硫酸亞鐵侵蝕紅土的受力特性

王 盼，黃 英，劉 鵬，鄧 欣，樊宇航

（昆明理工大學(xué)電力工程學(xué)院，云南 昆明 650500）

土體污染可以引起地基土力學(xué)性質(zhì)的改變，從而威脅到建筑物的安全。關(guān)于污染土問題，國內(nèi)外已開展了較多的研究。Ashraf［1］的研究表明了機油污染導(dǎo)致超固結(jié)土的界限含水率和無側(cè)限抗壓強度降低，滲透系數(shù)增大。Mashalah［2］等的研究表明石油污染降低了砂土和粘土的強度、抵滲能力以及最佳擊實指標。對于云南紅土，伯桐震［3］等研究了酸污染對紅土物理性質(zhì)的影響，酸污染紅土的粉粒含量增大、比重和液塑限減小。孫重初［4］通過實驗初步研究了酸、鹽等強電解質(zhì)對紅粘土地基工程地質(zhì)特性的影響，含有強酸的廢水對紅粘土中的游離氧化物具有強烈腐蝕作用，使氧化物的膠結(jié)作用大大降低，紅土的孔隙比大大增加，破壞了紅土的結(jié)構(gòu)。

作為云南基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中廣泛應(yīng)用的紅土，堿、機油、污水等對紅土的影響尚缺乏研究。硫酸亞鐵作為最普遍應(yīng)用的水質(zhì)凈化劑和污水處理劑，廣泛存在于造紙廠、冶煉廠等排放的各種工業(yè)廢水中。本文選取實際工程中大量存在的硫酸亞鐵侵蝕紅土為研究對象，通過力學(xué)試驗，考慮硫酸亞鐵濃度和養(yǎng)護時間兩個因素，研究硫酸亞鐵侵蝕紅土的受力特性，明確硫酸亞鐵對云南紅土的影響，為保證紅土地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施工程的安全和有效防治地下水的污染提供理論依據(jù)。

1 試驗方案

1.1 土樣及污染物的選取

本試驗土料選用昆明陽宗海紅土，其基本特性見表1。該土料塑性指數(shù)大于17，顆粒組成以粘粒為主，定名為紅粘土［5］。

污染物選取在自來水和廢水處理中廣泛應(yīng)用的硫酸亞鐵。硫酸亞鐵是一種綠色單斜晶體，主要用作自來水和廢水處理的絮凝劑，易溶于水，相對密度1.8987。

1.2 試驗方案

將硫酸亞鐵按不同濃度加入紅土中，制備硫酸亞鐵侵蝕紅土試樣。

制備硫酸亞鐵侵蝕紅土試樣時，考慮硫酸亞鐵濃度和試樣養(yǎng)護時間的影響，硫酸亞鐵濃度分別為0.5%、1%、2%、4%(硫酸亞鐵濃度指硫酸亞鐵固體與干紅土的質(zhì)量比)，試樣養(yǎng)護時間分別為2d、6d、10d、23d。通過擊實試驗，獲得硫酸亞鐵侵蝕紅土的最佳擊實狀態(tài)以及最佳浸潤時間；再根據(jù)最佳浸潤時間，將不同濃度的硫酸亞鐵和水充分混合后，分層均勻噴灑在備好的土料上，按最佳浸潤時間浸潤18h，采用擊樣法制備直剪、固結(jié)、滲透試樣，控制試樣干密度1.20g/cm3，含水率30%，將制好的試樣置于20℃恒溫水箱中進行養(yǎng)護，達到養(yǎng)護時間進行直剪、固結(jié)、滲透試驗。具體的試驗方案見表2。

表1 紅土的基本特性指標Table 1 Index of basic properties of laterite

表2 硫酸亞鐵侵蝕紅土試驗方案Table 2 Test plan of ferrous sulfate erosion laterite

2 試驗結(jié)果分析

2.1 硫酸亞鐵侵蝕紅土的擊實特性

2.1.1 硫酸亞鐵濃度對紅土擊實特性的影響

圖1給出了硫酸亞鐵濃度對紅土最大干密度和最優(yōu)含水率的影響。由于浸潤時間對素紅土擊實特性的影響不明顯，本文認為不同浸潤時間下素紅土的擊實特性相同，均取24h浸潤時間下的特性指標。

圖1 硫酸亞鐵濃度對紅土擊實指標的影響Fig.1 Influence of ferrous sulfate concentration on compaction indexes of laterite

圖1表明:硫酸亞鐵的加入改變了紅土的擊實特性，硫酸亞鐵侵蝕紅土的最優(yōu)含水率比素紅土降低，最大干密度比素紅土有所提高；浸潤時間相同，隨硫酸亞鐵濃度的增大，紅土的最大干密度逐漸增大，最優(yōu)含水率逐漸減小。

