铁离子作用下膨胀土干湿循环裂隙演化机制

肖桂元 朱耀琪 王延伟 徐光黎 张达锦

摘要：为探究重金属Fe3+作用下膨胀土干湿循环裂隙演化机制，以不同浓度Fe2（SO4）3溶液作用的饱和膨胀土为对象，开展干湿循环裂隙试验、扫描电镜（SEM）试验与X射线衍射（XRD）试验，研究Fe3+作用下膨胀土干湿循环裂隙、微观结构和矿物成分的演化规律及机制。结果表明：相同干湿次数下，随Fe3+浓度增加，土体裂隙面积率下降；随干湿次数增加，相同浓度土体裂隙面积率总体上升；Fe3+作用下，粒间孔隙波动性微变，黏土矿物晶体结构损伤，晶层间距减小；干湿作用后，粒间孔隙剧增，土体结构破坏，晶体损伤加剧。总结出Fe3+作用下膨胀土干湿循环裂隙演化机制为：水分子在土体内反复迁移，劣化土体结构，形成拉应力，导致裂隙产生；Fe3+则在一定程度上缩小颗粒间距，增强抗拉强度，降低拉应力，抑制了裂隙发育。

摘要：膨胀土； 铁离子； 干湿循环； 裂隙演化

中图法分类号： TU 443

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.01.026

0 引 言

膨胀土作为一种常见的特殊土，因其富含亲水性黏土矿物，具有非常强的水敏性，在干燥少雨的自然环境下，失水收缩产生大量裂隙。裂隙的产生和发育会严重破坏土体完整性，使土体强度降低，同时加剧雨水渗透与水分蒸发［1］，进而膨胀土工程性质劣化，严重危害土工建筑物安全。早在20世纪30年代，国外学者Terzaghi就曾指出膨胀土裂隙会对其工程失稳产生重大影响。国内学者殷宗泽等［2］也从多方面论证了膨胀土边坡裂隙的形成会使土质边坡强度降低，裂隙水增加，导致边坡失稳。

為此，众多学者对土体裂隙发育规律和机制做了大量研究。在裂隙发育规律方面，众研究均与定量计算相结合，Liu［3］、Vogel［4］等利用图像处理技术，定量分析了土体裂隙发育过程。许锡昌等［5］也针对膨胀土脱湿全过程，指出膨胀土开裂具有明显的阶段性特征。在机制方面，唐朝生等［6-7］从定性方向针对土体脱湿过程中形成的吸力与土体自身抗拉强度进行了研究，指出吸力与抗拉强度是土体产生裂隙的关键因素。张家俊等［8］从膨胀土在干燥环境下的裂隙演变规律中发现由土体含水率梯度引起的拉应力是影响膨胀土开裂程度的关键因素。汪时机等［9］通过土体局部含水率梯度和不均匀收缩差异对张拉应力进行了公式化计算，并对其脱湿过程与力学机制进行了研究。此外，一些学者对土体裂隙演化规律的影响因素进行了研究，如压实度、自由膨胀率［10］、均匀性、尺寸［11］、干密度、初始含水率［5］、厚度［12］、蒙脱石含量［13］、干湿循环次数［14］等。

然而，近年随着城市化与工业化的快速发展，重金属污染土地问题日益严峻，对人类生命健康与土体物理力学性能造成非常大的影响［15］；且中国许多膨胀土地区气候季节性特征明显，土体长期受到干湿循环作用，强度破坏严重［16］。因此前人分别对重金属与干湿作用下膨胀土的物理力学性质做了大量探索，并取得了丰富的成果［17-19］。但是目前关于重金属作用下膨胀土裂隙演化规律的研究较少，且均未考虑干湿循环作用。在生活垃圾淋滤液和工业废水中重金属Fe3+的浓度是非常高的［20］，且有学者用Fe3+浸出污泥中的其他重金属离子［21-22］，为此研究重金属Fe3+作用下膨胀土干湿循环裂隙演化机制，对膨胀土工程性质及边坡稳定性具有非常实际的意义。

本文以不同浓度Fe2（SO4）3溶液作用的膨胀土为对象，开展干湿循环作用下的裂隙试验，采用固定拍照及称重装置与IPP图像处理软件定性定量分析膨胀土试样裂隙特征照片与参数变化，得到了Fe3+作用下膨胀土干湿循环裂隙演化规律。利用扫描电镜仪（SEM）与X射线衍射仪（XRD），分析Fe3+作用下膨胀土干湿循环期间的微观变化，进而对Fe3+作用下膨胀土干湿循环裂隙演化机制进行剖析。

1 试 验

1.1 试验用土

本试验所用膨胀土取自湖北省丹江口地区，取土深度约3～5 m，呈灰白色，基本物理性质指标见图1与表1。

1.2 Fe3+作用土制备

将试验膨胀土风干碾碎，并过2 mm筛，再将处理过的膨胀土存放于阴凉干燥处的密封塑料桶中备用。设计Fe2（SO4）3溶液浓度分别为0，5.0，10.0，15.0 g/L（pH依次为6.87，2.11，1.65，1.09），按要求配置并放室温下静置3 d，使其均匀溶解。随后将备好的膨胀土按最优含水率21％与Fe2（SO4）3溶液均匀搅拌，搅拌成松散土样。再将土样装入密封的保鲜袋中，养护7 d。根据膨胀土最大干密度指标与试样压实度标准（95%），采用静压法将松散污染土样制成初始干密度1.634 g/cm3，直径61.8 mm、高20 mm的标准环刀样，随后将环刀样放入真空饱和缸内抽真空，并将其浸泡在不同Fe3+浓度的污染液中负压饱和12 h，作为干湿循环处理前的初始土样。

1.3 干湿循环作用下的裂隙试验

干燥脱湿方法：为模拟外界高温环境下膨胀土体脱湿过程，取饱和试样放入40 ℃恒温箱中，适时取出试样称重拍照，观测其含水率与裂隙发育变化，直至试样重量不再变化（含水率约5％）。

饱和增湿方法：从恒温箱中取出干燥试样，放入真空饱和缸内抽真空，随后抽入不同Fe3+浓度的溶液，使其负压饱和12 h，此为完成1次干湿循环。

如此反复进行干湿循环，次数分别为1，2，3，4，5次（因各浓度试样在第0次干湿期间均未产生裂隙，故不做比较）。

1.4 SEM试验

取完成1次与5次干湿循环的不同Fe3+浓度干燥试样，进行切样、贴导电胶、喷金处理以制作电镜扫描样品，再将样品放入电镜扫描真空箱，使用S-4800型扫描电子显微镜进行观察拍照。根据唐朝生等［23］的研究，为使试验结果全面、客观，本次试验拍摄800倍的微观电子图像，扫描点选取孔隙与颗粒相对均匀的点，避开大孔隙与大颗粒，每个试样拍摄3张照片。