力学论文
【第二篇】论文题目: 不同浓度锌离子污染土的工程力学性能试验研究
摘要:通过直剪试验、压缩试验和三轴试验对人工制备最优含水率下不同浓度锌离子污染土的工程力学性能进行测试,研究了不同锌离子浓度污染土的抗剪强度和压缩特性.结果表明:随着锌离子浓度的增加,污染土的内摩擦角和压缩系数增加,内聚力和压缩模量下降,而污染土的孔隙比随着锌离子浓度的增加先减小后增大;在不同垂直压力下,随着压力的增加,污染土的压缩系数整体先减小后增大,压缩模量先增大后减小.
关键词:锌离子污染土; 抗剪强度; 压缩特性; 力学性能试验;
工业大发展过程中排放的污染物如果得不到有效处置,会引起生态环境的破坏,在众多污染物类型中,锌离子污染危害性尤为突出.由于相关企业设施陈旧,污染物处理系统不够完善,导致含锌污染物进入地下水和地基土中,造成地基土工程性质恶化、地基下沉等现象[1].特别是在退役老厂房[2]拆迁后的地基上的房层建设工程,必须考虑重金属污染对地基承载力的影响,并采取相应措施进行处理.
污染土的力学性能研究涉及的学科较为广泛,包括岩土工程、环境工程、土壤科学、化学与化工工程等多学科领域[3].在国外,对于污染土的工程力学性能研究起步较早,Graham等[4]研究得出在冻融和干湿试验条件下,黏土中由于Na的存在使得其渗透系数减小的结论;Fukue等[5]通过对重金属污染土电阻率特性的试验研究,揭示了重金属离子侵蚀土壤过程中,金属阳离子的迁移过程和对土体电阻率的影响规律.在国内,对于污染土的工程力学性能研究相对起步较晚,朱春鹏等[6]通过人工制备不同浓度的酸、碱污染土试样,研究了不同浓度酸、碱污染土的应力应变特性以及孔隙水压力的变化规律;储诚富等[7]制备了不同浓度的锌离子污染土,通过稠度指标、无侧限抗压强度和三轴试验研究了锌离子污染土的力学性能指标;李熠等[8]通过电阻率试验和剪切试验,研究了锌离子污染土的剪应力和剪切位移、电阻率和剪切位移以及抗剪强度和电阻率的变化规律,并提出用原始电阻率和敏感度来反映锌离子污染土的性质;何斌等[9]通过人工拌和击实的方法配制了不同含量Na2SO4和MgCl2的污染土,得出不同浓度Na2SO4和MgCl2污染土的塑性指数IP与液限WL的关系,并建立了相关性表达式;任礼强等[10-11]、伯桐震等[12]针对云南地区受电镀厂和冶炼厂排出化学废水导致红土污染造成地基失稳的灾害,研究了酸碱及硫酸盐污染红土的力学性能变化.
基于上述研究,本文主要通过室内试验研究了最优含水率条件下不同浓度锌离子污染土的抗剪强度和压缩特性,着重研究了不同浓度锌离子污染土的抗剪强度指标以及压缩模量、压缩系数、孔隙比的变化,并从微观角度分析了产生各种变化的原因.
1 材料与方法
1.1 试验土样
试验所用的土样取自于湖北省武汉市湖北工业大学轻工学院新办公楼基坑,取样深度约为2.5m,该原状土为淤泥质黏土,含少量有机质,其基本物理力学性能指标见表1,土样的全量化学分析结果.
考虑到土体含水量对试验的结果会产生较大影响,故采用击实试验测定土样的最优含水率作为其含水量,测得试验土样的最大干密度为1.79g/cm、最优含水率为20%.在本试验中,均采用试验土样的最优含水率计算锌离子溶液的用量,并进行试样配制.
1.2 污染液的配置
试验采用国药集团生产的六水合硝酸锌[Zn(NO3)2·6H2O]分析纯作为污染物,并配置成锌离子浓度分别为0mg/L、200mg/L、2 000mg/L和20 000mg/L的硝酸锌溶液.
