第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.1.1 研究背景
红黏土为碳酸盐岩系出露的岩石经强烈化学风化作用后形成的棕红、褐黄等色的高塑性黏土（图 1.1），是一种富含铁铝氧化物的黏性土，主要是由更新世残积、坡残积、冲洪积及洪坡积组成，液限一般大于 50%，具有明显的收缩性，裂隙性，但压缩性相对较低。红黏土中的矿物成分以为高岭石为主，此外还包含少量的蒙脱石和 SiO2 颗粒等。红黏土其工程性质非常复杂，天然的高含水量、密度较小、孔隙比相对较高（一般为 1.4-1.7）、压缩性较低，但由于红黏土有较高的塑性，较高的强度，故是一种具有较好力学性质的特殊土。红黏土分布较广，主要在我国南方的广西、云南等地区，在这些地区遍布红黏土层，厚度分布有深有浅，低层建筑和一些荷载较小的厂房一般都是用红黏土来做地基[1-3]。
图 1.1 典型红黏土 近年来随着国家建设的大力发展，水环境污染日益严重[4]，红黏土是对环境变化相当敏感的土类，水稳定性差，化学活动性与地下水化学成分密切相关，与水作用会产生一系列的环境效应，水环境的改变会引起红黏土的水理性质和物理状态的变化。有机和无机污染物侵蚀红黏土后会使破坏其土体结构，土中原本的矿物成分和化学元素含量均会发生变化，红黏土的物理力学性质也随污染物的侵蚀而弱化，从而引起土的环境和工程地质问题，其对自然界及人们生活、生产的影响日渐突显。在一些制革、炼油、化纤、造纸、钢铁、化工厂等工业厂房的调查中，发现由于生产过程及管理过程的原因这些工厂会产生较多的废液侵蚀建筑的地基，使地基强度出现局部或多处劣化，从而导致工厂建筑发生倾斜、塌陷、不均匀沉降等现象[5-7]。工业生产过程中的废气、废水和废渣也会造成地下水、地表水污染，污染后的地下水渗入地基土中，使得土体的孔隙溶液 pH 值发生变化，继而侵蚀土体及上部建筑，最终造成工程事故。此外，为了响应国家号召，一些造成环境污染的工厂开始搬迁，但是原有的地基土已被污染，且也会对将要建设工厂的土体造成污染。因此，关于废液、废渣侵蚀岩土的污染问题不得不重视。本文将探讨碱污染红黏土的物理力学性质变化规律，为因地制宜地采取污染土的整治措施提供理论支持，对保证建设工程质量，保护环境具有重要意义。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 污染土物理力学性质研究现状
污染土是指土体受到生活及工业建设过程中产生的废液、废渣渗入土体改变其孔隙溶液 pH，与土体发生化学反应使土体性质发生改变的一类土。污染物主要分为有机物污染和无机物污染，有机物污染主要以原油、农药、垃圾淋滤液等为主；无机物污染则以酸碱盐、金属离子等为主[8-10]。土体受到污染物腐蚀后，性质往往会发生变化，土体可塑性变差，其颜色、质量等也会孔隙溶液的改变而发生变化。此外，废液侵蚀土体会破环土体结构的完整性，改变颗粒的连接方式，土体表面由光滑变得粗糙，甚至会出现局部空穴的现象[11-12]。
由于污染物的侵蚀导致土体原本的物理力学性质发生改变，国外学者Ijimdiya[13]等通过室内试验研究了红土受到废机油污染后其强度和固结特性的变化规律，发现石油污染使红土的固结系数、压缩系数都发生了不同程度的变化。Du[14]等研究了锌离子浓度、水泥掺量和养护时间对高塑性黏土强度特性的影响，结果表明，锌离子浓度对土的无侧限抗压强度、破坏应变和剪切模量有显著影响，随锌离子浓度的增加，土体的力学性质劣化。Dilek[15]等发现高碱石的膨胀能力会因污染物的侵蚀而发生显著变化，认为需要对不同类型的污染物的不同黏土类型进行进一步研究，以便彻底了解污染效应。S.Nakayama[16]等发现在高碱环境下蒙脱石的渗透性有所改变。Saeed[17]等发现土壤中重金属污染物的存在会干扰稳定剂水化，从而抑制处理过的土壤的强度发展。Nayak[18]等研究了被化学、工业和生物医药废物等垃圾渗滤液污染的红土，通过将红土与 5%、10%和 20%的渗滤液混合来控制污染程度。结果表明：由于渗滤液的污染，红土的最大干密度略有降低，导水率有所增加，其结构也发生变化。Sunil[19]等研究发现土壤的液限和塑性指数随着垃圾填埋场渗滤液浓度的增加而增加，强度随浓度的增加有所减小。Chen[20]等通过渗透性和侵蚀性试验研究了膨润土在高碱性孔隙水中的溶解及其机理，试验期间未观察到原始矿物的消失和次生矿物的生成，但随着高碱溶液浓度的增加，膨润土样品中蒙脱石含量降低。