謝首斌　李　敏　杜紅普　李　達(dá)　張靜怡

(①河北工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院　天津　300401)

(②河北省土木工程技術(shù)研究中心　天津　300401)

(③河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院　天津　300401)

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環(huán)境溫度對石油污染濱海鹽漬土強(qiáng)度及變形特性的影響*

謝首斌①②李敏①②杜紅普③李達(dá)①張靜怡①

(①河北工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院天津300401)

(②河北省土木工程技術(shù)研究中心天津300401)

(③河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院天津300401)

環(huán)境溫度影響石油黏滯性，改變石油污染土的力學(xué)特性。借助無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究不同溫度條件下石油污染濱海鹽漬土的強(qiáng)度及變形特性。結(jié)果證實(shí)：溫度對石油污染鹽漬土力學(xué)性質(zhì)影響顯著，溫度越高，污染土抗壓強(qiáng)度越低，20℃時，含油率15%污染土的抗壓強(qiáng)度較未污染土下降近70%；石油污染濱海鹽漬土的抗壓強(qiáng)度隨含油率的增加先增大后減小，環(huán)境溫度與污染土強(qiáng)度峰值點(diǎn)處的含油率反相關(guān)，10℃、20℃、30℃條件下，強(qiáng)度峰值點(diǎn)處的含油率分別為15%、10%和5%；石油污染鹽漬土表現(xiàn)為應(yīng)變軟化型破壞，含油率及環(huán)境溫度影響石油污染鹽漬土的抗變形能力，土樣的破壞面積和裂縫寬度隨含油率增加及溫度升高而增大。

石油污染土環(huán)境溫度無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變形特性濱海鹽漬土

0　引　言

石油被稱為21世紀(jì)“工業(yè)血液”，對社會的發(fā)展具有重要意義。但是，伴隨著石油的開采、運(yùn)輸及使用，石油泄漏引發(fā)土壤污染問題日益嚴(yán)重。中國躋身世界十大產(chǎn)油國，每年約十分之一的落地石油會進(jìn)入土壤環(huán)境(劉五星等，2007)，且呈逐年增加的趨勢(Aiagbe et al.，2012)；在部分重污染區(qū)，土壤原油含量達(dá)到1×104mg·kg-1，超出臨界值20倍(Rahman et al.，2011)。石油污染土的合理處置已成為迫切需要解決的科學(xué)問題。

石油污染導(dǎo)致地基承載力下降，引發(fā)地基沉降(Evgin et al.，1992)。石油污染導(dǎo)致土的最大干密度下降4%，黏聚力減小66%(Shah et al.，2003；Meegoda et al.，2006)。當(dāng)土樣含水率較高時，污染土強(qiáng)度隨含油率的增加而降低；當(dāng)土樣的含水率較低時，土樣的強(qiáng)度反而提高(鄭天元等，2013)。黏土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與含油率存在著負(fù)相關(guān)的關(guān)系。但是，當(dāng)含油率小于4%時，黏土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)出略微的增大(Khamehchiyan et al.，2007)。

石油黏度影響其流動性及在摩擦表面形成的油膜厚度(劉志明等，2014)。黏度大，流動性差，形成的油膜越厚(陳波等，2012)。溫度是影響石油黏度的一個重要參數(shù)，且與黏度間呈反相關(guān)(圖1)(杜軍駐等，2012)。微小溫度的變化，會導(dǎo)致石油的黏度有較大的差別(耿宏章等，2003)。

圖1　油品黏度與溫度的關(guān)系曲線 Fig.1　Variation of oil viscosity vs.temperature

環(huán)境溫度影響土體強(qiáng)度，在某一固定吸力下，溫度升高，水的黏滯性變小，孔隙比減小，密度增大，正常固結(jié)非飽和土的強(qiáng)度提高(姚仰平等，2011)。對于凍結(jié)鹽漬土，溫度降低，水凝結(jié)成冰，土體的抗壓強(qiáng)度越大(牛江宇等，2015)。目前，針對環(huán)境溫度對土體性質(zhì)影響的研究多集中于潔凈土體，在污染土方面的研究較少。

本文針對濱海地區(qū)石油污染鹽漬土的現(xiàn)狀，通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，分析環(huán)境溫度對石油污染土的強(qiáng)度和變形特性的影響以及低溫條件下石油含量對其影響，力求為石油污染土的工程再利用提供力學(xué)上的參考。

1　試驗(yàn)的材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

鹽漬土取自天津?yàn)I海新區(qū)，石油取自天津大港油田，石油和鹽漬土的基本物理化學(xué)性質(zhì)指標(biāo)分別見表1和表2。

表1　石油的基本性質(zhì)

