（岩土工程专业论文）酸、碱污染土的试验研究.pdf

摘要 摘要 随着城市建设的发展，环境污染日益严重，土壤污染对工程建设的影响越来 越大，污染土研究是环境岩土工程领域中的一个崭新课题，受到了广泛的关注。 本文在室内试验的基础上，对酸、碱污染土的化学腐蚀机理、物理力学性质和微 观结构三个方面进行了研究，主要内容包括： ( 1 ) 通过室内浸泡方法，用不同浓度盐酸和氢氧化钠溶液制备污染土样， 污染后酸、碱溶液的外观颜色发生变化，其主要原因是由于土体矿物成分与化学 溶液发生离子交换反应形成的。 ( 2 ) 对污染前后土体矿物成分进行测定得到：粘土矿物的主要成分是高岭 石和伊利石，通常情况下不会与酸、碱反应；土体中的游离氧化物和水溶盐含量 会发生变化，它们与酸、碱作用发生化学溶蚀、沉淀等反应，生成新的矿物成分； 由于土壤腐殖物质中胡敏酸和富里酸能与酸、碱反应，土体中有机质含量随着酸、 碱溶液浓度的增大而减少；通过离子交换反应，溶液中的离子进入结合水膜，使 结合水膜厚度发生变化，造成土体物理力学性质的变化。 ( 3 ) 对污染前后土体进行物理力学指标的测定后得到：土样的基本物理指 标，如质量、密度、含水率、比重、孔隙比、液限、塑限及塑性指数等都会随着 酸、碱溶液浓度的变化而变化；并且土体的变形特性和抗剪强度也会在酸、碱污 染后发生变化。造成土体物理力学性质变化的原因主要是土体与酸、碱发生化学 反应，矿物成分发生改变，结构胶结物质被溶蚀，土体结构被破坏，特殊离子进 入结合水膜，结合水膜厚度发生变化，进而影响了土颗粒间的相互作用力。 ( 4 ) 通过扫描电镜s e m 对酸污染土微观结构进行研究，分析污染前后土体 微观图像的形貌变化；并通过g e o l m a g e l 虱像处理程序，对扫描电镜图像进行微 观参数分析得到：颗粒所占比例、分布分维和定向度随酸溶液浓度的增大而减小， 孔隙所占比例、分布分维、定向度和土体结构的欧拉数随酸溶液浓度的增大而增 大。土体微观结构参数在宏观物理力学指标中有与之对应的参数，微观结构的变 化和宏观物理力学性质的变化互相影响。 关键词：酸、碱污染土；化学腐蚀；矿物成分；离子交换；物理力学性质；微 观结构；微观参数；相互影响 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fu r b a nc o n s t r u c t i o n , t h ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o ni s r a p i d l yi n c r e a s i n g , a n dt h ec o n t a m i n a t e ds o i l sh a v ei n c r e a s i n gi n f l u e n c e0 1 1t h e e n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o n t h er e s e a r c ho nc o n t a m i n a t e ds o i lb e c o m e so n eo ft h e p o p u l a rp r o b l e m sa n do b t a i n sm u c ha t t e n t i o ni nt h e d o m a i no fe n v i r o n m e n t a l g e o t e c h n o l o g y b a s e do nl a b o r a t o r yt e s t s ，t h em e c h a n i s mo fc h e m i c a lc o r r o s i o n , t h e p h y s i c a l m e c h a n i c a lp r o p e r t ya n dt h em i c r o s t r u c t u r eo fs o i lc o n t a m i n a t e db ya c i da n d a l k a l ia r es t u d i e d , a sf o l l o w s ： ( 1 ) b a s e do nt h em e t h o do fs o a ki nl a b o r a t o r y , t h eh y d r o c h l o r i ca c i da n ds o d i u m h y d r o x i d ei nd i f f e r e n tc o n s i s t e n c ea r eu s e dt op r e p a r et h ec o n t a m i n a t e ds o i l t h e c o l o r so fa c i da n da l k a l ia r ec h a n g e da f t e rt h es o i lp o l l u t i o n , a n di ti sc a u s e db yt h e i o n - e x c h a n g eb e t w e e n t h em i n e