Improving washing efficiency of heavy metal-contaminated clayey soils based on repeated ice-segregation in seasonal frozen areas
-
摘要: 基于程国栋院士的“厚层地下冰的重复分凝机制”理论，提出利用重复分凝成冰作用以提高重金属污染黏性土的淋洗效率。以Cd、Pb污染黏性土为研究对象，选用EDTA、酒石酸为淋洗液，通过室内振荡淋洗试验和冻融–淋洗土柱试验，比较分析了不同工况下重金属的去除效果。结果表明，通过融化速率控制为正融土中水分迁移和重复分凝成冰提供有利条件，较单一冻结–吸水模式淋洗液的摄入量约增加20%，而且冻–融界面的反复波动，有助于淋洗液与土壤中重金属充分接触，两者的协同作用能够显著提高重金属去除率，Cd、Pb的去除率分别提高了43.95%和171.74%。该方法在实际工程应用上具有一定的现实性和普适性，对季冻区重金属污染黏性土修复提供了一个新的思路。Abstract: The scheme to improve the washing efficiency of heavy metal-contaminated clayey soil is proposed by using the repeated ice-segregation based on the theory of "repeated segregation mechanism of thick ground ice". The laboratory batch washing tests and freezing-thawing and washing tests are performed on Cd- and Pb-contaminated clayey soils with EDTA, tartaric acid as eluents. Subsequently, the removal effects of heavy metals under different working conditions are analyzed. The results show that it provides advantages for water migration in thawing soils and repeated ice-segregation by controlling the thawing rate. Compared with that of the single freezing-water intaking mode, the eluent intaking amount of the freezing-thawing and washing tests with repeated ice-segregation increases by about 20%. The repeated fluctuations of the freezing-thawing interface will promote the eluent to fully contact with the heavy metal in the soils. Their synergistic effects can effectively increase the removal effeciency of heavy metals. The removal efficiency of Cd and Pb increases by 43.95% and 171.74%, respectively. It is of certain reality and universality in practical engineering application and provides a new idea for the remediation of heavy metal-contaminated clayey soils in seasonal frozen areas.
-
0. 引言
高桩码头是中国沿海及内河航道港口中广泛应用的典型结构，通常包括有前承台和后承台结构，其中前承台用于承受船舶的侧向荷载以及竖向的门机、货物和车辆荷载等，因而桩基由承担竖向荷载的直桩和抵抗水平荷载的叉桩所构成。后承台主要承受竖向荷载，因而其桩基仅由直桩所构成。在实际中，受码头后方堆场长期或超量堆载，以及施工时地基处理存在缺陷等不利因素影响，导致码头堆场处地层出现变形并传导至岸坡，在岸坡土体内部产生附加应力。由于后承台在设计中本身并不考虑水平荷载作用，因而岸坡土体的侧向变形或运动导致桩身的变形与开裂等破坏现象在工程中时有发生[1]，威胁码头基础设施的正常使用及安全。
已有研究中针对于场地变形及其与桩基间相互作用主要从数值模拟和物理模型试验两个方面开展，廖雄华等[2]以天津港高桩码头为工程背景，建立桩基—岸坡土体有限元模型分析了堆场荷载引起的岸坡土体位移场及桩基的内力响应。刘现鹏等[3]分析了土体蠕变下软土岸坡变形特性及其与高桩码头间作用机制。徐光明等[4]基于离心模型试验复现了散货码头堆场地基在矿石堆载下发生的推移破坏。
本文以天津港地区典型高桩码头为工程背景，基于离心机试验平台建立高桩码头与土体间三维物理模型，探究堆场堆载下倾斜岸坡场地位移响应及其与高桩码头间相互作用机制，以期为高桩码头结构的工程设计及损伤评估提供参考。