Table 1　Characteristics of petroleum

性質(zhì)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)密度/kg·m-30.858屬性中間基氣味特殊氣味狀態(tài)半流體狀態(tài)顏色深棕色

表2　濱海鹽漬土的基本性質(zhì)

Table 2　Characteristics of saline soil in inshore

指標(biāo)含鹽量/%初始含水率/%稠度指標(biāo)粒徑分布/%塑限/%液限/%塑性指數(shù)<0.005mm0.01～0.005mm0.05～0.01mm0.075～0.05mm>0.075mm參數(shù)2.64218.4831.5813.146.412.737.21.52.2

1.2試驗(yàn)方法

依據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JET E40-2007)，鹽漬土風(fēng)干過2mm篩。石油和水按干土質(zhì)量的百分比與土均勻混合，采用雙向靜力壓實(shí)法制備試樣，試樣直徑39.1mm，高80mm，干密度1.65g·cm-3、1.70g·cm-3和1.75g·cm-3。

雙向靜力壓實(shí)法是一種新型的土工試驗(yàn)制樣工藝。通過控制土樣體積，稱取土樣質(zhì)量的方法嚴(yán)格確定試驗(yàn)試樣的干密度。它的優(yōu)點(diǎn)是，減小了試件尺寸誤差，制備土樣密度均勻，避免分層。

綜合考慮已有文獻(xiàn)中石油摻加量分布范圍0%～20%(Shah et al.，2003；Meegoda et al.，2006；Zulfahmi et al.，2011；鄭天元等，2013)及鹽漬土飽和度，本試驗(yàn)確定石油摻加量為0%、5%、10%、15%、20%，相應(yīng)的含水率分別為20%、15%、10%、5%、0%。

利用恒溫裝置控制溫度(10℃、20℃和30℃)，將試件置于恒溫箱中8個小時，利用TSZ-2.0型應(yīng)變控制式三軸儀測定無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，量力環(huán)系數(shù)10.52 N/0.01mm，剪切速率0.90mm·min-1，以變形量0.5mm為間隔讀取應(yīng)力值。

2　分析與討論

2.1環(huán)境溫度對石油污染鹽漬土抗壓強(qiáng)度的影響

以不同溫度條件下的1.70g·cm-3干密度石油污染濱海鹽漬土為例，建立環(huán)境溫度與石油污染鹽漬土強(qiáng)度間的量化關(guān)系(圖2)。

圖2　不同溫度下，含油率與土樣強(qiáng)度關(guān)系曲線Fig.2　Variation of unconfined compressive strength vs.petroleum content under the different temperature

環(huán)境溫度影響鹽漬土和石油污染土的抗壓強(qiáng)度，溫度越高，對應(yīng)的抗壓強(qiáng)度越低(圖2)。整體上而言，環(huán)境溫度對鹽漬土強(qiáng)度的影響較小，強(qiáng)度差值范圍僅為10～20kPa，而對石油污染土的影響顯著，強(qiáng)度最大差值可達(dá)100kPa，且含油率越大，溫度的作用越明顯。

環(huán)境溫度不同，石油污染土強(qiáng)度峰值點(diǎn)處的含油率也不同，10℃、20℃、30℃條件下，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度峰值處的含油率分別為15%、10%、5%(圖2)。隨溫度升高，污染土抗壓強(qiáng)度峰值點(diǎn)處的含油率逐漸降低。證實(shí)石油的黏滯系數(shù)是影響污染土強(qiáng)度的重要指標(biāo)。

石油通過黏接作用，包裹較大土顆粒間的細(xì)骨料顆粒，形成一種重排偽顆粒。這些填充在較大土顆粒間的偽顆?？捎行г龃箢w粒間的黏接力，形成負(fù)載阻力。溫度越低，石油黏滯性越大，與土顆粒的黏接作用越強(qiáng)，污染土強(qiáng)度越大。

2.210℃條件下石油污染對鹽漬土抗壓強(qiáng)度的影響

10℃條件下，鹽漬土和石油污染鹽漬土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均隨干密度的增大逐漸增加(圖3)。鹽漬土的增長幅度與干密度正相關(guān)，1.70g·cm-3干密度條件下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度相對于1.65g·cm-3的增加了32%，1.75g·cm-3較1.70g·cm-3增加了50%；隨干密度的增長，石油污染鹽漬土的強(qiáng)度增加幅度呈遞減趨勢，10%含油率的污染鹽漬土強(qiáng)度增加幅度分別為66%和30%，15%含油率的為75%和32%。

圖3　10℃條件下鹽漬土及石油污染土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分布Fig.3　Unconfined compressive strength of saline soil and petroleum contaminated soils at 10℃