r a le l e m e n to f s o i la n dt h ec h e m i c a ls o l u t i o n ( 2 ) b a s e do i lt h ed e t e r m i n a t i o no fm i n e r a le l e m e n tb e f o r ea n da f t e rt h es o i l p o l l u t i o n , t h em a i nc o n s t i t u e n t so fc l a ym i n e r a la r ek a o l i n i t ea n di l l i t e ，w h i c ha r en o t r e a c t e d 、 ，i t ha c i do ra l k a l ig e n e r a l l y t h ec o n t e n t so fo x i d ed i s s o c i a t i v ea n dw a t e r m i s c i b l es a l th a v ec h a n g e di nt h ec h e m i c a lr e a c t i o n ，s u c ha sc o r r o s i o na n dd e p o s i t i o n , a n dn e wm i n e r a le l e m e n t sa r ec r e a t e d b e c a u s et h eh u m i ca c i da n df u l v i ca c i di nt h e h u m i cm a t t e rr e a c tw i t ha c i da n da l k a l i ，w i t ht h ei n c r e a s i n go f c o n s i s t e n c eo f a c i da n d a l k a l i ，t h eo r g a n i cc o n t e n to f s o i ld e c e a s e s b a s e do nt h ei o n - e x c h a n g e ，t h em e m b r a n e o fb o u n dm o i s t u r eb e c o m e st h i c k e rw i t ht h ei o n so ft h es o l u t i o ne n t e r i n gi t , w h i c h c a u s e st h ec h a n g eo f p h y s i c a l m e c h a n i c a lp r o p e r t y ( 3 ) a c c o r d i n gt ot h ed e t e r m i n a t i o no ft h ep h y s i c a l - m e c h a n i c a lp r o p e r t yb e f o r e a n da f t e rt h es o f tp o l l u t i o n , 、) l ，主t ht h ec h a n g eo fc o n s i s t e n c eo fa c i da n da l k a l i t h e p h y s i c a l m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s o fs o i l ，i n c l u d i n gm a s s ，d e n s i t y , w a t e rc o n t e n t , s p e c i f i cw e i g h t , p o r o s i t yr a t i o ，l i q u i dl i m i t , p l a s t i cl i m i ta n dp l a s t i c i t yi n d e xa r e a f f e c t e d b e s i d e s ，t h ed e f o r m a t i o nb e h a v i o ra n dt h es h e a rs t r e n g t ho ft h es o i ls a m p l e a r ea l s oc h a n g ea f t e rt h ec o r r o s i o mt h er c a s o n $ o f t h e s ec h a n g e sa r et h a tt h es o i lh a s c h e m i c a lr e a c t i o nw i t ha c i d 甜a l k a l i ，w h i c hr e s u l t si nt h ec h a n g eo f m i n e r a le l e m e n t a n dt h ed e s t r o y i n go fs o i ls t r u c t u r e ，a n ds o m es p e c i a l si o n se n t