受柴油污染的高液限紅黏土抗剪強(qiáng)度研究

賀泳超，陳秋南，曾奧，周文兵，吳岑佳，龍坤

(1.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201；2.湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201)

隨著“一帶一路”倡議的提出，工業(yè)能源開發(fā)與利用的過程中所伴隨的污染問題也日益凸顯，石油泄漏造成環(huán)境污染的事件屢見不鮮。工程施工過程中如油罐車、挖掘機(jī)、壓路機(jī)等柴油動力工程機(jī)械的側(cè)翻事故時有發(fā)生，柴油引起的污染弱化了土體的力學(xué)性能，這將直接影響到路堤的穩(wěn)定性[1-2]。為了了解土體受柴油污染后的力學(xué)性能弱化程度，傅世法等[3]根據(jù)巖土工程的特點(diǎn)，提出了污染土的概念，并認(rèn)為早期國內(nèi)缺乏專門的污染土的試驗與理論研究。隨著儀器設(shè)備的更新與污染土處理手段的提升，國內(nèi)專家、學(xué)者對污染土進(jìn)行了大量研究。倪可等[4]分析了不同含油率下柴油污染土的裂隙發(fā)育規(guī)律，探討了柴油在粉質(zhì)黏土干裂隙形成發(fā)展過程中的作用。鄧林飛等[5]通過三軸試驗研究了聚丙烯纖維摻量對水泥粉質(zhì)黏土的影響，研究結(jié)果表明聚丙烯纖維摻量對水泥粉質(zhì)黏土的內(nèi)摩擦角影響不大。李敏等[6]通過三軸試驗和掃描電鏡對不同油污染土材料的摻量多少和作用機(jī)制進(jìn)行了探討。鄭天元等[7]通過研究不同程度柴油污染土的干密度、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度得到了柴油污染對土的工程性質(zhì)的影響，對工程建設(shè)與保護(hù)環(huán)境有重要意義。王念秦等[8]配置了酸性溶液對黃土進(jìn)行污染，得出其應(yīng)力-應(yīng)變曲線由應(yīng)變硬化型向應(yīng)變軟化型轉(zhuǎn)變。周杏等[9]通過對上海地區(qū)粉質(zhì)黏土受柴油污染的影響進(jìn)行了試驗研究。KHOSRAVI等[10-14]也對柴油污染土的機(jī)理進(jìn)行了探討，發(fā)現(xiàn)隨著含油率的增加，黏聚力、內(nèi)摩擦角與壓縮系數(shù)均發(fā)生了改變。目前針對柴油污染高液限紅黏土力學(xué)性能的研究較少，而紅黏土廣泛分布在湖南、江西等省份，常為公路、鐵路路堤填料。本文依托江西省某高速公路道路工程，以高填方高液限紅黏土路堤在碾壓過程中因為車輛漏油潛入路堤，致使路堤受到柴油大面積污染，導(dǎo)致高填方高液限紅黏土路堤的力學(xué)性能劣化為前提，開展不同柴油摻入量高液限紅黏土的抗剪強(qiáng)度研究。

1 高液限紅黏土基本力學(xué)性能與污染土試樣制備

1.1 高液限紅黏土基本力學(xué)性能

試驗所用紅黏土土體試樣均取自江西省某高速公路隧道出口路塹挖方段，如圖1所示。

圖1 隧道出口路塹挖方段高液限紅黏土全貌Fig.1 High liquid limit red clay in cut section of tunnel exit

對現(xiàn)場取得紅黏土土體試樣經(jīng)過自然風(fēng)干、除雜和碾碎并對土體試樣進(jìn)行篩分。篩分完采用數(shù)顯式土壤液塑限聯(lián)合測定儀對土體試樣進(jìn)行液塑限測定試驗。試驗土樣基本物理力學(xué)參數(shù)見表1和表2。

表1 試驗土樣顆粒級配Table 1 Particle size components of test soil

表2 試驗土樣的基本物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Basic physical indexes of test soil samples

依據(jù)《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/50123—2019)規(guī)定，高液限土定義為小于0.075 mm 的顆粒含量大于50%，液限大于50%，塑性指數(shù)大于26 的土，對照表2的數(shù)據(jù)可知，本次在高速公路隧道出口采取的是高液限紅黏土。

