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1、水化学环境对土体宏观性质影响的细观结构分析水化学环境对土体宏观性质影响的细观结构分析作者摘要：摘要：水土相互作用能够通过物理化学作用使土体的化学组成、空间结构、物理力学性质发生改变，在分析水动力造成土体性质变化的时候，水化学环境从微观层面对土体性质的影响也起着重要作用。本文从土体细观结构的角度，在水化学环境中中对水土相互作用及其产生的影响进行了机理分析和综述，以及对水文地质中土体宏观性质变化的典型实例进行了原因的解释和分析，并在此基础上提出有利于工程建设适应土体性质变化的发展建议。关键词：关键词：水化学环境;土体性质;细观结构;水文地质The Influence of Hydrochemist
2、ry Environment on Soil Macro-properties Based on Micro-structure AnalysisAuthors Abstract: Chemical composition, space structure and physical-mechanical properties could be changed by soil- water interaction through physicochemical reaction. It is important to analyze the influence of hydrochemistry
3、 environment on soil property in micro-structure when changes of soil property for hydrodynamic force are discussed. In this paper, the influence of hydrochemistry environment on soil macro-properties were analyzed in action mechanism based on soil micro-structure and also reviewed. Hence the change
4、 reasons of soil macroscopic properties of hydrogeology could be explained and analyzed, and development suggestions were put forward to fit soil property changes. Key words: Hydrochemistry environment; Soil property; Micro-structure analysis; Hydrogeology1 引言引言随着地质灾害越来越频繁的发生，如滑坡、泥石 流、地面塌陷、地面沉降等等，在分
5、析其产生是自然 因素还是人为因素的时候，人们也开始思考这些地质 灾害所涉及到的水土相互作用的机理和规律，以及由 此而产生的土体性质变化的原因。除此之外，河口泥 沙沉积、土壤盐渍化、海水入侵、海水侵蚀等，土体 性质也都在水化学环境下受到不同程度的影响，从而 在宏观上表现出变形、强度的变化、体积应变变化等 规律。水体与岩土体间复杂的物理化学作用必然引起 二者物质成分、性质和状态的变化1。水土相互作用不 管是短暂迅速的还是长期缓慢的，水化学环境及其变 化对土体性质的影响是显著的2。工程建设、城市发展、 资源开采等人类活动和一些自然地质灾害，都大大影 响水土相互作用的水化学环境，使原有的土-水-电解质
