有机固化剂作用下重金属污染土的力学体变特性*

程峰 王星华

(中南大学 土木工程学院，湖南 长沙410075)

重金属污染土广泛分布于我国有色资源大省广西、贵州、云南等地.由于重金属污染土的研究尚不深入，工程施工中往往将其作为一般土进行处理，导致了很多工程事故的发生［1］. 目前对于重金属污染土的研究主要侧重于影响机理的研究，而对于污染土的力学性能、固化性能的研究成果鲜见报道.查甫生等［1］的研究表明，重金属元素被岩土体吸附后并不是稳定下来的，它不断的腐蚀与迁移破坏了土体的内部结构，降低了土颗粒间胶结力. 黄敏等［2］的研究表明，重金属污染土在传统的固化剂水泥、石灰等作用下，可以有效改善其力学强度与稳定性，但固化后土体的结构受到破坏，弹塑性较差，且固化成本较高并不能广泛推广. 黄敏等［2］通过重金属迁移试验发现，有机固化剂具有良好的保水性，能有效限制重金属污染物在土中的迁移，同时对污染物的腐蚀具有抑制作用，有效改善了土体的物理性能指标，但对于有机固化剂的配比方案及固化效果未进行深入研究.为了进一步探讨有机固化剂合理的原料、配合比以及对重金属的污染土固化效果，文中通过选择有机固化剂原料进行配合比试验，对原状土、污染土与添加有机固化剂的污染土进行了三轴排水剪切对比试验，研究有机固化剂固化前后重金属的污染土的强度特性与体变特性，为工程上治理重金属污染土提供合理与可靠的措施依据.

此外，文献［3］研究表明，污染土受到重金属元素迁移与吸附作用后，应变关系表现为颗粒间的错位滑移.文献［2，4-5］研究者认为传统的单屈服面模型在描述错位滑移的应变关系时存在一定缺陷.文中在文献［5］粗颗粒土双屈服面本构模型的基础上，采用修正剑桥模型作为压缩屈服面函数，将斯托勒(Stolle)屈服函数［6］和Pietruszczak 准则［4-5］联立作为剪切屈服面函数，建立了一个适用于重金属污染土的应变软化双屈服面弹塑性本构模型，该模型克服了传统单屈服面模型不能够描述污染土应变关系的临界状态的缺陷.

1 有机固化土试验

1.1 有机固化剂作用机理

有机固化剂是一种高浓缩的有机溶液，具有很强的置换、溶解能力［7-8］.其作用于污染土后能有效阻止重金属污染元素对土壤颗粒间双电层结构的破坏和水化膜的损伤，限制土中胶体矿物与侵入元素的离子交换活动，阻止胶结物的溶蚀;固化剂产生的化学力能封闭重金属阳离子的扩散路径，修复土颗粒间双电层的厚度，使土中的胶体矿物保持电离平衡，以提高土颗粒间的胶结力［8］. 固化剂工作原理见图1.

图1 固化剂工作机理Fig.1 Mechanism of curing agent

有机固化土与一般的石灰固化土、水泥固化土不同，它固化后形成的板状结构不会破坏土体本身的 性能［3，8］，且具有良好的弹塑性. 重金属污染土经固化后不易产生裂缝，保水性较好，有效提高了土的剪切强度、压实性与稳定性.

1.2 试验材料

1.2.1 有机固化剂原料

主要成分为环氧固化剂(4.4 二氨基二苯基甲烷)、环氧固化促进剂(四乙基溴化胺)、稀释剂(二乙二醇—乙醚). 环氧固化剂可以有效限制水化膜的破坏，减少胶体矿物的溶蚀;环氧固化促进剂有效促进土颗粒的胶结，增强凝聚力;稀释剂控制重金属元素迁移，降低其腐蚀能力. 有机固化剂所采用的原料属于环保材料［7］，不会对土体造成二次污染;另外有机固化剂作用土体后具有良好的黏附性能、保水性能，有效防止水土流失问题的发生.

1.2.2 试验土样原料

原状土、污染土土样原料均取自广西崇左市大新铅锌矿附近同片区粉质粘土，污染土其粒度构成为粒径6.85 mm，颗粒含量超过55%. 采用SSFD-600 光谱检测仪检测土中重金属污染元素主要为铅、锌、镉(含量分别为:0.15%、0.42%、1.01%)3种元素，综合含量为0.53%. 根据实验室对所取土样的物理性质指标检测结果，污染土天然含水量多低于液限，属于低液限型土，重金属污染土与同片区的未受到重金属污染的土在粒径构成上存在明显差异.土样主要物理性质指标见表1.

表1 污染土的主要性质指标Table 1 Main property indicators of contaminated soil

1.3 试验土样制备

采用所取原料土制备3 种试验土样:原状土、污染土、添加固化剂配方的污染土，固化剂成分与水的含量见表2.

