刘 华，张硕成，鲁 洁，牛泽林，冯志焱，刘 刚

(1.西安建筑科技大学 土木工程学院，陕西 西安 710055;2.西安建筑科技大学 陕西省岩土与地下空间工程重点实验室，陕西 西安 710055;3.中铁北京工程局集团第一工程有限责任公司，陕西 渭南 714000)

黄土和黄土状土广泛地分布于世界各地.其中我国黄土高原所覆盖的黄土因其独特的地质成因和所表征的古气候环境学意义，其空间分布特征和工程影响都极具代表性.从岩土工程的长期稳定性角度出发，由于黄土特殊的组构特点使得部分黄土具有增湿而产生的额外变形，从而以湿陷系数大小作为稳定性评价指标之一；另一方面，黄土的湿陷敏感性一般可认为是黄土浸水后发生湿陷的难易、快慢及大小的程度[1]，它与黄土的湿陷系数既有联系又有区别.因此对于黄土的湿陷性及其所引发的工程问题，专家学者进行了大量针对性的室内外试验[2-3]，理论分析[4-5]并且做出了相关的评价讨论[6].同时，黄土的水敏演变结果也会产生其他相关的岩土工程问题，如：滑坡，地表开裂、地面沉降等.杜文举[7]就陕西新寨村滑坡进行了细致分析，得出了湿陷性黄土产生滑坡的工程地质条件和滑坡成因.张茂省[8]也对陕西吴起庙沟乡大岔村的大台滑坡的产生原因进行了分析，得出降水与黄土特殊的组构是造成滑坡的主要原因.Wu[9]通过室内试验进一步验证了雨水浸入与黄土边坡的稳定性之间的关系.因此，湿陷性不仅是黄土内在结构变化的外观体现，也是黄土地区地质灾害、工程灾害发生和整治的关键性因素.

随着近些年我国城市化进程和工业化的快速发展，黄土地区的环境污染现象尤其是对土地的污染问题变得越来越不容忽视.工厂排放的气体如果未经处置排入空气，将会直接改变大气降水的pH值[10].若工业废水和生活污水直接排放到土壤当中，这些酸碱溶液进入土体与黄土中的物质发生物理化学反应，使得黄土的组构和成分都发生了变化，改变了黄土的物理力学性能、湿陷性及湿陷敏感性，进而放大了实际工程稳定性的不确定性.已有学者对该问题表现了极大的关注，并针对酸、碱污染土的压缩性质做过一些相关的试验研究，李琦等[11]和李相然等[12]通过室内试验分析了酸、碱污染对土体压缩性变化的影响，研究结果表明，酸、碱污染后土体压缩系数均产生变大的趋势.谌文武等[13]则利用SH技术加固污染黄土取得了较为满意的结果.Fan等[14]从孔隙水化学与力学的视角分析并讨论了黑方台地区的黄土滑坡事件.因此，分析该类污染黄土的工程性质以及探明其演变过程和发生机理，对于工程应急灾害处置，判明岩土工程失效原因有着重要的实际意义.

基于此，本文试验分别采用重塑黄土和原状黄土为测试土样，就酸碱溶液浓度和污染物种类对于黄土湿陷性影响进行分析研究，并对酸碱污染土样的湿陷性及湿陷敏感性变化规律进行对比分析，得出了酸碱溶液对黄土湿陷特征的影响规律，为水环境污染对黄土工程性质的影响提供数据资料和有益的参考.

1 试样制备及试验方法

1.1 试样的制备

试样用土分为两组：第一组为重塑黄土.取样点和制样过程见图1.

(1)黄土碾碎，烘干后过2 mm的标准筛.

(2)把质量浓度为5%、10%、15%的HNO3和NaOH加入到等质量的土体中，控制含水率均为20%，并做一组含水量相同的无污染土样作为对比.

(3)用保鲜膜将重塑污染土体封存静置7 d.采用标准击实方法，依据GB/T50123-1999土工试验方法，环刀制样.

图1 试样取样与制备：庆阳取样点现场Fig.1 Remodeled soil samples

图2 原状黄土颗分曲线Fig.2 Particle size curve

第二组为原状黄土，分别取自甘肃省庆阳市和陕西省延安新区的某2个施工开挖现场，取土深度分别为3.8 m和4.5 m，如图1所示.

(1)现场取样后，用环刀制备试样土样.在土样表面均匀布点，每点注入等量污染液.控制污染液的质量浓度为10%，污染土样含水率为20%.

(2)用保鲜膜将土样放置入密封缸内，静置7天后进行湿陷系数测试试验.其中原状土天然含水率和黄土物理特性见表1.

表1 Q3黄土的基本物理指标

1.2 试验方法和设备

试验在室内常温下进行.根据GB/T 50123-1999和GB 50025-2004推荐的土工试验方法标准.

