+流失量变化

图4 Mg2+流失量变化

由图2～4可以看出,相同pH酸液渗透时间越长,离子流失量越大,渗透液与试样金属离子交换作用时间越长。相同作用时间,不同pH值渗透液造成的离子流失量大小关系依次为：pH3>pH7>pH1。

pH=1时,H+与金属氧化物发生反应程度加剧,但是根据渗透试验结果分析,试样的渗透系数明显降低,溶液渗透量急剧减小,因此因渗透液带出的离子损失量偏少,多数离子残留于试样内部,但Fe3+流失量较为明显；pH=3时,渗透系数偏大,在渗透流量与pH值的共同影响下,试样在pH3渗透液下离子流失量最大；pH=7时,可以发现Ca2+与Mg2+的流失量均低于pH3样本的值,CaO与MgO活性较高,纯水溶液中发生水化反应生成微溶于水的氢氧化物,少量Ca2+与Mg2+流失。Fe2O3为倍半氧化物,其等电pH值为7.1,与纯水非常接近,因此在纯水渗透液中几乎不发生发应,但排出的渗透液中仍然检测出Fe3+,说明土样内部存在一部分可溶性铁盐。综上可知,化学-力学耦合作用下,酸雨对土体的结构性损伤受到酸雨浓度、渗透时间以及流量的综合影响。

2 酸渗透三轴渗透试验结果分析

2.1 渗透时间对渗透系数的影响

计算各时间段的平均渗透系数:前1 h每10 min计算一次,1 h后每间隔一小时计算一次,试样在pH1、pH3、pH7渗透液下的渗透系数变化趋势如图5所示,不同pH值渗透试样的渗透系数随渗透时间的增长而减小。部分数据点因仪器测量误差较前1 h的渗透系数略微增大,总体上随时间的增涨而缓慢减小。试验中,填充于骨架颗粒间的细微颗粒因渗透压作用由下往上迁移,渗透试验完成后,试样上部更为坚硬,下部孔隙比变大,上部孔隙比变小。细小颗粒不断随着渗透液迁移至试样上部,试样渗透系数逐渐下降。

图5 试样渗透系数变化趋势

根据大量的渗透试验结果,提出重塑土样渗透系数k随时间的衰减符合式(1)：

k=k0t-b

(1)

式中：k为土样在t时刻的渗透系数(cm/s);k0为土样初试渗透系数,取第一个小时的平均渗透系数(cm/s)；b为渗透系数衰减率,量纲为T-1,单位形式与t一致。

三轴渗透试验中,渗透系数衰减率b与初试渗透系数k0、渗透压、固结围压、干密度、渗透液性质等有关。对于一定渗透压、固结围压、干密度、渗透液的渗透土样,测得初试渗透系数k0(试验取第一个小时的平均渗透系数),由公式(1)求得任意时刻的渗透系数,预测土样渗透系数随时间变化。验证该函数的拟合效果,如图6所示。

图6 不同pH渗透试样渗透系数随时间变化拟合曲线

由图6可见,当其他试验条件相同时,渗透液pH=1时该函数拟合效果最佳,随着渗透液pH值升高,其拟合程度变差,且渗透系数衰减率b值逐渐减小,渗透液对于渗透系数的影响程度逐渐下降。

2.2 渗透液pH值对渗透系数的影响

由图5所示,酸性渗透液试样的渗透系数在前5 h内降低幅度较大。渗透初期,初始渗透系数的大小关系为：pH1>pH3>pH7。随着渗透时间的延长,试样渗透系数明显下降,且酸液pH值越低,其下降幅度越大。在渗透5 h之后酸渗透试样的渗透系数低于纯水渗透的试样。由于渗透液中的离子与土体的金属氧化物发生反应,使试样结构遭到破坏,进而影响其渗透性能,反映渗透液对渗透系数的影响。