e rt h em e m b r a n eo f b o u n dm o i s t u r ea n da f f e c ti t st h i c k n e s s ，w h i c hl e a dt ot h ec h a n g eo fi n n e r g r a n n u l a r f o r c eb e t w e e nt h es o i lg r a i n s ( 4 ) t h em i c r o s t r u c t u r eo ft h es o i lc o n t a m i n a t e db ya c i di si n v e s t i g a t e d 埘t l l s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ，a n dt h ep a r a m e t e r so fm i c r o s t r u c t u r ea l ea n a l y z e dw i t h t h ei r n a g cp r o c e s s i n gp r o g r a mg e o l m a g e w i t ht h ei n c a - e a s i n go fc o n s i s t e n e eo fa c i d , t h ep r o p o r t i o n , t h ed i s t r i b u t i n gf r a e t a ld i m e n s i o na n dt h ed e g r e ep o l y m e r i z a t i o no f g r a i nd e c r e a s ea n dt h o s eo fp o r ei n c r e a s e ，t h ee u l e r sn u m b e ro ft h es o i l i n c r e a s e s o m ep a r a m e t e r sw h i c hb e l o n gt ot h em a e r o s c o p i e a lp h y s i c a l - m e c h a n i c a lp r o p e r t y h a v ec o r r e s p o n d e n c ew i mt h ep a r a m e t e r so fm i c m s t r u e t u r e 。a n dt h ec h a n g e so ft h e m i c r o s t r u c t u r ea n dt h em a c r o s c o p i c a lp r o p e r t yh a v et h es t r o n gi n t e r a c t i o n k e yw o r d s ：s o i lc o n t a m i n a t e db ya c i do ra l k a l i ；c o r r o s i o n ；m i n e r a le l e m e n t ； i o n - e x c h a n g e ；p h y s i c a l m e c h a n i c a lp r o p e r t y ；m i e r o s t r u c t u r e ；p a r a m e t e r o f m i c r o s t r u c t u r e ；i n t e r a c t i o n 1 1 1 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：塑垂塑垒川7 年r 月；e l 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术 期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或 电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权 河海大学研究生院办理 论文作者( 签名) ： 丝! 型丝 驯) 年j - 月弓，日 第一章绪论 1 3 引言 第一章绪论 随着国民经济的飞速发展，在国家工程建设事业不断发展的同时，国民环 境保护意识也在不断加强。人们越来越多地关注与环境科学相关联的岩土工程问 题，即环境岩土工程问题，其包括用岩土工程的方法来抵御由于天灾引起的环境 问题，如沙漠化、洪水、地震、滑坡等；用岩土工程的方法来抵御由各种化学污 染引起的环境问题，如城市垃圾、工业生产中的废水、废液、废渣等；人类工程 活动引起的环境问题，如打桩的挤土，振动、噪音、基坑降水、边坡位移等【l j 。 其中污染土的研究是环境岩土工程研究领域中的崭新课题，它涉及到岩土工 程、环境工程、土壤科学、化学与化工工程、生态学、卫生与防护以及测试技术 等多学科领域，是介于这些学科边缘的交叉学科【2 】。因此污染土的研究逐渐受到国 内外学者的重视。 西欧等发达国家从2 0 世纪7 0 年代开始就认识到土壤污染对人类生产、生活带 来的严重后果。