2.1.2 硫酸亞鐵侵蝕紅土的最佳浸潤時間

圖2給出了硫酸亞鐵浸潤時間對紅土最大干密度和最優(yōu)含水率的影響。

圖2 浸潤時間對紅土擊實指標的影響Fig.2 Influence of curing time on compaction indexes of laterite

圖2表明:加入硫酸亞鐵后，隨著浸潤時間的延長，硫酸亞鐵侵蝕紅土的最優(yōu)含水率比素紅土降低，最大干密度比素紅土有所提高。硫酸亞鐵濃度相同，隨浸潤時間的延長，紅土的最優(yōu)含水率在18h出現(xiàn)了谷值；最大干密度分別在8h和18h出現(xiàn)了谷值和峰值。說明存在一個最佳養(yǎng)護時間，在本試驗中為最大干密度達到峰值所對應(yīng)的養(yǎng)護時間18h。紅土的直剪、固結(jié)、滲透試驗的制樣時間以最佳浸潤時間來控制。

2.1.3 硫酸亞鐵對紅土最佳擊實指標的影響

表3給出了18h最佳浸潤時間下硫酸亞鐵對侵蝕紅土最佳擊實指標的影響效果。并用侵蝕前后紅土各指標差與侵蝕前的指標之比β來衡量硫酸亞鐵濃度對紅土擊實指標的影響，β為正，表示指標增大，反之減小。

由表3可見，硫酸亞鐵的加入提高了紅土的最大干密度，降低了紅土的最優(yōu)含水率；當硫酸亞鐵濃度由0%增大到1.00%時，最大干密度由素紅土的1.31 g/cm3增大到侵蝕紅土的1.42 g/cm3，提高了8.4%；最優(yōu)含水率由素紅土的35.3%降低到侵蝕紅土的30.5%，降低了13.6%?？梢娏蛩醽嗚F對紅土最優(yōu)含水率的影響大于對最大干密度的影響。

表3 硫酸亞鐵濃度和浸潤時間對紅土最佳擊實指標的影響Table 3 Influence of ferrous sulfate concentration and curing time on the optimum compaction indexes of laterite

2.2 硫酸亞鐵侵蝕紅土的抗剪強度特性

2.2.1 硫酸亞鐵對紅土剪應(yīng)力－剪位移關(guān)系的影響

圖3 硫酸亞鐵侵蝕紅土的剪應(yīng)力－剪位移關(guān)系Fig.3 Relationship between shear strength and shear displacement of ferrous sulfate erosion laterite

圖3(a)表明:在200kPa垂直壓力下，紅土中加入硫酸亞鐵后，試樣養(yǎng)護23d，硫酸亞鐵侵蝕紅土的剪應(yīng)力－剪位移關(guān)系曲線均比素紅土的低，說明硫酸亞鐵的加入降低了紅土的抗剪強度；且隨著硫酸亞鐵濃度的增大，關(guān)系曲線逐漸降低，抗剪強度逐漸降低。

圖3(b)表明:在200kPa垂直壓力下，硫酸亞鐵濃度為4%時，試樣養(yǎng)護6d的剪應(yīng)力－剪位移關(guān)系曲線比素紅土的高，說明養(yǎng)護時間較短時，抗剪強度有所提高；試樣養(yǎng)護23d的剪應(yīng)力－剪位移關(guān)系曲線最低，說明隨養(yǎng)護時間的延長，硫酸亞鐵的加入降低了侵蝕紅土的抗剪強度。

2.2.2 硫酸亞鐵對紅土抗剪強度的影響

從圖4可以看出:硫酸亞鐵濃度較低，養(yǎng)護時間較短，侵蝕紅土的抗剪強度出現(xiàn)峰值，且高于素紅土的抗剪強度，說明短時間內(nèi)，低濃度的硫酸亞鐵改善了紅土的受力特性。隨濃度的增大和養(yǎng)護時間的延長，抗剪強度逐漸減小，圖4(a)養(yǎng)護23d和圖4(b)4%濃度試樣的抗剪強度均低于素紅土的抗剪強度，說明在高濃度和長時間效應(yīng)下，硫酸亞鐵充分發(fā)揮了其侵蝕效應(yīng)，破壞了土體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

