楊燕YANG Yan

（安順學(xué)院資源與環(huán)境工程學(xué)院，安順 561000）

0 引言

經(jīng)濟(jì)日益發(fā)展的當(dāng)下，環(huán)境污染問題也伴隨而來，污染土體的工程性能是工程建設(shè)中不可忽視的重要問題。重金屬在紅黏土中的遷移、沉淀，以及一系列的物理化學(xué)變化會(huì)導(dǎo)致紅黏土的工程性能的變化，這對(duì)工程建設(shè)的安全問題帶來了新的挑戰(zhàn)。因此，文章通過制備不同濃度重金屬污染、不同重金屬含量的紅黏土，探討重金屬污染對(duì)紅黏土的粒度成分和抗剪性能的影響，旨在為今后的生產(chǎn)建設(shè)提供可靠的建議。

從1985 年于荷蘭召開的第一屆國際污染土?xí)h作為污染土體研究的起點(diǎn)，現(xiàn)今污染土體的研究越來越多，研究范圍也越來越廣[1]。在黏土中，摻入重金屬后其土壤中的黏粒含量會(huì)發(fā)生變化，土中重金屬離子濃度的增加會(huì)使得土體中粉粒和黏粒占比發(fā)生變化，劉剛等在研究重金屬離子對(duì)黃土物理化學(xué)及工程性質(zhì)的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，重金屬離子摻量的增大降低了污染黃土中黏粒含量[2]。

由于污染土的抗剪性和壓縮性是其工程性質(zhì)的基本，重金屬污染土的工程性能方面國內(nèi)研究主要集中在污染土對(duì)地基的強(qiáng)度和壓縮性的影響。實(shí)驗(yàn)室經(jīng)常采用抗剪試驗(yàn)、固結(jié)試驗(yàn)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)以及三軸試驗(yàn)分析和研究土體的力學(xué)特性。土體受重金屬污染后其顆粒間的相互作用發(fā)生變化，會(huì)導(dǎo)致土體的工程性能發(fā)生改變。陸海軍等通過室內(nèi)微觀結(jié)構(gòu)試驗(yàn)及無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)、固結(jié)試驗(yàn)等一些基本的物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，探索了鉛污染物對(duì)黏土微觀結(jié)構(gòu)以及變形強(qiáng)度的研究[3]。大部分的研究得出的結(jié)果為：重金屬污染土的理化和工程特性與重金屬的種類和含量有著密切的相關(guān)性[4-7]。儲(chǔ)亞等通過使用硝酸鋅作為污染物配置了3 種不同濃度的污染粉質(zhì)黏土，進(jìn)行了土壤污染前后的基本物理實(shí)驗(yàn)的對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果表明隨著離子濃度的增加，土粒比重、液塑限、粉粒含量和pH 值減小，但是黏粒含量和塑性指數(shù)增大。同時(shí)他們進(jìn)行了一系列的電化學(xué)性質(zhì)研究，分析了電阻率與土體含水率、孔隙率、飽和度之間的相應(yīng)關(guān)系[8]。重金屬離子通過與土體之間的水解、侵蝕、膠結(jié)和溶解的相互作用，會(huì)使得土體的抗剪強(qiáng)度發(fā)生變化[9]。隨著重金屬離子在土體中遷移時(shí)間的增加，土體的抗剪強(qiáng)度呈現(xiàn)下降的趨勢[9~11]。而在六價(jià)鉻、鉛離子污染土直剪試驗(yàn)過程中，其得出的剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線中沒有出現(xiàn)峰值點(diǎn)，土體顆粒間的黏聚力會(huì)隨著離子的濃度增加而提高，但是對(duì)其內(nèi)摩擦角的影響很小[12，13]。通過對(duì)鋅離子污染土進(jìn)行三軸試驗(yàn)研究，土中重金屬含量的增加會(huì)降低土體的黏聚力，其內(nèi)摩擦角會(huì)變大[14]。

1 試驗(yàn)的制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)土樣采自安順市經(jīng)開區(qū)的某邊坡紅黏土，其基本物理性指標(biāo)見表1。

表1 試驗(yàn)紅黏土基本物理性指標(biāo)

為研究不同重金屬污染程度紅黏土的工程性能變化，需進(jìn)行不同重金屬含量的紅黏土的物理性能試驗(yàn)以及直剪試驗(yàn)。重塑試驗(yàn)土樣的制備按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50123-2019）采用濕土法進(jìn)行配置。試驗(yàn)由一組沒有摻入重金屬的土樣作為對(duì)照組，另外三組土樣作為污染土樣，污染土樣的制備采用拌和法。分別取濃度為100ug/ml 的鉛、汞、鉻標(biāo)準(zhǔn)液各2.5ml、5ml、10ml、20ml 與20g 蒸餾水配置成摻入液，用噴淋的方式均勻噴灑在平鋪土樣上并拌和，用塑料密封并放置在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下靜置3d 后進(jìn)行試驗(yàn)。靜置后的土樣按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50123-2019）中的顆粒級(jí)配試驗(yàn)方法和擊實(shí)法制作重塑試驗(yàn)土樣進(jìn)行試驗(yàn)。顆粒級(jí)配試驗(yàn)通過將土樣烘干后進(jìn)行篩分試驗(yàn)，分別稱量各粒徑等級(jí)土樣的重量。直剪試驗(yàn)采用ZJ 型應(yīng)變控制式直剪儀，垂直壓力分別為100kPa、200kPa、300kPa 和400kPa。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 顆粒級(jí)配變化