1 9 8 5 年1 1 月，在荷兰- u t r e c h t 召开的第一届国际污染土会议是第一 次世界性的污染土研究学术交流【3 ，4 】，之后又在美国和我国上海相继召开有关环 境岩土工程方面的国际会议，如h e l l e m a n s ，j 【5 】进行过防止污染物质进入水体与土 体再生利用可能的研究。荷兰的l e k k e r k e r k 、美国的l o v e l a n d 、l 枷曲大学、英 国的t h a m e s m e a da r s e n a l 、德国的g e o r g s w e r d e r 等地都有关于污染土的研究机构， 对污染土的研究和治理都积累了一定的经验【删。国内的环境保护工作起步较晚， 对污染士的研究也相对滞后于发达国家，缺乏全面系统的研究。6 0 年代开始在老 厂房改建过程中就发现地基土被污染，建筑物被破坏的事故。直到8 0 年代，在国 家自然科学基金的资助下同济大学开展了污染土性质研究、污染物离子在土层迁 移规律和废弃物处理的研究。目前，国内发表的关于污染土的研究成果大多是有 关环境工程和土壤科学方面的，而纯岩土工程意义上的成果却很少，而且大多数 是工程实例的报道b o 。 近年来随着国家建设的大力发展，环境污染日益严重，污染物质在土体中长 期积累、沉淀、迁移，其对自然界及人们生活、生产的恶劣影响日渐突显。特别 是在城市工业厂房的维护和改造过程中，发现一些工厂由于生产工艺、管理、设 备等原因导致废渣、废液渗漏到地基中，或将污染物质随意排放造成周围地区土 体受侵蚀，引起上部建筑物的不均匀沉降、开裂、倾斜、下陷等现象。例如，上 海某洗涤剂厂的粉喷车间在使用l o 年后发现其地面、墙体都出现开裂现象，设备 管道都严重断裂渗漏，开挖后发现原地基防腐层已被腐蚀掉，地基土发黑发臭。 河海大学硕士学位论文 经检查，由于该车间的有机溶剂不慎下渗，溶蚀了原有的防腐层，继而废酸废碱 液侵入地基土中，导致了土体及上部建筑物的腐蚀破坏【1 1 1 。近年来，国家为了保 护环境，关闭了一些因资金、工艺、技术等因素造成环境污染的企业，比如以稻 草、麦秸为主要原料的中、小型造纸厂，其在生产过程中会产生大量以碱液为主 的废水，有些企业的废水甚至未经处理就直接排放到附近的河流湖泊中，造成了 严重的环境污染，与此同时，造纸车间的废碱液渗入地基，降低了地基的强度。 太原某造纸厂就因废碱液的下渗，地基受废碱液腐蚀膨胀，导致基础的开裂和上 抬，厂房严重受损，造成巨大的经济损失【1 2 】。对于此类事件，虽然国家采取了一 定的法律措施，但对于环境的污染己成事实，因此对污染土腐蚀机理、工程力学 性质和物理化学性质变化的研究以及如何治理污染土等课题具有现实和长远的 意义。 1 2 污染土的来源、特征及研究内容 所谓污染土，是指由于外来致污物质( 污水、固体废物淋滤、酸雨、废气随 水入渗等) 侵入土体改变了原生性状的土【l3 1 。一般是由于地基土受到生产和生活 过程中产生的三废污染物( 废气、废渣、废液) 的侵蚀，土体发生了化学变化。 污染土主要有工业、农业生产和生活三大来源。工业上主要是生产过程中原料泄 漏和生产中产生的废弃物，有酸、碱、煤焦油、石灰渣等，生成污染物的主要有 酸碱生产厂、石油化纤厂、煤气厂、污水处理厂、造纸、制革、印染等企业，另 外某些金属矿、冶炼厂、铸钢厂、弹药库等场地的地基也会受到污染；农业上主 要是化肥、农药等有机污染物质对土壤的侵蚀；生活中的不可降解废弃物和生活 垃圾也是污染土的来源之一。 土体受到污染物质的侵蚀，内部结构发生变化，其中的矿物成分与污染物发 生物理化学反应，使土体颗粒分散、表面租糙，多呈蜂窝状结构，甚至局部出现 空穴；土体会变软，其状态由硬塑或者可塑变为软塑，甚至流塑；土体的颜色也 与正常土不同，多呈黑色、黑褐色、灰色、棕色、杏红色等，也可能出现铁锈斑 点；地下水质大多呈现黑色或其他不正常颜色，有特殊气味【1 4 1 。 地基土体是否受到污染和污染的程度以及污染后地基土体的性状如何，受很 多因素的制约和影响i t s 。首先取决于土颗粒、粒间胶结物和污染物的物质成分， 其次是土的结构和粒度、土粒间液体介质、吸附阳离子的成分以及污染物( 液体) 的浓度等，再者是土与污染物作用时间和作用时的温度。污染土的研究内容有以 下方面f 1 】： 1 ) 调查地基土受污染前后的物理力学性质、矿物成分、化学成分等； 2 ) 调查污染物的来源、化学成分和性质、污染途径、污染历史等； 3 ) 研究土污染物相互作用的方式、反应结果、时间效应和温度效应、生成 2 第一章绪论 物的性质及其影响； 铆调查地下水的分布及其与污染物作用的关系； 5 ) 研究土、水的侵蚀性； 6 ) 查明污染土的空间分布，按不同污染程度划分污染区； 7 ) 对污染土作出岩土工程评价； 8 ) 提出治理污染土的措施和方法。 1 3 污染土的国内外研究现状 1 3 1 污染土特性的研究 ( 1 ) 污染土腐蚀机理的研究 目前国内外都广泛开展了对土体污染腐蚀机理的研究，但由于污染物、污染 环境、土体特性等因素，这方面的研究并没有取得很大的突破。从目前的研究看， 污染的腐蚀机理主要有以下几方面l l o j ： 土体被污染后，土粒之间的胶结盐类被溶蚀，胶结强度被破坏，在水作 用下盐类溶解流失。