1.3 污染土样的制备
将事先烘干好的的土样通过电子秤称量,每份3kg分别装入事先准备好的拌盆中,将配置好的不同浓度硝酸锌溶液均匀喷洒入土样中,采取人工拌合的方式进行充分搅拌.
本次直剪试验和固结试验污染土样的制备采用手动击实的方法,每次击实分三层,每层击打15次,每层试样的高度相等,击打完成后将锌离子污染土样两端用滤纸覆盖并用透水石封盖放置待用.三轴试验污染土样的制备则采用专用击实模具分三次击实,制成39.1mm×80mm的污染土样进行试验.
1.4 试验方法
将不同锌离子浓度的污染土试样分别放置1d后,取出试样,根据土工试验方法标准(GB/T50123-1999)分别在直剪仪中以0.8mm/min的速度进行直剪试验、全自动固结仪中进行标准固结试验(压力等级为12.5kPa、25kPa、50kPa、100kPa、200kPa、400kPa、800kPa、1 600kPa)、全自动三轴仪(南京土壤仪器厂的Tsz系列全自动三轴仪)中进行不固结不排水三轴试验.
2 结果与分析
2.1 直剪试验结果与分析
试样制作完成放置1d后,可以明显看出锌离子污染土的颜色比无污染土颜色略深,且污染土中锌离子浓度越高,土体的颜色越深,这是因为硝酸锌溶液中的锌离子与土体中一些化合物结合引起了颜色的变化.
对放置1d后不同浓度锌离子污染土样进行了直剪试验,得到不同浓度锌离子污染土样在不同压力下(100~400kPa)的剪应力与剪切位移的关系曲线.
可见,无污染土与不同浓度锌离子污染土样的剪应力与剪切位移曲线有较大区别(根据《土工试验规范》,当剪应力不断增强且不停止的情况下,取4mm处剪切位移作为抗剪强度的计算值).其中,200mg/L的Zn(NO3)2溶液污染土样与无污染土的直剪试验曲线变化趋势较为相似,在剪切位移为2mm之前,污染土样的剪应力随剪切位移的增加而增加,超过2mm后,污染土样的剪应力随剪切位移的增加变化缓慢;随着锌离子浓度的增加,2 000mg/L和20 000 mg/L的Zn(NO3)2溶液污染土样的直剪试验曲线则呈现出较明显的线性规律,在剪切位移超过4mm后,污染土样的剪应力随着剪切位移的增加而继续增加,与无污染土相比有较大的区别.上述试验结果说明锌离子浓度对土体抗剪强度的影响存在一个临界的浓度,超过该临界浓度后对土体抗剪强度的影响趋于明显.
放置1d后不同浓度锌离子污染土样的抗剪强度与法向应力的关系曲线见图2,计算得到的不同浓度Zn(NO3)2溶液污染土样的内聚力和内摩擦角.可见,无污染土与不同浓度锌离子污染土样的抗剪强度有较大的差别,随着锌离子浓度的增加,污染土样的内聚力下降明显而内摩擦角则增大较多,并且在锌离子浓度为20 000 mg/L时污染土样的内聚力下降速率增加,而200 mg/L与2 000mg/L锌离子浓污染土样则较为相似,污染土样的内摩擦角都上升到20°,与无污染土相比上升较大.
2.2 固结试验结果与分析
对放置1d的不同浓度锌离子污染土样通过全自动固结仪进行标准固结试验,得到不同浓度锌离子污染土样在不同压力下(100~200kPa)的压缩模量与锌离子浓度的关系曲线.可见,无污染土的压缩模量为2.54MPa;当受到锌离子污染后,污染土样的压缩模量降低,且在200mg/L锌离子浓度时,污染土样的压缩模量降低相对较为缓慢,但随着锌离子浓度的增加,污染土样的压缩模量降幅加快,在锌离子浓度为2 000mg/L时,污染土样的压缩模量降低至2.27MPa,而在锌离子浓度为20 000mg/L时,污染土样的压缩模量降低至2.12MPa,说明在受到锌离子污染后,黏性土的压缩模量会有所下降,且随着锌离子浓度的增加,黏性土的压缩模量下降速度增加.
