论文部分内容阅读
膨胀土是一种分布广且可引起工程灾害的特殊性土,虽然人们对其力学特性已有深入研究,但关于重金属污染膨胀土强度特性研究尚不多见。本文基于非饱和直剪试验与饱和三轴试验,探究了不同铜离子浓度、围压、净法向应力、基质吸力等条件下合肥污染膨胀土强度特性的演化规律,并利用SEM扫描电镜试验以及IPP图像处理技术,研究了非饱和直剪试样的微观结构定量特征,进而探讨铜离子浓度对膨胀土微观结构和强度的作用机理,研究为揭示铜污染膨胀土工程特性提供了重要依据。论文取得了如下主要结论:（1）三轴固结不排水剪切试验结果表明:实测应力应变关系曲线均呈现应变硬化特征,由浓度为10g/L、20g/L、30g/L、40g/L和50g/L硫酸铜溶液制备的铜污染膨胀土试样的破坏形态均呈现“腰鼓型”。相同围压不同铜污染程度试样的三轴抗剪强度,随着硫酸铜浓度的增大呈现出先增大后减小的规律,强度变化呈现拐点对应的硫酸铜溶液浓度为20g/L,其偏应力峰值达629k Pa,较素膨胀土（537k Pa）增大了17%,硫酸铜浓度为50g/L时的污染土偏应力则为最小,仅为491k Pa,较素土数值下降了8.6%。以围压作为唯一变量时,试样的偏应力峰值均随着围压的增长而增大。随着污染浓度的增加,试样内摩擦角呈现一直减小现象,而凝聚力则呈现先增大后减小规律,在溶液浓度为20g/L时达到极大值134.55k Pa,显然铜污染膨胀土强度的变化主要表现为凝聚力的变化。微观研究表明,当铜污染浓度低于20g/L时,膨胀土中的蒙脱石因吸附铜离子而降低了颗粒间距,从而降低对水分子的吸附,促使宏观强度提升,而当浓度达到20g/L后,膨胀土对铜离子吸附达到饱和,则铜离子可破坏土颗粒间胶结物,使颗粒间隙变大,改变了颗粒之间连接方式,从而使铜污染膨胀土的强度发生劣化。（2）非饱和直剪试验结果表明:以铜离子浓度为唯一变量时,试样非饱和直剪强度也呈现出随着铜离子浓度的增加先增大后减小的规律,且在硫酸铜溶液浓度为20g/L时的强度相对最大,相应的剪应力为192k Pa,较素膨胀土的176k Pa提高了9.1%,而溶液浓度为50g/L试样的剪应力为159k Pa,较素膨胀土数值下降了9.7%。对浓度为30g/L的试样,抗剪强度随着净法向应力和基质吸力的增大而增大。基质吸力为200k Pa时,污染土的非饱和抗剪强度参数为:1c’=114.5k Pa和?’=18.65°;净法向应力为200k Pa时,非饱和抗剪强度参数为1c’=119k Pa和?b=18.55°。（3）非饱和直剪试样破坏面微观结构的定性分析表明:素膨胀土的微观结构呈现黏性土典型的扁平状或微曲状的面-面相接的形式;而对铜污染膨胀土,在污染浓度较低时,土颗粒黏结紧密,孔隙较小,但随着溶液浓度的增加,面-面结构逐渐向点-面或边-面结构过渡,且较大孔隙数量逐渐增多,此规律与强度特征的演变是对应的。（4）非饱和直剪试样破坏面的微观结构定量研究结果表明:随着铜污染浓度的增大,直径小于1μm的微孔隙的数目所占比例先增大后减小,但直径大于10μm的大孔隙数目所占的比例先减小后增大,均在20g/L达到极值,土体孔隙和颗粒的圆形度和定向性概率熵随着铜污染程度的增大而先减小后增大,在浓度为20g/L时,达到极值1.85和1.32,形状接近圆形,且颗粒排列呈现有序趋势,随着污染程度的增加,颗粒间的胶结物被破坏,孔隙与颗粒的形状与排列则变得无序,相应的圆形度与概率熵呈现增大趋势。