土孔隙比和压缩性增大，抗剪强度降低，承载力明显下降， 土的工程性质发生明显的变化。， 土颗粒受污染腐蚀后形成新的物质，在土中产生相变结晶而膨胀，并逐 渐溶蚀或分裂成细小的颗粒，生成新的含结晶水的盐类，在干湿交替下，体积膨 胀、收缩，破坏土层。 地基土遇酸碱等腐蚀性污染物质，与土中的盐类形成离子交换，改变土 的性质。 般认为土体的腐蚀，有结晶腐蚀、分解腐蚀和结晶分解复合类腐蚀三种。 地基士的污染，可能是由其中的一种或几种腐蚀作用共同造成的。 顾季威在废碱液侵蚀对土体强度影响的研究中指出【1 6 1 ，因废液中含有大量的 n a o h ，n a 2 c 0 3 ，n a 2 s ，n a 2 s 0 4 等碱类及盐类物质，渗入富含f e 2 0 3 ，a 1 2 0 3 及s i 0 2 的粘士、亚粘土土体中与土颗粒及其胶结物质发生化学反应： f e 2 0 s 3 h 2 0 + 2 n a o h = 2 n a f e 0 2 + 4 h 2 0 f e 2 0 3 3 h 2 0 + 3 n a 2 s = f e 2 s 3 + 6 n a o h a 1 2 t ) 3 + 2 n a o h = 2 n a a l 0 2 + h 2 0 s i 0 2 + 2 n a o h = n a 2 s i 0 3 + h 2 0 含有f e 2 0 3 ，a 1 2 0 3 的杏红、红褐色硬塑状态的土变为黑褐色软流塑状态的土，s i 0 2 和n a o h 反应后生成软流塑的n a 2 s i 0 3 ，f e 2 s 3 使土壤呈现黑色并在空气中发生氧 化作用，又生成f e 2 0 3 ，此二次氧化的反应式如下： f e 2 s 3 + 6 n a o h + 6 0 2 = f e 2 0 3 + 3 n a 2 s 0 4 + 3 h 2 0 有学者在地基浸碱膨胀的研究中发现，不论是n a o h 或是n a 2 c 0 3 浸入土中都 河海大学硕士学位论文 会引起膨胀，n a o h 在c 0 2 的作用下生成n a 2 c 0 3 ，随着干湿交替和温度变化，最 终都会形成含水碳酸钠晶体，导致体积膨胀。被碱液浸泡过的土中出现的可见白 色晶体就是水碱( n a 2 c 0 3 h 2 0 ) 和泡碱( n a 2 c 0 3 1 0 h 2 0 ) 。 路世豹掣 】在对硫酸库地基土污染机理的探讨一文中指出，地基土在受污染 后，生成的新生矿物主要为石膏、明矾石和褐铁矿，其中石膏在形成过程中使土 体体积膨胀，土体工程性质受到较大变化。 土中矿物的存在形式非常多样，如a 1 2 0 3 可以以三水铝石( g i b b s i t e ) 、拜三水 铝石( b a y e r i t e ) 、诺三水铝石( n o r d s t r a n d i t e ) 、一水硬铝水石( d i a s p o r e ) 、一水软铝 水石( b o e h m i t e ) 和假软铝水石( p s 砌o b o e h m i 呦等形态i j m o 】在土中存在。而且土体 中矿物成分不仅会与o h 。、s 2 - 发生反应，还会与某些无机盐溶液中的s 0 4 2 。、s 0 3 2 - 、 c i 、n 0 3 等反应，因此污染物质与土中胶体的化学作用非常复杂。 ( 2 ) 污染土物理力学性质的研究 目前，国内外发表的关于污染土的研究成果大多是关于环境保护科学和土壤 科学方面的，而纯岩土工程意义上的成果较少，而且以工程实例的报道为主。 李相然f 2 l j 等在对济南某住宅小区地基土污染腐蚀研究中，将现场取得的原状 土样浸泡于三种不同p h 值的化学溶液中，测定污染前后土样的物理力学性质后 发现土体腐蚀后其物理力学性质变化显著；并且通过对粉土、粉质粘土、粘土及 淤泥质粘土污染腐蚀后发现，粉土、粉质粘土的物理力学性质变化不太明显，变 化规律不强，而粘土及淤泥质粘土污染前后的变化比较明显，地基土承载力降低。 污染土的压缩性和抗剪性是其物理力学性质中最重要的组成部分，目前对它 们的研究依靠室内压缩试验和直剪试验来进行。在顾季剧n 】的研究中，对原状土、 浸清水2 7 天和浸废碱液2 7 天后的污染土做压缩试验，比较这三种土样的压缩曲线 后认为土体受污染腐蚀后，在第一级荷载0 5 0 k p a 时压缩曲线斜率较陡，随后蓝 线变为平缓。其原因是土体经污染后成分及结构都发生了改变，在第一级荷载作 用时土体中的孔隙大，水分增多，压缩量大增，此时的压缩曲线斜率较陡，然后 随着土孔隙中的自由水在压缩过程中逐渐排出，孔隙压力逐渐转移到土骨架上， 压缩量逐渐减小，曲线趋于平缓。并且通过快速剪切试验，测得受碱液污染后的 土样内聚力c 降低，内摩擦角减小，士体强度降低。 另外，还有学者研究了污染土的膨胀性。污染土在干湿交替环境下会发生结 晶膨胀现象，在工程建设中会引起地基土和建筑物的破坏，因而污染土膨胀性的 研究也是非常重要的。范青娟等瞄1 通过室内和现场的浸碱试验发现浸碱膨胀变 形对地基土的影响不仅与浸碱量的多少有关，还与地基所承受的基础应力的大小 及环境温度有直接关系；同时在浸碱膨胀率和膨胀力试验中，现场测得的最大膨 胀力为4 8 0 k p a ，通过平衡法测得的最大膨胀力为5 2 5 k p a ，而在室内试验的有限条 4 第一章绪论 件下，浸碱三个月后污染土的最大膨胀力为5 0 0 k p a ，说明室内试验和现场试验的 结果是比较接近的。 