污染土的工程性质研究进展_朱春鹏

第28卷第3期 岩 土 力 学 V ol.28 No.3 2007年3月 Rock and Soil Mechanics Mar. 2007

文章编号：1000－7598－(2007) 03－0625－06

污染土的工程性质研究进展

朱春鹏，刘汉龙

（河海大学 岩土工程研究所，南京 210098）

摘 要：随着我国经济的持续发展，环境污染不断加剧，城市土地被污染亦屡见不鲜。因此，研究污染土的污染机制、勘察评价和处理措施，对保护环境有重要意义。对污染土的物理力学性质、污染机制、试验测试技术、风险评价的研究现状进行了总结，并提出今后的研究方向。

关 键 词：污染土；腐蚀机制；试验测试；风险评价 中图分类号：TU 441 文献标识码：A

Study on engineering properties of polluted soil

ZHU Chun-peng, LIU Han-long

(Research Institute of Geotechnical Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China)

Abstract: With the sustainable development of economy in China, environmental pollution and some soils in city are polluted severely. Hence, protecting environment is of great significance for researching the polluted soil’s pollution mechanism, survey evaluation and treatment. The current situations of physico-mechanical character, pollution mechanism, testing techniques and risk assessments for polluted soil are summarized. Furthermore, research content and orientation are also pointed out. Key words: polluted soil; eroded mechanism; test technique; risk evaluation

1 引 言

随着我国国民经济飞速发展，制造业的规模在不断扩大，环境污染不断加剧。与此同时，我国城市化水平在不断提高，使得以前在城市中建设的一些对环境有污染的企业重新搬迁，部分搬迁企业的地基土已被污染。例如，某化工厂硫酸库主体工程为6个贮酸罐，建成使用后因贮酸罐地基长期受酸性物质的侵蚀，地基基础发生变形，并不断加剧，造成输酸管道漏酸，并影响到正常生产。在这期间，对汇水槽地基进行了换土工程处理，但未从根本上解决贮酸罐地基的变形问题。因此，探讨污染土的污染机制和勘察评价，因地制宜地采取整治措施，对稳定建设工程质量，保护环境具有重要意义。

污染土的研究涉及到岩土工程、环境工程、土壤科学、化学与化工工程、生态学、卫生与防护以及测试技术等多学科领域，是介于这些学科边缘的交叉学科[1]。1985年11月，在荷兰Utrecht 召开的第一届国际污染土会议对污染土作了第一次世界性的

学术交流。在国外，如美国的Loveland ，Lehigh 大学，英国的Thamesmead Arsenal，德国的Georgswerder ，荷兰的Lekkerkerk 等地都有许多研究、治理污染土的经验[2

－5]

。在国内，20世纪60～70年代，针对一

些老企业厂房进行改造过程中，发现地基土被废液污染，导致建筑物破坏的事故，研究人员开展了一些污染土的勘察和研究工作。20世纪80年代同济大学学者在国家自然科学基金的资助下开展了污染物离子在土层迁移规律的研究。但我国对污染土的研究工作相对滞后，缺乏系统、全面的研究。

2 污染土的来源和外观特征

所谓污染土是指由于外来致污物质侵入土体改变了原生性状的土[6]。通常是由于地基土受到生产及生活过程中产生的三废污染物(废气、废液、废渣) 侵蚀，使土性发生化学变化。从污染源看，工业上主要是生产过程的原料泄露和在生产中产生的附带废弃物，如制造酸碱的工厂、造纸厂、冶炼厂等等；农业上主要是化肥和农药；生活中主要是垃圾和废

收稿日期：2005-04-18 修改稿收到日期：2005-06-24

作者简介：朱春鹏，男，1979年生，博士研究生，主要从事环境岩土工程方面的研究。E-mail:[email protected]

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弃物。从污染成分上看，主要分为有机物和无机物，有机物包括落地原油、农药、垃圾淋滤液和河流疏浚污泥；无机物包括放射性物质、金属离子和酸、碱、盐等。

