常态水环境下钙镁对土体结构的影响

常态水环境下钙镁对土体结构的影响

1土体力学和结构变异的关系土壤固相主要由矿物颗粒和胶结物组成。胶结物主要由盐类、氢氧化物、二氧化硅、倍半氧化物及有机质和无机化合物等组成,它们在单位土体中所占有的体积决定着土体孔隙的大小,其赋存的状态又决定着颗粒接触方式及土的结构强度。因此,胶结物的物理及化学性质在相当大的程度上决定着土体的力学性状与工程特性。大多数盐类胶结物可以与水溶液发生反应。在自然环境中,胶结物的成份及对颗粒胶结作用的强弱与地下水的化学组份相关联。在许多情况下,地下水中化学组份的变异,与胶结物的溶蚀、颗粒的吸附等构成一种动态的化学平衡,从而影响着土体结构。根据分子动力学理论,变形与破坏过程是一种热作用过程,是颗粒单元体要克服势能和外部环境(包括水环境)作用使颗粒活化过渡到新的平衡位置的过程,这个过程可发生在矿物颗粒的晶格上,也可发生在连接颗粒的结构中。土中矿物颗粒晶格的改变,使晶格常数、物理化学性质发生变化并形成新矿物成分。土中粒间连接的变化,改变了颗粒间的力场,使土的稳定平衡的结构形式发生变异,结构变异与团聚颗粒的分解、颗粒的位移、颗粒的重新组合和颗粒重新定向的程度相关。研究发现,在通常情况下,一般外部环境变化所激发的作用力远小于矿物颗粒内部结晶力。此作用力要使结晶晶格的原子活化,使它产生某个缺陷和位移往往是不够的。而对于坚硬、结晶程度高的岩石在外部环境剧烈变化时(如高温、高压、高浓度的极限环境),矿物晶格结构的活化与变性才有可能,即形成新成分。对于松散的土体来说,土结构骨架主要由各种形态大小的集合体(可是单个颗粒、颗粒与胶结物组成的凝块等)组成。使颗粒从平衡状态中脱离而造成粒间连结破坏所赋与的能量要比使矿物晶格的位移要求的能量小得多,因此决定土体力场变化的就是颗粒之间连接能。土结构连结能与颗粒、颗粒集合体形态、尺寸排列、方向、固体和液相的化学成分,以及颗粒之间的距离有关。外部环境并不需要出现剧烈变化、其结构在普通的常温、常压或常浓度环境下就已开始发生变异,应该说在城市常温、常压、缓慢的地下水变异环境下,土体的破坏在未破坏或未完全破坏矿物的晶格时,其结构强度已耗尽,因此矿物晶格结构以外的颗粒间的连接结构对土体强度的贡献是最大的。土结构的破裂面并不是通过颗粒本身,而是通过颗粒、颗粒集合体与集合体之间粒间连结。土中的钙和镁,一是存在于土体的骨架矿物中,如:伊利石、绿泥石等;二是以难溶盐即钙镁的碳酸盐形式存在;三是以离子形式存在于土颗粒周围的双电层之中。由以上分析可以看出,在常温、常压、缓慢的地下水变异环境下,第一种赋存形式其发生反应的量是很小的,第二种赋存形式是以连接颗粒间的钙镁的胶结物溶解来直接破坏土的结构,第三种赋存形式可以和溶液中的离子进行交换,其交换量将通过影响双电层变化而引起粒间作用力发生变化,并影响土体的结构强度。城市化作用的加大,使CO2分压增高,增加了CO2在地下水中的溶解度及水中的H+浓度,同时酸雨及其它污染源也增加了地下水中H+浓度。地下水的化学平衡的破坏,水土间的化学作用能力加大,通过水土之间的离子交换、溶解作用、水化作用、水解作用、溶蚀作用等方式,促使土体中的方解石、白云石等组分及钙质胶结物溶解,溶解的结果,使地下水中Ca2+、Mg2+含量及地下水硬度增加。三种赋存形式的化学反应式如表1。研究与调查表明,许多城市出现地下水硬度增加,北京市40年代地下水硬度低,仅11.5德国度,而1978年硬度已超过25德国度。