吳 炎，丁姝昱，趙浩楠，潘子晴，張志軍，胡 坤

(1.常州大學懷德學院，江蘇 靖江 214500；2.常州大學 環(huán)境與安全工程學院，江蘇 常州 213164)

重金屬在土體中遷移、轉(zhuǎn)化以及積累過程中，會與土顆粒發(fā)生相應的物理化學變化，引起土體強度特性的改變?，F(xiàn)階段工業(yè)化的快速發(fā)展帶動了電鍍產(chǎn)業(yè)的興起，以往電鍍廢水的無序排放使得土體重金屬含量超標，引起土體重金屬污染，其中以鍍鋅企業(yè)為代表的ZnCl2污染土最為典型[1]。對于污染土的研究，是以1985年在荷蘭召開的第一屆國際污染土會議作為起點，而我國直到20世紀80年代同濟大學才開始對污染物在土體中的遷移進行研究[2]。近些年，一批學者對于污染土的工程性質(zhì)做了相應的研究。Ladd等[3,4]通過試驗，發(fā)現(xiàn)污染土對土體的抗剪強度和應力-應變關(guān)系的影響不明顯；而Ratnaweera等[5]對細粒污染土的研究表明，細粒土的抗剪強度隨著污染物濃度的增加而減小，其應力-應變關(guān)系曲線隨著污染物濃度的增加而降低。朱春鵬等[6]通過室內(nèi)試驗探究了酸堿條件下土體的應力-應變關(guān)系以及孔隙水壓力的變化規(guī)律。儲亞[7]等著重研究電阻率與重金屬污染土中金屬離子濃度之間的關(guān)系，建立了多因素的回歸方程。張志紅等[8]對金屬污染土的力學特性進行了研究，得出金屬離子濃度增加，強度降低的相關(guān)結(jié)論。劉志彬等[9]利用電鏡掃描方法得出，隨著孔隙液Zn2+濃度的增大，膨潤土的孔隙液pH值和土樣比表面積減小，顆粒直徑增大的結(jié)論。

然而，對于不同學者，其結(jié)論也存在差異性，甚至結(jié)論完全相反。同時，國內(nèi)對污染土的研究集中在酸堿污染[10,11]，對重金屬污染的研究并不多[12,13]。很多學者室內(nèi)試驗皆采用Zn(NO3)2·6H2O作為試驗藥品[14,15]，但是實際工程中ZnCl2污染更具有代表性。針對上述問題，本文選取泰州靖江地區(qū)典型的粉質(zhì)黏土，通過室內(nèi)試驗，探究ZnCl2濃度對粉質(zhì)黏土強度特性的影響，對重金屬污染場地的評價有一定的指導意義。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用的土樣取自泰州靖江市的某一建筑工地，原狀土為靖江市典型土層中的粉質(zhì)黏土，取土深度3～5 m。根據(jù)GBT 50123-2019《土工試驗方法標準》對其進行常規(guī)土工試驗，其物理力學性質(zhì)指標如表1所示，全量化學分析結(jié)果如表2所示。將土樣風干磨碎后過2 mm篩備用。

表1 原狀土的基本物理力學性質(zhì)指標

表2 原狀土的全量化學分析

試驗所采用的重金屬污染物為國藥集團生產(chǎn)的ZnCl2分析純，試驗采用蒸餾水?？紤]到土體含水量對試驗結(jié)果會產(chǎn)生較大影響，故采用擊實試驗測定土樣的最優(yōu)含水率作為其含水量，測得試驗土樣的最大干密度為1.706 g/cm3，最優(yōu)含水率為18.4% ，如圖1所示。

圖1 擊實試驗結(jié)果

1.2 試驗方法

將備用的土樣稱量3 kg，每份分別裝入事先準備好的拌盆(用保鮮膜包裹)中，對已經(jīng)配置的氯化鋅溶液磁力攪拌12 h后均勻噴灑入土樣中，采取人工拌合的方式進行充分攪拌。根據(jù)土壤風險管控標準及相關(guān)學者的研究[16～18]，試驗設計ZnCl2濃度(氯化鋅質(zhì)量與干土質(zhì)量的比值)為5(0.5%)，10(1%)，20(2%)，30(3%) g/kg 。

