受柴油污染的高液限红黏土抗剪强度研究

贺泳超，陈秋南，曾奥，周文兵，吴岑佳，龙坤

(1.湖南科技大学 资源环境与安全工程学院，湖南 湘潭 411201；2.湖南科技大学 土木工程学院，湖南 湘潭 411201)

随着“一带一路”倡议的提出，工业能源开发与利用的过程中所伴随的污染问题也日益凸显，石油泄漏造成环境污染的事件屡见不鲜。工程施工过程中如油罐车、挖掘机、压路机等柴油动力工程机械的侧翻事故时有发生，柴油引起的污染弱化了土体的力学性能，这将直接影响到路堤的稳定性[1-2]。为了了解土体受柴油污染后的力学性能弱化程度，傅世法等[3]根据岩土工程的特点，提出了污染土的概念，并认为早期国内缺乏专门的污染土的试验与理论研究。随着仪器设备的更新与污染土处理手段的提升，国内专家、学者对污染土进行了大量研究。倪可等[4]分析了不同含油率下柴油污染土的裂隙发育规律，探讨了柴油在粉质黏土干裂隙形成发展过程中的作用。邓林飞等[5]通过三轴试验研究了聚丙烯纤维掺量对水泥粉质黏土的影响，研究结果表明聚丙烯纤维掺量对水泥粉质黏土的内摩擦角影响不大。李敏等[6]通过三轴试验和扫描电镜对不同油污染土材料的掺量多少和作用机制进行了探讨。郑天元等[7]通过研究不同程度柴油污染土的干密度、无侧限抗压强度得到了柴油污染对土的工程性质的影响，对工程建设与保护环境有重要意义。王念秦等[8]配置了酸性溶液对黄土进行污染，得出其应力-应变曲线由应变硬化型向应变软化型转变。周杏等[9]通过对上海地区粉质黏土受柴油污染的影响进行了试验研究。KHOSRAVI等[10-14]也对柴油污染土的机理进行了探讨，发现随着含油率的增加，黏聚力、内摩擦角与压缩系数均发生了改变。目前针对柴油污染高液限红黏土力学性能的研究较少，而红黏土广泛分布在湖南、江西等省份，常为公路、铁路路堤填料。本文依托江西省某高速公路道路工程，以高填方高液限红黏土路堤在碾压过程中因为车辆漏油潜入路堤，致使路堤受到柴油大面积污染，导致高填方高液限红黏土路堤的力学性能劣化为前提，开展不同柴油掺入量高液限红黏土的抗剪强度研究。

1 高液限红黏土基本力学性能与污染土试样制备

1.1 高液限红黏土基本力学性能

试验所用红黏土土体试样均取自江西省某高速公路隧道出口路堑挖方段，如图1所示。

图1 隧道出口路堑挖方段高液限红黏土全貌Fig.1 High liquid limit red clay in cut section of tunnel exit

对现场取得红黏土土体试样经过自然风干、除杂和碾碎并对土体试样进行筛分。筛分完采用数显式土壤液塑限联合测定仪对土体试样进行液塑限测定试验。试验土样基本物理力学参数见表1和表2。

表1 试验土样颗粒级配Table 1 Particle size components of test soil

表2 试验土样的基本物理力学参数Table 2 Basic physical indexes of test soil samples

依据《土工试验方法标准》(GB/50123—2019)规定，高液限土定义为小于0.075 mm 的颗粒含量大于50%，液限大于50%，塑性指数大于26 的土，对照表2的数据可知，本次在高速公路隧道出口采取的是高液限红黏土。

江西省某高速高填方路堤在施工过程中，因压路机油缸破损，出现柴油泄漏，造成路堤土受到污染，为了了解该路堤受柴油污染强度劣化程度，开展受柴油污染的高液限红黏土抗剪强度研究。该试验的柴油取自湖南省湘潭市某加油站的0号柴油，其物理化学性质见表3。

表3 试验柴油物理化学性质Table 3 Physical and chemical properties of diesel oil

1.2 污染土试样制备

考虑柴油黏度较小、流动性较好的特点，将土体试样风干后人工直接将土体试样与柴油混合制作污染土样。为了研究不同柴油掺入量对高液限红黏土污染的影响程度，设计不同含油率的污染土样，即分别制作含油率(含油率的计算按照油的质量和干土的质量之比计算)为0%，3%，6%，9%和12%的柴油污染高液限红黏土土样并装入密封袋焖料，将试样放置7 d 以上，以确保土壤样品中的孔隙流体浓度保持一致[15]，再进行三轴试验。

2 污染土三轴试验与结果分析

2.1 三轴试验设计与实施

试验采用固结排水剪切，试验主要分为固结排水试验及排水剪切试验2个阶段。试验开始前通过电脑试验软件对试验的周围压力、反压力、应变速率或者主应力差等参数进行设定，将尺寸直径为3.91 mm，高为8.0 mm 的土体试样，按照实验仪器操作装于SDSWCC-H 型应力应变控制式三轴剪切试验仪中进行三轴试验，试验中剪切速率设定为0.008 mm/min。其围压的设定分别为50，100和150 kPa 3种不同的围压来对试样进行剪切破坏，当试样中主应力差和应变曲线图中的应变达到15%左右或者出现明显的剪切峰值的时候剪切结束。

