环境温度对石油污染滨海盐渍土强度及变形特性的影响*

谢首斌　李　敏　杜红普　李　达　张静怡

(①河北工业大学土木工程学院　天津　300401)

(②河北省土木工程技术研究中心　天津　300401)

(③河北工业大学能源与环境工程学院　天津　300401)



环境温度对石油污染滨海盐渍土强度及变形特性的影响*

谢首斌①②李敏①②杜红普③李达①张静怡①

(①河北工业大学土木工程学院天津300401)

(②河北省土木工程技术研究中心天津300401)

(③河北工业大学能源与环境工程学院天津300401)

环境温度影响石油黏滞性，改变石油污染土的力学特性。借助无侧限抗压强度试验，研究不同温度条件下石油污染滨海盐渍土的强度及变形特性。结果证实：温度对石油污染盐渍土力学性质影响显著，温度越高，污染土抗压强度越低，20℃时，含油率15%污染土的抗压强度较未污染土下降近70%；石油污染滨海盐渍土的抗压强度随含油率的增加先增大后减小，环境温度与污染土强度峰值点处的含油率反相关，10℃、20℃、30℃条件下，强度峰值点处的含油率分别为15%、10%和5%；石油污染盐渍土表现为应变软化型破坏，含油率及环境温度影响石油污染盐渍土的抗变形能力，土样的破坏面积和裂缝宽度随含油率增加及温度升高而增大。

石油污染土环境温度无侧限抗压强度变形特性滨海盐渍土

0　引　言

石油被称为21世纪“工业血液”，对社会的发展具有重要意义。但是，伴随着石油的开采、运输及使用，石油泄漏引发土壤污染问题日益严重。中国跻身世界十大产油国，每年约十分之一的落地石油会进入土壤环境(刘五星等，2007)，且呈逐年增加的趋势(Aiagbe et al.，2012)；在部分重污染区，土壤原油含量达到1×104mg·kg-1，超出临界值20倍(Rahman et al.，2011)。石油污染土的合理处置已成为迫切需要解决的科学问题。

石油污染导致地基承载力下降，引发地基沉降(Evgin et al.，1992)。石油污染导致土的最大干密度下降4%，黏聚力减小66%(Shah et al.，2003；Meegoda et al.，2006)。当土样含水率较高时，污染土强度随含油率的增加而降低；当土样的含水率较低时，土样的强度反而提高(郑天元等，2013)。黏土的无侧限抗压强度与含油率存在着负相关的关系。但是，当含油率小于4%时，黏土的无侧限抗压强度表现出略微的增大(Khamehchiyan et al.，2007)。

石油黏度影响其流动性及在摩擦表面形成的油膜厚度(刘志明等，2014)。黏度大，流动性差，形成的油膜越厚(陈波等，2012)。温度是影响石油黏度的一个重要参数，且与黏度间呈反相关(图1)(杜军驻等，2012)。微小温度的变化，会导致石油的黏度有较大的差别(耿宏章等，2003)。

图1　油品黏度与温度的关系曲线 Fig.1　Variation of oil viscosity vs.temperature

环境温度影响土体强度，在某一固定吸力下，温度升高，水的黏滞性变小，孔隙比减小，密度增大，正常固结非饱和土的强度提高(姚仰平等，2011)。对于冻结盐渍土，温度降低，水凝结成冰，土体的抗压强度越大(牛江宇等，2015)。目前，针对环境温度对土体性质影响的研究多集中于洁净土体，在污染土方面的研究较少。

本文针对滨海地区石油污染盐渍土的现状，通过无侧限抗压强度试验，分析环境温度对石油污染土的强度和变形特性的影响以及低温条件下石油含量对其影响，力求为石油污染土的工程再利用提供力学上的参考。

