Pb2+、Zn2+、Cu2+重金属污染土力学特性及本构关系室内实验研究

苌 宽， 张玉国， 黄 彤， 张丹贝， 吕伟豪

(中原工学院， 郑州 451191)

Pb2+、Zn2+、Cu2+重金属污染土力学特性及本构关系室内实验研究

苌 宽， 张玉国， 黄 彤， 张丹贝， 吕伟豪

(中原工学院， 郑州 451191)

针对重金属(Pb2+、Zn2+、Cu2+)污染土孔隙比高、压缩性大、抗剪强度低、承载力差等原因导致的地基强度低、变形大和不均匀沉降等问题。采用室内实验方法对重金属污染土力学特性和本构关系进行了研究。实验表明：与未污染的原状土相比，重塑土的黏聚力与内摩擦角均显著降低；在相同围压下，随着污染土中重金属含量的增加，污染土的峰值强度逐渐降低；污染土中重金属含量对土体的压缩性有显著影响，含量越高、压缩性越强。基于Mastsuoka-Nakai准则与Mises流动法则，给出了考虑多种重金属影响的污染土的本构关系式。

重金属污染土；质量比；室内试验；本构关系

在我国，土壤污染是环境问题中的一个重要问题，而重金属污染土壤又是土壤污染的一个重要因素。重金属污染土由于孔隙比高、压缩性大、抗剪强度差、承载力低等原因[1]，在工程实践中一般都需要进行处理。目前，污染土的实验研究方法有室内模拟实验和现场实验[2]。冯丹等研究了土壤样品中重金属Cu对碱性磷酸酶(ALP)活性及其动力学特征的影响[3]；郭晓方等分析了乙二胺四乙酸在修复重金属污染土壤中的环境风险[4]；王力等研究陕西省采矿业污染农田土壤中Cd、Pb的分布及其释放特征[5]。近年来的研究主要集中在通过添加各种外掺剂改良各种重金属污染土方面，关于多种重金属污染土力学特性及本构关系的研究很少[6-9]。

本研究通过实验室内制备多种重金属(Pb2+、Zn2+、Cu2+)污染土，对污染土的抗剪性能和压缩特性进行实验，进而分析了多种重金属污染土的应力-应变关系，对于更好处理多种重金属污染土给予一定的理论和技术支持。

1 污染土实验

1.1 土样选取

实验用土取自河南省封丘县陈固乡新修沥青公路两侧排水沟弃土堆，原状土样类型是非饱和低液限黏土，含少量有机质，取土深度约为2 m。通过一系列土工实验测得所取土样的各项性质指标，如表1所示。

表1 素土土样物理性质指标

1.2 重金属试剂选择及配置

重金属离子选择一般重金属污染土中含量最多、影响最大的Pb2+、Zn2+、Cu2+，所用试剂为Pb(NO3)2、Zn(NO3)2·6H2O和CuSO4·5H2O。配置的重金属污染土质量比如表2所示。

表2 配置的重金属污染土质量比分组 mg/Kg

1.3 实验方法

将素土风干，放在橡皮板上用木碾碾散，测定风干后的含水率。以重塑净土为基础，按照上述A、B、C3种重金属离子的含量加入一定量的重金属化合物固体颗粒，添加去离子水到各组污染土，到含水率均为34.9%后，加水密封好润湿一昼夜。

1.3.1 直剪实验

首先是扰动土试样的制备。具体实施步骤为：采用应变控制式直剪仪，按照相应环刀的内径尺寸6.18 cm、高2 cm，根据素土的干密度、含水率，制备湿土样，用静压法制备成扰动土样。然后，把土样放入直剪仪中，进行固结快剪实验。

1.3.2 三轴固结不排水剪切实验

制样方法与直剪实验相同，参照土工试验规程(SL237-1999)[10]。本实验采用南京智龙科技开发有限公司生产的TSZ-2全自动三轴仪，试样尺寸为直径39.1 mm、高80 mm，进行真空抽气饱和。在100、200、300、400 kPa围压下进行其强度和变形实验。

1.3.3 压缩实验(应变控制加荷实验)

所用试样同直剪实验，分别对4种试样进行室内压缩实验对比，所用仪器为欧美大地公司生产的GDSCTS标准固结试验系统，试样尺寸为直径76.2 mm、高20 mm，进行真空抽气饱和。应变速率ε取0.01%/min达到最大压力3 MPa时停止。

2 实验结果分析

2.1 直剪实验结果对比分析

根据直剪实验得出不同土样的P-τ曲线，如图1所示。

图1 污染土直剪实验的P-τ曲线

分析图1中曲线可知，各土样的P与τ基本符合线性特征，与原状土相比，重塑土的黏聚力和内摩擦角均有显著降低。这是重塑土因自身结构性损伤导致微观内部结构与状态呈现无序的结果而造成的，其土性软硬程度以及重塑再造土骨架的颗粒定向程度和连接方式发生变化，导致强度参数变小；同时，随着重金属离子含量的增加，污染土强度参数(c、φ)逐渐减小。

2.2 三轴饱和不排水实验结果对比分析

根据试样饱和三轴不排水剪切实验结果，绘制在4种不同围压作用下各土样的应力-应变曲线(σ-ε)，如图2所示。

由图2可知，在相同围压下，随着土中重金属含量的增加，土样的峰值强度逐渐降低。虽然在某一阶段随着重金属离子浓度的增加，土样的抗剪强度有些增加，但最终的峰值强度还是呈现逐渐降低的趋势。图中各土样的峰值强度曲线变化幅度基本相同，不同围压下各土样的峰值强度曲线走势也相差无几，基本上均表现为光滑的抛物线形状。