Karnland[21]等发现在 NaOH 和 Ca(OH)2污染下膨润土膨胀力显著降低；由于二氧化硅矿物的持续溶解以及污染液的侵蚀，从而导致膨胀土质量减少，密度降低。Maines[22]等以膨润土为研究对象，研究了孔隙溶液酸碱度的改变对土体的液限、一维压缩性、渗透性和残余强度的影响，发现即使孔隙溶液的 pH 值变化相对较小，也会对黏土的力学性质产生强烈的影响。还有学者发现在高浓度碱性溶液污染下，蒙脱土和膨润土的动力学性质发生改变，其凝聚力下降，摩擦角增大，土体的力学效应弱化[23-24]。Panye[25-27]等发现铜、锌等重金属离子的浓度会影响土体的工程性质，其压缩性、强度等都有不同程度的弱化。
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第二章 红黏土的基本特性及试验准备
2.1 引言
本文选取的土样为广西临桂地区的红黏土，本身具有一定的力学强度与良好的工程特性，可作为地基材料。但随着工业的发展，环境污染不断加剧，地基受到碱性溶液的腐蚀，其基本土性会随之改变，从而影响工程的安全性，鉴于以上情况，只有通过掌握红黏土污染前后的基本土性，才能对工程的安全性做出正确的判断与分析，从而能及时采取有效的针对性措施，避免工程事故发生。
由于工地现场难以控制污染浓度，因此本文通过对红黏土进行室内不同 pH值碱溶液浸泡来达到碱污染的目的，借此来研究碱污染前后红黏土性质的变化。本文分别从宏观与微观方向探讨不同 pH 值碱液污染作用下的红黏土物理力学性质及损伤特性演化规律。首先要配制不同 pH 值的碱溶液，再根据试验需求制备污染土样与未污染的土样，将制备好的土样按照规范浸泡在蒸馏水及碱溶液中直至其完全饱和。通过深入了解红黏土的基本性质，分析土样在碱液污染作用下物理力学特性的变化规律，从微观层面上阐述不同 pH 值的碱液污染作用下对红黏土的侵蚀机理，为下文分析红黏土污染前后力学损伤特性的演化规律奠定基础。
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2.2 基本物理力学性质
根据资料调查，红黏土具有较高的黏粒含量，黏土矿物主要以高岭石为主，含有少量的蒙脱石。试验所用的土样取自广西桂林临桂的某一施工工地，取土的深度为1.50-2.50m，试样土体呈红褐色，自然风干含水率为5.03%，土体性质较均匀。物理性质指标如表2-1所示。
表 2-1 基本物理指标 于红黏土在受到碱溶液污染后土颗粒易凝聚，成为粒径较大的团聚颗粒，笔者通过控制初始含水率的方法来减少这种现象的发生，初始含水率过高，土颗粒易成团，初始含水率过低，土颗粒间的黏聚力过低从而难以制样，最终经过笔者多次试验，最终确定本研究试验中所用初始含水率为 21%。由于对原状土直接进行碱污染无法控制土体孔隙溶液的浓度，为消除误差，所有试验均为自然风干的土用碱液污染后再进行制样，具体方法为：将自然风干的红黏土碾碎并过 0.1mm筛，随后将不同 pH 值的 NaOH 溶液均匀喷洒在土体上，配制成初始含水率 21%的预制土样，放入密封袋，置于恒定室温条件下养护 15d 以上，并测定最终的含水率。各个试验的制样过程具体如下：
1、质量试验：将上述初始含水率为 21%的预制土样通过静压法制成规格为直径为 61.8mm 的环刀样，试样的初始干密度为 1.45g/cm3，共设 3 组平行试验，以便消除试验误差及人为的干扰；
2、密度试验：采用环刀法测其密度，用体积为 60cm3的环刀制备试样，用电子天平秤得质量（精度 0.01g）。在试验过程中，红黏土在不同 pH 值的碱液中养护 15d 以上；
3、比重试验：利用比重瓶法测得污染土样的比重。将风干的红黏土分别放置不同 pH 的碱溶液中浸泡 15d 以上，之后用烘箱烘干碾磨，过 0.2mm 筛，取15g 污染土样装入 100mL 的比重瓶中进行试验，比重试验中所用水均为蒸馏水；
4、孔隙比试验：根据密度试验与比重试验所得结果代入公式算出；
5、界限含水率试验：先测得自然风干后红黏土的含水率，再将其放入烘箱烘干碾碎，根据规范过 0.075mm 筛，取 600g 污染土样，分成 3 份，均匀喷洒已配制好的碱溶液，制成不同含水率的土膏，放入阴凉处密封保存 15d；
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第三章 碱污染作用下红黏土基本物理性质试验 .............................. 15