6、 平衡系统不断调节达到一种新的动态化学平衡，从而 导致土体的力学平衡和物质稳定性发生变化3。 水土作用的概念是基于水岩相互作用概念基础上 提出来的4，它的研究目的最初是水土相互作用对土的 物理力学性质影响的研究5，但是所涉及到的学科很多，因素复杂，因此概念含义以及最终目的又有着相互的 差别。而在此讨论的是水化学环境下水与土之间的相 互作用，以及这种作用对土体宏观状态和性质的影响。2 2 水土相互作用研究进展水土相互作用研究进展从环境污染的角度看，在上个世纪 70 年代中后期 开始就有土-水溶液系统间污染物的转化、迁移、降解、 吸收、扩散等的研究，利用水土间的相互作用达到降 低或消除污染物浓度的
7、目的。如 Payne, K.Pickering, W.F.等6研究了高岭粘土对溶液中铜离子的吸附与浓度 的影响；Farrah, H.Pickering, W.F.等7研究了不同类型 的黏土（高岭石、伊利石、蒙脱石）对重金属 Cu，Pb，Zn，Cd 等离子的吸附；Hemans J8进行了防 止污染物质进入水体与土体的方法，以及己破坏的土 体再生利用可能性的研究；李琦9等对造纸厂废碱液污 染过的土壤进行了研究，发现其化学成分，物理力学 性质及强度均发生了变化，并归纳出污染离子在土体 中的迁移规律。 从土的工程性质角度看，研究主要涉及到水土之间的物理化学作用对土体性质的影响，以及水土反应 后所表现的
8、工程特性。如 Hawkins10研究过地下水面 升降与土颗粒间强度的问题；杨昌键等11初步研究了 水化学作用对边坡变形的影响，发现在不同水化学环 境的侵蚀下，土体抗压强度表现出不同程度的降低， 因此认为水是边坡变形的最重要因素之一；阿里 木吐尔逊12运用数值模拟的方法，研究了坝基岩体 （包括防渗帷幕）与其中地下水水溶液之间发生的化 学作用，发现发生的作用改变了地下水的化学组成特 性，同时也不断地改变坝基岩土体成分、结构和性状。而近年来，对水土相互作用的研究比较深入：吴 恒等13提出的土体细观结构以及对其进行的研究。随 后，基于细观结构的理论，易念平14等进行了水土作 用的力学机理探讨，归纳总结
9、了粒间作用力在水化学 变异环境下的宏观表现形式；代志宏等15，张信贵等16，吴恒等17分别研究了水土作用中铁、钙镁和铝的含量、存在状态对土体结构强度的影响及其机理。3 3 土体细观结构的内涵和分析土体细观结构的内涵和分析3.1 土体细观结构的内涵 土结构层次基本按宏观和微观划分为两个层次,也 有按宏观、中观和微观三层次划分14。宏观结构是可 用肉眼、放大镜或光学显微镜观察到的特征，如层理、 裂隙、孔洞、包裹体等在宏观上的不均匀性；微观结 构可用电子显微镜和 X 射线衍射观察其特征，指土的 物质组成的空间相互排列以及土粒连结等特征。土体 的细观结构是指土颗粒或颗粒聚合体之间的相对位置、 排列特征
10、、接触状态、粒间连结、胶结物及胶结状态、 粒间孔隙大小和形状。显然，从研究对象的空间尺度 看，土体的细观结构介于土体的微观结构与宏观结构 之间，可将其定义为比微观结构高一层次、比宏观结 构低一层次的中间结构18。 组成土的细观结构有颗粒、胶结物及孔隙14。大 部分胶结物在特定的水化学环境下可以被溶蚀，不可 溶相一般包括难溶矿物颗粒和难溶盐组成的胶结物。 因此，在一般水化学环境中，土结构一般并不通过颗 粒本身而破裂，而是通过颗粒之间或是集合体之间粒 间连结而破裂16，即土体的破坏在未破坏或未完全破 坏矿物的晶格时，其结构强度已耗尽，因此除矿物晶 格结构以外，颗粒间的连接结构对土体强度的贡献是 最
11、大的19。 图 1 为饱和土细观结构的三相关系示意图，并将水、可溶蚀相、不可溶蚀相按体积和质量进行划分。 基于该图，吴恒等13对因地下水环境变异引起的土体 可溶蚀相变化进行了理论公式推导，用公式定量解释 了可溶蚀相变化引起的土体孔隙变化，所得结果为：/()kjvwkjjkkjem d dm dm d式中和图中：ekjv为孔隙比，即土中孔隙体积与固 体相体积之比；m 为饱和土总质量；ms为固体相质量； mw为水的质量；mk为不可溶蚀相质量；mj为可溶蚀相 质量；V 为饱和土总体积；Vk为不可溶蚀相体积；Vj 为可溶蚀相体积；Vkjv为固体相形成的孔隙体积；Vw为 水的体积；Vkj固体相体积。 由