1. 试验方案设计
1.1 相似关系
本次试验在交通运输部天津水运工程科学研究院（TIWTE）超重力实验室中完成，所采用的土工离心机平台为TK-C500型，如图 1中所示。离心机的有效旋转半径为5 m，设计可在载荷为20 kN时最大以250 g（g为地球重力加速度）离心加速度旋转。土工离心试验的基本原理是通过离心机平台以N倍重力加速度下旋转所形成的超重力场，补偿原型在几何缩尺N倍后的自重应力，从而达到模型与原型间的应力状态一致[5]。本次试验的离心加速度比尺N设定为80，各主要物理量的相似比尺设计见表 1。
表 1 离心试验物理量相似比尺设计Table 1. Similarity laws adopted for physical quantities of centrifugal tests物理量 相似比（模型/原型） 物理量 相似比（模型/原型） 加速度 N 质量 1/N3 长度 1/N 应力 1 面积 1/N2 应变 1 体积 1/N3 弯矩 1/N3 密度 1 抗弯刚度 1/N4 1.2 码头模型结构制备
所选取的天津港典型高桩码头桩基原型为钢筋混凝土空心方桩，截面尺寸为550 mm×550 mm，空心直径为300 mm，其抗弯刚度为242.14 MN·m2。在离心机试验中，模型桩以抗弯性能相似来进行设计。抗弯刚度的换算关系式为(EI)p=N4(EI)m，其中E为桩基材料的弹性模量；I为桩截面惯性矩，N为试验的几何缩尺比，下标p和m分别表示原型和模型。基于抗弯刚度的换算关系，选取空心方形铝管来模拟桩基础。方形铝管的截面尺寸为6 mm×6 mm，壁厚为1 mm。模型桩基的抗弯刚度为5.98 N·m2，对应原型状态下为244.94 MN·m2。由于本次试验的重点在于桩土间相互作用，因而对码头的上部纵梁、横梁和面板作一体化设计，以质量相似为设计原则，选用厚度为10 mm的铝板。图 2为高桩码头试验模型组成及尺寸设计。
![]()
图 2 高桩码头结构组成及尺寸设计Figure 2. Structural components and dimensions of pile-supported wharf1.3 模型布置与制作过程
图 3展示了试验模型在箱体内的整体布置。模型箱体内部尺寸为1.2 m×1.2 m×0.5 m。模型底部持力层为丰浦砂土层，厚度为454 mm，桩基嵌入砂土层深度为20 mm。模型上部为黏土层，堆场位置处的最大厚度为296 mm。黏土层采用高岭土制备。黏土层土体的参数由室内直剪与压缩试验获得。土体的密度为1.81 g/cm3，直剪黏聚力为48.8 kPa，内摩擦角为10.7°，压缩模量为6.7 MPa，含水率为33.8%。
试验的制备主要包括3个步骤：①地层模型的制备，即砂土和黏土地基的制作；②高桩码头模型的安装；③模型箱体在离心试验平台的布置，包括传感器以及加载装置的安装测试。在以上3个步骤中，步骤②较为复杂。高桩码头是由数量众多的直桩与叉桩交叉组合而成，若提前预埋至土体中则难以精准定位。因而在试验中，采用了新的安装技术，具体如下：首先在岸坡土体中定位后承台直桩点位，随后采用略小的先导桩在每个点位打设导向孔，将组合的后承台模型采用橡皮锤沿导向孔击入岸坡土体中。在前承台的安装中，则需要首先在承台面板参照叉桩的角度开设导向孔，定位前承台面板后将叉桩由导向孔锤击至土体中。图 4给出了试验模型的制备步骤。
1.4 传感器布置与工况设计
本次试验采用的传感器包括有激光位移传感器和应变片桥路。激光位移传感器分别用于采集码头结构和岸坡土体的位移响应，其码头前后承台各布置2个分别采集水平位移和竖向沉降。岸坡处由坡顶至坡脚布置4个（即P1到P4）用于采集岸坡的水平位移。应变片桥路共布置有47对，分别用于采集直桩的弯矩和叉桩的轴力。由于H1桩基最为接近堆场，因而应变片桥路的布设明显多于其他位置处桩基，共有11对。图 5给出了模型中传感器的布置方案。此外，在整个加载过程中，模型箱体外部安装工业相机用于从视觉上记录模型整体的变形状态。
试验中采用液压加载装置在堆场处以位移控制加载，工况共包含9组，即C1到C9，分别对应1~9 mm的堆场加载位移。由于在离心机运转提升加速度过程中地层及结构会出现一定沉降变形，因而需在模型沉降稳定后开展试验工况。
2. 模型试验结果分析
2.1 宏观现象观测
在整个试验过程中，由工业相机所记录的模型最终变形状态如图 6所示。分析图 6可知，与初始状态相比，岸坡土体在堆场加载完成后未出现明显的整体性失效，但岸坡土体和码头后承台结构发生明显的水平位移。图 7中给出了码头前后承台在堆场堆载下的位移变化。前承台与后承台在初始状态预留有5 mm间距模拟施工缝。受岸坡土体的水平位错影响，后承台与前承台间距呈明显减小趋势，由最初的5 mm减小至最终状态下的2 mm。此外，由图 7可以明显看出，在码头后承台和岸坡顶部区域下方的地层出现一定的竖向沉降，沉降量为3~5 mm。可以推测在离心加速度由0提升至80g过程中，码头结构的离心力逐步增加，进而通过桩基作用于其周围地层，增加了码头结构下方地层的竖向变形。
2.2 岸坡土体位移
图 8给出了岸坡土体水平位移随加载过程的变化曲线，其中测点P1~P4具体位置如图 5中所示。位移为正值表示测点与激光位移计之间距离减小，反之则增大。随堆场处堆载的增加，在P1和P2处土体水平位移呈单调递增趋势，而P3和P4处的土体水平位移则基本未受到岸坡堆载影响。由此可知，堆场处的堆载对后承台下方区域岸坡土体变形影响明显，但对前承台下方区域岸坡土体的影响较小。此外，当作动器卸载后，可以看出岸坡土体在P1和P2处已出现明显的水平残余变形。
