酸污染条件下花岗岩残积土崩解特性试验研究

金 旭，熊传祥，钟富林

(福州大学 环境与资源学院， 福建 福州 350116)

酸污染条件下花岗岩残积土崩解特性试验研究

金 旭，熊传祥，钟富林

(福州大学 环境与资源学院， 福建 福州 350116)

通过人工方法制备了不同pH值的酸性溶液污染的原状花岗岩残积土，探讨了不同pH值的酸及浸泡时间对土的崩解特性的影响。研究表明：在同一pH值的酸作用下，花岗岩残积土在一定时间内的崩解量随浸泡时间的增加而增加，浸泡时间越久，增加量越大；在浸泡时间相同时，花岗岩残积土在一定时间内的崩解量随着pH值的减小而增大，且pH值越小，增加量越大；同时，在同一浸泡时间下，崩解速度也随着pH值的减小相应增大。分析可知，双电层结构的改变和胶结物的溶蚀是花岗岩残积土加速崩解的主要原因。

崩解；花岗岩残积土；污染土；pH值

福州位于福建省中东部，是一个周山环抱的典型河口盆地，气候潮湿多雨。福州市社会经济发展加速，工业化逐步提高，致使企业和工厂排放大量的污染物，这些污染物排放到大气中，使福州降雨呈酸性且频率较高。酸雨类型以硫酸型酸雨为主[1]。同时，福州地区广泛分布花岗岩残积土，该土主要为燕山期花岗岩类岩石在湿热条件下经长期物理、化学风化作用形成[2]。其成因决定其具有高液限、高孔隙比和干硬湿软、易湿化崩解的特殊工程性质。近年来，福州经济高速发展，大量的高层建筑不断涌现，花岗岩残积土作为建筑物基础持力层的情况越来越多，而在工程实践中，由于其特殊性质导致的岩土工程问题时有发生[3-5]。鉴于花岗岩残积土特殊的工程地质特性和酸雨出现的频繁性，考虑酸雨对崩解特性的影响之于该地区的岩土工程分析具有重要的意义。

国内外许多学者对土的水化学作用及残积土的崩解特性开展了相应的研究工作，并取得一定成果。陈余道等[6]研究得出水动力作用和化学条件的改变是导致土体崩解、土洞形成的主要因素。朱寿增[7]认为土中胶结物在酸雨的溶蚀作用下破坏，使土颗粒间连接作用不断减弱，导致土体原有结构发生显著变化，以至于土体的抗剪强度降低，并且酸性越强作用越强烈。Anolerson O L等[8]进行了相关试验，得出了不同化学溶液对各种孔隙影响参数的不同作用。Di M C等[9]研究得出土中腐殖质以及其形成的复合胶体在受到碱污染时会发生一定变化，生成大多不溶于水的无机矿物官能团。朱春鹏等[10]发现酸污染容易使土结构连接力减小, 并且酸浓度增加越大，土的结构连接力减小越多。简文彬等[11]对花岗岩残积土进行了室内崩解试验研究，将残积土的崩解依照崩解速度不同，大致分为三个发展阶段。吴能森[12]从土体结构性与损伤角度考虑，认为软化是导致花岗岩残积土崩解的根本因素。张抒等[13]根据不同含水率和压实度进行室内崩解试验，从微观角度简化分析颗粒受力状态，分析得出花岗岩残积土崩解主要取决于孔隙气压和基质吸力。

综上所述，目前对酸污染下花岗岩残积土崩解特性的研究较少，固研究存在一定的必要性。本文拟通过室内崩解试验，模拟花岗岩残积土在不同pH值条件下，经过不同的浸泡时间，崩解特性的变化，探讨酸污染对花岗岩残积土崩解特性变化的影响，并分析其作用机理，以期为酸污染下的岩土工程分析提供一定依据。

1 试验土样与试验方案

1.1 试验土料

花岗岩残积土土样取自福州软件园C区生活服务楼东侧边坡治理工程，取土深度1 m～2 m，土样呈褐黄色。现场取样如图1所示。根据地质勘察报告，土体母岩为燕山晚期花岗斑岩。X射线衍射分析结果显示其主要矿物为石英、钾长石和高岭石。土样基本物理力学指标见表1，土样粒度分布如表2所示。通过粒度分布表及物性指标，根据《土的工程分类标准》[14]可知，其属于砾质黏性土。其中Cu>10，表明颗粒分布范围较大，但Cc<1，表明土中缺少中间粒组，颗粒分布呈“两头多、中间少”的分布特征。