(a)σ3=100 kPa

(b) σ3=200 kPa

(c)σ3=300 kPa

(d) σ3=400 kPa图2 不同土样的σ-ε曲线

2.3 压缩实验结果对比分析

根据土样应变控制加荷实验结果，绘制污染土的压力与孔隙比的变化关系图(即e-p曲线)，如图3所示。通过分析图中曲线可知：当压力小于900 kPa时，压力对孔隙比影响显著，孔隙比随压力的增大而逐渐减小；当压力大于900 kPa时，压力对孔隙比的影响不太显著，孔隙比随压力的增大略有减小；相同压力下，随着污染土中重金属含量的增加孔隙比逐渐减小。

图3 污染土的e-p曲线

3 污染土的应力-应变关系

对图2中重金属污染土实验曲线分析可知,随着应力水平的增加，应变也随之增大，最终出现塑性流动破坏。程峰等[11]研究显示，利用Mastsuoka-Nakai准则和Mises流动法则，可建立多种重金属污染土的本构关系：

(1)

采用Mises 相关联流动法则[12-13]，根据常规三轴固结实验，最大塑性变形和最大主应力关系可表示为：

(2)

由重金属污染土的σ-ε曲线(图2)确定A-1，再根据式(2)和图2中数据计算出σ1/σ3和A-1关系曲线如图4所示。其中，σ3为100、200、300和400 kPa时对应的弹性模量E可采用弹塑性理论计算，具体如表3所示。

表3 初始切线模量E kPa

对图4进行回归分析得出σ1/σ3与A-1对应围压100～400 kPa下的关系式，即：

A-1=2 053(σ1/σ3)-25.2

(4-a)

A-1=1 590(σ1/σ3)-29.8

(4-b)

A-1=1 955(σ1/σ3)-37.0

(4-c)

A-1=1 476(σ1/σ3)-39.0

(4-d)

把A-1代入式(2)即可得到本实验围压100～400 kPa下的本构关系式：

(5-a)

(5-b)

(5-c)

(5-d)

此本构关系式适合研究类似污染土，只要实验测得在相应围压下参数A-1式中的两个实验数据a、b，即可得到此围压下这种污染土的本构关系式，并推断出这种污染土在此围压下应力-应变的变化关系。

(a)σ3=100 kPa

(b)σ3=200 kPa

(c)σ3=300 kPa

(d)σ3=400 kPa

4 结 语

(1)对原状土、重塑土和3种不同质量比配方的污染土试样的直剪实验表明，由于重塑后的土相较原状土其结构被破坏，导致土性和土骨架的颗粒定向程度和连接方式发生变化，最终导致土的强度参数变小。随着重金属离子含量的增加，其强度参数(c、φ)逐渐减小，表明重金属离子的存在会改变黏土的力学性能。

(2)在相同围压下，随着土中所含重金属量的增加，土样的峰值强度逐渐降低，并且各个土样的峰值强度曲线变化的幅度基本相同。各个围压下不同土样的峰值强度曲线走势相差无几，没有过大幅度的迥异。

(3) 当压力在一个小的范围内增加时，孔隙比e随压力增加变化明显，当压力大于900 kPa时，孔隙比e随压力增大略有减小，但变化比之前平缓许多；随污染土含重金属量的增加，孔隙比e逐渐减小。综合来看，污染土重金属元素的含量大小对土体孔隙比e随压力变化影响很大。

(4)根据Mastsuoka-Nakai准则与Mises流动法则建立的污染土的本构关系可以推断重金属污染土在各个围压下的应力-应变关系。

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(责任编辑：陆俊杰)

Experimental Study on Mechanical Properties and Constitutive Relationship of Soils Contaminated with Heavy Metals (Pb2+、Zn2+、Cu2+)

CHANG Kuan, ZHANG Yu-guo, HUANG Tong, ZHANG Dan-bei, LV Wei-hao

(Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou 451191, China)

The soil contaminated with heavy metals (Pb2+、Zn2+、Cu2+) has the characteristics of high porosity ratio, high compressibility, low shear strength and poor bearing capacity which resulting in low strength, large deformation and inhomogeneous settlementof the foundation. Mechanical properties and constitutive relations of heavy metals contaminated soils are studied by indoor test method.The following conclusions can be drawn.Firstly cohesive force and internal friction angle of the remolded soils are significantly lower than those of the uncontaminated undisturbed soils.Secondly under the same confining pressurewith the increase of heavy metal content in contaminated the peak strength of contaminated soil decreased gradually.Last but not least the content of heavy metals in contaminated soils has a significant effect on the compressibility of soil, the higher the content, the stronger the compressibility.Based on the Matsuoka-Nakai criterion and the Mises flow law the constitutive relation of the contaminated soil considering the influence of multiple heavy metals is given.

heavy metal contaminated soil; mass ratio; indoor test; constitutive relation

2016-12-27

国家自然科学基金(U1204511)；河南省高等学校青年骨干教师资助计划(2013GGJS-118)；固废资源化利用与节能建材国家重点实验室开放基金资助项目(重金属污染土物化特性和固化机理研究及其应用)

苌宽(1991-)，男，河南荥阳人，硕士生，主要研究方向为软土地基处理。

1671-6906(2017)01-0050-05

TU411

A

10.3969/j.issn.1671-6906.2017.01.011