隨含油率的增加，石油污染鹽漬土的抗壓強(qiáng)度先增大后減小(圖3)。含油率0%～15%時，污染鹽漬土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨含油率增加而增大，含油率大于15%時，強(qiáng)度開始降低。以1.70g·cm-3干密度為例，5%含油率污染土的抗壓強(qiáng)度比鹽漬土增大40%，含油率10%比5%增大48%，含油率15%比10%增大10%，增大率有明顯的降低。而20%含油率相對于15%含油率的污染土，其抗壓強(qiáng)度開始下降。

石油污染物進(jìn)入土體，與土體內(nèi)的水相和氣相共存于土骨架顆粒的間隙中，外部作用使油相在孔隙中對土相產(chǎn)生了包裹和擠壓，使土粒團(tuán)聚現(xiàn)象明顯，擴(kuò)充了土顆粒間隙。在試驗(yàn)環(huán)境溫度條件下，含油率小于15%時，石油包裹部分土顆粒，形成一種固-液接觸界面，石油表現(xiàn)為黏結(jié)作用，土樣強(qiáng)度提高；含油率大于15%時，石油完全包裹土顆粒，就會變成一種液-液接觸界面，石油的潤滑作用占主導(dǎo)，土樣強(qiáng)度開始降低。

2.3環(huán)境溫度對石油污染土抗變形性能的影響

不同環(huán)境溫度下，鹽漬土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線較為集中，溫度對鹽漬土抗變形性能的影響較小(圖4)。10℃、20℃、30℃條件下，鹽漬土峰值點(diǎn)處對應(yīng)的應(yīng)變均在4%左右。

圖4　不同溫度條件鹽漬土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4　Stress-strain curves of saline soil under different temperature

不同環(huán)境溫度下，石油污染土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均表現(xiàn)為應(yīng)變軟化型，環(huán)境溫度對石油污染鹽漬土的抗變形能力影響顯著，且影響程度隨含油率的增加而加劇(圖4和圖5)。溫度越高，石油污染土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化越平緩，峰值點(diǎn)處對應(yīng)的應(yīng)力值越小，應(yīng)變值越大。10℃、20℃和30℃條件下，5%含油率污染土峰值點(diǎn)處對應(yīng)的應(yīng)力分別為225kPa、175kPa、142kPa，應(yīng)變分別為3%、3%、4%；15%含油率污染土峰值點(diǎn)應(yīng)力分別為265kPa、203kPa、115kPa，應(yīng)變分別為3%、3.5%、4%。溫度增加降低石油污染土的抗變形能力。

圖5　不同溫度條件，污染土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5　Stress-strain curves of petroleum contaminated soil under different temperaturea.5%含油率；b.15%含油率

一般認(rèn)為當(dāng)荷載小于0.7σf(σf為破壞強(qiáng)度)時，土體的變形穩(wěn)定，處于彈性階段(楊光等，2006)。以15%含油率污染鹽漬土為例，取軸向應(yīng)變?yōu)?%時的應(yīng)力-應(yīng)變值構(gòu)建不同環(huán)境溫度石油污染鹽漬土的彈性模量(表3)。彈性模量隨環(huán)境溫度的升高而降低，其變化率卻表現(xiàn)出明顯的升高。隨著溫度升高，試件裂縫的面積和寬度逐漸增大(圖6)。30℃條件下，土樣的裂縫直接貫穿，并且形成了一條大寬度破壞面。

表3　不同溫度條件石油污染土的彈性模量

Table 3　Elastic Modulus of petroleum contaminated soil under different temperature

溫度環(huán)境彈性模量/MPa變化值變化率10℃102.4——20℃70.9-31.5-30.9%30℃33.6-37.3-52.5%

圖6　不同溫度條件15%含油率1.70g·cm-3干密度石油污染土的破壞形態(tài)Fig.6　Failure of petroleum content soil under different temperature(take soil with 15% petroleum content at 1.70g·cm3for example)a.10℃；b.20℃；c.30℃

2.410℃條件下石油污染對鹽漬土抗變形性能的影響

石油污染鹽漬土的變形破壞呈應(yīng)變軟化型，軸向應(yīng)變在3%左右時，污染土的軸向應(yīng)力達(dá)到最大值(圖7)。

圖7　10℃條件下石油污染土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.7　Stress-strain curves of petroleum contaminated soil at 10℃a.1.65g·cm-3；b.1.70g·cm-3；c.1.75g·cm-3