2.2 三轴试验柴油污染土力学参数

以高液限红黏土为研究对象，土体的抗剪强度主要由土体颗粒与颗粒之间的内摩擦角以及胶结物质之间的黏聚力相互共同决定，而本文的研究对象为黏性土，其黏聚力是决定抗剪强度的主要因素。根据莫尔-库伦计算公式可以得出在不同柴油掺入量的高液限红黏土重塑试样的破坏强度参数c和φ值，如表4所示。

表4 柴油污染高液限红黏土强度参数Table 4 Strength parameters of diesel oil contaminated high liquid limit red clay

为了更加方便观察土样在不同柴油掺入量条件下的黏聚力和内摩擦角的变化规律情况，将柴油污染高液限红黏土的破坏强度参数绘制成不同柴油掺入量的柴油污染高液限土强度参数曲线，如图3所示。

图2 SDSWCC-H型应力应变控制式三轴剪切试验仪Fig.2 SDSWCC-H stress strain controlled triaxial shear tester

图3 柴油污染高液限红黏土参数曲线Fig.3 Parameter curve of high liquid limit red clay polluted by diesel oil

本文研究结果与之前的研究者部分研究成果类似，颗粒接触时的润滑是由孔隙流体的黏性引起的，孔隙流体黏度的增加改变了矿物与孔隙流体接触的性质，从而显示出应力应变行为的软化[16]。李晓磊等[17]对不同固化重金属铅污染土进行反复冻融后，通过直剪试验测得了各土样的抗剪指标，试验结果表明，随着冻融次数的增加，黏聚力为主要影响因素，而内摩擦角变化不大。朱春鹏等[18]对酸碱污染土进行了直剪试验与三轴试验，研究发现，污染土的黏聚力与酸碱度呈正相关，内摩擦角变化不大。与其不同的是，本文研究的是柴油污染的高液限红黏土。级配红黏土的抗剪强度由摩擦力和黏聚力2部分组成，而柴油污染高液限红黏土的黏聚力变化较大，内摩擦角随柴油污染程度增加变化相关性不完全，因此柴油污染高液限红黏土的抗剪强度也是由摩擦力和黏聚力2部分共同作用影响的。

由图3 可知，对不同柴油掺入量(掺入量分别为0%，3%，6%，9%和12%)的试验土样进行剪切试验，其试验结果表明，土样的黏聚力c值在柴油掺入量从0% 到3% 的时候从52.63 kPa 增加到54.60 kPa，但随着柴油掺入量进一步的增加，黏聚力值又从54.60 kPa 减少到24.98 kPa，出现了明显的降低。而土样的内摩擦角φ值在柴油掺入量从0%到3%的时候从20.57°降低到20.16°，但随着柴油掺入量进一步的增加，内摩擦角值又出现了增大，含油率在12%的时候又稍有降低，整体变化不大。土样在少量的柴油掺入的情况下其实是充填了土颗粒之间的孔隙，使得颗粒间黏聚更紧密，所以在柴油掺入量由0%增加到3%的时候，其黏聚力呈现增加的趋势。但由于柴油与土壤中的水并不能混溶，过量的柴油渗入使得柴油污染土颗粒松散，阻断了柴油污染土的土颗粒之间的连结。所以随着柴油的掺入量的继续增加，其黏聚力又随之减小。从而得出黏聚力是决定柴油污染土抗剪强度的主要因素，而柴油的污染对土样的内摩擦角影响不大。

2.3 柴油污染土应力应变关系

通过三轴试验对柴油污染土的力学性能的试验研究，将相关数据处理绘制柴油污染土的应力-应变曲线如图4所示。

图4 高液限红黏土应力-应变曲线Fig.4 Stress strain curves of high liquid limit red clay

由柴油污染高液限红黏土的应力-应变曲线可以看出:柴油污染高液限红黏土土样的主应力差随着轴向应变的增大而出现增大，其后期增加的速率越来越缓慢，当增大到一定值后，主应力差便慢慢趋于稳定状态，但整个过程中应力-应变曲线没有出现峰值，呈现塑性破坏特性；同时从图中可以看出，每组试样在围压为150 kPa 的时候主应力差最大，围压在100 kPa 时次之，围压在50 kPa时最小，都是随着围压的增大而主应力差增大。

3 结论

1) 高液限红黏土在受到柴油的污染后，主应力差随轴向应变的增大而增大，当达到一定值后，主应力差趋于稳定状态，且整个过程中应力-应变曲线没有出现峰值，呈现塑性破坏特性。

2) 不同程度的柴油污染对土样的黏聚力影响存在明显差异。土样的黏聚力c在柴油掺入量从0%到3%的时候出现了增加，这是因为少量的柴油加入，填充了土样中的孔隙，使得土样中颗粒与颗粒之间的排列更加紧密。但在柴油掺入量从3%到12%时，黏聚力出现明显降低，是由于柴油与土壤中的水并不能混溶，过量的柴油渗入使得柴油污染土颗粒松散，阻断了柴油污染土的土颗粒之间的连结。

3) 不同程度的柴油污染对土样的内摩擦角影响变化幅度不大。土样的内摩擦角φ在含柴油掺入量从0%到3%的时候出现了降低，但随着柴油掺入量进一步的增加，内摩擦角值出现了增加，含油率在12%的时候又稍有降低，整体变化不大。这是由于柴油有着润滑作用使得土样中土颗粒之间更加分散，而少量的柴油又能填充土样中的孔隙，二者又相互抵消，从而造成了土样的内摩擦角发生变化的幅度不大。