通常情況下污染物與紅土處于長期作用中，本文選取了試樣養(yǎng)護23d時硫酸亞鐵濃度對紅土各指標的影響效果，見表4。

圖4 硫酸亞鐵侵蝕紅土的抗剪強度Fig.4 Shear strength of ferrous sulfate erosion laterite

由表4可見，硫酸亞鐵的加入降低了紅土的抗剪強度；隨著硫酸亞鐵濃度的增大，紅土的抗剪強度逐漸減小。

表4 養(yǎng)護23d各指標影響效果Table 4 Impact of indexes on the maintenance of 23d

2.3 硫酸亞鐵侵蝕紅土的壓縮特性

2.3.1 硫酸亞鐵對紅土壓縮系數(shù)的影響

硫酸亞鐵濃度和養(yǎng)護時間對紅土壓縮特性的影響見圖5、圖6。依據(jù)文獻［5］，土體的壓縮性一般用壓力在100～200 kPa之間的壓縮系數(shù)av1－2和壓縮模量來評價。

圖5和表4表明硫酸亞鐵的加入改變了紅土的壓縮系數(shù)。當硫酸亞鐵濃度較低、養(yǎng)護時間較短時，壓縮系數(shù)出現(xiàn)谷值，且小于素紅土的壓縮系數(shù)；隨濃度的增大和養(yǎng)護時間的延長，壓縮系數(shù)逐漸增大，圖5(a)養(yǎng)護23d和圖5(b)4%濃度試樣的壓縮系數(shù)均比素紅土的高。

圖5 硫酸亞鐵侵蝕紅土的壓縮系數(shù)Fig.5 Compressibility coefficient of ferrous sulfate erosion laterite

2.3.2 硫酸亞鐵對紅土壓縮模量的影響

結(jié)合圖6和表4可以看出:紅土中加入硫酸亞鐵，壓縮模量較素紅土有顯著的變化。當硫酸亞鐵濃度較低，養(yǎng)護時間較短，壓縮模量出現(xiàn)峰值，且大于素紅土的壓縮模量；隨濃度的增大和養(yǎng)護時間的延長，壓縮模量逐漸減小，圖6(a)養(yǎng)護23d和圖6(b)4%濃度的壓縮模量均比素紅土的低。

圖6 硫酸亞鐵侵蝕紅土的壓縮模量Fig.6 Modulus of compression of ferrous sulfate erosion laterite

2.4 硫酸亞鐵侵蝕紅土的滲透特性

圖7和表4表明:紅土中加入硫酸亞鐵，改變了素紅土的滲透系數(shù)。當硫酸亞鐵濃度較低，養(yǎng)護時間較短，滲透系數(shù)出現(xiàn)谷值，且小于素紅土的滲透系數(shù)；隨濃度的增大和養(yǎng)護時間的延長，滲透系數(shù)逐漸增大，圖7(a)養(yǎng)護23d和圖7(b)4%濃度的滲透系數(shù)均比素紅土的高。

圖7 硫酸亞鐵侵蝕紅土的滲透系數(shù)Fig.7 Permeability coefficient of ferrous sulfate erosion laterite

3 試驗結(jié)果討論

硫酸亞鐵溶解于水中，在水解作用下產(chǎn)生了Fe(OH)2和H2SO4，氧化作用進而將 Fe(OH)2氧化為Fe(OH)3。將充分溶解的硫酸亞鐵溶液噴灑于紅土中，硫酸亞鐵對紅土的影響主要有兩個方面:一方面，F(xiàn)e(OH)3對紅土有一定的膠結(jié)作用，一般來說，F(xiàn)e(OH)3膠體顆粒帶正電，能吸附帶有負電荷的紅土顆粒，使分散的紅土顆粒聚集成較大的團粒，減少了紅土的孔隙，使紅土變得更加密實，提高了紅土的整體穩(wěn)定性；另一方面，H2SO4對紅土有一定的侵蝕作用，H2SO4與紅土的游離氧化物反應(yīng)，降低了游離氧化物對紅土的膠結(jié)作用［6］，破壞了紅土的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

另外，硫酸亞鐵的加入改變了紅土的pH值，硫酸亞鐵濃度為0%、0.5%、0.75%、1%、2%、4%時，測得侵蝕紅土的 pH 值分別為 5.1、4.5、4.0、4.0、3.4、2.8，逐漸降低，游離氧化鐵含量增多，膠結(jié)作用增強［7］；酸對紅土的侵蝕作用也有所增強。

3.1 硫酸亞鐵對紅土擊實特性的影響

浸潤時間一定，隨著硫酸亞鐵的濃度在0.50% ～1.00%范圍內(nèi)增大，測得所加入的硫酸亞鐵溶液的pH值分別為4.44，4.26，4.13，硫酸侵蝕作用逐漸增強，但侵蝕作用較弱，膠結(jié)作用占主導(dǎo)地位，硫酸亞鐵侵蝕紅土的最大干密度較素紅土的有所提高。隨著硫酸亞鐵濃度的增大，侵蝕紅土pH值逐漸降低，鐵離子氧化能力增強，產(chǎn)生的Fe(OH)3逐漸增多，膠結(jié)作用逐漸增強，膠膜逐漸增厚，密實性逐漸增強，最大干密度逐漸增大；而膠膜的存在封閉了土樣中部分孔隙，阻止了一些水分子進入顆粒內(nèi)部，最優(yōu)含水率逐漸減小。

