重金屬污染土體的微細觀結構及巨觀力學特性研究

《重金屬污染土體的微細觀結構及巨觀力學特性研究》是依託北京工業大學，由張志紅擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：重金屬污染土體的微細觀結構及巨觀力學特性研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：張志紅
• 依託單位：北京工業大學

項目摘要

隨著我國工業化和城市化進程的加速，在城市建設中遇到了眾多的重金屬污染地層，這些地層將嚴重影響工程質量和安全，重金屬對土層性質的侵蝕機理及土性變異前後的微細巨觀力學特性是當前亟待解決的重要課題。本項目以重金屬污染土體為研究對象，在分析重金屬對土體侵蝕機理的基礎上，首先開展污染土體微細觀結構及巨觀力學特性試驗研究，其次從細觀力學角度出發建立描述其微細觀結構變化的力學模型，採用細觀數值分析方法探討污染土體的巨觀力學特性，並考慮結構特徵參數影響建立土-水-污染物相互作用的污染土本構模型，力求通過對土體微細觀結構的研究獲得對其巨觀力學特性的精確描述，揭示污染土體的破壞機理，實現微細觀結構分析與巨觀力學特性的統一和結合。研究成果能夠有效指導重金屬污染地層的城市工程建設，填補國內外污染地層工程特性研究的空白，為岩土工程出現的環境問題給予更科學、更本質的解釋，對土力學理論的發展也將起到極大的促進作用。

結題摘要

隨著城市化和工業化進程的加速，工程建設中遇到了越來越多的重金屬污染地層，嚴重影響工程質量和安全，隨之帶來的一系列工程問題已日益引起高度重視。侵蝕土體力學特性變異機理、特徵及模型研究是污染場地再利用的核心關鍵問題之一，也是環境岩土工程領域亟待解決的重要課題。本項目通過人工配置污染土樣，採用三聯式柔性壁滲透儀及三軸儀開展了室內試驗。主要研究工作和成果如下： （1）滲液中單一組分 Cu 2+ 存在情況下，CuCl 2 溶液濃度保持恆定時，滲透液無論採用純淨水還是 CuCl 2 溶液，土體滲透係數均隨著施加圍壓的增大而減小。施加圍壓相同而滲透液濃度不同的情況下，土體滲透係數隨著 CuCl 2 溶液濃度的增加先急劇減小隨後則逐漸增大。微觀結構分析結果表明，CuCl 2 溶液作為滲透液時土體滲透係數與純淨水滲透存在差異的主要原因是重金屬 Cu 2+ 改變了粘土的內部結構，影響了粘土的孔隙大小，從而造成了巨觀滲透性的差異。 （2）滲液中多組分 Cu 2+ 和 Cr 3+ 、Cu 2+ 和 Mn 2+ 共同存在情況下，試驗結果表明，對可溶性 Cu 2+ 和 Cr 3+ 、Cu 2+ 和 Mn 2+ 混合溶液侵蝕後的粘性土，其滲透性均隨著摻入離子濃度比例的增大而逐漸增強。 （3）室內高嶺土與 CuCl 2 溶液拌合製備的重塑土樣固結不排水三軸剪下試驗。結果表明，隨著 Cu 2+ 濃度的增大，土樣的軸向應力差不斷降低，有效抗剪強度指標黏聚力和內摩擦角均降低，土體抗剪強度呈現弱化趨勢。 （4）貴州黏土和北京粉質黏土分別與不同濃度 CuCl 2 溶液拌合併擊實製備重塑土樣，三軸試驗結果表明隨著侵入 Cu 2+ 濃度的增大，試樣軸向應力差、有效抗剪強度指標均呈現降低趨勢。 （5）利用含硫材料與工業廢渣和生物質材料組配形成新型穩定藥劑，通過對比分析選用新型穩定化藥劑 SR1 協同水泥固化穩定化重金屬複合污染土壤。結果表明藥劑 的最優配比為 PC 摻量 8%，SR1 摻量 2.5%。 （6）28 天最優配比下固化土體無側限抗壓強度比未固化複合污染土壤強度對應值高 9.6 倍，達到 1080kPa；隨著水泥摻量增加，固化體的有效粘聚力及有效內摩擦角均不斷增大。加入穩定劑 SR1 使固化體滲透係數增大，但隨著水泥摻量增加，滲透係數急劇降低。