污染土的研究现状：岩土工程本来就很复杂

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：在工程中，污染土可以引起地基强度降低，导致建筑物失稳或破坏，引发一系列工程质量事故，因此研究污染土的污染机理、性状和因地制宜采取整治措施对稳定建设工程质量，保护环境具有重要意义。查明污染土的空间分布，按不同污染程度划分污染区。确定污染土的承载力及其他强度指标。判定污染土对金属和混凝土的侵蚀性。目前，国内对污染土的腐蚀性评价是沿用盐渍土的评价方法和标准来进行的。

岩土工程本来就很复杂，随着人口增长、生活水平的提高和工业化进展，将变得更加复杂。大量以前认为不适合居住和其他工程应用的土地也被利用，而使空气、水和土地受到污染。在各种环境条件下，目前用于分析土性的土力学原理和方法已受到挑战。因此，环境岩土工程发展迅速，它是一门交叉科学，覆盖了大气圈、生命圈、地水圈、岩石圈及地质微生物圈等各种环境下土和岩石及其相互作用问题。地质微生物层是指树根特性和细菌活动及其对水土体系工程性质有影响的土层。

自从第一届环境岩土工程国际学术讨论会于1986年召开以来，环境岩土工程得到迅速发展，不仅覆盖了传统岩土工程问题，而且延伸到：①有害有毒废料控制；②湿地、海岸边、疏浚和海相沉积物；③干旱和沙漠地区；④敏感性生态地质环境及考古技术。在环境岩土工程领域，现在主要有两个分支：地质环境工程和生态环境工程。地质环境工程主要强调有害有毒废料控制系统的管理和修正、填料场的选择、填料的稳定分析和土清污技术。生态岩土工程主要研究环境岩土工程的敏感性生态和地质方面的问题。

近几年随着城市化、工业化进程加快，城市工程建设迅猛发展，引起或诱发的环境岩土工程问题越来越严重，其中工业企业对地基土污染问题就是较为严重的环境岩土工程问题。污染土主要是指普通地基土受到工业生产过程中产生的三废（废气、废液、废渣）侵蚀，而使土质发生化学变化，改变了土的原有性状的一类土。在工程中，污染土可以引起地基强度降低，导致建筑物失稳或破坏，引发一系列工程质量事故，因此研究污染土的污染机理、性状和因地制宜采取整治措施对稳定建设工程质量，保护环境具有重要意义。国外对于污染土的研究始于20世纪70年代，欧美等国家对污染土进行了较为系统的研究，积累了许多污染土的研究和治理经验。

污染土的主要研究内容可以归纳为以下几点：

（1）对比土污染前后以及不同污染地段的物理力学性能指标，除常规指标外，还应特别注意膨胀试验、湿化试验、湿陷性试验等测定值。

（2）调查污染物的来源、污染途径、污染历史等，测定污染土的化学成分，包括全量分析参数、易溶盐含量、p H值、有机物含量、矿物矿相分析成果等。

（3）研究土—污染物相互作用的方式、反应结果、时间和温度效应、生成物的性质及其影响。

（4）鉴定土的微观结构，通过原子力显微镜（AFM）和扫描电子显微镜（SEM）等手段从污染土污染前后的微观结构变化分析污染土的成分与结构。

（5）调查地下水的分布及其与污染物作用的关系。

（6）水质分析，其中包括水中污染物含量、水对金属和混凝土的侵蚀性等。

（7）测定土胶粒表面吸附阳离子交换量及成分、离子发生基（如易溶硫酸盐）的成分及含量。

（8）查明污染土的空间分布，按不同污染程度划分污染区。

（9）对污染土作出岩土工程评价。

（10）模拟试验，为预测地基土可能受某溶液污染的后果，可事先取样进行试验，如将土试样夹在两块透水石之间，再浸入废酸、碱液中，经不同时间后取出观察变化；还可进行压缩试验，判定其强度、变形，并与正常土进行比较预测发生的变化；进行抗剪强度对比试验等。这样就可得到废液侵蚀对地基土的影响，从而提出采取预防措施的建议，提出治理污染土的措施和方法。