以广西南宁市为例,在对3区段地下水硬度10年的变化特征分析发现,城区中地下水硬度普遍随城市建设活动有较大幅度地变化,在总体上呈升高趋势的背景下,硬度值波动区间大,区段的变化较大;对于郊区,硬度增加的幅度较小,波动的方差值仅是城区的十分之一。图1给出观测值的变化曲线,由此可推断地下水硬度变化必引起土颗粒矿物组分及连接程度的变化。Ca2+、Mg2+的不断析出,必将造成土骨架疏松,连结程度减弱,使土体强度降低。2钙和镁对土壤强度的影响的内部模拟试验2.1土体结构化学组份分析试验目的:在模拟水化学环境中,研究常温常压环境即常态环境下水土相互作用过程,并测试水化学组份变化,以此来判断不同水化学环境下各组成成分的贡献。试验土样:试验土样为保持天然结构的粉质粘土,取自南宁市某工程深基坑地下水面附近,为保证试验土样均匀,人工取样深度均在7m处。试样用特制的PVC管做成的环刀切取,土样个体之间重量差<2%。试验溶液:试验溶液是用氢氧化钠、盐酸和去离子水配置成五种pH值为1、4、7、10、14溶液。试验测试:溶液化学组份采用ICP光谱仪测定。主要测定土体成分中常量金属元素:铝、铁、钙、镁、钠、钾。试验步骤:制备若干原状土样备用;配置5种模拟溶液各1000mL,从1000mL溶液中先量出三个200mL,分别用300mL容积的杯子盛装;按10d、35d、60d三个时间段进行浸泡土样,达到时间后依次在3个杯子中取出试样,对溶液进行化学组份分析。试验结果及分析:表2为三个时间段水土作用后水化学溶液化学组份变化表。从表2的试验结果可以看出化学组份与土体结构之间的相互关系:pH=1的水化学环境,Fe2+/Fe3+溶出量达百量级,其次Al3+、Ca2+、Mg2+达十量级,K+、Na+仅为个位数量级。反映出在强酸环境中主要以溶出Fe2+/Fe3+、Al3+,次要以溶出Ca2+、Mg2+;pH=4的水化学环境中,以Ca2+、Mg2+的溶出量为最多,反映出土体结构破坏受Ca2+、Mg2+控制;同理在pH=7、pH=10环境中,Ca2+离子依然对结构起主要控制作用;在pH=14强碱环境下,Al3+对土体结构起主要控制作用,其次为Ca2+。在pH=10和pH=14环境水溶液中的Na+和K+的氢氧化物配置溶液所致,并不代表土体溶蚀Na+、K+的真实水平,从酸性及中性环境中Na+、K+的溶出量很低也说明了这一点。在各水化学环境(pH=1、4、7、10、14)中,溶液中6种阳离子在各自的水化学环境中随时间增长呈总体增长的趋势,说明试验所选取的6种阳离子在水土作用初期过程中以水土溶蚀为主,从部分阳离子溶出不是单调的线性增长来看,一是随时间变化,溶蚀的速度开始变缓,二是土体开始出现吸附。因此,在强酸环境下,水化学环境主要以破坏铁质胶结对土体结构进行破坏,说明铁质胶结对土体结构起绝对控制作用;在强碱环境下,Al3+对结构起控制作用;而在弱酸、碱及中性环境下,水化学环境主要以破坏钙镁质胶结对土体结构进行破坏,Ca2+、Mg2+对结构起控制作用;而Na+、K+在各个环境中表现基本一致,说明其对结构的贡献在各水化学环境中基本相同。可以看出,土体在不同水化学环境及不同水土化学作用时段存在不同的水化学组份的稳定范围,水化学环境变异对组份的溶蚀有偏向性及优先选择权,而作为土体结构组成的化学组份及其胶结物对结构的贡献的大小因水化学环境而异。