1　试验的材料与方法

1.1试验材料

盐渍土取自天津滨海新区，石油取自天津大港油田，石油和盐渍土的基本物理化学性质指标分别见表1和表2。

表1　石油的基本性质

Table 1　Characteristics of petroleum

性质参数标准密度/kg·m-30.858属性中间基气味特殊气味状态半流体状态颜色深棕色

表2　滨海盐渍土的基本性质

Table 2　Characteristics of saline soil in inshore

指标含盐量/%初始含水率/%稠度指标粒径分布/%塑限/%液限/%塑性指数<0.005mm0.01～0.005mm0.05～0.01mm0.075～0.05mm>0.075mm参数2.64218.4831.5813.146.412.737.21.52.2

1.2试验方法

依据《公路土工试验规程》(JET E40-2007)，盐渍土风干过2mm筛。石油和水按干土质量的百分比与土均匀混合，采用双向静力压实法制备试样，试样直径39.1mm，高80mm，干密度1.65g·cm-3、1.70g·cm-3和1.75g·cm-3。

双向静力压实法是一种新型的土工试验制样工艺。通过控制土样体积，称取土样质量的方法严格确定试验试样的干密度。它的优点是，减小了试件尺寸误差，制备土样密度均匀，避免分层。

综合考虑已有文献中石油掺加量分布范围0%～20%(Shah et al.，2003；Meegoda et al.，2006；Zulfahmi et al.，2011；郑天元等，2013)及盐渍土饱和度，本试验确定石油掺加量为0%、5%、10%、15%、20%，相应的含水率分别为20%、15%、10%、5%、0%。

利用恒温装置控制温度(10℃、20℃和30℃)，将试件置于恒温箱中8个小时，利用TSZ-2.0型应变控制式三轴仪测定无侧限抗压强度，量力环系数10.52 N/0.01mm，剪切速率0.90mm·min-1，以变形量0.5mm为间隔读取应力值。

2　分析与讨论

2.1环境温度对石油污染盐渍土抗压强度的影响

以不同温度条件下的1.70g·cm-3干密度石油污染滨海盐渍土为例，建立环境温度与石油污染盐渍土强度间的量化关系(图2)。

图2　不同温度下，含油率与土样强度关系曲线Fig.2　Variation of unconfined compressive strength vs.petroleum content under the different temperature

环境温度影响盐渍土和石油污染土的抗压强度，温度越高，对应的抗压强度越低(图2)。整体上而言，环境温度对盐渍土强度的影响较小，强度差值范围仅为10～20kPa，而对石油污染土的影响显著，强度最大差值可达100kPa，且含油率越大，温度的作用越明显。

环境温度不同，石油污染土强度峰值点处的含油率也不同，10℃、20℃、30℃条件下，无侧限抗压强度峰值处的含油率分别为15%、10%、5%(图2)。随温度升高，污染土抗压强度峰值点处的含油率逐渐降低。证实石油的黏滞系数是影响污染土强度的重要指标。

石油通过黏接作用，包裹较大土颗粒间的细骨料颗粒，形成一种重排伪颗粒。这些填充在较大土颗粒间的伪颗粒可有效增大颗粒间的黏接力，形成负载阻力。温度越低，石油黏滞性越大，与土颗粒的黏接作用越强，污染土强度越大。

2.210℃条件下石油污染对盐渍土抗压强度的影响

10℃条件下，盐渍土和石油污染盐渍土的无侧限抗压强度均随干密度的增大逐渐增加(图3)。盐渍土的增长幅度与干密度正相关，1.70g·cm-3干密度条件下的无侧限抗压强度相对于1.65g·cm-3的增加了32%，1.75g·cm-3较1.70g·cm-3增加了50%；随干密度的增长，石油污染盐渍土的强度增加幅度呈递减趋势，10%含油率的污染盐渍土强度增加幅度分别为66%和30%，15%含油率的为75%和32%。

图3　10℃条件下盐渍土及石油污染土的无侧限抗压强度分布Fig.3　Unconfined compressive strength of saline soil and petroleum contaminated soils at 10℃