污染源是通过渗透作用侵入土中，引起土中不同矿物被污染腐蚀，导致土体结构发生改变，使土至出现局部空穴。土体状态会变软，由硬塑或可塑变为软塑，甚至流塑。土的颜色也与污染前不同，有的呈黑色、灰色、棕色或杏红色等等。建筑物本身也因为不均匀沉降而发生开裂。地下水多呈黑色或其他不正常的颜色，并有特殊气味。

[7]

较明显，地基土污染腐蚀后压缩系数都有较大增长，地基土承载力降低。除此之外，西安有色勘察院曾进行过野外酸液浸泡的试验。

变成具有蜂窝状的结构，颗粒分散、表面粗糙，甚

3 污染土力学性质和腐蚀机制的研究

3.1 污染土力学性质的研究

目前，国内发表的关于污染土的研究成果也大多数是有关环境保护工程和土壤学方面的，而纯岩土工程意义上的成果却很少，而且多以工程实例报道为主[8]。因此，污染土的力学性质研究都是针对具体的工程，以岩土工程勘察评价为目的，对已污染的土做基本的力学性质的测试，如压缩、直剪试验等，通常都是取原状样，也有少数与未被污染的土进行了对比试验。

（1）污染土的抗剪性和压缩性

污染土的抗剪性和压缩性是其工程性质最基本，也是最重要的组成部分，但其测试通常都是以室内压缩和直剪试验为主。如傅世法等[9]对同一地区已被污染和未被污染的原状土样进行了压缩和直剪试验，结果表明，土被污染后压缩性增加、凝聚力增加、摩擦角减小，而对于污染的机制未进行详细说明。李琦等[10]对造纸厂废碱液污染土进行了室内试验，研究表明，经腐蚀后的土样孔隙比增加，液、塑增大，试样强度下降，压缩性增加。黏土试样被腐蚀后压缩和强度变化幅度最高，其次是粉质黏土，粉土最小。李相然等[11]对济南典型地区地基土污染腐蚀性质进行了研究，将原状黏土与在盐酸中浸泡7 d后的腐蚀土的压缩曲线相比较（见图1），发现两条压缩曲线呈现不同的斜率，原状土压缩曲线要比受盐酸浸泡后的压缩曲线平缓，压缩系数增大。文中从室内模拟试验和场地原样试验得到了场地地基土在实际遭受污染腐蚀后，其物理力学性质均发生变化，其中粉土、粉质黏土物理力学性质的变化规律性不强，除液塑限、压缩系数和压缩模量变化规律性强外，其他的指标变化不很显著，而黏土及淤泥质土污染腐蚀前后土的物理力学性质变化

图1 原状土与污染土孔隙比变化分析

Fig.1 Void ratio change analysis of undisturbed

soil and polluted soil

在国外，美国Pennsylvania 州的Lehigh 大学已经研究出一种用于危险和有毒物质渗透试验的三轴仪，用以研究污染物在土中的渗透性，并测定土的抗剪强度以及测定不同温度的影响。

（2）污染土的膨胀性

污染土在干燥的条件下结晶膨胀，导致建筑物损坏，因此，对于干旱地区污染土的膨胀性研究也是必不可少的。如范青娟等[12]对地基土浸碱膨胀做了膨胀率和膨胀力的室内和现场试验，现场测试得到的最大膨胀力为480 kPa，采用平衡法测得的最大膨胀力为522 kPa。室内试验在有限条件下，浸碱3个月后，测得的最大膨胀力为500 kPa，说明室内试验与现场试验是比较接近的。

关于有机污染物对土性质的影响，主要是对腐植质进行了一些土壤化学的研究，力学研究未见报道。国外为了研究孔隙内流体黏土压缩性的影响，曾用四氯化碳进行试验，得到土的压缩性要比水充满时小些[13]。对于落地原油污染的土也未见有力学研究的报道。到目前为止，还没有人对污染土进行回弹试验、蠕变试验及动力特性方面的试验。 3.2 污染土腐蚀机制的研究