对污染土及污染土地基或场地的分析与评价，除了常规的岩土工程评价内容外，还包括以下几个方面的内容：

（1）评价污染程度按污染等级分区。严重污染土是指物理力学指标有较大幅度变化，地基土的性质变化较大的土；中等污染土则是有明显变化，地基土的性质也发生了一定变化的土；轻微污染土则是从土化学分析中检测出含有污染物，而其物理力学性质无变化或变化不明显的土。目前污染等级的划分是选用某一（或某些）标志参数作定量或半定量标准。如化工部南京勘察公司采用的标志参数是易溶盐含量，并参考了盐渍土等级划分标准。美国Lehigh大学按p H 值在室内试验中区分土的不同污染程度。

（2）确定污染土的承载力及其他强度指标。可以通过原位剪切试验或室内试验获得土的强度值。从现场载荷试验获得土的承载力。但土体受污染后强度都有不同程度的降低，原来用以确定承载力的方法和一些物理力学强度值不一定能正常反映污染土的性状。因此，考虑到污染土的特殊性，现有的承载力表和经验公式不一定适用于污染土的评价。在这方面还要加强经验总结和理论研究。

（3）判定污染土对金属和混凝土的侵蚀性。由于污染土中含有大量的腐蚀性的酸、碱废液和盐类，对金属和混凝土都具有腐蚀性。侵蚀性也要按污染等级分区分别判定。目前，国内对污染土的腐蚀性评价是沿用盐渍土的评价方法和标准来进行的。但由于盐渍土的特殊形成条件，使得盐渍土的成分相对简单，而污染土是土体的二次作用结果，原土和污染源的物质成分具有多样性，其化学作用过程复杂以及容易受环境条件（如透水性、温度等）的制约和影响。因此，对金属和混凝土的腐蚀成分和强度的评价与盐渍土是有一定区别的。

（4）根据污染等级分阶段提出相应的处理措施。对于严重污染土和中等污染土地段要采取合适的处理方法，来改善污染土的工程特性提高其地基强度；对于轻微污染土地段一般可以不治理，如有侵蚀性，则要在工程施工时采取防护措施。

（5）预测污染的发展趋势。对可能出现污染的场地，或虽经治理，但污染源有可能没有根除，污染途径可能没有杜绝，土的污染还可能继续发展时，需对其可能产生的后果作出预测，同时还应对污染的发展提出检测意见。预测内容应包括：污染物与土颗粒可能发生何种化学作用；由于时间效应和环境效应，土体物理力学性质会怎样变化。所以应预测时间和空间这两个方面。

由于化工原料的渗漏、酸雨的降落及海水的渗入直接导致地下水中含有大量的硫酸盐；我国约85%的造纸企业为年产量3000t以下的中、小造纸厂，这些以稻草、麦秸为主要原料的碱法造纸厂，年产1万t纸板就要排放废水300万t左右，而且大多数造纸厂因资金、技术、工艺等原因，废水（主要是废碱液）未经处理就直接排放，以及车间废碱液渗透到地基中；由于城市的快速发展，许多废弃的化工厂房、车间土地被开发，已经遭受污染的土体被重新利用；这些现象均导致严重的环境污染，影响地基强度和耐久性，进一步引起建筑物的失稳或破坏。