表2 试样的配比方案Table 2 Ratio solution of samples

将所取原状土、污染土原料分别烘干，捣碎过2 mm筛后，作为试验原料土. 按表2 配比方案称取相应质量的原料土和水揉和均匀，在标准试模中浇捣后制成试验土样.按表2 固化土配比方案称取相应质量的原料土、固化剂和水，将固化剂和水混合摇匀后倒入原料土中，在标准试模中揉和均匀后制成固化土试样. 两种试样制作完成后，放入保湿器内存放24 h 以备试验使用.

1.4 三轴固结排水剪切试验(CD)

所用试样尺寸均为:直径3.91 cm，高8.0 cm.由于污染土的剪胀、剪缩性能变化较大，试验分两种围压:低围压为90、120、240 kPa;相对中高围压为600、900、1200 kPa. 分别进行三轴饱和排水剪切试验，分析对比试验结果，以此来研究固化前后重金属元素污染土的力学强度和体变性能变化.

1.5 试验结果与讨论

图2 －7 分别为试样在低围压和相对中高围压下的三轴固结排水剪切试验的σ1－σ3-ε1、εv-ε1和σ1/σ3-ε1关系曲线.

图2 低围压下σ1 －σ3-ε1 试验曲线对比Fig.2 Comparison of σ1 －σ3-ε1test curves under low confining pressure添加固化剂试验结果 污染土试验结果 原状土试验结果

图3 中高围压下σ1 －σ3-ε1 试验曲线结果对比Fig.3 Comparison of σ1 －σ3-ε1test curves under relatively high confining pressure添加固化剂试验结果 污染土试验结果 原状土试验结果

图4 低围压下σ1/σ3-ε1 试验曲线结果对比Fig.4 Comparison of σ1/σ3-ε1test curves under low confining pressure添加固化剂试验结果 污染土试验结果 原状土试验结果

图5 中高围压下σ1/σ3-ε1 试验结果对比Fig.5 Comparison between σ1/σ3-ε1test curves under low confining pressure添加固化剂试验结果 污染土试验结果 原状土试验结果

图6 低围压下εv-ε1 试验曲线结果对比Fig.6 Comparison between εv-ε1test curves under low confining pressure添加固化剂试验结果 污染土试验结果 原状土试验结果

图7 中高围压下εv-ε1 试验曲线结果对比Fig.7 Comparison between εv-ε1test curves under low confining pressure添加固化剂试验结果 污染土试验结果 原状土试验结果

从图2、3 中可以看出，原状污染土在低围压与相对中高围压下，峰值强度随围压的增大提高得较小，添加有机固化剂配方的污染土的峰值强度在低围压下提高了近30%，在高围压下峰值强度提高得更为明显，提高了近50%.从图4、5 中可以看出，未添加固化剂配方的重金属污染土在低围压作用下的试样表现出很高的峰值主应力比，但在高围压条件下，峰值主应力比表现出急剧降低. 而添加固化剂配方的污染土在两种围压下峰值主应力比都表现得较为平稳. 从图6、7 中可以看出，未添加固化剂配方的试样在峰值剪应力之后表现为应变软化特性，而添加固化剂配方的试样在峰值剪应力之后表现为应变硬化特性. 对比两种试样的εv-ε1关系曲线可以发现，污染土试样在低围压条件下表现出先剪缩(εv＞0)后显著剪胀(εv＜0)，在相对中高围压条件下剪胀逐渐减弱，剪缩逐渐增强;固化土试样在两种围压条件下大部分应变范围基本都表现为剪缩变形特性，其剪胀变形特性仅在临近剪切破坏时才表现出来.

2 体变特性本构模型

重金属元素在土体中的迁移、吸附作用引起土体结构形态的变化，导致了土体产生剪缩、剪胀变形特性［4-9］，其主要的塑性变形为颗粒间的错位滑移［5］，尤其在施加荷载时这种特性表现得更为明显，力学特性类似于粗粒土［10］. 为了反映这一体变特性，文中以适应于粗颗粒土的函数为基础，采用剪切屈服函数和压缩屈服函数显式积分格式联立，建立重金属污染土的双屈服面本构模型.

2.1 初始函数

2.1.1 剪切屈服函数

由前述试验结果可知重金属污染土的剪切特性主要表现为剪缩、剪胀变形，其剪切规律符合Pietruszczak 硬化准则［4］，即

式中，B 为材料常数，εs 为剪应变，MP为峰值应力比.

剪切方程的具体形式采用Gajo 和Wood［4-5］提出的屈服函数三维推广式:

式中，A 为模型参数，Md为转换应力比，表示p-q 关系曲线中转换线斜率，p 为平均正应力，q 为剪应力，q= σ1－ σ3，g(θ)为形状函数，θ 为应力方位角(Lode 角)，试验时取θ=/6，η 为应力比，η=q/p.