由于污染物、污染环境、地基土特性等变异性大，使得在对污染土的腐蚀机制及处理方法等的研究上，并没有取得很大的突破。污染土的腐蚀作用机制主要有以下4个方面[8]：

（1）当土被污染后，首先是土粒之间的胶体被溶蚀，胶结强度被破坏，溶解的胶体在水作用下流失，使土的工程性质发生明显的变化，孔隙比和压缩性增大，抗剪强度降低，承载力明显下降。

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（2）土颗粒本身腐蚀后形成的新物质，在土的孔隙中产生相变结晶而膨胀，并逐渐溶蚀或分裂碎化成小颗粒，新生成含结晶水的盐类。在干燥条件下，体积增大而膨胀，浸水收缩，经反复交替作用，土层受到破坏。

（3）地基土遇酸碱等腐蚀性物质与土中的盐类形成离子交换，从而改变土的性质。

（4）地基土的腐蚀，有结晶类腐蚀、分解类腐蚀、结晶分解复合类腐蚀3种。地基土的污染，可能是由其中的一种或一种以上的腐蚀造成的。

地基土总的污染过程可以表示为：污染物侵入→土中矿物腐蚀溶解→溶解的矿物质迁移→矿物重结晶→土体积发生膨胀。

现阶段对污染土的腐蚀机制的研究主要是针对个别具体工程的解释，没有形成系统的理论。如徐永利等[14]对某场地污染土的分析评价中认为，氯化物盐类具有明显的吸湿性，且吸湿水分蒸发缓慢，使得易溶盐被溶解后进入土体，通过离子交换和扩散作用使其附近的土体受到污染。路世豹等[15]对硫酸库地基土污染土机制的探讨一文中指出，地基土受污染后工程地质特性和化学性能变化较大，地基土污染后产生的新生矿物主要为石膏、明矾石和褐铁矿，其中石膏形成过程中体积膨胀是变形的主要原因。但文中未给出化学反应对土具体工程性质的影响，如对强度和变形的影响，也未给出对土中矿物和结构的影响。

又如李琦等[10]对废碱液污染土的机制解释为废水中大量的NaOH 、Na 2S 、Na 2SO 4、Na 2SiO 3等碱性物质，会与黏土中的主要矿物成分的SiO 2、Fe 2O 3、Al 2O 3等发生化学反应，生成软塑的Na 2SiO 3、NaAlO 2、2NaFeO 2和Fe 2S 3。此文中所给废碱对土中矿物的腐蚀做了宏观上的机制解释，但土中矿物如游离氧化物在土中的存在是很复杂的，如Al 2O 3矿物在土中可形成三水铝石(gibbsite)、拜三水铝石(bayerite)、诺三水铝石(nordstrandite)、一水软铝水石(boehmite)、一水硬铝水石(diaspore)和假软铝水石(pseudoboehmite)等[16

－18]

了在不同酸碱条件下的土细观结构变异的试验研究，发现在酸性环境下新增的与溶蚀掉的矿物种类比在碱性环境下种类多。随酸度增高、碱度增大，矿物变异的种类、数量也逐渐增多，矿物有伊利石化与蛭石化趋势。其研究结果表明，不同环境下的水土作用引起的结构变异是存在的，但变异的程度涉及两个结构层次：高一层次的微观结构——通过改变或破坏矿物晶格结构状态、形成新的成分；低一层次的细观结构——通过改变土颗粒间连接状态。pH 值的变化对矿物晶格结构的变异存在突变点，pH 值在4～10范围内矿物晶格结构的变异对土性质变化的贡献率不大，尤其是在极限环境——强酸碱环境下结构变异比较剧烈，强酸碱环境中矿物的变异对土性质的影响至关重要。文中未给出土细观结构发生变化的化学反应机制解释。蒋引珊[21]等做了黏土矿物酸溶解反应试验，其结果说明，H +被矿物表面吸附，降低了表面能。被吸附的H +与矿物内、外表面及结构中的离子发生交换反应，被交换的离子发生解析，离开矿物表面或结构进入溶液，实现了矿物在酸性水溶液中的溶解。