本次直剪試驗與壓縮試驗土樣的制備采用電動擊實的方法，每次擊實分三層，每層擊打23次，每層試樣的高度相等。控制每組樣品的含水率為18.4%，密度為1.706 g/cm3，且密度與含水率的誤差值不超過±0.02 g/cm3和±1%，通過該方法來判斷樣品是否合格。擊實后將ZnCl2污染土樣兩端用濾紙覆蓋并用透水石封蓋放置待用。為保證無側(cè)限抗壓強度試驗污染土樣的制備則采用專用擊實模具分6次擊實，制成污染土樣進行實驗。為降低誤差，每種ZnCl2污染土樣取2組試樣進行平行實驗。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 界限含水率試驗

圖2顯示了土體液塑限隨ZnCl2濃度的變化情況，從圖2中可以看出，隨著ZnCl2濃度的增加，土體的液限和塑限的變化規(guī)律都呈現(xiàn)出先降低再增加最后降低的趨勢。兩者的極小值點都出現(xiàn)在0.5%ZnCl2濃度處。但是兩者區(qū)別在于極大值點不一樣，塑限的極大值點是在1%ZnCl2污染處，而液限的極大值點則在未污染土處，但是液限、塑限各自兩個極大值點相差并不大，都在1%以內(nèi)。圖3顯示了土體塑性指數(shù)隨ZnCl2濃度的變化情況，從圖3中可以看出，塑限指數(shù)的變化規(guī)律與液塑限相同，尤其在0.5%處，整體呈現(xiàn)“臺階”式下降。

圖2 土體液塑限隨ZnCl2濃度變化

圖3 土體塑性指數(shù)隨ZnCl2濃度變化

2.2 直剪試驗

由于直剪試驗采用抗剪強度計算內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角時抗剪強度的取值帶有一定主觀性，因此首先對不同濃度污染土在不同壓力下污染土的剪切位移與剪應力的關(guān)系進行分析。從圖4～7可以看出，在100，200，300 kPa壓力下，未污染土的剪應力總是大于ZnCl2污染土的剪應力，且在100 kPa壓力下，未污染土的抗剪強度超過污染土的抗剪強度的30%。隨著法向壓力的增加，未污染土與ZnCl2污染土之間的剪應力差值逐漸變小，直至在400 kPa壓力下，0.5%ZnCl2污染土的抗剪強度大于未污染土。在不同濃度的ZnCl2污染土中，除100 kPa外，其余三種壓力下，0.5%ZnCl2污染土的抗剪強度皆大于其他種污染情況。

圖4 100 kPa下污染土樣的剪應力

圖5 200 kPa下污染土樣的剪應力

圖6 300 kPa下污染土樣的剪應力

圖8顯示了土中ZnCl2濃度與粘聚力c、內(nèi)摩擦角φ的關(guān)系，從圖8中可以看出，隨著土中ZnCl2濃度的增加，土體的粘聚力與內(nèi)摩擦角變化趨勢相反，粘聚力先急劇降低再增加最后趨于平緩，而內(nèi)摩擦角則先增加再降低而后趨于平緩。土體被ZnCl2污染后，粘聚力皆小于未污染土，即使ZnCl2濃度增加使得粘聚力增加也遠小于未污染土，污染后土體粘聚力最大值比未污染土體粘聚力降低了30%，污染后土體粘聚力的極小值比未污染土降低了73.34%，變化幅度非常大。內(nèi)摩擦角的變化則相對小很多，污染后土體穩(wěn)定的內(nèi)摩擦角比未污染的小23.1%，其原因解釋如下。

(1)ZnCl2溶液具有弱酸性，土體受ZnCl2污染初期，其含有的膠結(jié)物被侵蝕溶解，土體的粘結(jié)強度迅速下降。對污染前后的土體進行電鏡掃描，其結(jié)果如圖9所示，從圖9a至9e，團聚的土體顆粒寬度迅速減小，顆粒物之間的粘結(jié)從緊密到松散，尤其是從圖9a至9b表現(xiàn)的最為明顯。圖中團聚顆粒的寬度呈現(xiàn)先下降又增加的趨勢，這與土體粘聚力的變化是一致的。

圖9 ZnCl2污染土電鏡掃描圖

(2)土體顆粒帶有負電荷，隨著ZnCl2溶液的增加，土體顆粒表面聚集大量金屬陽離子，這就使得擴散層的結(jié)合水膜變薄，顆粒距離變短，土顆粒之間的凝聚力增強，土體的強度增加。但是從圖8中可以看出，由于膠結(jié)物質(zhì)對土強度的貢獻更大，土體粘聚力整體是下降的。

(3)從表2中可以看出，土中除了含有大量的SiO2外，還有少量的游離氧化物，而游離氧化物對土體的強度具有較大貢獻，當ZnCl2濃度增加后，土體pH進一步下降，一部分游離氧化物產(chǎn)生酸化反應，從而降低土體的強度。