随含油率的增加，石油污染盐渍土的抗压强度先增大后减小(图3)。含油率0%～15%时，污染盐渍土的无侧限抗压强度随含油率增加而增大，含油率大于15%时，强度开始降低。以1.70g·cm-3干密度为例，5%含油率污染土的抗压强度比盐渍土增大40%，含油率10%比5%增大48%，含油率15%比10%增大10%，增大率有明显的降低。而20%含油率相对于15%含油率的污染土，其抗压强度开始下降。

石油污染物进入土体，与土体内的水相和气相共存于土骨架颗粒的间隙中，外部作用使油相在孔隙中对土相产生了包裹和挤压，使土粒团聚现象明显，扩充了土颗粒间隙。在试验环境温度条件下，含油率小于15%时，石油包裹部分土颗粒，形成一种固-液接触界面，石油表现为黏结作用，土样强度提高；含油率大于15%时，石油完全包裹土颗粒，就会变成一种液-液接触界面，石油的润滑作用占主导，土样强度开始降低。

2.3环境温度对石油污染土抗变形性能的影响

不同环境温度下，盐渍土的应力-应变曲线较为集中，温度对盐渍土抗变形性能的影响较小(图4)。10℃、20℃、30℃条件下，盐渍土峰值点处对应的应变均在4%左右。

图4　不同温度条件盐渍土的应力-应变曲线Fig.4　Stress-strain curves of saline soil under different temperature

不同环境温度下，石油污染土的应力-应变曲线均表现为应变软化型，环境温度对石油污染盐渍土的抗变形能力影响显著，且影响程度随含油率的增加而加剧(图4和图5)。温度越高，石油污染土的应力-应变曲线变化越平缓，峰值点处对应的应力值越小，应变值越大。10℃、20℃和30℃条件下，5%含油率污染土峰值点处对应的应力分别为225kPa、175kPa、142kPa，应变分别为3%、3%、4%；15%含油率污染土峰值点应力分别为265kPa、203kPa、115kPa，应变分别为3%、3.5%、4%。温度增加降低石油污染土的抗变形能力。

图5　不同温度条件，污染土的应力-应变曲线Fig.5　Stress-strain curves of petroleum contaminated soil under different temperaturea.5%含油率；b.15%含油率

一般认为当荷载小于0.7σf(σf为破坏强度)时，土体的变形稳定，处于弹性阶段(杨光等，2006)。以15%含油率污染盐渍土为例，取轴向应变为2%时的应力-应变值构建不同环境温度石油污染盐渍土的弹性模量(表3)。弹性模量随环境温度的升高而降低，其变化率却表现出明显的升高。随着温度升高，试件裂缝的面积和宽度逐渐增大(图6)。30℃条件下，土样的裂缝直接贯穿，并且形成了一条大宽度破坏面。

表3　不同温度条件石油污染土的弹性模量

Table 3　Elastic Modulus of petroleum contaminated soil under different temperature

温度环境弹性模量/MPa变化值变化率10℃102.4——20℃70.9-31.5-30.9%30℃33.6-37.3-52.5%

图6　不同温度条件15%含油率1.70g·cm-3干密度石油污染土的破坏形态Fig.6　Failure of petroleum content soil under different temperature(take soil with 15% petroleum content at 1.70g·cm3for example)a.10℃；b.20℃；c.30℃

2.410℃条件下石油污染对盐渍土抗变形性能的影响

石油污染盐渍土的变形破坏呈应变软化型，轴向应变在3%左右时，污染土的轴向应力达到最大值(图7)。

图7　10℃条件下石油污染土的应力-应变曲线Fig.7　Stress-strain curves of petroleum contaminated soil at 10℃a.1.65g·cm-3；b.1.70g·cm-3；c.1.75g·cm-3

污染土变形的弹性阶段随含油率的增大而增大，当含油率达到15%后，弹性阶段表现出减小趋势(图7)。以1.70g·cm-3干密度为例，取轴向应变2%计算弹性模量，发现10%含油率的弹性模量较5%的增大45%，15%的较10%的增大31%，而20%的较15%的减小24%。含油率15%石油污染盐渍土的抗变形能力最强。

