伍 艳，杨忠芳，王玮屏，任海平，史粉英

(1.黄河水利委员会黄河水利科学研究院，河南郑州 450003;2.水利部堤防安全与病害防治工程技术研究中心，河南郑州 450003;3.中国地质大学(北京)地球科学与资源学院，北京 100083;4.黄河勘测规划设计有限公司，河南郑州 450003)

堤防对防洪安全和保证人民生命财产安全具有重要意义，对江河中下游地区而言，堤防是防洪的最后一道防线，堤防一旦决口失事，必将造成严重后果［1］。目前堤防侵蚀类型主要分为风力侵蚀、重力侵蚀和生物潜蚀［2］，还未涉及到化学侵蚀。

水作为最重要的自然资源，为流域的社会经济发展提供了条件。但是，随着经济的高速发展和城镇化进程的加速，我国各流域水污染也日趋严重。越来越多的实践和分析证明，环境-土化学作用，特别是水-土化学作用不仅存在，且具有显著的力学效应［3］。汤连生［4］、冯夏庭［5］、王泳嘉等［6］对化学环境侵蚀下的岩石破裂特性进行了研究，程昌炳［7］、孔令伟等［8］研究了土体(主要是红黏土)胶结物的化学溶蚀及其长期强度与稳定性问题，欧孝夺等［9］探讨了热作用对不同pH值黏性土热力学特性的影响。早期的研究主要集中在酸碱性对土体力学性能的影响，李相然等［10］考察了济南典型地区地基土污染腐蚀前后力学性质的变化。伍艳等［11］通过试验分析了水中化学成分对土体渗透系数的影响。但是，化学侵蚀对堤防安全的影响还未受到足够重视。

滏阳河是海河流域子牙河水系的南支干流，发源于河北省南部邯郸市峰峰矿区鼓山南麓的黑龙洞泉群，全长402 km，是一条防洪、排涝、灌溉等综合利用的主干河道，也是河北省污染最严重的水系之一，其水质是否对滏阳河堤防土体力学性能造成影响值得关注。鉴于此，本文以滏阳河堤防用土为研究对象，对比分析去离子水及滏阳河水浸泡土体后其塑性指数、有效黏聚力、有效内摩擦角及应力-应变关系曲线的变化规律，并通过分析土体矿物成分及微观形貌的改变，初步揭示水中化学成分与土体相互作用机理，为滏阳河段堤防工程安全评价及病害防治提供更切合实际的基础数据与理论支持。

1 试验仪器、材料和试验方法

1.1 试验仪器

试验采用南京土壤仪器有限公司生产的TSZ-3型应变控制式三轴仪、日本电子(JEOL)公司生产的JSM-6700F型扫描电子显微镜和日本理学DMAX-3C衍射仪。

1.2 试验材料

试验用土样及水样分别采自河北邯郸滏阳河。土样主要物理力学指标如表1，为低液限黏土。

表1 试验用土主要物理力学指标Table 1 Physico-mechanical indices of soil

1.3 试验方法

1.3.1 物理力学性能试验方法

本试验采用重塑土进行试验，将原状土自然风干，碾碎后将土样过2 mm筛，均匀喷洒水后静置于密闭容器内24 h以上，使含水量均匀。当含水量为21.7%时，用击实方法将土击入环刀内，控制干密度ρd=1.55 g/cm3，制成φ3.91 mm×80 mm的试样，用纱布及带孔的塑料膜将土样包好，避免在浸泡过程中土样变形。每组取3个相同的试样，分别在去离子水和滏阳河水中浸泡14天后取出，在围压100 kPa、200 kPa和300 kPa下进行固结不排水剪切试验。同时将浸泡后的试样按照SL 237-007-1999《界限含水率试验》对试样的液限和塑限进行测定，并计算得出塑性指数。

1.3.2 扫描电镜试验方法

为满足扫描电镜获得图像的要求，需对试样进行如下准备:用锯条小心地将土样与周围的土隔断，使其成为一个边长约为5 mm×3 mm×2 mm的立方体。本研究采用风干法，使其自然风干脱水，这样不破坏土样的原始结构，风干后的土样进行表面打磨处理，选用5种不同规格的砂纸，由粗到细依次对土样的观测面进行打磨，并应避免留下划痕对观测造成影响，然后用吹管将表面残留的土屑清理干净。为避免因电荷积累和放电的现象影响观测过程中的图像清晰度，需在土样的观测面镀上一层金膜。镀膜完成即可放入扫描电镜观测，试样不宜在空气中暴露过久，避免因金膜氧化作用而影响观测质量。放大倍数过大时，土样成像模糊，而倍数过低时又无法观测到颗粒与孔隙的微观结构，最终选取放大3000倍的图像进行拍摄。

