DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2019.01.026
酸雨入渗对膨胀土抗剪强度的影响及微观试验研究
常锦1，杨和平1，肖杰1, 2，何忠明1, 2，毛瑞1，童超3
(1. 长沙理工大学 交通运输工程学院，湖南 长沙，410114；
2. 长沙理工大学 道路灾变防治及交通安全教育部工程研究中心，湖南 长沙，410114;
3. 中铁科研院有限公司，四川 成都，611731)
摘要：为探究酸雨入渗对膨胀土抗剪强度的影响，以广西酸雨重灾区的百色原状膨胀土为研究对象，根据干湿循环影响区土体的实际状态及边界条件，模拟不同酸雨入渗情况(pH为3，5和7)进行抗剪强度试验研究，探究膨胀土抗剪强度变化规律；结合微观试验，研究其微观结构和矿物成分变化特性，揭示酸雨入渗对膨胀土的微观作用机理。研究结果表明：随酸液pH减小，试样抗剪强度不断衰减，黏聚力降幅明显，内摩擦角出现小幅度下降，且在2次干湿循环作用后，黏聚力出现最大降幅；上覆压力越小，抗剪强度衰减越明显；酸雨入渗作用下土体中游离的胶结物呈不同程度溶蚀和淋滤，微孔隙体积和数目均增大，入渗酸液pH越小，该变化趋势愈明显，微结构单元更松散，致使土体结构性减弱，抗剪强度下降。
关键词：酸雨入渗；膨胀土；抗剪强度；胶结物；溶蚀；淋滤
中图分类号：U416 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2019)01-0206-08
Effect of acid rain infiltration on shear strength of expansive soil and its microscopic test
CHANG Jin1, YANG Heping1, XIAO Jie1, 2, HE Zhongming1, 2, MAO Rui1, TONG Chao3
(1. School of Traffic and Transportation Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China;
2. Engineering Research Center of Catastrophic Prophylaxis and Treatment of Road & Traffic Safety of Ministry of Education, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China;
3. China Railway Research Institute Co. Ltd., Chengdu 611731, China)
Abstract: In order to explore the effect of acid rain infiltration on the shear strength of expansive soils, the original expansive soil of Baise in the acid rain-affected areas in Guangxi was studied. According to the actual state and boundary conditions of soils in the dry-wet cycle affected area, the different conditions of acid rains infiltration were simulated pH=3, 5, 7) to investigate the evolution law of shear strength of expansive soils. The shear strength tests were conducted under different acid rain infiltration conditions to explore the changing law of shear strength of expansive soils. Microscopic tests were also carried out to clarify the changes in microstructure and mineral composition, and to reveal the mechanism of microscopic action of acid rain infiltration on expansive soils. The results show that with the decrease of pH of acid solution, the shear strength of the sample decreases continuously, and the cohesion force decreases sharply; the internal friction angle decreases slightly, and the maximum drop occurs after 2 times of dry-wet cycles. The reduction of the overburden load makes the attenuation of the shear strength more obvious. The free colloidal minerals in the soil exhibits different degrees of dissolution and leaching under the action of acid rain infiltration, the size and number of micropores increase, and the micro-structure units are looser, which leads to the weakening of soil structure and the decrease of shear strength.