由于污染土物理力学性质的研究存在试验方法、试验仪器等因素的限制，国 内还未见对污染土进行三轴剪切试验。美国的l e h i g h 大学研制了一种用于危险和 有毒物质渗透试验的三轴仪，用来测定污染土的抗剪强度和不同温度作用下的影 响，以及污染物在土中的渗透性。 还未见有报道关于对污染土进行回弹、蠕变及动力特性方面的试验。 ( 3 ) 污染土微观结构的研究 污染土工程性质的变化究其根本原因是土体内部结构的变化，因此污染土微 观结构的研究逐渐成为污染土研究的重要内容之一。 前人有关土体微观结构的研究大致分为三个阶段1 2 3 , 2 4 ： 早期阶段土结构概念体系的建立，基本都以定性描述研究为主。 早在2 0 世纪2 0 、3 0 年代，太沙基( t e r z a g h i ) 就提出了土体结构这一概念， 它是建立在悬液中粘土粒子相互作用的基础上，其中最具代表的是他提出的蜂窝 结构，即粘粒悬液在电解质的作用下形成的絮凝沉积物在一定上覆荷重压力作用 下形成的结构，除此之外他还提出了絮凝结构和单粒结构；之后1 9 3 2 年c a s a g r a n d 考虑到了自然界的土不存在十分均匀的单一粒径的情况，在对海相灵敏粘土的研 究后对太沙基的蜂窝结构进行了进一步的发展，将填充在粉粒间较大孔隙中的粘 土排列称为“基质粘土”，将在粉粒接触处“蜂窝”被压缩，起到颗粒间连接作用的 粘土称为“键合粘土”；到了5 0 、6 0 年代，吸收了胶体化学原理，l a m b e 提出了 以“面一面”、边一面”、“边边”等不同连结形成的结构模型，把在低浓度电解 质中单个粘土片形成的“边一边”、i 左一面”连结的絮凝结构称为“无盐絮凝”，在 高浓度电解质中形成的开放阶梯状的“边一面”、“边一边”和“面一面”连结称为“盐 质絮凝”，在中等浓度电解质中粘土片形成的“面一面”连结称为分散结构；我国 学者陈宗基将粘土颗粒的空间网格结构分为点接触、线接触和面接触；1 9 6 3 年 v a n o l p h c n 提出了“定向聚集”这个概念，简称“聚集”来表示“面一面”连结结构模 型。 近年来，国内外部分学者结合土体微观结构来分析说明土体工程性质变化的 原因，进一步将土结构概念深入工程应用中。周玉明等嘲从粘性土微观角度论述 了含水量对工程性质的影响。其中他指出土的蠕变变形与含水量有关，从微观上 分析，土体的流变性并不是固体土颗粒流变性，而是土的颗粒与颗粒接触形式的 反映，粘土片之间的点接触、线接触转变为面接触及结合水膜的变薄、胶结物质 的破坏都会导致土的变形。 张信贵等瞄j 在研究中指出传统意义上的微观结构将土颗粒、颗粒集合体连接 的结构与土中矿物的晶格结构混合在一起，在他的研究中将土体结构分为微观结 河海大学硕士学位论文 构( m i c r os c a l e ) 、细观结构( m i n is e a l e ) 和宏观结构( m a c r os c a l e ) - - - 个层次，细观 结构是介于土体的微观结构与宏观结构之间，研究的对象是颗粒或颗粒聚合体间 所发生的作用、结果及内在的原因。研究表明水土作用引起土性变异涉及两个结 构层次：微观结构通过改变或破坏矿物晶格结构状态，形成新的成分：细观 结构通过改变土颗粒间连接状态。 现代测试技术的发展和观察手段的改进，新模型的出现。 2 0 世纪5 0 年代中期，光学显微镜、偏光显微镜、x 射线衍射等技术已经有 效运用到土体微结构观测研究中，对土体矿物构成有了进一步的了解。6 0 年代 随着透射电镜( t e m ) 、扫描电镜( s e m ) 逐步引入到土体微观结构的研究中， 土体结构的研究产生了飞跃的发展，产生了大量新的结构模式和新的名词。p u s e h 和b o w l e s 等提出了“积聚体”的概念；g i l l o t t 2 发表用扫描电镜研究细粒土结构的 论文。7 0 年代以后，d u d l l e g 提出环状支撑和集合粘土粗粒状排列的结构模型； r n y o n g 把土体组构类型分为宏观、微观和超微观三类，能用肉眼辨认的组构 是宏观组构，用光学显微镜辨认其轮廓的组构是微观组构，需用电子显微镜辨认 单个粘土片组合的是超微观组。1 9 9 7 年旌斌应用c t 技术对粘性土的微观结构 进行了研究；1 9 9 9 年张信贵、吴恒、代志宏等先后运用扫描电镜、隧道显微镜 和c t 技术对水土作用下土体细观结构进行了研究。 土体结构定量化研究的发展，结构模型的建立。 随着现代测试手段的进步和计算机技术的发展，从7 0 、8 0 年代开始对土体微 结构的研究从定性的描述转向结构定量化研究，计算机图像处理技术在土体微观 结构研究中起到了重要的作用。1 9 7 3 年1 o v e y 【2 8 j 首次尝试应用计算机图像处理系 统对土的细观进行定量化的分析；1 9 7 6 年m i t c h e u 2 9 1 在 f u n d a m e n t a l so f s o i l b e h a v i o r - - 书中对粘土微观结构及其控制因素的定量化进行系统的分析；1 9 7 7 年s m a t u s o 和m 勋m o n 用公式表示出颗粒定向的程度；1 9 8 8 年我国的吴义祥应用 计算机图像分析技术对粘性土的结构进行了图像处理。