【第二篇】論文題目: 不同濃度鋅離子污染土的工程力學性能試驗研究

摘要:通過直剪試驗、壓縮試驗和三軸試驗對人工制備最優含水率下不同濃度鋅離子污染土的工程力學性能進行測試,研究了不同鋅離子濃度污染土的抗剪強度和壓縮特性.結果表明:隨著鋅離子濃度的增加,污染土的內摩擦角和壓縮系數增加,內聚力和壓縮模量下降,而污染土的孔隙比隨著鋅離子濃度的增加先減小后增大;在不同垂直壓力下,隨著壓力的增加,污染土的壓縮系數整體先減小后增大,壓縮模量先增大后減小.

關鍵詞:鋅離子污染土; 抗剪強度; 壓縮特性; 力學性能試驗;

工業大發展過程中排放的污染物如果得不到有效處置,會引起生態環境的破壞,在眾多污染物類型中,鋅離子污染危害性尤為突出.由于相關企業設施陳舊,污染物處理系統不夠完善,導致含鋅污染物進入地下水和地基土中,造成地基土工程性質惡化、地基下沉等現象[1].特別是在退役老廠房[2]拆遷后的地基上的房層建設工程,必須考慮重金屬污染對地基承載力的影響,并采取相應措施進行處理.

污染土的力學性能研究涉及的學科較為廣泛,包括巖土工程、環境工程、土壤科學、化學與化工工程等多學科領域[3].在國外,對于污染土的工程力學性能研究起步較早,Graham等[4]研究得出在凍融和干濕試驗條件下,黏土中由于Na的存在使得其滲透系數減小的結論;Fukue等[5]通過對重金屬污染土電阻率特性的試驗研究,揭示了重金屬離子侵蝕土壤過程中,金屬陽離子的遷移過程和對土體電阻率的影響規律.在國內,對于污染土的工程力學性能研究相對起步較晚,朱春鵬等[6]通過人工制備不同濃度的酸、堿污染土試樣,研究了不同濃度酸、堿污染土的應力應變特性以及孔隙水壓力的變化規律;儲誠富等[7]制備了不同濃度的鋅離子污染土,通過稠度指標、無側限抗壓強度和三軸試驗研究了鋅離子污染土的力學性能指標;李熠等[8]通過電阻率試驗和剪切試驗,研究了鋅離子污染土的剪應力和剪切位移、電阻率和剪切位移以及抗剪強度和電阻率的變化規律,并提出用原始電阻率和敏感度來反映鋅離子污染土的性質;何斌等[9]通過人工拌和擊實的方法配制了不同含量Na2SO4和MgCl2的污染土,得出不同濃度Na2SO4和MgCl2污染土的塑性指數IP與液限WL的關系,并建立了相關性表達式;任禮強等[10-11]、伯桐震等[12]針對云南地區受電鍍廠和冶煉廠排出化學廢水導致紅土污染造成地基失穩的災害,研究了酸堿及硫酸鹽污染紅土的力學性能變化.

基于上述研究,本文主要通過室內試驗研究了最優含水率條件下不同濃度鋅離子污染土的抗剪強度和壓縮特性,著重研究了不同濃度鋅離子污染土的抗剪強度指標以及壓縮模量、壓縮系數、孔隙比的變化,并從微觀角度分析了產生各種變化的原因.

1 材料與方法

1.1 試驗土樣

試驗所用的土樣取自于湖北省武漢市湖北工業大學輕工學院新辦公樓基坑,取樣深度約為2.5m,該原狀土為淤泥質黏土,含少量有機質,其基本物理力學性能指標見表1,土樣的全量化學分析結果.

考慮到土體含水量對試驗的結果會產生較大影響,故采用擊實試驗測定土樣的最優含水率作為其含水量,測得試驗土樣的最大干密度為1.79g/cm、最優含水率為20%.在本試驗中,均采用試驗土樣的最優含水率計算鋅離子溶液的用量,并進行試樣配制.

1.2 污染液的配置

試驗采用國藥集團生產的六水合硝酸鋅[Zn\\(NO3\\)2·6H2O]分析純作為污染物,并配置成鋅離子濃度分別為0mg/L、200mg/L、2 000mg/L和20 000mg/L的硝酸鋅溶液.

1.3 污染土樣的制備

將事先烘干好的的土樣通過電子秤稱量,每份3kg分別裝入事先準備好的拌盆中,將配置好的不同濃度硝酸鋅溶液均勻噴灑入土樣中,采取人工拌合的方式進行充分攪拌.

本次直剪試驗和固結試驗污染土樣的制備采用手動擊實的方法,每次擊實分三層,每層擊打15次,每層試樣的高度相等,擊打完成后將鋅離子污染土樣兩端用濾紙覆蓋并用透水石封蓋放置待用.三軸試驗污染土樣的制備則采用專用擊實模具分三次擊實,制成\ue78839.1mm×80mm的污染土樣進行試驗.