Key words: acid rain infiltration; expansive soil; shear strength; cement; dissolution; leaching
降雨入渗引起边坡土体基质吸力减小并产生正的孔隙水压力是边坡滑坍的重要因素，然而，酸雨入渗的影响更为显著，其可改变土体的矿物与化学成分及微结构，导致滑坡体宏观性能发生改变，进而引起边坡坍滑[1-2]。近年来，水化学环境对土体物理力学性质影响效应已成为岩土工程的研究热点。韩铁林等[3-6]开展了酸性环境下砂岩抗剪强度劣化性能的试验研究，发现酸性溶液使砂岩抗剪强度的劣化损伤加剧。PRASAD等[7-8]研究了硫酸对黑棉土膨胀性的影响，发现硫酸侵蚀使土体的部分矿物质溶蚀，导致其膨胀性增大。GRATCHEV等[9]发现酸会溶蚀原状土中的胶结物CaCO3，导致其黏聚力下降，且酸浓度越大，黏聚力下降越明显。顾剑云等[10]发现重塑砂质粉土的黏聚力随酸作用时间延长逐渐衰减并趋于稳定，内摩擦角变化小，抗剪强度的衰减可诱发滑坡，建议加强降酸雨型滑坡的研究。赵宇等[11]研究了黏土抗剪强度演化与酸雨引发滑坡的关系，发现滑面蒙脱石质量分数明显增高，黏土矿物成分从含部分伊利石和伊/蒙混层矿物演化成含蒙脱石为主，加速了酸雨诱发滑坡，SHUZUI[12]也得出了类似结论。魏伟[13]发现酸性环境可溶蚀膨胀土内部的可溶性盐及有机物质，改变其微观结构，且酸性环境越强，其黏聚力及内摩擦角均减小，但未考虑大气干湿循环作用对边坡浅层不同深度土体的影响及其实际受力状态。综上可知，酸性环境对土体物理力学性质影响显著，酸雨区边坡滑坍不仅受土岩结构及基本性质影响，而且与所处的水化学环境密切相关。当前，随着中国经济建设快速发展，煤和化石燃料等的用量急剧增加，我国大气环境问题日趋严重，2003—2015年广西全区降雨中，百色地区pH最小时为2.32，且该地区的酸雨比例达67.2%[14-15]。现行公路土工试验规程(JTG E40)并没考虑pH的影响，规定膨胀土基本性质试验均在中性水环境中进行，测试结果与酸雨环境下的实际情况不符。目前尚无涉及酸雨入渗与干湿循环共同作用对膨胀土抗剪强度衰减影响的研究，而研究此条件下其抗剪强度衰减特性对边坡稳定分析尤为重要，为此，本文作者以广西酸雨重灾区的百色原状膨胀土为研究对象，模拟酸雨入渗条件开展饱和慢剪试验，探究酸雨入渗对膨胀土抗剪强度的影响，并采用X线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)开展酸雨入渗作用后试样的微结构及矿物成分变化的试验研究，阐明其对膨胀土强度特性影响的微观作用机理。
1 试验设计
1.1 试验溶液制备
根据我国酸雨成分的构成特点[16]，参考已有模拟酸雨条件相关研究成果[5-6, 13]，结合百色地区酸雨统计情况[14-15]，采用pH =7的蒸馏水中性溶液，选用稀硫酸和稀硝酸按
与
物质的量比为3:1分别配制pH=3和pH=5的酸性溶液。
1.2 试验用土
选取典型风化残积型百色膨胀土，取样深约6 m，基本土性指标见表1。
表1 百色膨胀土的基本性质参数
Table 1 Characteristic indexes of expansive soil
1.3 试验方法
1) 干湿循环方案。膨胀土边坡发生浅层坍滑时，其滑裂面受到上部土体的自重(竖向)作用力通常小于50 kPa [17]；本次干湿循环过程中均施加压力为6.25，12.50，25.00和50.00 kPa的上覆荷载，以模拟大气干湿循环作用实际边坡在不同深度下土体的受力状态。加荷装置如图1所示。
图1 加荷装置
Fig. 1 Loading device
