重金属污染粉质黏土强度特性实验研究4300字

1、重金属污染粉质黏土强度特性实验研究4300字 摘 要：将不同浓度CuCl2溶液与北京某地粉质黏土拌和制成重塑土样，对其进展三轴固结不排水剪实在验。结果说明，随着Cu2+浓度的增大，土样的轴向应力差不断降低，同时抗剪强度指标有效粘聚力与有效内摩擦角也相应降低。通过对试验结果空间平面拟合，建立了以法向应力、浸透吸力双应力变量描绘的强度模型。 毕业关键词：污染土体；抗剪强度；浸透吸力；强度模型0 引言随着工业化进程的加速开展，建立工程中遇到了越来越多的污染土问题，重金属污染土是其中之一。重金属离子在侵蚀土体的过程中会进展长期的积累、沉淀和迁移等行为，这些行为会导致土体的物理构造与化学性质发生变化，进

2、而影响土体的强度和变形特性1，2，3。对此，国内外许多学者做了研究，并获得了一些成果。Arthur 等4的研究结果说明，重金属铜离子浓度的变化会导致土体的物理特性发生改变。陆海军等5从微观构造试验分析得到铅污染黏土相较于原状土孔隙率增大，随含铅污染物浓度增大，污染黏土的抗剪强度降低，粘聚力与内摩擦角分别减小。莫菲苹等1针对粗颗粒土做了三轴固结不排水剪切试验并与直剪试验进展比照，结果说明同围压作用下，随着重金属离子浓度的增大，土体抗剪强度不断降低，且不同离子浓度作用下抗剪强度与法向应力关系曲线近似一致。P.Witteveend等6在固结试验中发现浸透吸力对土体变形有重要影响，随着浸透吸力增大，土

3、体变形增大. Pineda7通过直剪试验研究孔隙液浓度对软黏土强度影响规律，并分析抗剪强度与孔隙液电导率之间的关系，结果说明随着孔隙液浓度增大，电导率增大，软黏土的强度进步。即在高浓度孔隙液作用下，土粒变得密实，从而强度进步。 郭慧英等8通过理论推导证明了浸透吸力可以作为控制土体力学性状的独立应力状态变量，并进展了室内三轴固结不排水剪实在验，结果说明随土样中离子浓度增大，有效粘聚力和内摩擦角均降低。虽然国内外学者针对污染土强度已经做了一些研究，但多采用直剪试验，不能真实反映土体破坏状态和过程。本文通过不同浓度的CuCl2溶液侵蚀北京某施工场地粉质黏土制得试样，开展室内三轴固结不排水实验。实验完

4、毕后测定孔隙液电导率，通过孔隙液电导率计算浸透吸力。并通过分析剪实在验数据，建立了浸透吸力和法向应力共同作用下的双应力变量扩展摩尔-库仑强度模型。1 北京某施工场地粉质黏土三轴强度实验1.1 实验材料实验土取自北京某施工场地粉质黏土，其根本物理性质如下：1.2 土样制备采用室内轻型击实标准制样，试样直径为50mm，高度?100mm，详细操作步骤如下：1将2500g土样铺在塑料薄膜上，并将500g溶液均匀喷洒在土样上，充分搅拌并在保鲜袋静置48小时使水分均匀。2土样分四层击实，每层土样重量为95g，高度为2.5厘米，将层与层处刮毛。3将土样置于抽气饱和缸进展饱和，以一个大气压的压力连续进展抽气两

5、小时以上，并完全浸泡在水中10个小时以上。之后将土样通过三轴仪施加反压进一步饱和，至B，认为土样完全饱和。1.3 三轴固结不排水剪实在验：试验仪器为污染土柔性壁三轴仪。对不同浓度CuCl2溶液侵蚀过的土样分别施加100kPa、200kPa、300kPa、400kPa围压，对其进展固结不排水剪切强度试验。2 结果与分析2.1 各离子浓度作用下应力应变关系曲线由图1可知，随着轴向应变增大，其应力也逐渐增大，刚开场呈线性增大，增大到一定程度开场变缓，发生塑性变形，应力应变呈硬化型。在各个围压下，随着Cu2+浓度不断增加，土样的轴向应力差出现不同程度的降低。即重金属离子的侵入，在某种程度上改变了土颗粒

6、原有的构造排列，使土样抗剪强度降低，且随着离子浓度增大，其改变量减小。此结果可能与黏土颗粒比外表积有关。在黏土颗粒比外表积一定时，当离子浓度增大到饱和，其对黏土颗粒构造排列的侵蚀和弱化到达极限，此时即使离子浓度继续增加，土体抗剪强度也不再发生变化。2.2 极限强度与最大围压关系曲线由图2可以看出，土体极限应力随着离子浓度增大而减小，因此在工程理论中应该考虑重金属离子侵蚀对土体产生的弱化作用。在15g/L、20g/L离子浓度下，土样的极限应力大致一样，那么由于土体自身构造所限，随着离子浓度增大，土体强度并不会持续降低，而是存在一个极限值。2.3 不同侵蚀离子浓度作用下摩尔强度包线及抗剪强度指标变