纵观污染土的国外研究现状可看出，针对污染土的研究，试用了一些新的仪器设备，如美国Lehigh大学研究的一种用于危险和有毒物质渗透试验的三轴仪，用试验模拟已经发生或将有可能发生的污染情况，研究土—污染物相互作用中温度效应和时间效应，以及污染土的污染机理、污染土污染等级的划分、污染土的治理方法等，如荷兰发展了几种野外快速试验方法（石油探测盘、螺纹钻等）和一些快速提取土中污染物质的方法（高热分解气体色谱法、固体光谱法等）。国外近年来关于污染土研究的一些新的进展有：美国人C.Vipulanandan （1995）试验研究了受苯酚污染的水泥固化土的固结和稳定性状，并得出了随着受石炭含量增加，水泥固化土强度降低的结论；Q.Y.Ma和W.L.Lindsay（1995）利用化学作用来评价和预测污染土中镉和镍的含量；美国人Ramesh Krishnan、Harry W.Parker和Richard W.Tock （1996）研究了通过洗土插入电极的方法来处理油、氯化烃类和重金属污染的粉土和黏土，效果较好。

国内对污染土的研究工作，近几年在岩土工程方面有了明显的进展，而以前大多数是有关环境保护和土壤学方面的。国内的李相然、姚志祥、曹振斌以济南市典型地区的地基土为研究对象，在室内开展了水—土化学作用的物理力学效应实验，在现场对已经污染腐蚀的地基原状土样进行了物理力学性质实验。结果表明，地基土腐蚀后其物理力学性质有显著的变化，遭受污染腐蚀的地基土和无腐蚀的地基土相比，前者液塑限和压缩模量减小，液性指数和压缩系数增大。宁宝宽等探讨了在水、不同化学溶液、不同浓度和不同p H值条件下，一定掺量的水泥粉质黏土的力学效应，试验表明水—土化学作用对水泥土的力学性质有明显的影响。黄汉盛等结合深港西部通道软土深层搅拌桩水泥土抗腐蚀性的室内试验，得出在腐蚀地下水环境中在水泥土中增加矿渣、粉煤灰可提高水泥土的抗腐蚀性，并提出了抗腐蚀性良好的水泥土配方。白晓红、赵永强等研究得出了污染环境下化学作用对水泥土力学性质影响的一些规律。朱春鹏、刘汉龙等通过三轴固结不排水试验研究了4种浓度酸碱污染土应力、应变特性以及对孔隙水压力的影响，应力—应变关系曲线的形态随着污染物的不同而发生改变，随着酸浓度的增大，酸污染土软化特性更加显著；而随着碱浓度的增大，碱污染土的软化特性愈不明显，呈塑性破坏。

从20世纪80年代中期开始，随着环境岩土工程的发展，国际不少机构研制开发了用于CPT的新型传感器，进一步加强了CPT技术在环境岩土工程领域中的应用，促进了CPT向多功能、多领域方向的发展，而国内CPT技术受限于传感器等技术的落后，在此方面基本上处于空白状态。传统的CPT测试参数包括锥尖阻力、侧壁摩阻力及孔压，而当把额外的传感器集成在探头中后，大大提高了其反映土性或环境特性的能力，一般情况下附加的传感器直接安装在摩擦套管的后面，有时也作为一个独立的模块连接于整个探头的后面。目前，已开发出的应用于CPT环境岩土测试的传感器如表1.1所示，RCPT技术的应用越来越受到重视，其他方法如可视化CPT等在岩土工程中也逐渐得到了应用。

表1.1　环境岩土工程中使用的CPT传感器（引自曾国清，2006）

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目前国内还没有专门用于污染土的勘察设备和分析、试验仪器，只能应用岩土工程勘察中的通用手段，如钻探、井探、物探、各种原位测试、室内土工试验等，近来国内也出现了一些特殊的测试技术，如有色长沙勘察院做了煮沸酸液试验、广西大学吴恒采用CT测试技术。在室内试验中，除了常规的土工试验以及根据土的特性增加的特殊试验项目外，还必须进行化学分析，这是研究土—污染物相互作用所必不可少的。化学分析项目包括土的全量分析、矿物分析、某元素（或某化合物）的定量分析、易溶盐含量、有机质含量、p H值、对金属和混凝土的腐蚀性分析等项目。因此，寻找一种简便、快捷、无损及成本低廉的污染土检测方法成为众多学者的一致追求。

污染土的研究现状：岩土工程本来就很复杂

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