无侧限条件下，盐渍土的破坏为中部膨胀，并带有若干条细小纵向裂缝；石油污染盐渍土均表现为剪切型破坏，破坏面呈斜向45°±φ/2(图8a)。对比图8b～图8e)，石油污染盐渍土破坏面的面积及裂缝宽度随含油率的增大呈加剧趋势。包裹土颗粒表面的油膜改变了盐渍土土颗粒间的咬合状态，填充于空隙间石油的黏滞性增强了土颗粒之间的摩阻力，加剧了盐渍土的脆性破坏。在已知密度条件下，含油率越大，填充于土颗粒空隙间的石油越多，对土的破坏变形越大。

图8　1.70g·cm-3干密度不同含油率土样的破坏形态Fig.8　Failure of petroleum contaminated soils at 1.70g·cm-3a.盐渍土；b.含油率5%；c.含油率10%；d.含油率15%；e.含油率20%

3　结　论

(1)环境温度影响石油污染土的抗压强度，温度越高，抗压强度越低，且含油率越大，环境温度的作用越明显。随着温度的升高，污染土抗压强度峰值点处的含油率逐渐降低，10℃、20℃、30℃条件下，无侧限抗压强度峰值分别出现在15%、10%、5%含油率。

(2)10℃条件下，盐渍土和石油污染盐渍土的无侧限抗压强度均随干密度的增大逐渐增加，盐渍土的增长幅度与土样干密度呈正相关，石油污染盐渍土随密度的增长幅度呈递减趋势。含油率影响土样强度的增长幅度。

(3)环境温度的升高将降低石油污染盐渍土的抗变形能力，且影响程度随含油率的增加而加剧。30℃条件下，土样的破坏面贯穿试样整体。

(4)10℃条件下，石油污染盐渍土的无侧限抗压试验变形破坏呈应变软化型。随含油率的增加，石油污染盐渍土的破坏程度越大。

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INFLUENCE OF ENVIRONMENT TEMPERATURE ON STRENGTH AND DEFORMATION OF SALINE SOIL IN INSHORE CONTAMINATED BY PETROLEUM

XIE Shoubin①②LI Min①②DU Hongpu③LI Da①ZHANG Jingyi①

(①School of Civil Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin300401)

(②Hebei Research Center of Civil Engineering Technology，Tianjin300401)

(③School of Energy and Environment Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin300401)

Environmental temperature affects oil viscosity and then changes the mechanical properties of petroleum contaminated soil.Unconfined compressive strength test is carried out to study the effect of temperature on strength and deformation of saline soils in inshore contaminated by petroleum.Results indicate that：(1) Temperature has significant effects on mechanical properties of oil contaminated saline soil.Compressive strength of petroleum contaminated soil decreases with the increasing of temperature，and reduces nearly 70% at 20°C and oil content of 15%comparing with that of un-contaminated soils.(2) Unconfined compressive strength increases first and then decreases with the increase of petroleum content.There is an opposite correlation between environmental temperature and petroleum content at maximum strength.The maximum strength with oil content of 15%，10%，and 5%shows at 10°C，20°C and 30°C，respectively.(3) Damage of petroleum contaminated saline soils presents strain softening type with failure plane of 45°±φ/2，and it is intensified with the increasing of petroleum content and temperature.Environmental temperature has obvious effect on the deformation of oil contaminated saline soil.

Petroleum contaminated soil，Environmental temperature，Unconfined compressive strength，Deformation，Saline soil in inshore

10.13544/j.cnki.jeg.2016.04.017

2015-07-08;

2015-09-22.

国家自然科学基金(51409079和41272335)，河北省自然科学基金(E2014202104)，高等学校博士学科点专项科研基金(20131317120013)资助.

谢首斌(1988-)，男，硕士，主要从事污染土力学特性和固化方面的研究.Email: sowin_xie@sina.cn

简介：李敏(1985-)，女，博士，主要从事土的改性固化及污染土方面的研究.Email: limin-0409@163.com

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