不同浓度锌离子污染土样在不同压力下(100~200kPa)的压缩系数与锌离子浓度的关系曲线与压缩模量相反,污染土样的压缩系数呈现出随着锌离子浓度的增加而增加的变化趋势,同样也是在锌离子浓度为200mg/L时,污染土样的压缩系数增加相对缓慢,在锌离子浓度为2 000mg/L和20 000mg/L时,污染土样的压缩系数增加速率变快.本次试验得出的规律与储诚富[7]的研究结论基本相同:污染土样的压缩系数随锌离子浓度的增加而增加,而压缩模量则减小.
不同浓度的锌离子污染土样在不同压力下(12.5~1 600kPa)的孔隙比与锌离子浓度的关系曲线.可见,随着压力的增加,无污染土的孔隙比逐渐减小,而受到锌离子污染的土样的孔隙比下降幅度增大,无污染土的孔隙比从0.80降至0.38,而锌离子污染土样的孔隙比则从0.79降至0.24;在相同压力下,污染土样孔隙比的变化呈现出先减小后增大的趋势,一般在锌离子浓度为200 mg/L时达到最低点,在锌离子浓度为20 000mg/L时达到最高点,但在压力增加到800kPa和1 600kPa时,锌离子污染土样的孔隙比总体上相对无污染土有所降低,而实际情况中很难达到这么高的压力.由此可见,锌离子浓度对土样孔隙比的影响较大,且使其发生趋势改变的锌离子浓度一般为200mg/L.
本次试验对不同浓度锌离子污染土样在不同竖直压力下的压缩模量进行了对比.可见,随着竖直压力的增加,锌离子污染土样的压缩模量呈现出先减小后增大的总体趋势,且在50kPa和100kPa竖直压力下污染土样的压缩模量达到最低值.在25~100kPa竖直压力下,污染土样的压缩模量随着锌离子浓度的增加而增加,且20000mg/L锌离子污染土样的压缩模量与无污染土相比增加较多,体现出土体更加坚硬难以压缩;在200~400kPa竖直压力下,锌离子污染土样的压缩模量随着锌离子浓度的增加而减小;在800~1 600kPa竖直压力下,200mg/L和2 000mg/L锌离子污染土样相对无污染土表现出压缩模量增幅较大,而20 000mg/L锌离子污染土样则表现出压缩模量增幅较小或者减小.总体上,无论是压缩模量增大或者减小,200mg/L与2 000mg/L锌离子污染土样表现出的变化规律相同,但20 000mg/L锌离子污染土样则与低浓度锌离子污染土样不一致,且在压力为400kPa以下时,200mg/L和2 000mg/L锌离子污染土样压缩模量的变化与无污染土差别较小,由此可以推测出影响污染土样压缩模量的锌离子临界浓度应该介于2 000~20 000mg/L之间.
本次试验还对不同浓度锌离子污染土样在不同竖直压力下的压缩系数进行了对比. 可见,随着竖直压力的增加,锌离子污染土样的压缩系数总体呈现出下降的趋势.在100kPa竖直压力以下,污染土样的压缩系数随着锌离子浓度的增加而减小,且20 000mg/L锌离子污染土样的压缩系数远远低于无污染土,表现出较高浓度锌离子污染土样的压缩性较低的特点;在100kPa竖直压力以上,污染土样的压缩系数随着锌离子浓度的增加而增加;与压缩模量类似,200 mg/L与2 000mg/L锌离子污染土样的压缩系数表现出的变化规律相同且相对无污染土的压缩系数差别不大,但20 000mg/L锌离子污染土样的压缩系数则表现出较大的差异,由此可以判断影响污染土样压缩系数的锌离子临界浓度应该介于2 000~20 000mg/L之间.
