郭玉良 曹麗文 蔡 念

(①中國礦業(yè)大學資源與地球科學學院，徐州 221116，中國)(②福建水利電力職業(yè)技術學院，永安 366000，中國)

0 引 言

污水、垃圾滲濾液等污染質侵入土體形成污染土，改變土體的物理力學性質，進而會導致地下水體污染、生態(tài)環(huán)境惡化、地表不均勻沉降、開裂等一系列環(huán)境與工程問題，對人類健康及工程活動造成重大影響(陳先華等，2003)。

目前對污染土性質的研究主要以石油污染土和重金屬污染土為主，研究發(fā)現(xiàn)土體在石油污染物的侵蝕作用下，密度下降、壓縮性提高、孔隙比變小、抗剪強度降低(Cook et al.，1992；Khamehchiyan et al.，2007；賈建麗等，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)；污染土中重金屬離子濃度越大，土體塑、液限越大，抗剪強度越小(Ratnaweera et al.，2006；張慶等，2018)。

生活源污染質指的是在日常生活或為日常生活提供服務的活動中產(chǎn)生的能夠直接或者間接危害人類與環(huán)境的物質，包括各類固體生活垃圾及其產(chǎn)生的滲濾液和生活污水等。生活源污染質侵入土體便形成了生活源污染土。目前對于生活源污染土的研究，主要還是從環(huán)境污染與污染修復治理的角度展開(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礦物而具有脹縮性，在周期性降雨和蒸發(fā)作用下土體工程性質的變化對建設工程的影響尤為顯著。研究發(fā)現(xiàn)黏土體在進行多次干濕循環(huán)作用后，土體排列更加松散，形成更大的孔隙空間，土顆粒間的膠結減弱，微觀結構發(fā)生顯著變化(Adnan et al.，1996)，土體強度急劇衰減(呂海波等，2009; 慕煥東等，2018)，在建設初期具有較高強度和穩(wěn)定性的土體在經(jīng)過多次干濕循環(huán)作用后將會發(fā)生嚴重的破壞(包承綱，2004；劉觀仕等，2007)。

由此可見，復雜的生活源污染質侵入土體及在其干濕循環(huán)作用下黏土體性質將發(fā)生改變，給工程建設活動造成巨大影響。然而，目前對干濕循環(huán)條件下生活源污染土性質演化的研究還有待深入。

為進一步了解干濕循環(huán)過程中生活源污染土性質的變化特征，本文以生活源污染質降解終端的主要產(chǎn)物Na2CO3和Na3PO4的混合溶液作為污染質溶液，利用自主研發(fā)的土體滲透測試儀對粉質黏土進行干濕循環(huán)試驗，并結合室內(nèi)土工試驗、土體表層圖片分析、X射線熒光光譜分析，測試了試驗前后土體基本性質和元素組成，分析了生活源污染質干濕循環(huán)作用下粉質黏土性質、表層裂隙和元素組成的演化規(guī)律，進而揭示了生活源污染質干濕循環(huán)作用對粉質黏土性質的影響機理。

1 生活源污染質對土體干濕循環(huán)試驗

1.1 生活源污染質的確定及土樣的選取

試驗用土取自中國徐州表層粉質黏土，對土體進行室內(nèi)土工試驗測試及X射線衍射試驗，得到未污染土體的基本性質指標和黏土礦物含量如表1、表2所示。

表1 未污染土體基本性質指標

表2 黏土礦物相對含量

利用篩分法和沉降法對試驗用土的粒度成分進行分析，得到土顆粒分析曲線(圖1)。從曲線中可以看出，土體不均勻系數(shù)Cu=3<5，曲率系數(shù)Cs=0.83<1，故屬于均粒土，級配不良土。

1.2 干濕循環(huán)試驗設計

采用自主研發(fā)的土體滲透測試儀來對土體進行干濕循環(huán)試驗。該設備由滲流控制系統(tǒng)、滲透性測量系統(tǒng)和土體取樣系統(tǒng)、廢液收集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4部分組成，具體組成結構示意如圖2所示?？紤]重力對滲流的影響，確保滲流過程中土柱橫截面上滲流壓力與污染質濃度相同、水流及污染質運移方向與土柱縱向平行，并為了更好地滿足土柱在飽和狀態(tài)下滲流，更方便確定土柱達到飽和狀態(tài)，故選擇滲流方向為從沿土柱自下向上滲流。

圖2 土體滲透測試儀

參照試驗標準ASTM D4843-88和ASTM D559-03，將滲流12 h和自然風干24 h作為一次干濕循環(huán)過程，并設置0、2、4、6、8、10 6種循環(huán)次數(shù)，150 mm、120 mm、90 mm、60 mm、30 mm 5個土樣滲流路徑長度，并結合實際垃圾填埋場情況和室內(nèi)實驗條件確定滲流壓力水頭為0.1 MPa。