图1中，护环装置的作用是为限制试样吸湿膨胀后高出环刀部分土样的侧向变形。吸湿过程为：将切取的百色原状环刀样连同加荷装置一并放入盛有不同pH溶液的托盘中静置吸湿7 d，使其充分吸湿饱和。脱湿过程为：采用由真空泵、饱和桶和抽真空管组成的抽真空装置(见图2)将托盘中溶液抽干，随后在50 ℃恒温鼓风干燥箱中进行脱湿。在脱湿过程中，每间隔一段时间快速测量试样的质量，以减小卸荷和加荷对试样的扰动。试验时，考虑最不利条件，先将饱水试样脱湿至含水率13%(误差小于0.3%)，即完成1次干湿循环，如此反复，直至预定干湿循环次数为止。
图2 抽真空装置
Fig. 2 Vacuuming device
2) 试验方案。采用四联电动直剪仪开展原状土样饱和慢剪试验，试验上覆压力设为6.25，12.50，25.00和50.00 kPa，以研究实际边坡浅层土体经不同酸性干湿循环作用后强度的衰减规律，剪切速率为0.02 mm/min。考虑到干湿循环周期偏长，本次试验选取0，2，4和6次干湿循环试样进行饱和慢剪试验。
2 试验结果及分析
在不同pH酸液及干湿循环作用次数n下，试样峰值抗剪强度τ的实测结果如表2所示。
2.1 酸雨入渗作用对抗剪强度的影响
根据表2所示试验结果，绘制干湿循环条件不同上覆压力作用试样峰值抗剪强度τ随酸液pH的变化关系曲线，见图3。
从表2和图3可知：随酸液pH减小，不同干湿循环次数各上覆压力作用的试样峰值抗剪强度τ均逐步减小；当n=0，酸液pH由7降至5和3时，6.25 kPa上覆压力作用试样τ由22.01 kPa分别降至20.01 kPa和17.98 kPa，降幅分别为9.1%和18.3%；当酸液pH=3，上覆压力由6.25 kPa增至50.00 kPa时，前者τ降幅达后者的4.14倍。
在不同pH酸液作用下，试样τ均随n增大不断减小，且干湿循环作用2次的降幅最大，而后降幅逐渐减缓，并在作用6次后基本达到稳定，这与杨和平等[18]的研究规律相似；在6.25 kPa上覆压力作用下，当酸液pH为5和3时，试样的峰值抗剪强度τ比pH=7时分别下降14.45%和26.01%，且pH越小，τ随n增加下降的速度越快。究其原因可能是土样内部矿物成分表面带有一定量负电荷，能吸附溶液中的氢离子，当浸泡液酸性在一定范围内增强时，溶液中氢离子溶度增大，黏土矿物表面吸附的氢离子增加并置换出其中的高价阳离子，引起电位升高，黏土颗粒间距变大，内部结构趋于分散，层间作用力下降[13, 19-20]；此外，膨胀土吸湿体积膨胀受阻时产生膨胀力，当施加的上覆压力小于膨胀力时，土样发生体胀，土颗粒间间隙变大，孔隙率变大[18]，这增大了颗粒与酸液的接触面积，使其抗剪强度在酸雨入渗作用下降幅更大；干湿循环次数n增加，试样裂隙不断发育，为酸雨入渗提供了便捷通道，土水化学反应更充分。刘华强等[21]指出干湿循环过程中膨胀土裂隙发育呈先快后慢的趋势，这可能是导致抗剪强度在2次循环时衰减幅度普遍较大的影响因素。
表2 抗剪强度试验结果
Table 2 Results of shear strength tests
图3 酸雨入渗作用下试样抗剪强度的变化
Fig. 3 Changes of shear strength of specimens under acid rain infiltration
2.2 酸雨入渗作用对抗剪强度的影响
采用直线法拟合表2中试验结果，得到不同pH的酸液作用抗剪强度参数黏聚力c和内摩擦角φ随干湿循环作用次数n的变化关系，分别如图4和图5所示。
图4 黏聚力c随干湿循环次数的变化
Fig. 4 Relationship between cohesion and dry-wet cycles
图5 内摩擦角φ随干湿循环次数的变化
Fig. 5 Relationship between inner friction angle and dry-wet cycles