2.3 码头结构位移
码头结构整体位移随加载过程变化曲线如图 9所示。后承台的水平位移要明显大于其他测点。前承台水平位移略有增加，但最终位移量小于1 mm。前承台与后承台的竖向沉降均不明显。前后承台的位移变化主要受到岸坡土体的影响。岸坡土体的运动会由嵌入其中的桩基传导至上部结构，导致码头发生整体侧移，而后承台水平位移显著大于前承台则会导致两者间施工缝间距的缩小进而增加碰撞风险，与试验中所观测到的宏观现象变化一致。
2.4 桩基内力响应
选取后承台不同桩基沿深度方向的弯矩响应分析其变化规律，如图 10中所示，弯矩为正表示桩基在面向堆场侧受拉而向海侧受压。H1桩基与H2桩基的弯矩响应沿深度方向的分布规律类似，由桩顶至桩底均呈S型变化趋势。在距桩顶100 mm左右处产生最大负弯矩，且在距桩顶超出170 mm距离时由负弯矩转变为正弯矩，并在距桩顶200~250 mm间出现明显的正弯矩峰值。此外，与H2桩基相对比，H1桩基在桩顶处产生明显的正弯矩，且峰值超出桩基底部的弯矩响应峰值，在C9工况达到1448.54 N·mm。
为进一步明晰后承台桩基内力响应机理，图 11绘制了桩土间相互作用示意图。倾斜岸坡处的土体在其后方堆场堆载影响下会发生明显向海侧水平位移，地层变形作用于嵌固其中的码头桩基进而导致桩基在其中上部区域受明显的水平推力作用，进而产生明显的负弯矩响应。此外，由于桩基在顶部与面板通过桩帽采用螺栓固接，而桩基的底部则嵌固于砂土持力层。因而桩基受到两端边界的影响，在其顶部和底部会产生明显的正弯矩响应。
![]()
图 11 岸坡土体与桩基相互作用示意Figure 11. Schematic diagram of interaction between slope soil and piles前承台Q1桩基沿深度方向的弯矩响应变化规律如图 12中所示。由图 12分析可知，桩基弯矩由桩顶处到深度为160 mm位置处呈单调递增趋势，并在出现负弯矩峰值后逐步演变为正弯矩，在桩基底部产生正弯矩峰值。可以发现，Q1桩基弯矩峰值出现在桩与岸坡土体表面的相交位置。推测是由于Q1桩基接近于坡脚，土体表面的稳定性较差导致产生一定的水平向位错，进而作用于桩身产生了弯矩响应。与后承台桩基的弯矩响应相对比，可以看出前承台Q1桩基弯矩响应的峰值要显著小于后承台。以C9工况为例，前承台Q1桩基负弯矩响应峰值分别为后承台H1和H2桩基响应峰值的28.8%和49.5%。
![]()
图 12 前承台Q1桩基弯矩分布Figure 12. Distribution of bending moment along Q1 pile in front platform3. 结论
借助离心试验平台开展堆场堆载下码头基础设施响应特性研究，揭示了岸坡土体侧向变形、码头结构整体位移特性以及桩基弯矩响应规律，分析了高桩码头与土体变形间相互作用机制，得到以下3点结论。
（1）堆场堆载会在后承台下方区域的倾斜岸坡处地层产生显著向海侧水平位移，并进一步作用于埋地桩基，导致码头结构的整体位移。后承台水平位移要显著大于前承台进而增加两者间的碰撞风险。
（2）受岸坡地层水平位移影响，后承台在靠近堆场处桩基弯矩响应由顶部至底部呈“S”型变化规律，且正弯矩和负弯矩峰值分别位于桩顶以下230，100 mm附近。受桩顶与面板固结约束的影响，后承台在靠近堆场的第一根桩基顶部产生明显正弯矩，易于导致其与桩帽连接处的损伤。
（3）前承台桩基弯矩在其与岸坡表面相交位置附近达到峰值，为设计中的薄弱位置。在堆场堆载下，前承台桩基的弯矩响应要显著低于后承台桩基，其响应峰值小于后承台桩基的50%。
-
![]()
图 1 正负温度梯度下土中水分迁移示意图
Figure 1. Schematic diagram of water migration in soils under positive and negative temperature gradients
![]()
图 4 冻结–融化期间土柱两端的温控模式
Figure 4. Temperature control mode of both ends of soil column during freezing-thawing period
![]()
图 5 无重复分凝成冰措施下土柱的冻胀
Figure 5. Frost heave of soil column without repeated ice-segregation
![]()
图 6 有重复分凝成冰措施下土柱的冻胀
Figure 6. Frost heave of soil column with repeated ice-segregation
![]()
图 7 重复分凝成冰作用下土柱的吸水量与变形量
Figure 7. Water intaking amount and deformation displacement of soil column with repeated ice-segregation
![]()
图 8 不同工况下淋滤液中重金属的浓度和去除率
Figure 8. Concentrations of heavy metals in leachate and removal efficiency under different conditions
![]()
图 9 不同深度重金属浓度的垂直分布