2.2土样强度试验结果试验目的:在模拟的水化学环境中,研究常温常压环境即常态环境下水土相互作用过程后土体物理力学性质与水化学组份Ca2+、Mg2+之间的相互关系,以此来研究水化学组份Ca2+、Mg2+对土体结构强度的贡献。为研究对土结构强度的直接影响,构筑模拟大气圈、水圈中CO2分压增高的背景下试验—通过模拟水溶液中CO2分压增高,研究水土作用下土的应力—应变关系与强度变化规律。试验步骤:①配制pH=7的模拟溶液;②制备直径为3.91cm,高为8.00cm的三轴试验用样。土样用粗滤纸包紧,外侧用多孔过滤塑料板包扎。在三轴压力室内用pH=7的模拟溶液浸泡两组土样,其中一组通入CO2气体(PCO2),另外一组只在模拟溶液中浸泡(pH=7溶液)。为增强研究的规律性,试样采用人工制备的扰动土,扰动土用去离子水洗涤,主要目的是去掉变化较大的易溶盐影响。试样分五层击实,通过严格控制每层土的含水量、重量与锤击数达到对土样密度的控制,保证土样的均匀性,两组试样为随机抽取。通入的CO2气体压力为1个大气压;③对浸泡在溶液中土样达到浸泡时间后,分别取出两组土样进行不同围压下的三轴不固结不排水剪试验,试验采用一个试样的多级加荷方式。同时取浸泡溶液进行化学成分测试。每次从浸泡溶液中取出的试样,首先放置在底部有少量水的保湿器内,使试样含水量均匀晾干至浸泡前试样的含量水,然后再进行试验,试验周期2个月。试验结果及分析:表3为在两种水环境下土中的化学组份所占的质量百分数;表4为两种水环境作用下土的抗剪强度参数值表。图2为两种水环境、不同浸泡时间的应力—应变关系对比图。从图2和表4可以看出以下几个规律:在浸泡时间相同时,PCO2土样的强度峰值曲线均处于pH7土样的强度峰值曲线的下方,即两者在围压相同时,PCO2土样的峰值强度较pH7土样的峰值强度低,PCO2土样的内聚力C值的衰减幅度比pH7大,内摩擦角φ值在30d时变化不明显,而在63d时衰减近一半;随浸泡时间的增长,PCO2与pH7土样的峰值曲线均呈下降趋势,在浸泡36d时两峰值曲线出现交叉且差异不甚显著,内聚力C值与内摩擦角φ值均发生衰减。以pH7土样30d的C=401.8kPa、φ=36.43°值为基准,比较两环境下水土作用发生的程度,表5为两个水环境下水土作用后土抗剪强度参数的增量值比较。由表中可以看出,pH7土样在pH=7的水溶液中内聚力C值在30、36、63d时的降幅依次为0%、57.0%、78.7%,而PCO2土样内聚力C值在30、36、63d时,降幅依次为17.5%、76.0%、92.8%。去掉“纯水”即pH=7水溶液作用引起的强度参数衰减因素外,PCO2土样在CO2单独作用下引起的强度参数C值的衰减率达到14.1%～19.0%。而Φ值增量变化则有增有减,在30d与36d时基本处于同一数量级,变化幅度不大;在63d时,其衰减降幅很大,达37.1%。反映出在CO2作用下,C值基本按相同的衰减率(小于20%)进行衰减;Φ值在63d衰减降幅大不太合理,主要与试验误差有关。试验结果表明,在CO2作用下的弱酸环境中主要改变了土的胶结状态使C值降低。在pH=7环境下C值的降低主要来自于水对扰动土的“人工结构”的“软化”—扰动土的结构形成因制作土样的时间短,还来不及生成有效的胶结,颗粒间呈接触连接,水的切入造成颗粒间距离增加,致使C值降低。