综上所述，目前对污染土力学性质和腐蚀机制的研究主要是针对个别土样进行的，且力学性质的研究和腐蚀机制的研究两者并没有有机地结合起来，使得对污染土力学性质影响因数的定量化研究没有很大的突破，尤其是土腐蚀的微观机制的研究如土中胶体和黏土矿物腐蚀的化学机制及腐蚀过程仍很模糊。因此，需要加强土中胶体和黏土矿物的化学腐蚀机制研究，通过微观的机制研究找出影响土力学性质的主要因素，为污染土力学性质的研究提供途径。同时，在温度变化较大的地区应考虑研究土与污染物作用的温度效应。

4 污染土的试验测试技术

目前，国内有关污染土的性质研究都是针对于具体的工程实例，都是应用岩土工程勘察的常规方法，如钻探、物探、各种原位测试、室内土工试验等，还没有研制出专用于污染土的试验仪器和勘察设备。 4.1 室内试验

（1）室内测试试验

室内常规土工试验得出的一般指标，用来比较污染前后以及不同污染程度下的物理力学性能。除一般指标外，还应根据实际情况做室内的膨胀试验、湿化试验、湿陷性试验等。为了研究土-污染物相互作用必须进行化学分析，包括土的全量分析、矿物

形态。同时，应注意到土

中游离的Al 2O 3很少，大部分的铝可能都与F -、SO 42-等无机离子形成配合物或与腐植质物质、有机酸等有机物形成络合物[19]。因此，其发生的化学反应并不是如上面写得那么简单，废碱对土结构尤其是对土中胶体的腐蚀不是几个方程式所能解释清楚的。

污染土微观结构的改变是其工程性质发生变化的根本原因之一。因此，对污染土微观结构的研究是污染土腐蚀机制研究的重要内容。张信贵[20]等做

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矿相分析、某元素(或某化合物) 的定量分析、易溶盐含量、有机质含量、pH 值、水中污染物含量、水对金属和混凝土的侵蚀性等项目。还有些特殊的试验项目，如：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) 的成分及含量的测定。土的显微结构测定包括SEM （扫描电子显微镜）、差热分析、红外分析和X 射线衍射等。近来国内也出现了一些特殊的测试技术，如有色长沙勘察院傅世法等做了煮沸酸液试验[22]、广西大学吴恒等采用CT （计算机断层X 射线技术）[23]和STM （扫描隧道显微镜）测试技术[20]。在国外，如荷兰也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) [5, 24, 25]。

（2）室内模拟试验 ①浸泡试验：赵以忠

[26]

5 污染土处理的技术

5.1 无机污染土的处理技术

换土措施[9]，即把已污染的土清除，换填正常土，或采用耐酸碱的砂、砾作回填材料。特别注意对已挖出的污染土要及时处理，或专门储存，以免造成新的污染。桩基或水泥搅拌加固[12]，穿透污染土层，但应对混凝土桩身采取相应的防腐措施，如使用矿渣水泥、抗硫酸盐水泥、在混凝土表面涂沥青或高分子树脂膜等。在进行化学处理时，要注意杜绝二次污染的发生。 5.2 有机污染土的处理技术

有机污染土除传统的开挖处理技术外，目前国际上发展的就地处置技术主要有冲洗法(Flushing)、土壤气抽出法(Soil Vapor Extraction，SVE) 和地下水曝气法(Air Sparging)3种[32]。被原油污染的土的处理，国外多采用蒸汽抽提高速离心分离的工艺方法。对油含量较低的含油土壤（如含油量

、邓承宗

[27]

、范青娟

[12]

和李琦等[10]分别用脱离子水、污染废液以及不同浓度的酸液和碱液对一般黏土、黄土、红黏土等扰动土样进行了不同时间的浸泡，分别测定了土颗粒和浸泡液在浸泡前后的矿物成分、化学成分以及有机质等的变化，用来分析评价土遭受污染的程度和过程。