硫酸亞鐵濃度一定，隨著浸潤時間的延長，侵蝕作用短時間內(nèi)有明顯發(fā)揮，長時間存在適應(yīng)性；膠結(jié)作用發(fā)揮越來越充分。浸潤8h左右侵蝕作用發(fā)揮最強烈，最大干密度出現(xiàn)了谷值；浸潤18h左右膠結(jié)作用完全發(fā)揮，最大干密度出現(xiàn)了峰值；18h后由于侵蝕作用的破壞使最大干密度逐漸下降。膠結(jié)作用在浸潤18h左右形成的膠膜最完整，更多的水被封堵在土體外，此時紅土中含水最少，最優(yōu)含水率出現(xiàn)了谷值。用于擊實試驗的浸潤土樣較用于直剪、壓縮、滲透試驗的試樣松散，所以隨浸潤時間的延長，膠結(jié)作用和侵蝕作用增強較快。

3.2 硫酸亞鐵對紅土力學(xué)特性的影響

硫酸亞鐵濃度較低時，溶液pH值較大，F(xiàn)e2+→Fe3+轉(zhuǎn)化率高［8］，溶液中產(chǎn)生的Fe(OH)3膠體顆粒較多。將該溶液加到紅土中，侵蝕紅土的pH值降低使游離氧化鐵含量增多，膠結(jié)作用占主導(dǎo)地位；隨著硫酸亞鐵濃度的增大到2%、4%時，其溶液的pH值降低為3.72，3.53，溶液中產(chǎn)生的Fe(OH)3膠體顆粒較少，且侵蝕紅土pH值的繼續(xù)降低使酸侵蝕作用也大幅度增強，侵蝕作用占主導(dǎo)地位。養(yǎng)護時間較短時，由于紅土對酸具有緩沖性［11］，酸對紅土的侵蝕作用不明顯，膠結(jié)作用占主導(dǎo)地位；隨著時間的延長，超過紅土對酸緩沖性的平衡時間后，侵蝕作用逐漸突出。

硫酸亞鐵濃度較低，養(yǎng)護時間較短時，膠結(jié)作用占主導(dǎo)地位，紅土顆粒形成團粒，團粒間膠結(jié)性好，紅土密實性好，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較強，抗剪強度和壓縮模量出現(xiàn)峰值，壓縮系數(shù)和滲透系數(shù)出現(xiàn)谷值。隨濃度的增大和養(yǎng)護時間的延長，侵蝕作用逐漸占主導(dǎo)地位，紅土的團粒結(jié)構(gòu)被逐漸破壞，產(chǎn)生越來越多的大孔隙，導(dǎo)致紅土密實性逐漸降低，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性逐漸變差，抗剪強度和壓縮模量逐漸減小，壓縮系數(shù)和滲透系數(shù)逐漸增大。

4 結(jié)論及建議

(1)硫酸亞鐵的加入增大了紅土的最大干密度，降低了最優(yōu)含水率。浸潤時間一定，隨著硫酸亞鐵濃度的增大，最大干密度逐漸增大，最優(yōu)含水率逐漸減?。涣蛩醽嗚F濃度一定，隨浸潤時間的延長，最優(yōu)含水率出現(xiàn)谷值，最大干密度出現(xiàn)谷值和峰值，存在最佳浸潤時間。

(2)硫酸亞鐵的加入改變了紅土的受力特性。硫酸亞鐵濃度較低，養(yǎng)護時間較短，紅土的抗剪強度和壓縮模量出現(xiàn)峰值，壓縮系數(shù)和滲透系數(shù)出現(xiàn)谷值；隨濃度的增大和養(yǎng)護時間的延長，紅土的抗剪強度和壓縮模量逐漸減小，壓縮系數(shù)和滲透系數(shù)逐漸增大。

(3)硫酸亞鐵侵蝕紅土受力特性的變化可以從膠結(jié)作用和侵蝕作用兩個方面來解釋:硫酸亞鐵濃度較低，養(yǎng)護時間較短時，膠結(jié)作用占主導(dǎo)地位；隨濃度的增大和養(yǎng)護時間的延長，侵蝕作用占主導(dǎo)地位。這兩個方面綜合作用的結(jié)果改變了紅土的受力特性。

(4)應(yīng)深入開展高濃度、長時間、溫度等因素對硫酸亞鐵侵蝕紅土的影響研究。

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