(1)第一组重塑黄土湿陷性系数测试试验采用单线法，土样编号分组为无污染土、浓度为5%酸污染土、10%酸污染土、15%酸污染土、5%碱污染土、10%碱污染土和15%碱污染土.每小组5个土样，分别加压50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa和400 kPa.每30 min读数1次，直至表盘读数稳定(即每小时下沉量不大于0.01 mm).

(2)第二组原状黄土湿陷性系数测试试验采用双线法.每个地区用浓度为10%的H2SO4、HCL和NaOH污染，为避免含水率对实验数据造成影响，保留一组天然含水率土样并做一组含水率为20%的增湿原状土样作实验对比进行湿陷性试验.庆阳地区保留一组同浓度HNO3污染土样.

试验设备采用南京土壤仪器厂生产的WG型系列固结仪，如图3所示.湿陷系数由式(1)得出.

(1)

式中：δs为湿陷系数(δs=0.015是湿陷与否的评价标准)；h0为试样初始高度，mm；h1为某级压力下试样稳定高度，mm；h2为该级压力下浸水后试样稳定高度，mm.

图3 室内湿陷系数测定试验Fig.3 Collapsibility test

2 试验结果分析

2.1 污染重塑黄土湿陷系数特征

由图4可知，受HNO3污染的土样在浸水前后湿陷系数变化明显，呈“强软化型”趋势；而受NaOH污染的土样浸水前后湿陷系数变化较平缓，呈“弱软化型”趋势.考虑到黄土的部分湿陷性是由于其大孔隙架空结构及土粒间胶结物质的破坏产生的，结合已有试验结果和工程实例发现，碱溶液对土体的腐蚀破坏力要比酸溶液小些[15-16].

图4 不同浓度污染重塑黄土湿陷系数与压力的关系Fig.4 Relationship between pressure and collapsibility coefficient of contaminated soil by different concentration

同时可见，重塑条件下黄土的湿陷系数在受到酸碱溶液侵蚀下，总体上在一个非常小的湿陷性系数范围内变化，这是由于重塑作用挤密了黄土土样使其具有较小的孔隙比所导致.污染土体的湿陷系数随着压力的增加都呈现出先增后减的趋势.受到HNO3污染的土样随着溶液浓度的增加湿陷系数变大，但是受到NaOH污染的土体却随着溶液浓度的增加反而逐渐变小.重塑黄土受到HNO3腐蚀后，虽然在制作土样过程中土体受到压实，但随着盐分溶于水中，形成了很多新的孔隙，且随着酸的浓度增加，盐量增加，新孔隙会更大，从而增大了湿陷系数.与酸溶液污染相反，受到NaOH溶液污染的土体随着碱浓度的增加湿陷系数逐渐变小.唐大雄等[17]指出碱污染土浸水后土体会发生膨胀，且随着碱浓度的增加，土体积膨胀的增加.土样湿陷系数随着碱的浓度增加而减小可能是由于NaOH在腐蚀完胶结物质后与土中的物质反应生成新的盐类，这些盐类可溶性较低.随着溶液浓度的增加，这些盐类填充进入被腐蚀的孔隙中，土样趋于密实的程度呈增长趋势，表明高浓度对土样的密实作用要强于低浓度[18].

重塑土在制样过程中通过人工击实，已基本失去湿陷性，但是仍可以得出湿陷系数受酸碱溶液污染发生改变的结论.为进一步研究酸碱污染对原状黄土湿陷性的危害及影响，课题组选取陕北和陇东的原状黄土进行湿陷性试验.

2.2 污染原状黄土湿陷系数特征

如图5所示，原状黄土经过湿陷性试验得出的湿陷系数随压力增加而变化的曲线图.未经预处理的原状土样、含水率与污染土一样为20%的增湿原状土样湿陷曲线基本重合且湿陷性系数均未达到湿陷界限值0.015，而受到酸碱污染的土样随着压力的增长都先后突破了0.015，发生了湿陷变形，使得原状黄土的湿陷性判定结果从不湿陷性转向中等湿陷性.进一步的，酸碱溶液对粉质黄土的侵蚀，使得黄土的湿陷起始压力也大幅度减小，在图5中显示为与δs=0.015直线的交点左移.

图5 不同污染源下的湿陷系数与压力关系示意图Fig.5 Relationship between pressure and collapsibility coefficient of different concentrations solutions

2.3 污染黄土的湿陷敏感性特征

如图6所示，试验结束后烘干土样.随着污染溶液浓度的增加，土样的颜色也随之加深呈棕红色.未经过污染土样烘干后，依然保持土样原色，对比分析有助于我们肉眼观察土体的污染情况.同时结合式(2)和式(3)对试验后的土样孔隙比进行分析，得出图7为受酸碱污染后土样孔隙比在各级压力下与初始孔隙比之间的关系曲线.受到酸溶液污染的土样孔隙比与初始孔隙比的比值在压力作用下随着压力的增加而减小.随着酸浓度的增加孔隙比变大，随着碱浓度的增加孔隙比变小.这一结果与湿陷系数随酸碱浓度变化规律一致.