9 0 年代以后，一些针对研 究土体微观结构的计算机图形处理软件被开发，加快了土体结构量化的发展。莫 斯科大学研制的v i d e o l a b 图像分析系统【3 0 】，对提取粘性土微观结构定量信息方面 尤其在对粘性土微结构单元体定向性的定量研究有一定成效。国内也有学者研制 开发微结构图像处理软件，如河海大学自行开发研制了微细结构图像分析程序 g e o i m a g e ，洪宝宁、周字泉等【3 l 】利用土体微细结构光学测试系统对粘性土在压 缩过程中微细结构变化进行了定量分析研究，运用g e o l m a g e 程序对图像进行了 处理分析，提取了相关的微细结构特征参数，研究表明，对土体压缩性影响程度 较大的因素主要包括颗粒圆度、颗粒分布分维、颗粒定向度等。但还未见关于污 染土微观结构定量分析研究的报道。 另外在结构定量化研究的基础上，许多学者在对建立土结构模型研究上做了 6 第一章绪论 大量的工作。目前比较有影响的结构模型主要是由b a t d o f f , b u d i a n s k y 仓j 立的重 叠片和微滑动面模型和c t m d a l l 、s l r a c k 建立的颗粒模拟模型。 从土体微细结构变化的定量分析入手，建立土结构模型，研究土体的各种工 程现象，在我国岩土工程界中是一个前沿的研究领域，它为揭示土体在实际工程 中所表现出来的各种现象的本质提供一条有效的途径。 1 3 2 污染土的测试与试验技术 目前有关污染土的研究主要是针对具体的工程实例，国内还没有专门用于污 染土的勘查设备和分析试验的仪器，只能用岩土工程勘察中的通用手段，如钻探、 物探、井探、各种原位测试、室内土工试验等。 ( 1 ) 污染土的测试技术 目前对于污染土的研究出现了一些特殊的测试技术。荷兰发展了几种野外快 速试验方法，如石油探测盘、螺纹钻等，和一些快提取土中污染物质的方法，如 高热分解气体色谱法、固体光谱法等 9 , 3 2 3 3 ；有色长沙勘察院做了煮沸酸液的试 验，来测定地基的耐酸性。 为了研究土体与污染物相互作用的机理，运用了一些化学分析的测试技术， 测定污染土的化学成分，包括土的全量化学分析、矿物矿相分析、p h 值、有机 质含量、易溶盐含量、难溶盐含量、游离氧化物含量、某元素( 或某化合物) 的 定量分析等；水质分析，其中包括水中污染物含量、水对金属和混凝土的侵蚀性 等；另外还有些特殊的试验项目如土胶粒表面吸附阳离子交换容量及成分，离子 发生基( 如易溶硫酸盐) 的成分及含量的测定。 在对土颗粒成分分析测试中，测试技术对测试结构有着很大的影响。例如从 孔令伟、廖义玲【3 5 ，3 6 1 等人的研究成果来看，红粘土颗粒成分和胶结物成分的测定 中采用的分散剂不同，直接影响到粒度成分的分析结果。如果在同一种土的溶液 中加) k p h 值为7 5 8 5 的偏磷酸钠、草酸钠、焦磷酸钠的溶液，粘粒含量为 7 0 0 0 - 7 5 ，而分别加入p h 值为7 2 、7 9 和8 8 的氨水、n a 2 c 0 3 和n a o h 溶液，测得 粘粒含量却分别只有5 l 、5 2 和4 1 。 另外有些学者采用了一些先进的图形化的测试手段，来观察土体的微观结 构。较早的如高国瑞，其著作近代土质学1 2 3 j q ，采用t s e m ( 扫描电子显微镜) 来观 察土体的微观结构。其他显微结构的测试方法还包括：x 射线衍射、插热分析、 红外分析、c t 技术( 计算机断层x 射线技术) 和扫描隧道显微镜等。 张信贵、吴恒陋3 刀等人综合运用扫描电镜、x 射线衍射、c 礅术和扫描隧道 显微镜几种新型测试技术，把水土作用下土体的结构变异用图形直观的呈现出 来，研究了水环境变异条件下，城市区域水土作用与土细观结构变化的规律。测 试结果表明扫描电镜技术证实了水土作用下结构变异的存在；x 射线衍射技术研 7 河海大学硕士学位论文 究了各结构层次变异的贡献率问题：c t 技术通过研究可溶蚀相溶蚀与颗粒宏观 分散，利用土体体交率和c t 值变化率存在统一性规律，定量解释了水环境变异 引起土体孔隙及潜在变形的细观结构变异规律；扫描隧道显微镜技术初步定量测 定了水化学场变异引起的颗粒间距离变化的规律，为进一步揭示土结构变化的 规律提供了新途径。 ( 2 ) 污染土的试验研究 由于人们对于污染土的性质还没有充分地了解，因此对污染土的研究，一般 都是采用模拟试验的方法，来比较污染前后以及不同污染程度下土体矿物成分和 物理力学性质的变化。目前的试验研究主要有以下几种： 室内模拟试验 室内模拟试验主要是模拟在不同类型和不同浓度的污染溶液的作用下，土颗 粒及胶结物被侵蚀的程度和速度。一般有两种试验方法：浸泡试验和淋滤试验。 李琦等1 1 2 将南京地区常见的下蜀组粘土、粉质粘土和粉土作为试样，把它们 放入泡和器中分别用清水和废碱液( 主要成分为n a o h 、n a 2 c 0 3 、n a 2 s 0 4 等钠盐 类，p h 值为1 3 ，4 ) 浸泡3 0 天，观察污染前后土体结构和粒间连结力的变化，并且 比较三种土体在废碱液污染侵蚀后工程性质的变化，得出结论土中粘粒含量越 高，废碱液对土的工程性质影响越大。 