2.3 無側(cè)限抗壓強度試驗

無側(cè)限抗壓強度是評價地基承載力的重要指標，而由于試驗用土為非飽和土，因此對于無限抗壓強度將進行定性分析。從圖10中可以看出，隨著ZnCl2濃度的增加，土體的無側(cè)限抗壓強度呈現(xiàn)斷崖式下降，而后緩慢降低，趨于平緩。ZnCl2濃度從0到0.5%這段區(qū)間，土體的無側(cè)限抗壓強度下降了65.6%，而ZnCl2濃度在0.5%到3%這段區(qū)間，污染土的無側(cè)限抗壓強度降低幅度為22.1%，因此，在ZnCl2濃度為0.5%時，是土體無側(cè)限抗壓強度的關(guān)鍵節(jié)點。

圖10 土中ZnCl2濃度與無側(cè)限抗壓強度關(guān)系

2.4 壓縮固結(jié)試驗

壓縮固結(jié)試驗采用氣壓固結(jié)儀進行實驗，試樣在不同壓力下的壓縮模量與壓縮系數(shù)和ZnCl2濃度的關(guān)系如圖11所示。

圖11 土中ZnCl2濃度與壓縮模量及壓縮系數(shù)關(guān)系

從圖11中可以發(fā)現(xiàn)，污染土的壓縮模量隨ZnCl2濃度的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，壓縮系數(shù)與壓縮模量的變化趨勢相反，隨ZnCl2濃度的增加而先減小后增大。但是，壓縮系數(shù)與壓縮模量的極值點出現(xiàn)在ZnCl2濃度為0.5%處，ZnCl2濃度在1%～2%處變化幅度最大，且在ZnCl2濃度大于2%時，污染土的壓縮模量小于未污染土、壓縮系數(shù)大于未污染土。

不同固結(jié)壓力下，壓縮模量與壓縮系數(shù)也會發(fā)生變化，而壓縮模量與壓縮系數(shù)的變化趨勢相反，因此著重討論壓縮模量與土中ZnCl2濃度及固結(jié)壓力的關(guān)系，如圖12所示。從圖12中可以看出，雖然壓縮模量在變化的過程中出現(xiàn)起伏，但是具有一定規(guī)律性，尤其是隨著固結(jié)壓力的增加，土體的壓縮模量整體呈增大趨勢，而土體中ZnCl2濃度的影響在0.5%處體現(xiàn)得最為明顯，峰值點位于壓力固結(jié)800 kPa、濃度0.5%處。對于土體壓縮性的變化從圖9中可以更好地解釋，即在電鏡掃描圖中，土顆粒之間空隙越大，則壓縮性越大。

圖12 壓縮模量與土中ZnCl2濃度及固結(jié)壓力關(guān)系

3 結(jié) 論

本文采用擊實法對污染前后的重塑土樣進行界限含水率試驗、室內(nèi)直剪試驗、無側(cè)限抗壓強度實驗、壓縮固結(jié)試驗，研究了不同濃度ZnCl2污染粉質(zhì)黏土的強度特性，并得出以下結(jié)論：

(1)隨著ZnCl2濃度的增加，土體的液限和塑限以及塑性指數(shù)都呈現(xiàn)出先降低再增加最后降低的振蕩變化趨勢，極小值點出現(xiàn)在ZnCl2濃度為0.5%處。

(2)土中ZnCl2濃度的增加，使得土體粘聚力先急劇降低再增加最后趨于平緩，而內(nèi)摩擦角則先增加再降低而后趨于平緩，兩者的極值點都出現(xiàn)在0.5%處，土體粘聚力整體下降，且污染后土體粘聚力的極小值比未污染土降低了73.34%。

(3)ZnCl2污染土體粘結(jié)強度變化的主導因素是顆粒間的膠結(jié)物被侵蝕溶解，游離氧化物含量降低，結(jié)合水膜的厚度對強度的影響較低。

(4)土體的無側(cè)限抗壓強度隨ZnCl2濃度的增加呈現(xiàn)斷崖式下降后趨于平緩。ZnCl2濃度為0.5%是無側(cè)限抗壓強度變化的關(guān)鍵節(jié)點。壓縮模量與壓縮系數(shù)兩者變化趨勢相反，前者先增加后減小、后者先減小后增大。ZnCl2濃度為0.5%是無側(cè)限抗壓強度變化的關(guān)鍵節(jié)點以及壓縮模量變化的極值點。