首先用蒸餾水按照土體最優(yōu)含水率20.7%采用分層擊實法制備土柱(Ф80 mm)，然后裝樣，用污染質溶液進行滲流12 h后，卸下土柱倒放在通風處自然風干24 h完成一次干濕循環(huán)。其中：選擇每次滲流流量穩(wěn)定后的水壓力值和流量值進行滲透系數(shù)的計算。

2 生活源污染質干濕循環(huán)下土體性質演化特征

2.1 生活源污染質干濕循環(huán)對土體滲透性的影響

滲透系數(shù)是土體滲透性的重要表征參數(shù)。繪制不同滲流路徑長度下，土體滲透系數(shù)隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化曲線，如圖3所示。

圖3 土體滲透系數(shù)隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化曲線

(1)隨著干濕循環(huán)次數(shù)的逐漸增多，土體滲透系數(shù)呈現(xiàn)先增大后趨于穩(wěn)定的規(guī)律，且滲流路徑短的土體先達到穩(wěn)定，滲流路徑長的土體存在一定的滯后特征。

(2)土體在經(jīng)過相同次數(shù)的干濕循環(huán)后，滲流路徑越短的土體滲透系數(shù)越大，主要是由于滲流路徑短的土體在干濕循環(huán)過程中主要以滲透沖刷和水分蒸發(fā)作用為主，而滲流路徑長的土樣相較于滲流路徑短的土樣離子吸附和反應生成偏硅酸鹽、偏鋁酸鹽、碳酸鹽和磷酸鹽等難溶物質等作用更加明顯，導致土體滲透系數(shù)的變化具有一定的滯后性。

2.2 生活源污染質干濕循環(huán)對土體密度和電阻率的影響

土體密度和電阻率是反應土體受到污染程度的重要指標。將土體密度、電阻率與干濕循環(huán)次數(shù)的關系繪制成曲線，如圖4所示。

圖4 土體密度和電阻率隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化曲線

(1)土體在干濕循環(huán)的過程中密度變化情況可在一定程度上反應土體含水率的變化，因此，可以發(fā)現(xiàn)隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，土體含水率逐漸降低然后略有回升，且滲流路徑長的土樣開始回升的拐點存在一定的滯后性。

(2)土體電阻率隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加逐漸降低然后趨于穩(wěn)定，同樣滲流路徑長的土體的電阻率達到穩(wěn)定也存在一定的滯后性。

(3)土體電阻率受土體含水率和土體孔隙水溶液濃度的共同影響，對比圖4a和圖4b可以發(fā)現(xiàn)，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，土體含水率降低，但電阻率下降，說明土體中孔隙水溶液的濃度逐漸增大。

2.3 生活源污染質干濕循環(huán)對土體力學性質的影響

利用環(huán)刀(Φ61.8 mm×20 mm)取出干濕循環(huán)試驗后和自然蒸發(fā)土柱中的土樣，進行直剪試驗，得到土體抗剪強度、黏聚力(c)、內(nèi)摩擦角(φ)3個能夠反應土體力學性質的重要指標，并分別繪制各力學性質指標隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化曲線，如圖5所示。

圖5 土體抗剪強度隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化曲線

另外，粉質黏土中含有較多黏土礦物。由于黏土礦物具有較強的親水性，遇水體積膨脹，失水體積收縮。當土體含水率小于塑限時，土體表面就會開裂，產(chǎn)生裂縫。

為研究干濕循環(huán)對土體干縮性質的影響，在實驗中對干濕循環(huán)過程中土體進行拍照，得到土體裂縫在不同干濕循環(huán)次數(shù)下的照片，如圖6所示。并利用MATLAB軟件計算出土體裂縫的表觀孔隙比，得到土體開裂表觀裂隙率與干濕循環(huán)次數(shù)的關系曲線，如圖7所示。

圖6 土體干縮裂縫隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化

圖7 土體開裂表觀裂隙率與干濕循環(huán)次數(shù)的關系曲線

(1)土體抗剪強度、c和φ都隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加先降低，最后趨于穩(wěn)定。

(2)滲流路徑長的土體的抗剪強度達到穩(wěn)定狀態(tài)相對于滲流路徑短的土體存在一定的滯后性。

(3)隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加，土體表面干縮裂縫均呈現(xiàn)出逐漸發(fā)育擴展的變化規(guī)律。

(4)在干濕循環(huán)過程中，土體的一些小裂隙在循環(huán)滲透中出現(xiàn)了“愈合”的現(xiàn)象。

(5)土體表觀孔隙比隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)出雙線性增加的變化趨勢，其中0～4次循環(huán)滿足式(1)，判定系數(shù)為0.999 93。

n=0.001 67+0.2475p

(1)

R2=0.999 93

(2)

