重金屬侵入下巖土的力學(xué)特性及固化機(jī)理研究.pdf

1、重金屬污染巖土在我國廣泛分布，尤其在有色礦產(chǎn)資源大省的廣西、云南等地。巖土體被重金屬元素污染后，顆粒間的膠體被溶蝕、膠結(jié)強(qiáng)度被破壞而改變了土體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致巖土體的孔隙比、壓縮性增大，抗剪強(qiáng)度降低、承載力下降等性質(zhì)的變化。目前對重金屬污染巖土的工程性質(zhì)、固化機(jī)理、防治措施的研究成果較少，在工程建設(shè)中大多將其作為一般土處理或不處理，導(dǎo)致污染巖土路基、邊坡、建筑地基等開裂、垮塌工程事故的發(fā)生。因此研究污染巖土的工程特性、本構(gòu)關(guān)系、固化機(jī)理

2、及防治措施，對評價(jià)與治理重金屬污染巖土地（路）基、邊坡，以及合理利用重金屬污染土體資源具有重要意義。
　　本文首先調(diào)查了廣西重金屬污染巖土的分布情況，統(tǒng)計(jì)了污染巖土的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，確定了廣西污染土的背景值的大小、相關(guān)變異系數(shù)，并以此劃分了重金屬污染巖土的分布范圍。建立了污染遷移試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯χ亟饘僭兀ㄦk）Cd、（鉛）Pb、（鋅）Zn遷移特性進(jìn)行了研究，采用偏最小二乘法(PLS)對各元素遷移能力進(jìn)行了線性回歸分析，確定了三種元素遷移能力、

3、自凈能力的大小關(guān)系。研究結(jié)果表明:（鎘）Cd、（鉛）Pb的遷移特性較強(qiáng)，不受土體自凈能力的影響，（鋅）Zn的遷移特性受土體自凈能力的影響較大，遷移特性最弱。
　　通過三軸試驗(yàn)、壓縮試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)對重金屬污染土進(jìn)行了研究，在100、200、300KPa圍壓條件下，對5種重金屬含量不同的污染土試樣:一般土、污染土(重金屬元素質(zhì)量比分別為:1％、2％、3％、4％)進(jìn)行三軸對比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明:污染土的強(qiáng)度隨著重金屬元素的含量的增加顯著

4、降低，圍壓增大對重金屬含量低的污染土的強(qiáng)度的影響不顯著，質(zhì)量比小于1％時(shí)，峰值強(qiáng)度降低10％-15％，質(zhì)量比大于3％時(shí)，峰值強(qiáng)度降低40％-50％;直剪試驗(yàn)結(jié)果表明:質(zhì)量比小于1％的污染土抗剪強(qiáng)度-垂直壓力曲線基本平行，垂直壓力與抗剪強(qiáng)度成正比，抗剪強(qiáng)度降低幅度為5％-10％，質(zhì)量比大于3％的污染土抗剪強(qiáng)度-垂直壓力曲線表現(xiàn)為不規(guī)則，抗剪強(qiáng)度降低45％-55％左右;壓縮試驗(yàn)結(jié)果表明，污染土與一般土的壓縮量差別較大，質(zhì)量比超過3％以上時(shí)對

5、壓縮性的影響尤為顯著。根據(jù)三軸試驗(yàn)結(jié)果與Mastsuoka-Nakai準(zhǔn)則建立了污染土的本構(gòu)關(guān)系，經(jīng)驗(yàn)證該模型在描述污染土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系方面更符合實(shí)際。
　　探討了有機(jī)物固化下的重金屬污染土力學(xué)性能與體變特性，在低、相對中高圍壓條件下，對原狀污染土與添加固化劑的污染土試樣進(jìn)行了三軸固結(jié)排水剪切對比試驗(yàn)，繪制了兩種污染土試樣的力學(xué)體變特性曲線。采用修正劍橋模型形式作為壓縮屈服面與Pietruszczak和Stolle所提出的屈服函

6、數(shù)作為剪切屈服面建立一個(gè)適用于污染土的雙屈服面彈塑性本構(gòu)模型，將試驗(yàn)結(jié)果作為計(jì)算參數(shù)對模型進(jìn)行了驗(yàn)證。該模型克服了單曲面模型的不能模擬土體體變臨界狀態(tài)的缺陷，較為合理地反映了污染土的體變過程。結(jié)果表明:添加有機(jī)物固化劑顯著提高了重金屬污染土的強(qiáng)度，有效改善了重金屬污染土在低圍壓作用條件下體脹、中高圍壓作用下體縮的力學(xué)特性;雙屈服面應(yīng)變軟化彈塑性本構(gòu)模型的擬合結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較為吻合，表明該模型在描述重金屬污染土體變特性方面具有一定的優(yōu)越性

7、。
　　分析了不同試驗(yàn)條件下重金屬污染巖石的性能變化，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果探討了重金屬含量對巖石風(fēng)化速度、力學(xué)性能的影響，以及重金屬元素對巖石水化、水解作用影響的機(jī)理;同時(shí)根據(jù)重金屬元素的侵入性能、延伸性能大小關(guān)系，建立了污染巖石侵入面損傷的三維組合本構(gòu)模型，并對模型擬合結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比。結(jié)果表明:重金屬元素導(dǎo)致雙電層厚度增大，擴(kuò)散層的斥力發(fā)生改變，水化膨脹應(yīng)力增大，導(dǎo)致了巖石裂隙面的擴(kuò)張、延伸，強(qiáng)度降低，重金屬元素水解常數(shù)形成新