Figure 9. Vertical distribution of heavy metal concentrations at different depths
表 1 土样的基本性质
Table 1 Basic properties of test soil samples
土颗粒密度ρs/(g·cm-3) 界限含水率 击实参数 粒径分布 Pb含量/(mg·kg-1) Cd含量/(mg·kg-1) wL/% wP/% ρdmax/(g·cm-3) wopt/% ≥0.25 mm 0.075~0.25 mm ≤0.075 mm 2.70 29.9 16.0 1.7 19.0 24.2 22.08 53.72 128.3 5.5 
下载: 导出CSV
表 2 试验方案
Table 2 Test schemes
试验编号 淋洗液补给* 冻结速率 融化速率 重复分凝成冰 冻融次数 补水 FTW1-1 0.05 mol/L EDTA+0.05 mol/L TA 0.2℃/h 分步升温：1℃/5 h 有 1 有 FTW1-2 0.05 mol/L EDTA+0.05 mol/L TA 直线升温 无 无 FTW1-3 0.05 mol/L EDTA 分步升温：1℃/5 h 有 有 FTW1-4 0.05 mol/L EDTA 直线升温 无 无 FTW3-1 1：0.05 mol/L EDTA+0.05 mol/L TA 分步升温：1℃/5 h 有 3 有 2：0.01 mol/L EDTA 有 3：0.02 mol/L TA 有 FTW3-2 1：0.05 mol/L EDTA+0.05 mol/L TA 分步升温：1℃/5 h 有 无 2：0.01 mol/L EDTA+0.02 mol/L TA 有 3：0.01 mol/L EDTA 有 注：* FTW3-1为例，冻融第1次补给0.05 mol/L EDTA+0.05 mol/L TA，第2次补给0.01 mol/L EDTA，第3次补给0.02 mol/L TA，共3个冻融循环。
下载: 导出CSV
-
[1] 王菲, 徐汪祺. 固化/稳定化和软土加固污染土的强度和浸出特性研究[J]. 岩土工程学报, 2020, 42(10): 1955–1961. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTGC202010028.htm WANG Fei, XU Wang-qi. Strength and leaching performances of stabilized/solidified(S/S) and ground improved (GI) contaminated site soils[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2020, 42(10): 1955–1961. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTGC202010028.htm
[2] DASSEKPO J B M, NING J Q, ZHA X X. Potential solidification/stabilization of clay-waste using green geopolymer remediation technologies[J]. Process Safety and Environmental Protection, 2018, 117: 684–693. doi: 10.1016/j.psep.2018.06.013
[3] DERMONT G, BERGERON M, MERCIER G, et al. Soil washing for metal removal: a review of physical/chemical technologies and field applications[J]. Journal of Hazardous Materials, 2008, 152(1): 1–31. doi: 10.1016/j.jhazmat.2007.10.043
[4] GRIFFITHS R A. Soil-washing technology and practice[J]. Journal of Hazardous Materials, 1995, 40(2): 175–189. doi: 10.1016/0304-3894(94)00064-N
[5] CHANG B V, CHIANG B W, YUAN S Y. Biodegradation of nonylphenol in soil[J]. Chemosphere, 2007, 66(10): 1857–1862. doi: 10.1016/j.chemosphere.2006.08.029
[6] ASH C, TEJNECKÝ V, ŠEBEK O, et al. Redistribution of cadmium and lead fractions in contaminated soil samples due to experimental leaching[J]. Geoderma, 2015, 241/242: 126–135. doi: 10.1016/j.geoderma.2014.11.022