2 试验结果及分析

2.1 物理特性

从表2可以看出，滏阳河当地水浸泡后土体塑性指数小于去离子水浸泡后的土体，减小了8.5%。

表2 土体浸泡后塑性指数Table 2 Plasticity index of the soaked soils

2.2 强度特性

对2种水样浸泡后的试样开展三轴剪切试验，对于同一组试样，在τ-σ应力平面图上绘制摩尔应力圆，并绘制不同围压下破坏应力圆的包线，可得黏聚力c值和内摩擦角φ值以及有效黏聚力c＇值和有效内摩擦角φ＇值(表3)。从表3可以看出，滏阳河当地水样对土体强度特性具有重要影响。土样在当地水浸泡后的有效黏聚力明显小于去离子水浸泡后的土体，减小了65.4%，有效内摩擦角明显大于去离子水浸泡后的土体，增大了23.6%。

表3 土体浸泡后抗剪强度指标Table 3 Shear strength indices of the soaked soils

2.3 变形特性

不同浸泡条件下土体在剪切过程中的轴向应变与主应力差之间的关系曲线如图1。由图1可知:(1)不同浸泡条件下试样均呈现应变硬化现象，且随围压的增加，应变硬化现象更为显著;(2)当应变较小时，去离子水和不同浓度的总氮溶液浸泡土体后的应力应变关系曲线很接近，随着轴向应变的逐渐增大，各浸泡条件下土体的应力应变关系曲线的距离逐渐增大且最终趋向于一定值;(3)当应变达到一定值后，滏阳河当地水浸泡土体后使试样的主应力差值较去离子水浸泡土体后有显著提高，或者在相同的主应力差值条件下，当地水浸泡土体后的应变小于去离子水浸泡土体后的应变。

图1 土样应力应变关系曲线Fig.1 The stress-strain curve of soaked soils

表4为土体在各浸泡条件下取轴向应变达到15%所对应的剪切峰值，从表4中可以看出，各级围压下，滏阳河当地水浸泡土体后的剪切峰值均大于去离子水浸泡后的土体，围压为100kPa、200kPa和300kPa时分别增大了38.5%、17.7%和12.6%，说明污染较轻的水体(如文中理想状态的去离子水)比污染较重的水体(如滏阳河当地水)浸泡土体后使土体强度和抵抗变形能力下降更为明显。

3 作用机制研究

3.1 浸泡液化学成分变化

浸泡液对土体力学性质的影响主要表现在三个方面:(1)对土体中某些矿物产生溶解或溶蚀作用;(2)使土体的物质成分发生改变;(3)促使土体产生离子交换作用，使土体的双电层结构发生改变。

土颗粒表面带有负电荷，能够吸附阳离子，在一定条件下，颗粒将吸附水溶液中某些阳离子，如K+、Na+、Ca2+等，而将其原来吸附的部分阳离子转入水溶液中。孔隙液离子浓度的增大引起结合水膜变薄，削弱了颗粒间的黏聚性，而使内摩擦角增大。表5为滏阳河当地水浸泡土体前后及去离子水浸泡土体后主要化学成分含量，从表5中可以看出，由于黏土矿物颗粒表面的阳离子交换作用，去离子水浸泡土体后使一些离子化合物溶出，对比当地水浸泡土体前后化学成分含量变化可以看出，土样中易于被交换出来的阳离子，如黏土矿物成分蒙脱石和伊利石中的K+、Na+、Ca2+、Mg2+等离子，在浸泡土体后浓度升高，使得溶液中的这些离子的含量增加明显，4种阳离子浓度分别由浸泡前的9.10 ug/mL、54.0 ug/mL、119 ug/mL和52.0 ug/mL增大为浸泡后的25.0 ug/mL、58.0 ug/mL、305 ug/mL 和 92.5 ug/mL，分别增加了174.7%、7.4%、156.3%和77.9%。因此，当地水浸泡土体后的有效黏聚力比去离子水浸泡后的大，而内摩擦角较小。当浸泡液离子浓度足够大时，土中孔隙水溶液达到饱和，多余盐分便以晶体的形态存在于土中，并成为土骨架的一部分，起着重要的胶结作用，这是当地水浸泡土体后内摩擦角较大的另一原因。