江西省某高速高填方路堤在施工過程中，因壓路機(jī)油缸破損，出現(xiàn)柴油泄漏，造成路堤土受到污染，為了了解該路堤受柴油污染強(qiáng)度劣化程度，開展受柴油污染的高液限紅黏土抗剪強(qiáng)度研究。該試驗的柴油取自湖南省湘潭市某加油站的0號柴油，其物理化學(xué)性質(zhì)見表3。

表3 試驗柴油物理化學(xué)性質(zhì)Table 3 Physical and chemical properties of diesel oil

1.2 污染土試樣制備

考慮柴油黏度較小、流動性較好的特點(diǎn)，將土體試樣風(fēng)干后人工直接將土體試樣與柴油混合制作污染土樣。為了研究不同柴油摻入量對高液限紅黏土污染的影響程度，設(shè)計不同含油率的污染土樣，即分別制作含油率(含油率的計算按照油的質(zhì)量和干土的質(zhì)量之比計算)為0%，3%，6%，9%和12%的柴油污染高液限紅黏土土樣并裝入密封袋燜料，將試樣放置7 d 以上，以確保土壤樣品中的孔隙流體濃度保持一致[15]，再進(jìn)行三軸試驗。

2 污染土三軸試驗與結(jié)果分析

2.1 三軸試驗設(shè)計與實(shí)施

試驗采用固結(jié)排水剪切，試驗主要分為固結(jié)排水試驗及排水剪切試驗2個階段。試驗開始前通過電腦試驗軟件對試驗的周圍壓力、反壓力、應(yīng)變速率或者主應(yīng)力差等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，將尺寸直徑為3.91 mm，高為8.0 mm 的土體試樣，按照實(shí)驗儀器操作裝于SDSWCC-H 型應(yīng)力應(yīng)變控制式三軸剪切試驗儀中進(jìn)行三軸試驗，試驗中剪切速率設(shè)定為0.008 mm/min。其圍壓的設(shè)定分別為50，100和150 kPa 3種不同的圍壓來對試樣進(jìn)行剪切破壞，當(dāng)試樣中主應(yīng)力差和應(yīng)變曲線圖中的應(yīng)變達(dá)到15%左右或者出現(xiàn)明顯的剪切峰值的時候剪切結(jié)束。

2.2 三軸試驗柴油污染土力學(xué)參數(shù)

以高液限紅黏土為研究對象，土體的抗剪強(qiáng)度主要由土體顆粒與顆粒之間的內(nèi)摩擦角以及膠結(jié)物質(zhì)之間的黏聚力相互共同決定，而本文的研究對象為黏性土，其黏聚力是決定抗剪強(qiáng)度的主要因素。根據(jù)莫爾-庫倫計算公式可以得出在不同柴油摻入量的高液限紅黏土重塑試樣的破壞強(qiáng)度參數(shù)c和φ值，如表4所示。

表4 柴油污染高液限紅黏土強(qiáng)度參數(shù)Table 4 Strength parameters of diesel oil contaminated high liquid limit red clay

為了更加方便觀察土樣在不同柴油摻入量條件下的黏聚力和內(nèi)摩擦角的變化規(guī)律情況，將柴油污染高液限紅黏土的破壞強(qiáng)度參數(shù)繪制成不同柴油摻入量的柴油污染高液限土強(qiáng)度參數(shù)曲線，如圖3所示。

圖2 SDSWCC-H型應(yīng)力應(yīng)變控制式三軸剪切試驗儀Fig.2 SDSWCC-H stress strain controlled triaxial shear tester

圖3 柴油污染高液限紅黏土參數(shù)曲線Fig.3 Parameter curve of high liquid limit red clay polluted by diesel oil

本文研究結(jié)果與之前的研究者部分研究成果類似，顆粒接觸時的潤滑是由孔隙流體的黏性引起的，孔隙流體黏度的增加改變了礦物與孔隙流體接觸的性質(zhì)，從而顯示出應(yīng)力應(yīng)變行為的軟化[16]。李曉磊等[17]對不同固化重金屬鉛污染土進(jìn)行反復(fù)凍融后，通過直剪試驗測得了各土樣的抗剪指標(biāo)，試驗結(jié)果表明，隨著凍融次數(shù)的增加，黏聚力為主要影響因素，而內(nèi)摩擦角變化不大。朱春鵬等[18]對酸堿污染土進(jìn)行了直剪試驗與三軸試驗，研究發(fā)現(xiàn)，污染土的黏聚力與酸堿度呈正相關(guān)，內(nèi)摩擦角變化不大。與其不同的是，本文研究的是柴油污染的高液限紅黏土。級配紅黏土的抗剪強(qiáng)度由摩擦力和黏聚力2部分組成，而柴油污染高液限紅黏土的黏聚力變化較大，內(nèi)摩擦角隨柴油污染程度增加變化相關(guān)性不完全，因此柴油污染高液限紅黏土的抗剪強(qiáng)度也是由摩擦力和黏聚力2部分共同作用影響的。