赵以忠等呷j 在某厂强酸性废水对红粘土地基侵蚀性的模拟试验中，将土样分 别在蒸馏水、1 0 的h 2 s 0 4 溶液、2 0 的h 2 s 0 4 溶液、1 0 的( n i - h h s 0 4 溶液及1 0 的n a c l 各1 0 0 毫升中浸泡五天后，然后测定浸泡前后滤液中铁、铝、钙、镁、硅 等矿物成分含量的变化，观察在不同浓度酸性介质红粘土颗粒和内部矿物成分被 溶解腐蚀的程度。 邓承宗等例在对硫酸对地基腐蚀的研究中指出，虽然曾有单位用浓硫酸煮沸 法来测定土的耐酸度，但由于试验条件与地基的实际工作条件相差甚远，又不能 反映在硫酸介质的作用下地基的变形情况，所以对于重要的有硫酸介质作用的工 业厂房地基，最好根据厂房的实际使用条件( 如硫酸介质的浓度、作用量等) 做 室内模拟浸酸试验。 在室内浸泡试验中，试验所用土样一般是经过风干或烘干处理的，土的天然 结构被破坏，试验中浸泡溶液的浓度和容量是固定不变的，但是在天然情况下， 渗入地基土中的溶液是流动变化的，因此在模拟土体受酸碱液溶蚀或腐蚀的基础 上，为了模拟酸碱废液在土中运移的过程，有些学者做了污染土淋滤试验。淋滤 试验要求保持原状土样的结构、水分、物质组成以及土中溶液的化学成分不变， 但由于天然状态的粘土具有一定的结构，透水性较弱，淋滤过程中难以使土颗粒 与溶液充分接触反应，较难得到预期的效果，所以只有少数研究者采用此试验方 法。 8 第一章绪论 高洪阁等【帅】为了研究六价铬在不同岩土中吸附、转化及迁移的特征和规律， 了解重金属铬对地下水长期污染的机理，对不同岩土样本用蒸馏水进行淋滤试 验，以检验不同岩土对铬的释放能力。 侯玉等【4 i 】在深圳河疏浚污染土弃置研究中，进行了污染土淋溶水的模拟试 验。获得了污染土中污染物质淋溶结果及其对环境的影响，但对污染土自身的矿 物成分、化学成分以及物理力学性质的变化没有作出研究。 现场试验 有关现场污染土方面的模拟试验比较少，边际等 4 2 1 为了评价碱厂废液排放池 内的c a c l 2 溶液对相距l k m 的盐湖是否会受到污染，在现场进行了废液入渗和在 土中运移的模拟试验，并从不同角度作出了报道。 此外，很多学者都通过室内和现场试验两种方法分析比较所得到的结果，以 此来开展污染土的研究。m u l h a r e 和m i c h a e lj 3 2 1 通过对两种有机污染物进行现场 和室内模拟试验，比较通过这两种模拟试验方法所得到的不同结果，来评价现有 的几种试验方法，试图根据土体的污染机理来选择适当的试验方法，以及得到准 确有效的分析说明；范青娟等瞄j 为了研究碱液侵入地基后，地基土的膨胀率、膨 胀力以及膨胀变形机理，也进行了现场和室内的浸碱试验。 1 3 , 3 污染土的修复处理技术 对于已经污染的场地，需要对地基土进行必要的处理和整治措旎，以提供生 活生产和工程建设所必需的承载力，改善污染土的工程特性。2 0 世纪9 0 年代以来， 世界各国投入了大量人力和物力进行污染土修复处理研究，并通过这些年的探索 和积累，人们在该领域取得了较大的进展和突破，开发了一系列污染土修复处理 技术。在岩土工程应用中通常采用物理、化学修复技术，其可分为原位处理和异 位处理两种1 4 3 1 。 原位修复处理技术有以下几种方法： ( 1 ) 换土法 换土法 3 1 就是把已经被污染的土清除掉，然后换填正常的土，或采用性能稳 定，耐酸碱的砂、砾作为回填材料。这是早期采用的最直接的措施，但是此种方 法工程量大，而且挖出的污染土要即时处理，找专门的场地进行储存，或原位隔 离，不但耗费资金，占用土地，而且若不妥善处理，对土壤、地下水及空气都会 造成二次污染。 ( 2 ) 化学固化法1 4 4 1 固化法是将土壤中的有害污染物质固定起来，阻止其在环境中的迁移、扩散 等过程的处理技术。用固化法处理污染土是通过加入能与污染物质发生化学反应 的固化剂或稳定剂使污染物质转化为稳定形式，减少污染物质向土壤深层和地下 9 河海大学硕士学位论文 水迁移。一般用于重金属污染土的修复，但修复处理后的场地可能在后续利用中 使固化材料老化或失效，从而降低其固化能力。 ( 3 ) 土壤冲洗技术【4 3 1 土壤冲洗技术是在水压的作用下，将水或含有助溶剂的水溶液直接引入污染 土申，或注入地下水使地下水位上升至受污染土层，使污染物从土壤中分离出来， 最终形成迁移化合物。该技术通常要求土壤具有较高的渗透性，质地较细的土壤 ( 如红土、黄土等) 由于对污染物的吸附能力较强，需要多次冲洗。另外，冲洗 废液可能因管理不当产生二次污染。 ( 4 ) 动电修复1 4 5 动电修复是利用插入土壤中的两个电极在污染土壤两端加上低压直流电场， 在电场作用下，土壤污染物通过电渗透、电迁移和电泳作用向电极运输，在电极 附近富集或被收集回收。该方法有一定的局限性，目标污染物大部分是无机污染 物、放射性物质及吸附性较强的有机物。 ( 5 ) 电磁法 根据物理原理和实验成果，电磁力会增加能场的影响面积，导致水土体系中 离子交换的增加。现今已经研制出测定水土体系电磁力的试验设备和方法。这种 污染土处理方法是当今正在研