鐵離子作用下膨脹土干濕循環裂隙演化機制

肖桂元 朱耀琪 王延偉 徐光黎 張達錦

摘要：為探究重金屬Fe3+作用下膨脹土干濕循環裂隙演化機制，以不同濃度Fe2（SO4）3溶液作用的飽和膨脹土為對象，開展干濕循環裂隙試驗、掃描電鏡（SEM）試驗與X射線衍射（XRD）試驗，研究Fe3+作用下膨脹土干濕循環裂隙、微觀結構和礦物成分的演化規律及機制。結果表明：相同干濕次數下，隨Fe3+濃度增加，土體裂隙面積率下降；隨干濕次數增加，相同濃度土體裂隙面積率總體上升；Fe3+作用下，粒間孔隙波動性微變，黏土礦物晶體結構損傷，晶層間距減??；干濕作用后，粒間孔隙劇增，土體結構破壞，晶體損傷加劇?？偨Y出Fe3+作用下膨脹土干濕循環裂隙演化機制為：水分子在土體內反復遷移，劣化土體結構，形成拉應力，導致裂隙產生；Fe3+則在一定程度上縮小顆粒間距，增強抗拉強度，降低拉應力，抑制了裂隙發育。

摘要：膨脹土； 鐵離子； 干濕循環； 裂隙演化

中圖法分類號： TU 443

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.01.026

0 引 言

膨脹土作為一種常見的特殊土，因其富含親水性黏土礦物，具有非常強的水敏性，在干燥少雨的自然環境下，失水收縮產生大量裂隙。裂隙的產生和發育會嚴重破壞土體完整性，使土體強度降低，同時加劇雨水滲透與水分蒸發［1］，進而膨脹土工程性質劣化，嚴重危害土工建筑物安全。早在20世紀30年代，國外學者Terzaghi就曾指出膨脹土裂隙會對其工程失穩產生重大影響。國內學者殷宗澤等［2］也從多方面論證了膨脹土邊坡裂隙的形成會使土質邊坡強度降低，裂隙水增加，導致邊坡失穩。

為此，眾多學者對土體裂隙發育規律和機制做了大量研究。在裂隙發育規律方面，眾研究均與定量計算相結合，Liu［3］、Vogel［4］等利用圖像處理技術，定量分析了土體裂隙發育過程。許錫昌等［5］也針對膨脹土脫濕全過程，指出膨脹土開裂具有明顯的階段性特征。在機制方面，唐朝生等［6-7］從定性方向針對土體脫濕過程中形成的吸力與土體自身抗拉強度進行了研究，指出吸力與抗拉強度是土體產生裂隙的關鍵因素。張家俊等［8］從膨脹土在干燥環境下的裂隙演變規律中發現由土體含水率梯度引起的拉應力是影響膨脹土開裂程度的關鍵因素。汪時機等［9］通過土體局部含水率梯度和不均勻收縮差異對張拉應力進行了公式化計算，并對其脫濕過程與力學機制進行了研究。此外，一些學者對土體裂隙演化規律的影響因素進行了研究，如壓實度、自由膨脹率［10］、均勻性、尺寸［11］、干密度、初始含水率［5］、厚度［12］、蒙脫石含量［13］、干濕循環次數［14］等。

然而，近年隨著城市化與工業化的快速發展，重金屬污染土地問題日益嚴峻，對人類生命健康與土體物理力學性能造成非常大的影響［15］；且中國許多膨脹土地區氣候季節性特征明顯，土體長期受到干濕循環作用，強度破壞嚴重［16］。因此前人分別對重金屬與干濕作用下膨脹土的物理力學性質做了大量探索，并取得了豐富的成果［17-19］。但是目前關于重金屬作用下膨脹土裂隙演化規律的研究較少，且均未考慮干濕循環作用。在生活垃圾淋濾液和工業廢水中重金屬Fe3+的濃度是非常高的［20］，且有學者用Fe3+浸出污泥中的其他重金屬離子［21-22］，為此研究重金屬Fe3+作用下膨脹土干濕循環裂隙演化機制，對膨脹土工程性質及邊坡穩定性具有非常實際的意義。

本文以不同濃度Fe2（SO4）3溶液作用的膨脹土為對象，開展干濕循環作用下的裂隙試驗，采用固定拍照及稱重裝置與IPP圖像處理軟件定性定量分析膨脹土試樣裂隙特征照片與參數變化，得到了Fe3+作用下膨脹土干濕循環裂隙演化規律。利用掃描電鏡儀（SEM）與X射線衍射儀（XRD），分析Fe3+作用下膨脹土干濕循環期間的微觀變化，進而對Fe3+作用下膨脹土干濕循環裂隙演化機制進行剖析。

1 試 驗

1.1 試驗用土

本試驗所用膨脹土取自湖北省丹江口地區，取土深度約3～5 m，呈灰白色，基本物理性質指標見圖1與表1。

1.2 Fe3+作用土制備

將試驗膨脹土風干碾碎，并過2 mm篩，再將處理過的膨脹土存放于陰涼干燥處的密封塑料桶中備用。設計Fe2（SO4）3溶液濃度分別為0，5.0，10.0，15.0 g/L（pH依次為6.87，2.11，1.65，1.09），按要求配置并放室溫下靜置3 d，使其均勻溶解。隨后將備好的膨脹土按最優含水率21％與Fe2（SO4）3溶液均勻攪拌，攪拌成松散土樣。再將土樣裝入密封的保鮮袋中，養護7 d。根據膨脹土最大干密度指標與試樣壓實度標準（95%），采用靜壓法將松散污染土樣制成初始干密度1.634 g/cm3，直徑61.8 mm、高20 mm的標準環刀樣，隨后將環刀樣放入真空飽和缸內抽真空，并將其浸泡在不同Fe3+濃度的污染液中負壓飽和12 h，作為干濕循環處理前的初始土樣。

1.3 干濕循環作用下的裂隙試驗

干燥脫濕方法：為模擬外界高溫環境下膨脹土體脫濕過程，取飽和試樣放入40 ℃恒溫箱中，適時取出試樣稱重拍照，觀測其含水率與裂隙發育變化，直至試樣重量不再變化（含水率約5％）。

飽和增濕方法：從恒溫箱中取出干燥試樣，放入真空飽和缸內抽真空，隨后抽入不同Fe3+濃度的溶液，使其負壓飽和12 h，此為完成1次干濕循環。

如此反復進行干濕循環，次數分別為1，2，3，4，5次（因各濃度試樣在第0次干濕期間均未產生裂隙，故不做比較）。

1.4 SEM試驗

取完成1次與5次干濕循環的不同Fe3+濃度干燥試樣，進行切樣、貼導電膠、噴金處理以制作電鏡掃描樣品，再將樣品放入電鏡掃描真空箱，使用S-4800型掃描電子顯微鏡進行觀察拍照。根據唐朝生等［23］的研究，為使試驗結果全面、客觀，本次試驗拍攝800倍的微觀電子圖像，掃描點選取孔隙與顆粒相對均勻的點，避開大孔隙與大顆粒，每個試樣拍攝3張照片。