顾季威[28]、李相然等[11]采用标准环刀将黏土和粉质黏土的土样切好，上下用两块透水石覆盖浸入废碱液中进行模拟试验，测试土样浸泡前后的物理、力学性质的变化。

②淋滤试验：高洪阁[29]等对已经受铬污染、未受铬污染以及受造纸厂废水污染的不同岩土样，分别用蒸馏水和铬污染水作为淋液进行淋滤试验。侯玉等[30]在深圳河疏浚污染土弃置研究中，进行了污染土淋溶水的模拟试验，对污染土中污染物质淋溶及其对环境的影响进行了研究，但未对污染土自身的矿物成分、化学成分以及物理力学性质的变化进行研究。因淋滤试验在淋滤过程中难以使土颗粒与溶液充分接触，故难以取得预期的结果。 4.2 现场试验

边际等[31]为了评价碱厂废液排放池内的CaCl 2溶液对相距1 km的盐湖是否会受到污染，在现场进行了废液入渗和在土中运移的模拟试验，并从不同的角度进行了报道。范青娟等[12]对地基土浸碱膨胀做了浸碱膨胀率和膨胀力现场试验，得出浸碱膨胀变形对地基土的影响不仅与浸碱量的多少有关，而且与地基所承受的基础应力的大小及环境温度有直接关系。总体来说，现场试验的研究成果还很少。

6 污染土的风险评价

污染土的危害性评价包括健康风险和生态风险评价。根据其对环境和人体危害的轻重缓急程度，对污染土采用不同的方法与手段进行修复与治理，对污染土壤实施科学管理，防止污染导致的各种健康影响与不良生态效应的产生和扩散[35]。

对于岩土工程中污染土的风险评价应主要着重于人体健康评价，而生态评价可以省略。建立适合于工程污染土的风险评价应以人体健康评价为主，可辅助加以植物危害影响的风险评价或有益微生物危害的风险评价。

现以金属离子污染为例[35价的程序有如下4个方面：

（1）土壤污染源强度的计算。

（2）重金属在土壤剖面及大气、地下水中的浓度分布。

（3）对人体健康危害的风险度计算，包括致癌性风险度和非致癌性风险度计算。

（4）总年危险计算：从危害管理的角度出发，

－37]

（其他如酸、碱、

盐和石油污染类似），说明其污染对人体健康风险评

第3期 朱春鹏等：污染土的工程性质研究进展 629

将致癌性风险度和非致癌性风险度这两种健康危害都看作与癌症死亡一样严重，使二者具有可加性，计算个人总年危害。

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7 污染土的研究热点与展望

通过以上的归纳和综述可见，污染土研究还处在初期的探索阶段，没有成熟的理论方法，没有专门的试验仪器，也没有有效的本构模型和污染预测的方法。笔者认为今后的研究热点有：

（1）污染土的工程性质研究，包括现场和室内试验，建立污染土等级划分标准。通过大量的室内试验和现场试验，从工程实际出发，建立合适的污染土等级划分标准，为污染土进行合理治理提供依据。

（2）污染土力学性质及承载力的分析、测试和确定方法的研究。通过对污染土力学性质的研究，确定影响污染土承载力的主要因素。污染土承载力应以这些主要因素为基础，结合大量的工程实践进行分析，确定其半经验公式。

（3）污染物腐蚀土颗粒及其胶体的机制研究和试验研究，建立污染土物理力学特性变化的定量模型。也就是对污染土化学反应和微观结构的研究，找出影响污染土力学性质的主要因素，根据这些因素建立其力学性质变化的定量模型。

（4）将土体工程特性、土体微观结构和污染物腐蚀过程综合起来研究，建立土-水-化学反应耦合的污染土本构模型。

（5）污染土的毒理学和环境岩土工程风险评价研究，建立污染土防范系统。

（6）污染土或污染物处理的环境岩土工程技术研究，包括污染填埋技术、隔离技术、污染环境净化技术、污染废液滤出控制系统等研究究。

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。

（7）污染土现场探测技术和原地修复技术的研

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