酸性溶液浸蚀条件下原状黄土工程特性研究

酸性溶液浸蚀条件下原状黄土工程特性研究

周帆   ,贺晓创   ,李爱国   ,张正尧   ,刘慧,  ,孟天一 

（ 西安工业大学建筑工程学院，陕西西安710032）

摘要：黄土广泛分布于我国西北部地区，是典型的结构性土。由于黄土本身大孔隙、弱胶结等特点，导致黄土具有显著的湿陷性和水敏性，从而导致黄土在扰动及浸水条件下更易破坏，导致工程事故发生。论文针对于乙酸溶液浸蚀黄土，使用GDS三轴仪对不同固结围压和溶液的浓度的黄土开展了常规三轴固结排水剪切试验，揭示了乙酸溶液浸蚀黄土的应力-应变演化规律。结果表明：在低围压条件下，水溶液及1mol/L草酸溶液浸蚀土体后，应力-应变曲线呈现出软化型，在其余条件下均表现为硬化型；固结围压越大，应力应变曲线越高，浓度的增大对黄土的结构有明显损伤，应力应变曲线越低。

关键词：乙酸溶液；原状黄土；应力应变；强度特性

绪论

黄土主要分布在北半球的中纬度地区且呈现不连续带状分布，其中，亚洲的黄土分布最为广泛。身为亚洲大国，中国的西北部是我国黄土的主要分布区域，约占我国领土面积的6.6%，达到64万平方千米。占世界黄土覆盖面积的4.9%。[1]我国的西北黄土高原是世界上黄土最为发育的地区，黄土连续分布面积达44万平方千米，黄土堆积厚度大，地层完整，地貌类型多而复杂。随着新西部大开发战略的实施，我国西北部地区现代化发展迅速，工业、农业建设规模发展迅速，但是发展带来的环境问题也是与日俱增，其中，由于工业废水的大量排放、垃圾填埋场的渗出液、酸雨等环境问题日益严重。当这些污染环境的酸性液体浸入土体后，会改变土体原生结构，从而导致土体的劣化、地基沉降等一系列危害，成为了西部大开发战略发展的一个拦路虎，影响工程安全，同时对于西北地区的自然环境而言，这也是一个待解决的问题。本文所研究的酸性溶液浸蚀条件之下，黄土的内部结构演化特征以及宏观状态下渐进破坏的过程，这对于研究黄土地区的工程灾害、破坏机理研究具有很重要的理论研究以及实践意义。黄土是黄土高原地表主要岩土类型，其具有强结构性、湿陷性和水敏性等特性，受水分影响显著。[2]黄土的一大特征是富含碳酸钙。[3]在黄土中，碳酸钙主要起到团粒结构的主要胶结作用。[4]杨秀娟等对重塑黄土工程性质研究表明酸性溶液作用后，土体中的黏粒粒组含量增加，粉粒粒组的含量减少，同时其液塑限增大。[5]论文采用了GDS三轴仪对于原状黄土进行不同情况下的剪切实验，对于不同固结围压和溶液浓度的黄土进行常规三轴固结排水剪切试验，揭示了黄土受到酸性溶液浸蚀后的应力应变演化规律，可为黄土工程建设提供参考。

2试验材料与研究方法

2.1试样材料

试验土样取自于西安市白鹿塬某边坡，土质属于Q3黄土，颜色呈黄褐色，土体局部存在较多结核，表面存有大量细小虫孔，土质较为坚硬。在现场取样时，初步将黄土切削为30*30*30cm块体，在取出后统在土样顶部做标记，明确土的沉积方向，然后迅速用黑色塑料袋严密包裹，保持原有土质，用胶带固定，防止土样暴露外界时间过长，影响土体含水量变化，从而影响实验结果。基本物理性质指标如见表1所示。

表1黄土基本物理性质指标

2.2试验方法

本文采用GDS三轴仪常规三轴固结排水剪切，式样尺寸为高80mm，直径39mm圆柱形。

采用分别配置0.5mol/L、1mol/L的乙酸溶液。将制备好的原状土样外侧包裹橡胶薄膜，上下底面放置滤纸以及透水石，经过反复尝试后选择在自制泡沫盒中装酸性溶液的玻璃杯，将式样置于杯中盖好盖子浸泡3天，在这过程中观察式样中是否由于浸泡关系有土颗粒渗出，待溶液充分浸入后取出风干，自然风干到天然含水率到15.7%。用保鲜膜包裹式样放于保湿缸内三天，从而使酸性溶液分布更加均匀。将试样安装于仪器上，按照设定程序进行固结，固结完成后保持围压不变，设定轴向加载速率为0.08mm*min-1进行剪切试验。试验完成了4个固结围压（50kPa、100kPa、200kPa和300kPa ）和3个浓度（0、0.5mol/L、1mol/L）条件下的常规三轴剪切试验。

3试验结果与分析

黄土在酸性溶液的浸蚀下出现结构损伤，从而使黄土强度以及变形特性出现一定差异。主要是由于黄土中的碳酸盐一直游离氧化物在不同的程度上与酸性溶液发生了化学反应生成新的可溶性盐或沉积物等其他新物质，破坏了土体的原有结构，使得黄土强度及变形特性发生了差异性变化。由于黄土中的碳酸钙占大部分，在乙酸的环境下发生化学反应，主要的反应式为：