从图4可知：在不同pH的酸液环境下，试样c均随n增加而减小，且pH越小，下降幅度越大；干湿循环作用2次的降幅最大，当n=2时，pH为5和3的酸液作用试样c分别为10.01 kPa和8.12 kPa，分别比pH=7时的11.80 kPa下降15.2%和31.2%；当n增至6次时，在3种不同pH的酸液环境下，试样的c基本稳定。从图5可见：随n增加，不同pH的酸液作用试样φ均下降，前2次干湿循环作用的降幅大，随后即趋于稳定，但pH越小，降幅越大。这表明随n增加，膨胀土抗剪强度的降低主要表现为黏聚力降低，这与文献[22]中的结论相一致；酸雨入渗作用使土体黏聚力进一步下降，且干湿循环作用将加剧c衰减，肖杰等[23]认为正是由于c急剧降低，导致膨胀土堑坡的浅层坍滑破坏，对于实际膨胀土边坡，酸雨入渗作用可能加速其发生坍滑破坏。
2.3 酸雨入渗作用对抗剪强度衰减规律
为定量分析酸雨入渗作用下，不同干湿循环次数作用下百色原状膨胀土的抗剪强度衰减规律，给出强度绝对衰减率
的定义：
(1)
式中：n为干湿循环次数；u为pH；k为施剪时试样所受上覆压力；
为试样在干湿循环次数为n、酸液pH=u、上覆压力为k时的抗剪强度。
根据式(1)及表2，计算得到不同pH的酸液环境不同上覆压力(6.25，12.50，25.00和50.00 kPa)作用试样的绝对衰减率与干湿循环次数的关系曲线，如图6所示。
从图6可知：试样抗剪强度的绝对衰减率
随酸液pH减小而逐步增大；当n一定时，在不同pH的酸液作用下，均随上覆压力增大而减小，这说明上覆压力对试样的强度衰减起到了抑制作用；当上覆压力一定时，随n的增加而渐增，每2次干湿循环后的衰减幅度逐次变小；当n=2时，pH为3和7的溶液在6.25 kPa上覆压力作用下，分别为57.1%和40.2%，当上覆压力增至50 kPa时，分别降至29.1%和20.3%。这说明酸雨入渗作用加剧了膨胀土强度的衰减，对实际膨胀土边坡工程而言，酸雨入渗作用对边坡浅层土体的强度衰减最明显，该影响随土层深度的增加而逐渐减弱。
3 酸雨入渗作用下膨胀土的微观试验研究
取不同pH酸液(pH为3，5和7)环境下经干湿循环次数n为1和4次作用试样开展XRD试验及SEM扫描电镜试验。
图6 酸雨入渗作用下的绝对衰减率
Fig. 6 Absolute attenuation rates of acid rain infiltration
3.1 酸雨入渗作用下膨胀土的XRD试验
不同pH酸液作用下试样XRD图谱如图7所示。由图7可知：当n=1时，酸液pH减小，蒙脱石、伊利石、高岭石等黏土矿物特征峰强度均出现不同程度的衰减，且pH越小，衰减越剧烈；当n=4时，pH为7的黏土矿物特征峰强度无明显变化，而pH为3的黏土矿物特征峰强度继续下降；与pH为7的溶液相比，pH为3时的蒙脱石、伊利石和高岭石等黏土矿物特征峰强度分别降低42%，51%和58%。这表明酸雨入渗作用使土体中游离SiO2，Al2O3，K2O，MgO和CaO等胶结物出现不同程度溶蚀和淋滤，且酸液pH越小，该效应越明显，在干湿循环作用下，土体反复胀缩，促进了微孔隙的发育，为酸雨入渗创造了更有利的条件，导致土颗粒与酸液间的水土化学作用更剧烈。
3.2 酸雨入渗作用下膨胀土的SEM试验
不同pH的酸液作用下试样SEM试验结果如图8所示。
从图8可见：当n=1时，随酸液pH减小，土体微孔隙加速发育，微孔隙尺寸和数目均增加，整体结构渐趋分散；随干湿循环次数增加(n=4)，不同pH的酸液作用下土体微结构体积均增大，微结构排列趋于紊乱，且pH越小，微结构单元更松散，孔隙分布也越广泛。
4 讨论
廖世文等[24-25]采用化学分析法对湖北勋县和陕西安康膨胀土的胶结作用进行了研究，发现游离氧化铁和碳酸盐等胶结物的存在使土体结构性增强，且这种结构强度属于物理化学联结形成的不可逆的联结强度；一旦溶液介质条件发生变化，胶结物的理化性质改变，该结构强度容易丧失[26]。刘剑等[18]发现HNO3会溶蚀蒙脱石，使胶结物质量分数降低，导致重塑土黏聚力下降。