根据Ishihara 等［4］提出的应力状态转换概念，残余应力比Mr、峰值应力比MP与孔隙比的关系如下:

式中，Mr为残余应力比，MP为峰值应力比，e 为孔隙比，a 为模型参数，R 为形状参数.

由剪胀性的定义［5，11］可知，体应变增量εpv 与剪应变增量之比表示土体的剪胀性，其表达式为

整理式(1)－(4)可得剪切屈服函数等效形式为

式中，p0为有效初始平均应力.

为了方便计算，将式(5)按Stolle 全量双曲线的屈服函数［10］简化形式表示，即

式中，M 为残余应力比，g(θ)为形状函数，其表达式为

式中，φ 为内摩擦角.

2.1.2 压缩屈服函数

重金属污染土的压缩特性与一般土差别不大.对于纯压缩变形机理，修正的剑桥模型形式并结合相关联流动法则，可以很好地反映压缩引起的塑性体积应变［5，9-11］.通过引入形状参数R，具体的屈服函数和塑性函数形式如下:

式中，pc为固结压力.

重金属污染土在剪切变形时，各向表现出明显的同性硬化，其体应变过程可用修正的剑桥模型表示，即

式中，dpc为固结压力增量，*为v-lnp 压缩曲线斜率，v 为体积比容;κ*为v-lnp 回弹曲线斜率.

2.2 双曲面本构方程

根据上述定义的初始函数，采用显式格式的数值积分方案，其体积应变和剪切应变增量分别表示为

式中，1为压缩曲线斜率，2为剪切曲线斜率.

由df1=0 可以得到

由df2=0 可以得到

将式(12)、(13)代入式(10)、(11)，可得

式中，K 为曲线斜率系数，G 为材料常数.

或

一般情况下控制三轴排水应变试验的围压保持不变［12］，即dσ3=0，其中dε1和dσ3已知，针对该条件推导如下.

由于

式中，ε1为主应变，εv为剪缩应变，εs为剪胀应变.

将式(19)代入式(20)并联立式(21)可得

在Matlab 程序对式(23)进行数值积分，可解得dp 和dq，再代入式(20)可以得到dεv和dεs.

2.3 模型参数的确定

模型共有10个材料参数，所采用的模型参数是根据上述污染土的试验结果曲线而来.其中A 为剪胀参数，hv、m 为硬化参数，由εv-ε1曲线确定为塑性剪应变，由q-ε1曲线确定;B、a 为软化参数，由q-εs曲线确定;G0为材料参数，由大三轴试验卸载时的q-εs曲线确定;Mp为对应的η =q/p 峰值剪切强度;Mr为残余状态应力比，由曲线η-ε1确定;υ为比容，由卸载时p-εv曲线并通过式K = G2·(1 +υ)/［3(1 － 2υ)］确定. 根据文献［2］、文献［13 －14］试验结果，选取3 组试样试验结果确定模型计算参数，见表3.

表3 模型的计算参数Table 3 Calculating parameters of the model

2.4 模型拟合结果与讨论

根据上述选取的3 组试样的试验结果绘制qε1，εv-ε1和σ1/σ3-ε1曲线，并将表3 中的参数作为双屈服面应变软化弹塑性本构模型的计算参数，通过Matlab 软件进行计算并绘制出拟合曲线.试验结果及模型拟合结果的对比曲线如图8、9 所示. 从图8、图9 模型拟合曲线可以看出，模型拟合与试验结果吻合较好，能够较好地反映两种围压下重金属污染土的应力水平变化以及体缩向体胀发展的体变过程.模型拟合结果进一步验证有机固化剂可以有效提高重金属污染土剪切强度，改善污染土低围压条件下剪胀、高围压条件下剪缩的变形性能.

图8 低围压模型拟合结果与试验结果对比Fig.8 Comparison between model simulations and results of test under low confining pressure添加固化剂试验结果 未添加固化剂试验结果 模型拟合结果

图9 中高围压模型模拟结果与试验结果对比Fig.9 Comparison between model simulations and test results under relatively high confining pressure添加固化剂试验结果 污染土试验结果 原状土试验结果

3 结论

(1)有机物固化剂能显著提高重金属污染土的峰值强度，在有机固化剂配合比不变时，能使峰值强度提高近30% ～50%，随着围压的增加峰值强度提高越明显;

(2)有机固化剂能有效地改善重金属污染土应变软化与应变硬化的性能，使其在不同围压下的剪胀、剪缩特性趋于平稳，增加土体的稳定性;

(3)重金属污染土双曲面体变本构模型克服了单屈服面模型不能描述土体由剪胀到剪缩应变临界状态的缺陷. 数值模拟结果与试验结果较为接近，表明该模型在描述重金属污染土的体变特性方面具有优越性.

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