式中：n為表觀裂隙率(%)；p為干濕循環(huán)次數(shù)(次)；R2為判定系數(shù)。

4～10次循環(huán)滿足式(3)，判定系數(shù)為0.995 68。

n=-1.392+0.601p

(3)

R2=0.995 68

(4)

式中符號同上。

2.4 生活源污染質干濕循環(huán)對土體元素遷移的影響

為研究生活源污染質干濕循環(huán)下土體元素的遷移特征，選取Si、Al、Na、Ca、P、C 6種代表性元素，利用X射線熒光光譜儀(BRUKER S8 TIGER)對干濕循環(huán)試驗前后土體元素含量進行測試分析，并以試驗前后元素的密度變化量(即試驗后單位體積土體所含(某)元素的密度減去試驗前該元素的密度)為衡量指標，得到各元素密度變化量隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化曲線，如圖8所示。

圖8 代表性元素的密度變化量隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化曲線

(1)以Na2CO3和Na3PO4作為污染質溶液對土體進行干濕循環(huán)作用后，Si、Al、Ca 3種元素密度降低，P、Na、C 3種元素密度升高。

(2)隨著干濕循環(huán)土樣滲流路徑的縮短，元素的密度變化量逐漸增大。

3 生活源污染質干濕循環(huán)下土體性質演化機理

粉質黏土在生活源污染質降解終端產(chǎn)物干濕循環(huán)下土體性質發(fā)生變化的實質就是污染質溶液與土顆粒間的相互作用。通過室內(nèi)試驗及理論分析，歸納總結出生活源污染質降解終端產(chǎn)物干濕循環(huán)下粉質黏土性質演化機理主要有以下5個方面(蔡念，2019)(圖9)：

圖9 生活源污染質降解終端產(chǎn)物對土體進行干濕循環(huán)作用機理

(1)滲流沖刷作用：污染質溶液在土體中滲流，在滲透力的作用下，土體中的微小顆粒會沿著污染質溶液的滲流方向在土體孔隙間搬運、流失，使土體密度下降，孔隙度變大(滲透性增強)，孔隙水連通性增強(電阻率下降)，同時軟化土顆粒間的黏結，使土體抗剪強度下降。

生成的沉淀堵塞土體孔隙，對土顆粒產(chǎn)生膠結作用，使土體孔隙度降低，滲透性減弱，電阻率升高，抗剪強度增加。同時，也是土體密度隨干濕循環(huán)次數(shù)增加而產(chǎn)生回升現(xiàn)象的主要原因。

(3)Na+離子吸附作用：污染質溶液中大量的Na+離子吸附在帶負點的黏土顆粒表面，使土體雙電層變薄，進而使土體滲透性增強。

(4)濕脹干縮作用：黏土礦物是一種極具親水性的物質，遇水膨脹，失水收縮。由于試驗用土中含有大量的黏土礦物，因此，在蒸發(fā)過程中，土體表面含水率和密度降低，失水體積收縮，土體表面裂縫變寬，電阻率、干密度和抗剪強度增加；在滲流過程中，土體吸水體積膨脹，裂縫變窄，一些小裂隙甚至發(fā)生“愈合”。

(5)重力下滲作用：土體在自然蒸發(fā)的過程中，在沒有滲流壓力的情況下，重力成為土體水分向下滲流的主要驅動力，使土體下部含水率升高，電阻率下降，密度增大，抗剪強度降低。

4 結 論

本文以Na2CO3和Na3PO4的混合溶液為生活源污染質溶液對粉質黏土進行滲流試驗，研究分析了代表性生活源污染質干濕循環(huán)下土體性質的演化特征，并揭示了生活源污染質降解終端產(chǎn)物干濕循環(huán)對土體性質的影響機理。

(1)土體在進行生活源污染質降解終端產(chǎn)物10次干濕循環(huán)過程中，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，滲透性增強，電阻率降低，密度先減小后有所回升，黏聚力和內(nèi)摩擦角減小，且滲流路徑長的土體相對于滲流路徑短的土體具有一定的滯后性。

(2)隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，土體表面干縮裂縫均逐漸發(fā)育擴展，由于干濕循環(huán)中的加濕過程可以緩解土體裂縫的發(fā)育，土體的一些小裂隙在干濕循環(huán)過程中會出現(xiàn)“愈合”的現(xiàn)象。

(3)滲流路徑越長的土體內(nèi)部元素的密度變化量越小。

(4)生活源污染質降解終端產(chǎn)物干濕循環(huán)對粉質黏土性質演化的影響機理主要可以概括為滲流沖刷作用、生成偏硅酸鹽、偏鋁酸鹽、碳酸鹽和磷酸鹽等難溶物質的化學反應、Na+離子吸附作用、濕脹干縮作用和重力下滲作用5個方面。