12、公式可知：当水化学组分变异而导致土的可溶 蚀相质量变小时，土的孔隙就会增大，从而导致土的 细观结构发生变异。图 1 假想的饱和土三相关系图13Fig.1 Imaginary three-phase relation of saturated soil3.2 水化学环境对土体宏观性质影响的机理分析 从细观结构的角度来看，水化学环境对土体颗粒 间的影响复杂多样，但可以主要归纳为大致的三个方 面：离子交换作用，土体颗粒间双电层的变化，胶结 物的溶蚀、溶解。 第一个方面，离子交换作用。 土体颗粒中因同晶置换、断键、暴露氢氧基的氢 交换等物理化学作用使得土颗粒表面具有离子交换的 能力，但其也依赖于颗粒的
13、矿物化学成分。离子交换 主要有粘土矿物，如高岭土、蒙脱土、伊利石、绿泥 石等20。高岭石具有刚性晶格，不可能进行层间离子 交换，交换反应仅沿颗粒顶端部分进行，蒙脱石中晶 格具有可动性，离子交换可沿层间内的基础表面进行， 而同样有刚性晶格的伊利石的离子交换则在层外基础 平面上发生21。 离子交换反应可分为两个过程：正向反应过程表 示将恶化土体性质的离子交换反应过程，如含 H+溶液渗透，扩散置换了土中的 Al3+，使铝粘土变为氢粘土， 粘土的颗粒排列将发生变化，由原来的稳定状态变为 不稳定状态；逆向反应过程表示将有利于土体性质的 离子交换反应过程，如富含 Ca2+、Mg2+的地下淡水流 经富含 N
14、a+土体时，使得地下水中的 Ca2+、Mg2+置换 了土体的 Na+，一方面由水中 Na+的富集使天然地下水 软化，另一方面新形成的黏土富含 Ca2+、Mg2+，增加 了孔隙度及渗透性能。对富含 Na+的分散性土体来说， 可增加土体的稳定性20。 第二个方面，双电层的变化。 在自然界中，土体粘粒一般带负电荷，因此周围 存在着因静电吸引产生的电场。在静电引力与布朗运 动（热运动）作用下，紧邻土体颗粒表面处静电引力 最强，水化离子和极性分子牢牢地被吸附在颗粒表面 附近形成固定层。由固定层向外，静电引力逐渐减小， 水化离子和极性分子的活动性逐渐增大，形成扩散层。 固定层和扩散层中的阳离子（反离子层）
15、与土粒表面 负电荷共同构成双电层22，如图 2 所示。根据 DLVO 理论，对于两个带电胶团之间由于双电层的作用既有 斥力势能也有引力势能，当斥力势能大于引力势能时， 由于存在布朗运动，就会形成分散结构；当引力势能 大于斥力势能时，胶体颗粒之间就会相互靠拢，形成 颗粒角、边与面或边与边搭接的凝聚结构。一般情况 下，当孔隙比相同时，凝聚结构因其引力较大，颗粒 不易移动，所以较分散结构具有更高的强度、较低的 压缩性和较大的渗透性23。图 2 土体颗粒周围离子分布示意图22Fig.2 Schematic distribution of irons nearby soil particles在水化学环
16、境下，体系中增加了新的化学组分或 是改变了原先的化学组分，都会通过与双电层异号离 子发生反应，压缩或增加双电层厚度，最终影响胶体 颗粒的膨胀力度。而在宏观上所体现出来的就是水土 相互作用影响的土体性质，如粒间应力、土体积变化、膨胀和收缩等14。如何伟等24基于双电层的理论研究 了双电层对非饱和粘土渗透率的影响，用钠高岭土进 行了实验，发现考虑电效应影响的水相渗透率随着渗 透液浓度的增大而减小，并得出如下结论：土中双电 层对水的渗透起阻滞作用，在饱和土中，电效应的影 响很小，可以不予考虑。在非饱和土中，当溶液浓度 很小，饱和度也较低时，应考虑双电层对渗透率的影 响。 第三个方面，胶结物溶蚀和溶解。 胶结物成分变化和胶结作用的强弱直接影响到土 体结构强度和变异特性。一般土中的胶结物质主要由 盐类、氢氧化物、二氧化硅、倍伴氧化物、有机质及 无机化合物等组成。颗粒间胶结作用如图 3 所示，A 截面为胶结物可能产生的破坏面，B 截面为土颗粒可 能产