3.1 引言 ........................................ 15
3.2 试验方案 ............................. 15
第四章 红黏土在碱液污染下力学损伤特性 ................................... 24
4.1 引言 .............................................. 24
4.2 试验方案 ....................................... 24
第五章 碱污染作用下红黏土的微观特征 ................................ 36
5.1 引言 ............................................................ 36
5.2 试验方案 ....................................... 36
第五章 碱污染作用下红黏土的微观特征
5.1 引言
土体的微观结构是研究土体的一个重要因素，是颗粒大小、矿物组成、化学成分、排列方式及其连接关系，孔隙水性质及孔隙特征等因素的综合特征。在工程实践中，人们发现土体微观结构形态的转变对其物理力学性质有一定的影响，土体的微观结构与土的工程性质有着密切的关联，土体的物理力学性质是土体微观结构在宏观上的反应。在上文的研究中得到了红黏土在碱溶液污染前后的物理力学参数的变化规律，为了深入了解污染前后红黏土特性改变的原因，本文通过对污染前后土体进行微观试验，观察其结构特征的变化来阐述土体物理力学指标变化的规律，从微观层面初步探讨其作用机理。
试样制取步骤为：称量各组界限含水率试验结束后的红黏土试样各 5g，研磨过 0.05mm 筛，加入 100ml 烧杯中，添加去离子水配成悬浮液，随后取同一时间、高度的 0.5ml 悬浮液注入电泳杯，插入电极装置，连上电极连线，开始试验。试验中各悬浮液温度为 22.5±0.2℃，输入电压为 10v。
本文电镜扫描试验所采用的仪器型号为 KYKY-EM6200 扫描电子显微镜。分辨率最高可达 4.5nm，观察倍率范围大，从低倍率十几倍到高倍率十几万倍；可进行多种功能的分析，如 x 射线能谱仪（EDS），可在观察形貌的同时进行微区成分分析，对样品不同微区的元素进行定性、定量分析。
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第六章 结论、不足与展望
6.1 结论
1、本文以桂林红黏土为研究对象，通过一系列碱污染红黏土的室内试验，探讨了不同 pH 值碱溶液污染作用下裂隙性红黏土的物理力学特性、化学成分、微观结构特征变化规律；
2、碱溶液的污染使红黏土物理特性发生改变，土体质量、密度随着碱溶液pH 值的升高而增大，原因在于碱土反应生成了 Fe(OH)3、Al(OH)3 等胶结物，附着于颗粒表面，且在试样浸泡中，由于孔隙溶液的改变与增多也会使试样的质量、密度增大；
3、碱污染土的比重随碱溶液 pH 值的升高而增大，在高 pH 值的碱液中比重的增大趋势减小，这主要取决于高 pH 值的碱液对胶结物的溶蚀加重，颗粒中的胶结物质最终以离子形式存在，最后随溶液流失。由于红黏土内化学成分、扩散层厚度及微观结构的变化，土体孔隙比随碱液 pH 值的升高而增大，碱溶液侵蚀后红黏土的液限、塑限及塑性指数都是减小的。
4、碱溶液的侵蚀使得红黏土中原有的电解质平衡被打破，原本的起胶结作用的倍半氧化物沉淀和结晶被溶蚀，红黏土结构的完整程度被破坏，颗粒间形成了大量的孔隙，但由于在侵蚀过程中生成的 Fe(OH)3、Al(OH)3 等沉淀物吸附在土颗粒上及孔隙间；且试样前期含水率下降速率较大，在沉淀物还没有被溶蚀或流失时孔隙溶液已蒸发，故那些沉淀物和土颗粒重新组合，填充了由于碱液侵蚀形成的孔隙，故随着 pH 值的增大，裂隙明显减小，pH 为 10、11 时无裂隙发育；
5、收缩试验的数据验证了红黏土裂隙试验的观测：随着 pH 值的增大，碱溶液的侵蚀加重了红黏土的失水收缩，碱污染后红黏土的线缩率逐渐变大，其收缩变形越来越大，试样的压缩系数随之增大，且增大趋势逐渐减小，这与第三章中碱污染后土样孔隙比变化趋势相吻合；三轴剪切试验结果表明：随着碱溶液 pH值的增大，红黏土的强度呈降低趋势，同 pH 污染条件下随着应变的增加，主应力差也逐渐增加，增长速率逐渐降低；
参考文献（略）
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