7、化曲线由图4可知，随着离子浓度增大，有效抗剪强度指标ccu、cu均降低。其中离子浓度的变化对土样的粘聚力影响较大，随着CuCl2浓度从5g/L增长到20g/L，ccu由51.8kPa降低到40.1kPa，cu由15.6。降低到14.0。另外，金属离子浓度从15 g/L增大到20g/L时，粘聚力改变量较小，此时抗剪强度变化量也较小。粘性土的粘聚力由其黏粒间的各种物理化学力所决定，包括库仑力，范德华力，双电层排挤力等等。一方面重金属离子的侵入改变了土颗粒间原有的互相作用，破坏了黏土原有的胶结构造，致使其胶结强度下降。另一方面，当重金属离子侵入时，孔隙液中阳离子Cu2+会被吸附到土颗粒上并置换同等化

8、合价的极性水分子，平衡黏土外表负电位，使得黏土扩散双电层厚度减小，结合水膜变薄，颗粒间排挤力减小，颗粒间易于挪动，导致黏聚力降低。另外，由于黏土颗粒所带电荷量是一定的，那么重金属离子与结合水膜中的水分子的最大交换量也是定值，即随着重金属离子浓度增大到达饱和后，结合水膜厚度保持不变，土样宏观粘聚力趋于定值。3 基于浸透吸力的强度模型3.1抗剪强度与浸透吸力间关系曲线 三轴仪施加围压挤出土样孔隙液，应用电导仪测试其电导率并计算相应的浸透吸力9。浸透吸力与电导率之间的关系式为：=0.0191EC1.074 1-浸透吸力，单位kPa，EC-孔隙流体电导率，单位s/cm。通过计算得到对应土体的浸透吸力：

9、由图5可知，在一样围压下，浸透吸力对于土体抗剪强度影响一致，即随着浸透吸力增加，抗剪强度降低。不同围压下，各条曲线大致平行，也证明了浸透吸力可以作为有别于力学荷载的新因素。浸透吸力由孔隙液浓度引起，对土体的强度有着不可无视的弱化作用。现今污染土问题日益严重，那么基于浸透吸力的化力耦合作用应引起高度重视。3.2 双应力变量描绘的扩展摩尔库伦强度模型根据图6，引入浸透吸力作为应力变量，得到双应力变量描绘的强度公式为：=c+tanp-tanc 2其中为试样所受法向应力，为浸透吸力，p为与净法向应力对应的内摩擦角，c为与浸透吸力对应的内摩擦角，tan、tanc为拟合参数，拟合公式方差R2=0.9909

10、。根据本文三轴试验结果，详细强度表达式为：=51+tan14.8-tan3 34 结论1?S着重金属离子浓度增加，孔隙液电导率增加，浸透吸力增加，土体的抗剪强度降低，强度指标粘聚力与内摩擦角分别降低。2重金属离子的侵蚀破坏了土颗粒间原有的胶结作用，并使双电层厚度变薄，颗粒间排挤力减小，使黏土粘聚力减小。3建立了基于法向应力和浸透吸力的双应力变量的摩尔-库伦强度模型：=c+tanp-tanc所建模型在宏观上可以定量提醒重金属离子浓度对土体抗剪强度的影响，具有较高的工程应用价值。参考文献1莫菲苹，程峰.重金属污染物侵入对土体强度影响的试验研究J.矿产与地质，2022，291：114-117.2张志

11、红，李红艳，师玉敏.重金属Cu2+污染土浸透特性试验及微观构造分析J.土木工程学报，2022，4712：122-129.3Barbour S L， FredlundD G. Mechanisms of osmoticflow and volume change in clay soilsJ. CanadianGeotechnical Journal， 1989， 264： 551?C562.4Emmanuel Arthur， Per Moldrup， Martin Holmstrup，et al. Soil microbial and physicalproperties and their

12、relations along a steep copper gradient. AgricultureJ.Ecosystems and Environment，2022，159：9?C18.5陆海军，廖朱玮，汪琪，赵颖，陈威，铅污染黏土微观构造与变形强度特性J.岩石力学与工程学报，2022，33增2：4252-4257.6P.Witteveen，A.Ferrari，L.Laloui.An experimental and constitutive investigation on the chemo-mechanical behaviour of a clay.Geotechnique 63，2022，No.3，244-255.7J.A. Pineda， R. Kelly， L. Bates， D. Sheng and S. Sloan.Effects of pore fluid salinity on the shear strength of asoftclayJ.American Society of CivilEngineers，2022，146