1.4 試驗方法

將不同鋅離子濃度的污染土試樣分別放置1d后,取出試樣,根據土工試驗方法標準\\(GB/T50123-1999\\)分別在直剪儀中以0.8mm/min的速度進行直剪試驗、全自動固結儀中進行標準固結試驗\\(壓力等級為12.5kPa、25kPa、50kPa、100kPa、200kPa、400kPa、800kPa、1 600kPa\\)、全自動三軸儀\\(南京土壤儀器廠的Tsz系列全自動三軸儀\\)中進行不固結不排水三軸試驗.

2 結果與分析

2.1 直剪試驗結果與分析

試樣制作完成放置1d后,可以明顯看出鋅離子污染土的顏色比無污染土顏色略深,且污染土中鋅離子濃度越高,土體的顏色越深,這是因為硝酸鋅溶液中的鋅離子與土體中一些化合物結合引起了顏色的變化.

對放置1d后不同濃度鋅離子污染土樣進行了直剪試驗,得到不同濃度鋅離子污染土樣在不同壓力下\\(100~400kPa\\)的剪應力與剪切位移的關系曲線.

可見,無污染土與不同濃度鋅離子污染土樣的剪應力與剪切位移曲線有較大區別\\(根據《土工試驗規范》,當剪應力不斷增強且不停止的情況下,取4mm處剪切位移作為抗剪強度的計算值\\).其中,200mg/L的Zn\\(NO3\\)2溶液污染土樣與無污染土的直剪試驗曲線變化趨勢較為相似,在剪切位移為2mm之前,污染土樣的剪應力隨剪切位移的增加而增加,超過2mm后,污染土樣的剪應力隨剪切位移的增加變化緩慢;隨著鋅離子濃度的增加,2 000mg/L和20 000 mg/L的Zn\\(NO3\\)2溶液污染土樣的直剪試驗曲線則呈現出較明顯的線性規律,在剪切位移超過4mm后,污染土樣的剪應力隨著剪切位移的增加而繼續增加,與無污染土相比有較大的區別.上述試驗結果說明鋅離子濃度對土體抗剪強度的影響存在一個臨界的濃度,超過該臨界濃度后對土體抗剪強度的影響趨于明顯.

放置1d后不同濃度鋅離子污染土樣的抗剪強度與法向應力的關系曲線見圖2,計算得到的不同濃度Zn\\(NO3\\)2溶液污染土樣的內聚力和內摩擦角.可見,無污染土與不同濃度鋅離子污染土樣的抗剪強度有較大的差別,隨著鋅離子濃度的增加,污染土樣的內聚力下降明顯而內摩擦角則增大較多,并且在鋅離子濃度為20 000 mg/L時污染土樣的內聚力下降速率增加,而200 mg/L與2 000mg/L鋅離子濃污染土樣則較為相似,污染土樣的內摩擦角都上升到20°,與無污染土相比上升較大.

2.2 固結試驗結果與分析

對放置1d的不同濃度鋅離子污染土樣通過全自動固結儀進行標準固結試驗,得到不同濃度鋅離子污染土樣在不同壓力下\\(100~200kPa\\)的壓縮模量與鋅離子濃度的關系曲線.可見,無污染土的壓縮模量為2.54MPa;當受到鋅離子污染后,污染土樣的壓縮模量降低,且在200mg/L鋅離子濃度時,污染土樣的壓縮模量降低相對較為緩慢,但隨著鋅離子濃度的增加,污染土樣的壓縮模量降幅加快,在鋅離子濃度為2 000mg/L時,污染土樣的壓縮模量降低至2.27MPa,而在鋅離子濃度為20 000mg/L時,污染土樣的壓縮模量降低至2.12MPa,說明在受到鋅離子污染后,黏性土的壓縮模量會有所下降,且隨著鋅離子濃度的增加,黏性土的壓縮模量下降速度增加.

不同濃度鋅離子污染土樣在不同壓力下\\(100~200kPa\\)的壓縮系數與鋅離子濃度的關系曲線與壓縮模量相反,污染土樣的壓縮系數呈現出隨著鋅離子濃度的增加而增加的變化趨勢,同樣也是在鋅離子濃度為200mg/L時,污染土樣的壓縮系數增加相對緩慢,在鋅離子濃度為2 000mg/L和20 000mg/L時,污染土樣的壓縮系數增加速率變快.本次試驗得出的規律與儲誠富[7]的研究結論基本相同:污染土樣的壓縮系數隨鋅離子濃度的增加而增加,而壓縮模量則減小.

不同濃度的鋅離子污染土樣在不同壓力下\\(12.5~1 600kPa\\)的孔隙比與鋅離子濃度的關系曲線.可見,隨著壓力的增加,無污染土的孔隙比逐漸減小,而受到鋅離子污染的土樣的孔隙比下降幅度增大,無污染土的孔隙比從0.80降至0.38,而鋅離子污染土樣的孔隙比則從0.79降至0.24;在相同壓力下,污染土樣孔隙比的變化呈現出先減小后增大的趨勢,一般在鋅離子濃度為200 mg/L時達到最低點,在鋅離子濃度為20 000mg/L時達到最高點,但在壓力增加到800kPa和1 600kPa時,鋅離子污染土樣的孔隙比總體上相對無污染土有所降低,而實際情況中很難達到這么高的壓力.由此可見,鋅離子濃度對土樣孔隙比的影響較大,且使其發生趨勢改變的鋅離子濃度一般為200mg/L.