由圖3 可知，對不同柴油摻入量(摻入量分別為0%，3%，6%，9%和12%)的試驗土樣進(jìn)行剪切試驗，其試驗結(jié)果表明，土樣的黏聚力c值在柴油摻入量從0% 到3% 的時候從52.63 kPa 增加到54.60 kPa，但隨著柴油摻入量進(jìn)一步的增加，黏聚力值又從54.60 kPa 減少到24.98 kPa，出現(xiàn)了明顯的降低。而土樣的內(nèi)摩擦角φ值在柴油摻入量從0%到3%的時候從20.57°降低到20.16°，但隨著柴油摻入量進(jìn)一步的增加，內(nèi)摩擦角值又出現(xiàn)了增大，含油率在12%的時候又稍有降低，整體變化不大。土樣在少量的柴油摻入的情況下其實(shí)是充填了土顆粒之間的孔隙，使得顆粒間黏聚更緊密，所以在柴油摻入量由0%增加到3%的時候，其黏聚力呈現(xiàn)增加的趨勢。但由于柴油與土壤中的水并不能混溶，過量的柴油滲入使得柴油污染土顆粒松散，阻斷了柴油污染土的土顆粒之間的連結(jié)。所以隨著柴油的摻入量的繼續(xù)增加，其黏聚力又隨之減小。從而得出黏聚力是決定柴油污染土抗剪強(qiáng)度的主要因素，而柴油的污染對土樣的內(nèi)摩擦角影響不大。

2.3 柴油污染土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

通過三軸試驗對柴油污染土的力學(xué)性能的試驗研究，將相關(guān)數(shù)據(jù)處理繪制柴油污染土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示。

圖4 高液限紅黏土應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Stress strain curves of high liquid limit red clay

由柴油污染高液限紅黏土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以看出:柴油污染高液限紅黏土土樣的主應(yīng)力差隨著軸向應(yīng)變的增大而出現(xiàn)增大，其后期增加的速率越來越緩慢，當(dāng)增大到一定值后，主應(yīng)力差便慢慢趨于穩(wěn)定狀態(tài)，但整個過程中應(yīng)力-應(yīng)變曲線沒有出現(xiàn)峰值，呈現(xiàn)塑性破壞特性；同時從圖中可以看出，每組試樣在圍壓為150 kPa 的時候主應(yīng)力差最大，圍壓在100 kPa 時次之，圍壓在50 kPa時最小，都是隨著圍壓的增大而主應(yīng)力差增大。

3 結(jié)論

1) 高液限紅黏土在受到柴油的污染后，主應(yīng)力差隨軸向應(yīng)變的增大而增大，當(dāng)達(dá)到一定值后，主應(yīng)力差趨于穩(wěn)定狀態(tài)，且整個過程中應(yīng)力-應(yīng)變曲線沒有出現(xiàn)峰值，呈現(xiàn)塑性破壞特性。

2) 不同程度的柴油污染對土樣的黏聚力影響存在明顯差異。土樣的黏聚力c在柴油摻入量從0%到3%的時候出現(xiàn)了增加，這是因為少量的柴油加入，填充了土樣中的孔隙，使得土樣中顆粒與顆粒之間的排列更加緊密。但在柴油摻入量從3%到12%時，黏聚力出現(xiàn)明顯降低，是由于柴油與土壤中的水并不能混溶，過量的柴油滲入使得柴油污染土顆粒松散，阻斷了柴油污染土的土顆粒之間的連結(jié)。

3) 不同程度的柴油污染對土樣的內(nèi)摩擦角影響變化幅度不大。土樣的內(nèi)摩擦角φ在含柴油摻入量從0%到3%的時候出現(xiàn)了降低，但隨著柴油摻入量進(jìn)一步的增加，內(nèi)摩擦角值出現(xiàn)了增加，含油率在12%的時候又稍有降低，整體變化不大。這是由于柴油有著潤滑作用使得土樣中土顆粒之間更加分散，而少量的柴油又能填充土樣中的孔隙，二者又相互抵消，從而造成了土樣的內(nèi)摩擦角發(fā)生變化的幅度不大。