图1 现场取样图

表1 土样的物理性质指标

表2 土样粒度分布

1.2 试验方案

试块大小为6.18 cm×6.18 cm×4.00 cm，试样质量为210 g～220 g，分别将其浸泡在pH=2.0、pH=3.0、pH=4.0、pH=5.6的酸性溶液和pH=7.0的纯净水中，酸性溶液采用硫酸(H2SO4)溶液。浸泡时间分别为7 d、14 d、28 d。达到浸泡时间后，将试样取出，常温下风干至原含水率，再分别进行崩解试验。具体操作步骤和注意事项如下：

(1) 采集的环刀样用保鲜膜包裹后，放在盒中，并用胶带密封，在实验室避光阴凉处保存，避免水分散失。

(2) 将所取原状环刀试样两端放置滤纸和透水石，再用橡皮筋将其勒紧，每两个试样为一组，浸泡于配置的酸性溶液中，并用保鲜膜密封，防止溶液挥发。

(3) 达到预定浸泡天数，将试样取出，在室内常温条件下，使水分慢慢蒸发。

(4) 浸泡的试样放在稳定的环境中，温度和湿度恒定，并定期监测溶液的pH值变化，依据监测值做相应调整，使pH值保持不变。

(5) 崩解时，将试样放在铁丝网中部位置，保持浮筒平衡，然后匀速、缓慢的将试样放入，以减少试样的扰动，待试样完全放入并稳定后，立即记录浮筒初始读数。读数时，视线要保持与水面平齐，后面根据相应时间记录浮筒读数。

1.3 试验装置

试验采用南京精科宇盛仪器有限公司生产的SHY-1型土壤湿化试验仪，实验装置如图2、图3所示。图3中：“1”为边长10 cm铁丝网，铁丝直径约2 mm，网孔10 mm×10mm，“2”为直径为6.18 cm、高为4 cm的环刀试样，“3”为圆柱形水槽，直径15 cm，高60 cm，“4”为浮筒，直径为4.5 cm，高为29 cm，最小刻度1 mm。

图2 崩解设备图

图3崩解设备示意图

2 试验成果与机理分析

2.1 试验成果

试样一放入水中，即立刻开始崩解，开始呈粉末状、散粒状剥落，并伴有少量气泡冒出，而后试样上部开始逐渐出现裂缝，残积土呈散粒状、小块状剥落，随着剥落进行，裂缝逐渐变大，土样呈块状剥落，形状发生较大变化，崩解速度明显上升。最后随着周围大块的崩落，崩解逐渐完成，土样几乎不发生变化，只有少量土样呈散粒状崩落。综上可见，花岗岩残积土崩解速度大概存在三个阶段，即初期慢速崩解、中期快速崩解和后期慢速崩解。崩解量和崩解速度由以下公式求解[15-16]。

(1)

(2)

式中：At为试样在t时刻的崩解量，%；R0为试验开始时浮筒齐水面处刻度的瞬间稳定读数，mm；Re为方格网空载时浮筒齐水面处刻度读数，mm；Rt为试验开始后t时刻浮筒齐水面处的刻度读数，mm；Vt为试样在某个时段(ti～ti+1)的平均崩解速度，1/min。

试样崩解多发生在前10 min，之后试样呈现零星崩解，甚至放置数天崩解量仍未发生太大变化。鉴于试样的主要崩解集中于前10 min，故认为崩解1 h时的崩解量，可作为判断花岗岩残积土崩解性强弱的判断依据。

图4和图5分别为不同pH值下崩解量随浸泡时间变化曲线和不同浸泡天数下崩解量随pH值变化曲线。从图4可以看出，在相同pH值条件下，试样的崩解量随着浸泡天数的增加而增大。在pH=5.6和pH=7.0时崩解量增加的趋势不明显，而随着pH值的降低，崩解量随浸泡天数增加而增大的趋势逐渐明显，且pH值的降低对崩解量的影响也越来越明显，特别当pH=2.0时的崩解量相较于pH=3.0时的崩解量有较大幅度的提升。分析图5可知，在相同浸泡天数下，试样的崩解量随着pH值的减小而增大。且浸泡14 d相较于浸泡7 d时的崩解量提升幅度，比浸泡28 d相较于浸泡14 d时的崩解量提升幅度大。

图4 浸泡时间对崩解量的影响

图5 pH值对崩解量的影响

图6为试样浸泡时间为7 d时，不同pH值浸泡试样的崩解量和崩解速度曲线。从图6可以看出，试样在前几分钟崩解较为缓慢，根据pH值的不同，开始加速崩解时间不一，时间大致分布在2 min～4 min。其中当pH=2.0时最快开始加速崩解，随着pH值的增加，开始加速崩解的时间逐渐延长。加速崩解持续时间大致分布在2 min～7 min，加速崩解之后，崩解速度又渐趋平缓，呈明显的三段式崩解。