(2)

(3)

式中：e0为初始孔隙比；ds为颗粒的相对比重，文中取2.71；w0为初始含水率；γw为水的重度；γ0为土体重度；ei为该级压力下的孔隙比；ΔH为试样压缩量；H0为试样初始高度.

图6 室内湿陷性系数试验后土样烘干表面Fig.6 The indoor collapsibility of loess samples after drying

图7 各级压力下孔隙比与初始孔隙比的比值变化示意图Fig.7 The relationship of ratio between void ratio at different pressure and initial void ratio

图8 无污染重塑土压缩稳定高度与时间的关系曲线Fig.8 Relationship between compression and time of non-contaminated remodeled loess

图9 5%浓度的HNO3和NaOH溶液重塑土压缩稳定高度与时间的关系曲线Fig.9 Relationship between compression and time of 5% HNO3 and NaOH contaminated remodeled loess

图10 10%浓度的HNO3和NaOH溶液重塑土压缩稳定高度与时间的关系曲线Fig.10 Relationship between compression and time of 10% HNO3and NaOH contaminated remodeled loess

图11 15%浓度的HNO3和NaOH溶液重塑土压缩稳定高度与时间的关系曲线Fig.11 Relationship between compression and time of 15% HNO3and NaOH contaminated remodeled loess

时间/min无污染5%HNO310%HNO315%HNO35%NaOH10%NaOH15%NaOH50kPa240330330420210210210100kPa390450450480300360420200kPa510600600600480480630300kPa660720720720570600660400kPa720840840840720780780

由图8～11中可以看出，重塑土样在各级压力下的稳定过程及稳定量随时间的变化关系，随着HNO3和NaOH溶液质量浓度的增加，各级压力作用下的土样湿陷稳定时间大多都表现出延滞的趋势，从表2中可以进一步看出酸污染土稳定时间始终比无污染土长，而碱污染土在低浓度时湿陷稳定时间要短于无污染土样，随着溶液浓度的增加稳定时间才逐渐接近无污染土样.

图12为原状Q3黄土在各级压力下受到不同污染液的湿陷稳定时间与土样压缩高度的变化图.可见H2SO4溶液对原状土样的稳定时间影响最大，而NaOH溶液反向减小了稳定时间.对比表3可知，对比原状土样和增湿后的原状土样，增湿会使稳定时间增长；对比原状土样和碱液污染，碱液减小了稳定时间；对比原状土样和酸液污染，酸液则增加了稳定时间.

表3 各地原状土样稳定时间

图12 污染原状土样压缩稳定高度与时间的关系曲线Fig.12 Relationship between compression and time of contaminated intact loess

3 讨论

出于工程安全的角度，工业厂房或民用建筑需修建在完全消除(或部分消除)湿陷性的黄土地基上[19]，但如果遇到酸雨或者酸碱废液渗漏至已经消除湿陷性的黄土地基中，尽管在本试验中黄土的湿陷性系数变化不大，但稳定时间会发生明显的变化.结合水溶液的化学成分变化的不确定性，这对黄土场地的工程质量可能会造成一定的损伤，尤其是在高压力段的长期稳定性判定中，仍需进行下一步针对性的研究.其次，在边坡工程和黄土斜坡地质灾害整治中，宜把此类污染黄土的湿陷性造成的危害作为影响斜坡稳定的重要条件考虑.从原先判定的不湿陷性黄土越级成为湿陷性土层，湿陷起始压力也逐渐减小.原状黄土的初始结构性对孔隙水化学溶液的敏感，会使得斜坡土层内部的应力重分布和结构重组，甚至在较小的自重应力作用下产生湿陷变形，从而诱发斜坡的长期演变致灾和支挡结构的受力重分布.

4 结论

本文通过对重塑与原状两种不同状态的Q3黄土进行室内湿陷性系数测定试验，得到以下几点结论：

(1)对于标准击实下的重塑黄土而言，受HNO3污染的土样在加压后湿陷系数变化明显，而受NaOH污染过的土体加压后湿陷系数变化较平缓.污染土体的湿陷系数随着压力的增加都呈现出先增后减的趋势.受到HNO3污染的土样随着酸浓度的增加湿陷系数呈现“强软化型”趋势，而受到NaOH污染的土体随着碱浓度的增加湿陷系数呈现“弱软化型”趋势；

(2)原状Q3粉质黄土的孔隙水酸碱污染，会产生湿陷性系数增大的结果，使得原先评价结果为不湿陷的黄土变为湿陷性.同时，也使湿陷起始压力减小；

(3)污染黄土在各级压力下的稳定时长及稳定量，随着酸溶液浓度的增加而增加，随着碱溶液浓度的增加而减小.各级压力作用下土样的湿陷速率随着浓度的增大而增大.

(4)H2SO4污染的土样湿陷系数在各级压力下都是最大的，湿陷系数在各级压力下最小的为注水及原状土样.H2SO4污染的土样在浸水后稳定时间基本最长.