采用篩分法得到的土壤顆粒級(jí)配曲線見圖1，粒度成分結(jié)果見表2。從圖1 可以看出級(jí)配曲線趨勢一致，摻入重金屬后的級(jí)配曲線均在無污染土的下方，表明重金屬會(huì)使得黏土的較小粒徑的土壤占比均有所下降。從表2 可以看出隨著重金屬的摻入，紅黏土的較小粒徑的土顆粒含量會(huì)降低，并且隨著重金屬含量的增多而降低。摻入鉛的黏土其降幅為16.71%~40.92%，摻入汞的黏土降幅為3.15%~39.71%，摻入鉻2.5ml 和5ml 的黏土有增加后隨摻入量增加呈現(xiàn)減低的情況。這是由于摻入重金屬后改變了土壤的團(tuán)聚性，土壤團(tuán)聚增強(qiáng)使得土壤較大粒徑的土壤含量增多。

圖1 不同重金屬含量污染土的級(jí)配曲線

表2 不同重金屬含量污染土的粒度成分

三種重金屬的摻入對(duì)紅黏土的粒度成分的改變也不盡相同。粒度成分受重金屬影響的變化量從大到小排序?yàn)椋恒U>汞>鉻。

2.2 抗剪強(qiáng)度變化

土壤的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)由黏聚力和內(nèi)摩擦角組成，根據(jù)抗剪強(qiáng)度與垂直壓力關(guān)系曲線圖得出抗剪強(qiáng)度指標(biāo)見表3。從表3 可以看出三種摻入重金屬的紅黏土其黏聚力均隨重金屬摻入量的增多而減小，隨重金屬摻入量的增多而減小的幅度分別為：摻入鉛的黏土降幅為11.74%~20%，摻入汞的黏土降幅為14.74%~55%，摻入鉻的黏土降幅為17.04%~24.56%。現(xiàn)有大部分研究表明，重金屬污染土壤會(huì)導(dǎo)致土體黏聚力降低，且會(huì)隨土體中重金屬濃度的增加而降低。重金屬鉛污染對(duì)黏聚力的影響與陳學(xué)金等的研究結(jié)果一致[15]，與楊波、李熠等研究得到的黏聚力隨重金屬濃度的增加而提高相反[12，13]，重金屬汞、鉻對(duì)紅黏土的粘聚力的影響現(xiàn)有研究結(jié)果較少。黏聚力反饋的是土顆粒之間的相互作用，根據(jù)表2 的結(jié)果摻入重金屬后的黏土其土壤團(tuán)聚性增大，使得土顆粒粒徑變大，從而導(dǎo)致顆粒間的空隙增多、增大，最終導(dǎo)致土顆粒之間的相互移動(dòng)性增強(qiáng)，降低了黏土的黏聚力。

表3 不同重金屬含量污染土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

而摻入重金屬后的內(nèi)摩擦角的變化不一致，摻入鉛和汞的土樣其內(nèi)摩擦角隨摻入量增多而增大，增量分別為1.62~5.13 和0.59~5，摻入鉻的土樣其內(nèi)摩擦角隨摻入量增多而減小，減量為2.31~4.11?，F(xiàn)有大部分研究表明，重金屬污染土壤會(huì)導(dǎo)致土體內(nèi)摩擦角增大，且會(huì)隨土體中重金屬濃度的增加而增大。土壤的內(nèi)摩擦角與土顆粒結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，根據(jù)表2 的結(jié)果摻入重金屬后的黏土其土壤團(tuán)聚性增大，使得土顆粒粒徑變大，從而導(dǎo)致土壤的顆粒分布不規(guī)則，使得污染紅黏土的內(nèi)摩擦角增大。摻入鉻2.5ml和5ml 的黏土細(xì)粒徑有增加后隨摻入量增加呈現(xiàn)減低，使得其內(nèi)摩擦角先小幅度增加后減小又增加，與其粒徑的含量的變化呈現(xiàn)一定的相關(guān)性。

3 結(jié)論

通過配置分別摻入100ug/ml 的鉛、汞、鉻標(biāo)準(zhǔn)液各2.5ml、5ml、10ml、20ml 的污染土樣，進(jìn)行了土樣的粒度成分和抗剪性能試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

①摻入重金屬后的紅黏土?xí)淖兤湓械膱F(tuán)聚性，污染紅黏土基本呈現(xiàn)隨著重金屬含量的增多，土壤的細(xì)顆粒含量將有減少的趨勢，除摻入鉻的黏土有先增加后降低的情況。

②紅黏土的粘聚力均呈現(xiàn)隨重金屬摻入量的增多而減小的趨勢。而摻入三種重金屬土樣的內(nèi)摩擦角的變化不一致，摻入鉛和汞的土樣其內(nèi)摩擦角隨摻入量增多而增大，摻入鉻的土樣其內(nèi)摩擦角隨摻入量增多而減小。