本次試驗對不同濃度鋅離子污染土樣在不同豎直壓力下的壓縮模量進行了對比.可見,隨著豎直壓力的增加,鋅離子污染土樣的壓縮模量呈現出先減小后增大的總體趨勢,且在50kPa和100kPa豎直壓力下污染土樣的壓縮模量達到最低值.在25~100kPa豎直壓力下,污染土樣的壓縮模量隨著鋅離子濃度的增加而增加,且20000mg/L鋅離子污染土樣的壓縮模量與無污染土相比增加較多,體現出土體更加堅硬難以壓縮;在200~400kPa豎直壓力下,鋅離子污染土樣的壓縮模量隨著鋅離子濃度的增加而減小;在800~1 600kPa豎直壓力下,200mg/L和2 000mg/L鋅離子污染土樣相對無污染土表現出壓縮模量增幅較大,而20 000mg/L鋅離子污染土樣則表現出壓縮模量增幅較小或者減小.總體上,無論是壓縮模量增大或者減小,200mg/L與2 000mg/L鋅離子污染土樣表現出的變化規律相同,但20 000mg/L鋅離子污染土樣則與低濃度鋅離子污染土樣不一致,且在壓力為400kPa以下時,200mg/L和2 000mg/L鋅離子污染土樣壓縮模量的變化與無污染土差別較小,由此可以推測出影響污染土樣壓縮模量的鋅離子臨界濃度應該介于2 000~20 000mg/L之間.

本次試驗還對不同濃度鋅離子污染土樣在不同豎直壓力下的壓縮系數進行了對比. 可見,隨著豎直壓力的增加,鋅離子污染土樣的壓縮系數總體呈現出下降的趨勢.在100kPa豎直壓力以下,污染土樣的壓縮系數隨著鋅離子濃度的增加而減小,且20 000mg/L鋅離子污染土樣的壓縮系數遠遠低于無污染土,表現出較高濃度鋅離子污染土樣的壓縮性較低的特點;在100kPa豎直壓力以上,污染土樣的壓縮系數隨著鋅離子濃度的增加而增加;與壓縮模量類似,200 mg/L與2 000mg/L鋅離子污染土樣的壓縮系數表現出的變化規律相同且相對無污染土的壓縮系數差別不大,但20 000mg/L鋅離子污染土樣的壓縮系數則表現出較大的差異,由此可以判斷影響污染土樣壓縮系數的鋅離子臨界濃度應該介于2 000~20 000mg/L之間.

當鋅離子濃度超過土體的最大吸附濃度時,存在于孔隙和土間隙中的鋅離子會因為過飽和而以鹽結晶的形式存在于土體中,并且Zn\\(NO3\\)2在結晶過程中吸收6個水分子,形成Zn\\(NO3\\)2·6H2O,其體積增大并且破壞了原有土顆粒之間的膠結作用,當受到壓力時,土顆粒之間的滑動增加,使得土體的壓縮模量減小,壓縮系數增大.

2.3 三軸試驗結果與分析

對不同濃度最優含水率的鋅離子污染土樣通過全自動三軸儀進行了不排水不固結三軸試驗,得出不同濃度鋅離子污染土樣的抗剪強度指標與鋅離子濃度的關系曲線.可見,鋅離子污染土樣與無污染土相比其內聚力下降明顯,且200 mg/L鋅離子污染土樣的內聚力下降速率較快,2 000 mg/L和20 000mg/L鋅離子污染土樣的內聚力下降速率放緩;污染土樣的內摩擦角則在鋅離子濃度為200mg/L時升高較快,而在鋅離子濃度為2 000 mg/L和20 000mg/L時上升速度放緩.由此可見,污染土樣的內摩擦角和內聚力變化較快階段都在鋅離子濃度為200mg/L左右.總體上來看,隨著鋅離子濃度的增加,污染土樣的內聚力下降、內摩擦角上升,這與直剪試驗抗剪強度指標的變化趨勢基本一致,見表4.

3 結論

本文對不同濃度的鋅離子污染土樣進行了室內直剪試驗、壓縮試驗和三軸試驗,研究了不同濃度鋅離子污染土樣的抗剪強度和壓縮特性,得到以下結論:

\\(1\\)三軸試驗和直剪試驗結果均表明:隨著鋅離子濃度的增加,污染土樣的內摩擦角上升、內聚力下降.

\\(2\\)固結試驗結果表明:隨著豎直壓力的增加,污染土樣的壓縮系數先增加后減小,壓縮模量先減小后增大;在低壓力下,隨著鋅離子濃度的增加,污染土樣的壓縮模量增大、壓縮系數減小,在高壓力下,隨著鋅離子濃度的增加,污染土樣的壓縮模量減小、壓縮系數增加;污染土樣的孔隙比的變化隨著鋅離子濃度的增加先減小后增大.

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