表5 浸泡液主要化学成分含量Table 5 Chemical constituents of the soak solutions

3.2 矿物成分

土中黏土矿物常见的有高岭石类、蒙脱石类、伊利石类，它们是土中物理化学性质活跃的物质，对于土的工程性质有着显著影响。土体中的长石及方解石在浸泡过程中发生水解，反应式如下:

相对于已经含有K+、Na+、Ca2+的当地水而言，长石及方解石在去离子水中的水解更加彻底，当地水中的K+、Na+、Ca2+使方程式不能完全向右进行，势必削弱矿物成分的水解作用，因此去离子水浸泡土体后的钾长石、斜长石及方解石含量小于当地水浸泡后土体3种矿物成分的含量，而黏土矿物蒙脱石和伊利石的含量则大于当地水浸泡土体后两者的含量(表6)。使得试样塑性指数及有效黏聚力小于去离子水浸泡后的土体，有效内摩擦角则大于去离子水浸泡后的土体(表2、表3)。

表6 土体浸泡后矿物成分含量Table 6 Mineral composition of the soaked soils

3.3 微观结构

对比各浸泡条件下试样放大3000倍的SEM照片可以发现，去离子水浸泡的试样(图2(a))结构较均匀致密，黏土矿物边缘相对较清晰，孔隙相对较少，其结构以片状结构为主，含有少量絮凝状结构。用当地水浸泡土体后，其微观结构相对于去离子水浸泡土体后微观结构较为分散，孔隙相对较多，片状结构减少，且以团粒状结构为主(图2b)。故当地水浸泡土体后的塑性指数和有效黏聚力小于去离子水浸泡后的土体，有效内摩擦角则大于去离子水浸泡后的土体。

图2 不同浸泡条件下土样微观照片Fig.2 Microstructure photographs of the soaked soils

值得注意的是，表5中去离子水浸泡土体后总氮浓度明显增大，当地水浸泡土体前后总氮、总磷含量变化明显，分别从 10.4 ug/mL、0.52ug/mL增加到46.0 ug/mL、5.83 ug/mL，增 加 了 342.3% 和1021.2%。在过去的相关研究中，大部分研究工作主要关注水-土间离子交换作用［12～13］，几乎不考虑有机化合物或者是有机-无机混合物对土体结构及物理力学性能的影响，但随着湖泊流域水库水质成分的日趋复杂，有机-无机混合污染物，特别是氮磷类化合物对土体力学性能的影响应受到重视。

此外，本文重在讨论水-土相互作用对土体物理力学性能的影响，故采用静水浸泡的方式对土体进行处理。实际情况下，堤防土体力学性能受污染河水的影响除了与文中讨论的水-土相互作用有关，还与水流速度、冲刷强度及时间有一定关系。土体在浸泡液中由于孔隙水溶液饱和产生的结晶沉淀，可能被水流稀释溶解，使堤防土体性能发生一定改变，相关内容需要做进一步讨论。

4 结论

(1)滏阳河当地水浸泡后土体塑性指数小于去离子水浸泡土体后塑性指数，减小了8.5%。

(2)土样在当地水浸泡后的有效黏聚力明显小于去离子水浸泡后的土体，减小了65.4%，有效内摩擦角明显大于去离子水浸泡后的土体，增大了23.6%。

(3)用去离子水和不同浓度总氮溶液浸泡后的土体应力应变关系曲线变化规律基本一致，均呈应变硬化现象。各级围压下，滏阳河当地水浸泡土体后的剪切峰值均大于去离子水浸泡后的土体，围压为100 kPa、200 kPa、300 kPa时分别增大了 38.5%、17.7%、12.6%，说明邯郸滏阳河当地水浸泡土体后使土体强度和抵抗变形能力有所增强。

(4)去离子水及当地水浸泡液与土体间发生离子交换等相互作用，使其微观形貌及孔隙特征发生明显变化，最终导致土的宏观力学特性改变。

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