由上式可以看出，随着碳酸钙与酸性溶液发生反应，乙酸钙不断生成，碳酸钙的含量逐渐降低。其中，乙酸钙易溶于水。

3.1固结围压对应力-应变曲线影响分析

整理相同浓度酸性溶液、不同围压下黄土的应力-应变曲线，如图2所示。

(a)0.5mol/L乙酸                         (b)1mol/L乙酸

(g) 水溶液

图2 不同围压条件下原状黄土(σ1-σ3)-ε1曲线

从图2可以看出来，在乙酸溶液环境下原状黄土的(σ1-σ3)-ε1曲线随着固结围压的增大而逐渐升高，规律一致。除在水溶液50kPa条件下为应变软化型之外，其余条件下的(σ1-σ3)-ε1曲线均呈现出硬化型，可用双曲线描述。固结围压越大，约束越强，土的压密性越明显，其应力应变曲线越高，土的强度越大，规律性较好。土在乙酸溶液的浸蚀以及高固结围压的作用下，使得原状土自身结构破坏程度较大，土体中点接触、面胶结这俩种颗粒之间的弱胶结连接形势在酸性溶液的渗入以及固结围压的增大而逐渐崩坏，黄土的大孔隙等特殊结构被破坏，黄土内部颗粒之间重新形成了孔隙较小，排列紧密的新型结构，呈现出比原有结构更为紧密的结构形态，土体之间的联结方式改为面接触，胶结能力增强，土颗粒接触面积增大，使得土颗粒之间的摩擦力增大，土体抗剪能力增强。结构更加稳定。

3.2不同浓度对黄土应力-应变演化关系的影响

整理同一固结围压，不同浓度的乙酸溶液条件下的应力-应变曲线，如图3所示。

(a)50kPa                              (b)100kPa

(c)200kPa                             (d)300kPa

图3不同浓度条件下乙酸溶液浸蚀原状黄土(σ1-σ3)-ε1曲线

由图3可以看出，不同浓度酸性溶液浸蚀后黄土的应力应变曲线均为硬化型，与水溶液不同，说明了酸性介质的浸入影响了土的原生结构，导致了其演化规律的差异。固结围压较小时，浓度对应力应变曲线影响较大，随着固结围压增大，溶液浓度对于黄土应力应变演化关系的影响逐渐减弱。随着乙酸溶液浓度的增大，黄土的(σ1-σ3)-ε1曲线逐步降低，但受固结围压控制。乙酸溶液浸蚀原状黄土之后，土体内部的碳酸钙逐渐被溶蚀成新的可溶性盐乙酸钙，随着乙酸浓度升高，反应速度以及溶蚀的程度不断提高，黄土自身初始结构逐步降低。在50kPa的固结围压、0.5mol/L、1mol/L的乙酸溶液浸蚀原状黄土时，乙酸溶液浸蚀下的原状黄土 (σ1-σ3)-ε1曲线高于水溶液曲线，原因是固结围压不足破坏土的原生结构，乙酸溶液起到了一定“催化”作用，促进了原状黄土原生结构的破坏以及次生结构的生成，使得土体逐渐趋于稳定。在其他的条件下，乙酸浸蚀黄土的(σ1-σ3)-ε1曲线整体低于水溶液浸蚀原状黄土的(σ1-σ3)-ε1曲线。其中原因是由于固结围压的增大以及酸性浸蚀破坏了土体原生结构，使土体抗剪切能力下降。当固结围压为300kPa时，固结围压对于土体的影响占主导地位，故不同浓度的乙酸溶液对于原状黄土浸蚀后的(σ1-σ3)-ε1曲线与水溶液下的曲线基本一致。

4  结论

（1）除在水溶液50kPa条件下的应力-应变曲线为软化型之外，其余条件下均呈现出硬化型，可用双曲线描述。

（2）固结围压越大，约束越强，土的压密性越明显，其应力-应变曲线越高，土的强度越大。

（3）固结围压较小时，浓度对应力-应变曲线影响较大，随着固结围压增大，溶液浓度对于黄土应力-应变演化关系的影响逐渐减弱。

（4）酸性溶液浸泡后，黄土的原生结构发生破坏，生成新结构，随着酸性溶液浓度逐渐升高，黄土抗剪切能力下降，说明了浸泡浓度越高，对于土体结构的影响越大。

参考文献：

［1］西北水利科学研究所．西北黄土的性质［M］．西安:陕西人民出版社，1959:10．

［2］王云南;刘争宏;曹杰.黄土工程灾变机理研究综述[J].西北水电,2018,(01):1-6.

［3］郭玉文;宋菲;加藤诚.黄土中碳酸钙分布的能谱分析[J].岩土工程学报,2005,(09):1004-1007.

［4］高国瑞.中国黄土的微结构与地理、地质环境的关系[J].地质学报,1984,(03):265-272+279-280.

［5］杨秀娟;武雷杰;刘惹梅;樊恒辉;杜宇航.酸性溶液对重塑黄土工程性质的影响研究[J].人民黄河,2020,42(07):122-125+135.