当锌离子浓度超过土体的最大吸附浓度时,存在于孔隙和土间隙中的锌离子会因为过饱和而以盐结晶的形式存在于土体中,并且Zn(NO3)2在结晶过程中吸收6个水分子,形成Zn(NO3)2·6H2O,其体积增大并且破坏了原有土颗粒之间的胶结作用,当受到压力时,土颗粒之间的滑动增加,使得土体的压缩模量减小,压缩系数增大.
2.3 三轴试验结果与分析
对不同浓度最优含水率的锌离子污染土样通过全自动三轴仪进行了不排水不固结三轴试验,得出不同浓度锌离子污染土样的抗剪强度指标与锌离子浓度的关系曲线.可见,锌离子污染土样与无污染土相比其内聚力下降明显,且200 mg/L锌离子污染土样的内聚力下降速率较快,2 000 mg/L和20 000mg/L锌离子污染土样的内聚力下降速率放缓;污染土样的内摩擦角则在锌离子浓度为200mg/L时升高较快,而在锌离子浓度为2 000 mg/L和20 000mg/L时上升速度放缓.由此可见,污染土样的内摩擦角和内聚力变化较快阶段都在锌离子浓度为200mg/L左右.总体上来看,随着锌离子浓度的增加,污染土样的内聚力下降、内摩擦角上升,这与直剪试验抗剪强度指标的变化趋势基本一致,见表4.
3 结论
本文对不同浓度的锌离子污染土样进行了室内直剪试验、压缩试验和三轴试验,研究了不同浓度锌离子污染土样的抗剪强度和压缩特性,得到以下结论:
(1)三轴试验和直剪试验结果均表明:随着锌离子浓度的增加,污染土样的内摩擦角上升、内聚力下降.
(2)固结试验结果表明:随着竖直压力的增加,污染土样的压缩系数先增加后减小,压缩模量先减小后增大;在低压力下,随着锌离子浓度的增加,污染土样的压缩模量增大、压缩系数减小,在高压力下,随着锌离子浓度的增加,污染土样的压缩模量减小、压缩系数增加;污染土样的孔隙比的变化随着锌离子浓度的增加先减小后增大.
参考文献
[1]蓝俊康,柳州市红黏土对Zn2+的吸附平衡实验[J].桂林工学院学报,1995,15(3):265-268.
[2]雍正,罗泽娇,宋萌萌.武汉某退役电镀车间场地土壤重金属污染及形态分析[J].安全与环境工程,2014,21(3):46-50.
[3]Kooper W F,Mangnus G A.Sampling and analysis in contaminated site investigations.Impediments and provisional guidelines in The Netherlands[M]//Assink J W,van Den Brink W J.Contaminated Soil.Dordrecht,The Netherlands:Martinus Nijhoff Publishers,1986:325-336.
[4]Graham J,Yuen K,Goh T B,et al.Hydraulic conductivity and pore fluid chemistry in artificially weathered plastic clay[J].Engineering Geology,2001,60(1):69-81.
[5]Fukue M,Inoue T,Fujimori Y,et al.Resistivity change during transport of heavy metal in sand[J].Engineering Geology,2006,85(1/2):46-52.
[6]朱春鹏,刘汉龙,沈扬.酸碱污染软黏土变形性质的三轴试验研究[J].岩土工程学报,2009,31(10):1559-1563.
[7]储诚富,查甫生,夏磊,等.锌污染黏土工程性质的试验研究[J].工业建筑,2015,45(1):118-121.
[8]李熠,杨波,董晓强.Zn2+污染土抗剪强度及电阻率特性研究[J].中国科技论文,2016,11(3):346-350.
[9]何斌,刘飞姣,王海杰,等.Na2SO4和MgCl2污染土压缩性能的室内试验[J].中国科技论文,2012,7(5):358-363.
[10]任礼强.碱污染红土的宏微观特性研究[D].昆明:昆明理工大学,2014.
[11]任礼强,黄英,樊宇航,等.碱污染红土的抗剪强度特性及碱土作用特征研究[J].水文地质工程地质,2014,41(5):75-81.
[12]伯桐震,黄英,石崇喜,等.酸污染红土物理性质的变化特性[J].水文地质工程地质,2012,39(2):111-115.
点击查看更多：工程力学论文