在CO2作用环境除上述因素外,弱酸环境对胶结物质的溶解产生了附加作用—增加了C值降低的幅度,这一点从表3土的化学组份的含量变化可以得到证实,在pH=7的水环境下所测试的土的组份基本不变化,而在CO2作用下产生的弱酸环境下土中钙的含量发生明显变化,反映出钙胶结物质的溶解对C值降低作出了贡献。2.3土体细观结构的定量表征为研究细观结构变异及细观结构变异的贡献率问题,选用扫描电镜、X射线衍射、CT技术,同时也首次引入扫描隧道显微镜技术。研究了土细观结构在水土作用中定量变化关系。因篇幅限制,仅引用试验结果分析:扫描电镜(SEM)测试可以清楚地看出不同环境下的水土作用引起的结构变异是存在的,反映出了水土作用后土结构变异的效果,尽管变异的效果、程度随水环境不同而有所差异,如在极限水环境下(pH值为1和14)结构变异比较剧烈,而在一般水环境下结构变异不显著。虽然扫描电镜(SEM)测试揭示结构变异的存在,却无法甄别不同水环境下的水土作用“平台”或“场所”是来自哪一个结构层次:即土的微观结构—矿物晶格结构还是细观结构—颗粒间连接。水土作用发生的结构层次可通过X射线衍射变化的特征来定量表征。采用晶面间距d(A)、衍射角(2θ)、衍射强度百分比(%)三个指标,通过比较原土的衍射峰数及不同水化学环境下浸泡后土的剩余衍射峰数、消失衍射峰数、新增衍射峰数,定量甄别水土作用发生的结构层次。试验表明随酸度或碱度增大,微观结构即矿物变异的种类、数量也逐渐增多。如在pH=1环境下新增的与溶蚀掉的矿物种类百分数达71.9%,在pH=14环境下新增的与溶蚀掉的矿物种类百分数达23.5%。在弱酸环境与碱性环境下,矿物变异的种类及数量基本处在同一数量级,小于20%,说明对于试验中采用的粘性土而言,在此水环境下矿物变异对土性质改变的贡献最多占20%,表明细观结构因素的贡献远大于微观结构—矿物变异因素,说明水土作用的主要是在细观结构的“平台”上进行的,即细观结构是水土作用的主要场所。CT技术与其他检测技术相比,最大的特点是在水环境下可对物体进行无损伤无接触检测,运用CT技术可以显现水化学组份变异对土体细观结构的“扰动”作用,达到直观而又不扰动地对土体细观结构实施连续、动态、定位、全程监测的目的。理论分析表明,土体CT值变化率与土体的体变存在统一性,可以用CT值变化率定量映土体因吸附、溶蚀而引起的孔隙变化即密度变化,并可预测水土作用下土体的变形。说明城市地下水化学环境缓慢变异会引起土结构的变异,而结构变异主要不是来自于微观结构—矿物晶格结构的破坏,而是因土中可溶相介质发生变异所引起。可溶相介质变异造成土中孔隙大小及数目发生变异,最终导致土的细观结构发生变异。扫描隧道显微镜技术(STM)观测了颗粒、颗粒与颗粒集合体间在水土作用下的位移变化,为水土作用下细观结构研究提供了丰富的结构变异信息,对土体细观结构模型的建立提供了理论基础。比较深刻地揭示了水土作用的本质,证实细观结构是水土作用的主要场所。3提高了土体质量的对于土体结构的认识,有助于解释土体土(1)地下水化学组份的变异,使原有的水土之间的化学组份间的平衡遭到破坏,使原有的水—土—电解质之间的平衡瓦解,吸附溶蚀作用随之活跃。对于特殊土或极限环境而言,水化学环境变异是显著且短暂的,在短时间内往往会使土体强度发生质的变化。对于城市常温、常压环境下的一般粘性土,水土相互作用却是长期的、缓慢的,尽管如此,与土体形成和经历的整个地质历史进程的水土作用相比,水化学环境变异依然是显著的。水土化学作用一方面是地下水获得化学组份的重要过程,对水土化学