污染土變形的彈性階段隨含油率的增大而增大，當(dāng)含油率達(dá)到15%后，彈性階段表現(xiàn)出減小趨勢(圖7)。以1.70g·cm-3干密度為例，取軸向應(yīng)變2%計(jì)算彈性模量，發(fā)現(xiàn)10%含油率的彈性模量較5%的增大45%，15%的較10%的增大31%，而20%的較15%的減小24%。含油率15%石油污染鹽漬土的抗變形能力最強(qiáng)。

無側(cè)限條件下，鹽漬土的破壞為中部膨脹，并帶有若干條細(xì)小縱向裂縫；石油污染鹽漬土均表現(xiàn)為剪切型破壞，破壞面呈斜向45°±φ/2(圖8a)。對比圖8b～圖8e)，石油污染鹽漬土破壞面的面積及裂縫寬度隨含油率的增大呈加劇趨勢。包裹土顆粒表面的油膜改變了鹽漬土土顆粒間的咬合狀態(tài)，填充于空隙間石油的黏滯性增強(qiáng)了土顆粒之間的摩阻力，加劇了鹽漬土的脆性破壞。在已知密度條件下，含油率越大，填充于土顆?？障堕g的石油越多，對土的破壞變形越大。

圖8　1.70g·cm-3干密度不同含油率土樣的破壞形態(tài)Fig.8　Failure of petroleum contaminated soils at 1.70g·cm-3a.鹽漬土；b.含油率5%；c.含油率10%；d.含油率15%；e.含油率20%

3　結(jié)　論

(1)環(huán)境溫度影響石油污染土的抗壓強(qiáng)度，溫度越高，抗壓強(qiáng)度越低，且含油率越大，環(huán)境溫度的作用越明顯。隨著溫度的升高，污染土抗壓強(qiáng)度峰值點(diǎn)處的含油率逐漸降低，10℃、20℃、30℃條件下，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度峰值分別出現(xiàn)在15%、10%、5%含油率。

(2)10℃條件下，鹽漬土和石油污染鹽漬土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均隨干密度的增大逐漸增加，鹽漬土的增長幅度與土樣干密度呈正相關(guān)，石油污染鹽漬土隨密度的增長幅度呈遞減趨勢。含油率影響土樣強(qiáng)度的增長幅度。

(3)環(huán)境溫度的升高將降低石油污染鹽漬土的抗變形能力，且影響程度隨含油率的增加而加劇。30℃條件下，土樣的破壞面貫穿試樣整體。

(4)10℃條件下，石油污染鹽漬土的無側(cè)限抗壓試驗(yàn)變形破壞呈應(yīng)變軟化型。隨含油率的增加，石油污染鹽漬土的破壞程度越大。

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INFLUENCE OF ENVIRONMENT TEMPERATURE ON STRENGTH AND DEFORMATION OF SALINE SOIL IN INSHORE CONTAMINATED BY PETROLEUM

XIE Shoubin①②LI Min①②DU Hongpu③LI Da①ZHANG Jingyi①

(①School of Civil Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin300401)

(②Hebei Research Center of Civil Engineering Technology，Tianjin300401)

(③School of Energy and Environment Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin300401)

Environmental temperature affects oil viscosity and then changes the mechanical properties of petroleum contaminated soil.Unconfined compressive strength test is carried out to study the effect of temperature on strength and deformation of saline soils in inshore contaminated by petroleum.Results indicate that：(1) Temperature has significant effects on mechanical properties of oil contaminated saline soil.Compressive strength of petroleum contaminated soil decreases with the increasing of temperature，and reduces nearly 70% at 20°C and oil content of 15%comparing with that of un-contaminated soils.(2) Unconfined compressive strength increases first and then decreases with the increase of petroleum content.There is an opposite correlation between environmental temperature and petroleum content at maximum strength.The maximum strength with oil content of 15%，10%，and 5%shows at 10°C，20°C and 30°C，respectively.(3) Damage of petroleum contaminated saline soils presents strain softening type with failure plane of 45°±φ/2，and it is intensified with the increasing of petroleum content and temperature.Environmental temperature has obvious effect on the deformation of oil contaminated saline soil.

Petroleum contaminated soil，Environmental temperature，Unconfined compressive strength，Deformation，Saline soil in inshore

10.13544/j.cnki.jeg.2016.04.017

2015-07-08;

2015-09-22.

國家自然科學(xué)基金(51409079和41272335)，河北省自然科學(xué)基金(E2014202104)，高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(20131317120013)資助.

謝首斌(1988-)，男，碩士，主要從事污染土力學(xué)特性和固化方面的研究.Email: sowin_xie@sina.cn

簡介：李敏(1985-)，女，博士，主要從事土的改性固化及污染土方面的研究.Email: limin-0409@163.com

P642.3

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