图7 不同pH时酸液作用的XRD图谱
Fig. 7 XRD patterns under different pH acidic solutions
图8 不同pH的酸液作用下土样微结构(×5 000)
Fig. 8 Microstructures of soil samples eroded by different pH solutions
上述研究均强调了膨胀土中胶结物对土体结构强度的重要作用。此外，WANG等[26]从黏土矿物表面电荷的变化探究了酸性环境对高岭土抗剪强度衰减的影响，认为酸性环境主要影响和攻击的对象是边缘电荷而不是基础表面电荷。魏伟等[13, 18]认为酸性环境下离子交换作用引起黏土矿物表面电位升高，致使土水界面间扩散层及水化膜变厚，层间作用力下降，是导致土体抗剪强度下降的主要因素。
根据酸雨入渗作用下百色原状膨胀土抗剪强度的试验结果，发现酸雨入渗作用使得土体抗剪强度峰值、黏聚力及内摩擦角出现不同程度衰减，且该衰减趋势随入渗酸雨pH减小而进一步增强。然而，膨胀土的黏聚力由结构连接力及吸附力2部分构成，从XRD结果(图7)发现受酸雨入渗作用土中胶结物发生溶蚀和淋滤，这可能是导致土体结构性降低的原因；同时，从SEM图(图8)中观察到随酸雨入渗作用土体微孔隙体积和数目的增大，微结构单元变得分散，这将导致膨胀土土粒间结合水膜的厚度与土粒间距变大，土粒间吸附力降低，宏观上表现为土体黏聚力下降，抗剪强度出现衰减。在酸雨入渗作用下，膨胀土表面矿物电荷变化及离子交换作用等因素对土体抗剪强度的影响有待进一步研究。
5 结论
1) 酸液pH越小，百色原状膨胀土抗剪强度衰减越显著，干湿循环作用前2次的衰减最大，且在较低上覆压力作用下，衰减作用更明显。
2) 随干湿循环次数n增加，在不同pH的酸液环境下黏聚力c均减小，且pH越小，黏聚力降幅越大，当n增至6次时，黏聚力c基本趋于稳定，而摩擦角φ在前2次干湿循环作用下衰减，但衰减幅度不大，随后趋于稳定。
3) 酸雨入渗作用使土体中黏土矿物出现不同程度溶蚀和淋滤；土中游离胶结物质量分数降低，使土体结构性减弱，加速土体孔隙发育，微结构单元变得分散，土粒间吸附力降低，宏观抗剪强度和黏聚力下降，且该衰减趋势随酸液pH减小而进一步增强。
4) 酸雨入渗作用使膨胀土边坡浅层土体抗剪强度下降，且在大气干湿循环作用下，加速其强度衰减，进而加快坡体滑面的形成。对于实际膨胀土边坡，酸雨入渗作用可能加速其发生浅层坍滑破坏。
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(编辑 陈灿华)
收稿日期：2018-05-10；修回日期：2018-07-08
基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51608053, 51678073, 51838001)；湖南省自然科学基金资助项目(2017JJ3335)；湖南省研究生科研创新项目(CX2017B458) (Projects(51608053, 51678073, 51838001) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2017JJ3335) supported by the Natural Science Foundation of Hunan Province; Project(CX2017B458) supported by the Postgraduate Research and Innovation Foundation of Hunan Province)
通信作者：何忠明，博士，教授，博士生导师，从事交通岩土工程研究；E-mail: hezhongming@csust.edu.cn