(a)At-t(b)Vt-t

图6浸泡7 d后的崩解曲线

图7为试样浸泡14 d时，不同pH值浸泡试样的崩解量和崩解速度曲线。从图7可以看出，试样开始加速崩解时间均在2 min左右，相较于浸泡7 d，开始加速崩解时间有一定提前。加速崩解持续时间大致分布在2 min～6 min，相较于浸泡7 d时，持续时间有一定的缩短，但可见崩解速度相较于浸泡7 d时有一定的增加。同时，试样也呈明显的三段式崩解。

(a)At-t(b)Vt-t

图7浸泡14 d后的崩解曲线

图8为试样浸泡时间为28 d时，不同pH值浸泡试样的崩解量和崩解速度曲线。从图8可以看出，试样开始加速崩解时间在2 min左右。在1 min～2 min时，崩解量出现相对较大的提高，但并未开始加速崩解。相较与浸泡14 d，浸泡28 d的试样开始加速崩解时间相似。而加速崩解持续时间大致分布在2 min～5 min，相较于浸泡14 d，持续时间又有一定缩短，但崩解速度相较于浸泡14 d变化不明显。

(a)At-t(b)Vt-t

图8浸泡28 d后的崩解曲线

2.2 试验机理分析

(1) 花岗岩残积土的强度很大程度上受土体颗粒间的胶结物的影响，而酸会对土中起胶结作用的倍半氧化物, 氧化钙镁等进行溶蚀[17],影响了土的粒间连接,破坏土体原有结构，使土颗粒间的连接减弱甚至消失。同时，土颗粒中一些不溶性胶粒变成可溶性的离子也降低了粒间连接力和黏性，从而更有利于崩解的发生。

(2) 在酸性溶液作用下，可溶性盐以及游离氧化物被溶蚀[18]，且随着酸浓度的增大这种溶蚀作用也相应增强，从而导致花岗岩残积土孔隙比增大，使崩解加快。

(3) 土粒的双电层由决定电位离子层和固定层、扩散层构成，酸性条件使土体发生离子交换,水膜中离子浓度增加[19]，从而导致原有的双电层结构发生变化，使花岗岩残积土更易发生崩解。

3 结 论

(1) pH值相同条件下，随着浸泡时间的增加，花岗岩残积土的崩解量会适当的增加，浸泡时间越长，增加量越大，浸泡14 d相对于浸泡7 d崩解量有明显提升，但浸泡28 d相对于浸泡14 d增加量不明显。

(2) 在浸泡时间一定时，随着pH值的减小，花岗岩残积土的崩解量会呈现不同程度的增加，酸性越强增加量越大。当溶液的pH值达到4.0时,试样的崩解量相比pH=5.6和pH=7.0时有一定提高。而当pH值达到2.0时,试样的崩解量发生较为明显的增大。

(3) 花岗岩残积土崩解速度随着浸泡天数和pH值的变化发生相应的改变。在同一pH值下，浸泡天数的增加会使试样较早开始加速崩解，但加速崩解持续时间相对较短。在同一浸泡时间中，较小pH值浸泡的试样，会更早发生加速崩解，崩解速度相对较大，但加速崩解持续时间相对较短。

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ExperimentalStudyonDisintegrationCharacteristicsofGraniteResidualSoilUnderAcidPollution

JIN Xu, XIONG Chuanxiang, ZHONG Fulin

(CollegeofEnvironmentandResources,FuzhouUniversity,Fuzhou,Fujian350116,China)

In this paper, undisturbed granite residual soil contaminated by acidic solution of different pH values was prepared, and the effects of different pH values and soaking time on soil disintegration characteristics were discussed. The results show that under the same pH value, the disintegration amount of granite residual soil in a certain time will increase with the increase of soaking time, and the longer the soaking time, the greater the increased value. When the soaking time is the same, the disintegration amount of granite residual soil increases with the decrease of pH value in a certain time, and the smaller the pH value, the greater the increased time. At the same time, disintegration rate increases with the decrease of pH value at the same soaking time. The analysis shows that the dissolution of cement and the change of electrical double layer structure are the main reasons for the accelerated disintegration of granite residual soil.

disintegration;graniteresidualsoil;contaminatedsoil;pHvalue

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.06.039

2017-07-19

2017-09-03

金 旭(1994—)，男，河南开封人，硕士研究生，研究方向为岩土工程。 E-mail:1072959304@qq.com

熊传祥(1967—)，男，湖北公安人，博士，副教授，主要从事地基处理和土力学方面的教学与研究工作。E-mail:xiongchx@aliyun.com

TU411.2

A

1672—1144(2017)06—0194—05