Al2O3与Fe2O3是花岗岩残积土组成基本结构的金属氧化物,而溶解的氧化物胶体对黏土的水稳定性、稠度、渗透性、结构强度等均有重要影响[12],酸液中的H+能溶解在花岗岩残积土团粒外部包裹的铁、铝胶质,破坏花岗岩残积土微观结构,团聚体失去胶结物的约束[9],内部团聚体细小的粘性颗粒被释放,孔隙被填充,因此试样渗透性能将会随着试样与酸反应程度的提高而下降。本实验使用酸溶液以硫酸为主,硫酸密度(1.8305 g/cm3)及动力粘滞系数(0.021 Pa·s)均比水大,因此酸渗透试样的渗透系数略低于纯水渗透试样。

3 酸渗透不排水剪切试验结果分析

3.1 渗透液pH值的影响

图7，8分别为12，24 h试样有效偏应力-轴向应变曲线。由图7，8可知,试样偏应力q-轴向应变ε1关系曲线呈应变硬化关系,在轴向应变ε1<5%时,不同pH值渗透液渗透试样的偏应力增长趋势相近。随着轴向应变增大,不同试样的偏应力差距趋于明显。相同的渗透时间,试样峰值偏应力pH1>pH7>pH3。

图7 12 h试样有效偏应力-轴向应变曲线

图8 24 h试样有效偏应力-轴向应变曲线

离子检测与渗透试验结果表明,渗透液pH=1,酸液H+浓度增大,化学反应程度加剧,但由于试样渗透系数急剧下降,渗透量急剧减小,影响花岗岩残积土强度的胶质未能通过渗透液流出,残存于试样内部,试样偏应力峰值最大。pH=3时,试样渗透系数下降程度较小,相同时间内的渗透量依旧较大,且相应金属氧化物在该pH值下均能发生反应,离子随着渗透液流出试样内部,离子流失量最多,偏应力峰值最小；pH=7时,渗透量最大,并使得土体的一定量可溶性盐流失,对土体造成的损伤较大,因此偏应力峰值位于上述两者之间。

图9，10分别为12，24 h试样超静孔隙水压力-轴向应变曲线。由图9，10可见,相同渗透时间,pH1酸液渗透试样的超静孔隙水压力Δu在各围压条件下变化趋势相同,都随着应变的增大而逐渐增大,未达到峰值,其值差距不大。经pH3与pH7渗透液渗透试样的超静孔隙水压力变化趋势相同,随着轴线应变的增大而呈现出先增加后减小的趋势。在各围压下,超静孔隙水压力在轴向应变ε1<5%相近,之后增长到该围压下对应的峰值,其峰值随着围压的增大而增大,达到峰值后孔隙水压力呈现下降趋势,围压越大,下降幅度越大。相同条件下,pH3渗透液试样其超静孔隙水压力值在下降阶段略大于pH7渗透液渗透的试样,表明pH3渗透试样的粘性增大,渗透系数降低,孔隙水压力消散较为缓慢。

图9 12 h试样超静孔隙水压力-轴向应变曲线

图10 24 h试样超静孔隙水压力-轴向应变曲线

图11，12分别为12，24 h试样偏应力-平均有效应力曲线。由图11，12可以看出,在相同的渗透时间内,pH3与pH7渗透液渗透试样在不同围压下应力路径变化趋势相同,都为偏应力在剪切过程中持续增大。平均有效应力在固结围压较小时先缓慢减小后持续增大,在固结围压较大时前期有短暂的增加过程。尽管pH3-12 h-100 kPa试样出现了应变软化现象,但是在相同酸渗透条件下,试样在不同围压下的有效应力路径包络线都趋近一条直线。pH3与pH7渗透液试样应力路径相差不大,各阶段接近平行。pH1渗透液试样有效应力路径变化趋势与上述两种条件试样不同。在渗透液pH=1条件下,平均有效应力p′在高围压下呈现出持续增大的趋势,在围压较低时存在先增大后减小最后持续增大的趋势。其包络线斜率明显小于pH3与pH7渗透液渗透的试样。

图11 渗透12 h试样偏应力-平均有效应力曲线

图12 渗透24 h试样偏应力-平均有效应力曲线

3.2 渗透时间的影响

图13～15分别为不同渗透时间试样的偏应力-轴向应变曲线、超静孔隙水压力-轴向应变曲线、偏应力-平均有效应力曲线。由图13可以看出,在渗透液pH值相等的情况下,渗透24 h试样的偏应力峰值基本小于渗透12 h的试样。固结围压增大,两者之间的差距逐渐变小。结合离子检测结果分析,渗透时间增长,溶液与土体水化反应时间越长,其与游离氧化物、倍半氧化物反应产生的可溶性盐在渗透压的作用下持续从试样排出,土体内部孔隙变大,得到的偏应力峰值减小。高固结围压下的土体偏应力峰值主要受土体颗粒骨架结构的影响,水化环境改变对偏应力峰值的影响相对较小。

图13 不同渗透时间试样偏应力-轴向应变曲线

由图14可以看出,pH3、pH7渗透液试样分别渗透12，24 h时,轴向应变较低时超静孔隙水压力相近。达到峰值后,24 h试样孔隙水压力降低幅度较小而12 h试样孔隙水压力降低幅度大,由于试样的渗透系数随着渗透时间的延长而降低,其超静孔隙水压力消散较缓慢。当渗透液pH=1时,由于试样渗透系数降低过大,孔隙水压力受剪切的影响较大。

图14 不同渗透时间试样超静孔隙水压力-轴向应变曲线

由图15可知,在相同渗透液渗透条件下,试样不同渗透时间下的应力路径变化规律相同。渗透24 h试样的偏应力小于渗透12 h试样。整体上渗透24 h试样应力路径在渗透12 h试样的左方,说明平均有效应力小于渗透12 h的试样。

图15 不同渗透时间试样偏应力-平均有效应力曲线

3.3 强度参数

取轴向应变ε1=15%对应的修正有效应力值绘制强度包络线,根据莫尔-库伦强度理论计算有效内摩擦角φ′、有效黏聚力c′。不同酸渗透条件下试样的φ′、c′与渗透液pH值、渗透时间的关系如表4所示。

表4 不同渗透条件下的强度参数

由表4可知,相同渗透时间试样的有效黏聚力c′ 随着渗透液pH值的升高而降低；相同渗透液pH值时,渗透时间越长,其有效黏聚力越低。由于渗透液会使土样胶结结构破坏,其流失量越大,对土体结构总体破坏程度越高,内部胶质产生的黏聚力越低。不同pH试样的有效内摩擦角φ′ 大体相近。

4 小 结

本文通过柔性壁酸渗透试验研究酸雨对花岗岩残积土的溶蚀作用,利用原子光谱分析法检测渗透液金属离子流失量,并对酸渗透试样进行三轴固结不排水剪切试验,分析酸渗透过程对土体强度特性的影响,得出以下结论：

(1)酸渗透试验残积土的渗透系数随着渗透时间增长而降低,渗透系数的降低速度随着渗透液pH值降低而加快；渗透系数随时间呈一定幂函数衰减变化。

(2)原子光谱分析法检测渗透液Fe3+、Ca2+、Mg2+浓度,发现pH3渗透液试样渗透系数降低幅度较小,渗透流量较高,各金属离子流失量最高。pH7渗透流量最高,但Fe3+的溶蚀作用不明显。渗透液pH=1时,试样渗透系数k降低近10倍,渗透流量最小,排出渗透液中的金属离子含量最低。

(3)不同酸渗透条件下花岗岩残积土的固结不排水剪切试验应力应变曲线呈应变硬化,其峰值偏应力受到H+浓度、渗透时间、渗透流量综合影响。相同条件下渗透时间越长,偏应力峰值越低。不同pH值渗透试样的有效偏应力峰值大小依次为：pH1>pH7>pH3。

(4)不同酸渗透条件花岗岩残积土的超静孔隙水压力随轴向应变ε1增大呈现先增大后减小的趋势。渗透时间越长,渗透液pH值越低,超静孔隙水压力消散越缓慢；相同pH值渗透试样的应力路径各阶段接近平行；平均有效应力与渗透时间相关,渗透时间越长,其平均有效应力越小,其应力路径越靠左下。酸渗透试样的有效黏聚力c′ 随着渗透液pH值升高、渗透时间延长而减小,而不同pH试样的有效内摩擦角相近。