[7] FEDJE K K, YILLIN L, STRÖMVALL A M. Remediation of metal polluted hotspot areas through enhanced soil washing- evaluation of leaching methods[J]. Journal of Environmental Management, 2013, 128: 489–496. doi: 10.1016/j.jenvman.2013.05.056
[8] SEMER R, REDDY K R. Evaluation of soil washing process to remove mixed contaminants from a sandy loam[J]. Journal of Hazardous Materials, 1996, 45(1): 45–57. doi: 10.1016/0304-3894(96)82887-1
[9] 芮大虎, 武迎飞, 陈雪, 等. 复合冻融与淋洗方法修复重金属污染黏性土的研究[J]. 岩土工程学报, 2019, 41(2): 286–293. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTGC201902007.htm RUI Da-hu, WU Ying-fei, CHEN Xue, et al. Remediation of heavily metal-contaminated clayey soils by composite freeze-thaw and soil washing method[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2019, 41(2): 286–293. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTGC201902007.htm
[10] RUI D H, WU Z P, JI M, et al. Remediation of Cd- and Pb- contaminated clay soils through combined freeze-thaw and soil washing[J]. Journal of Hazardous Materials, 2019, 369: 87–95. doi: 10.1016/j.jhazmat.2019.02.038
[11] CHENG K T. The mechanism of repeated-segregation for the formation of thick layered ground ice[J]. Cold Regions Science and Technology, 1983, 8(1): 57–66. doi: 10.1016/0165-232X(83)90017-4
[12] MING F, LI D Q. A model of migration potential for moisture migration during soil freezing[J]. Cold Regions Science and Technology, 2016, 124: 87–94. doi: 10.1016/j.coldregions.2015.12.015
[13] ZHOU J Z, WEI C F, LI D Q, et al. A moving-pump model for water migration in unsaturated freezing soil[J]. Cold Regions Science and Technology, 2014(104/105): 14–22. http://www.onacademic.com/detail/journal_1000036125878410_8173.html
[14] 王洋, 刘景双, 王国平, 等. 冻融作用与土壤理化效应的关系研究[J]. 地理与地理信息科学, 2007, 23(2): 91–96. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DLGT200702021.htm WANG Yang, LIU Jing-shuang, WANG Guo-ping, et al. Study on the effect of freezing and thawing action on soil physical and chemical characteristics[J]. Geography and Geo-Information Science, 2007, 23(2): 91–96. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DLGT200702021.htm
[15] 王家澄, 程国栋, 张宏鼎, 等. 饱水砂土反复冻融时成冰条件的试验研究[J]. 冰川冻土, 1992, 14(2): 101–106, 191. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-BCDT199202001.htm WANG Jia-cheng, CHENG Guo-dong, ZHANG Hong-ding, et al. Experimental study on conditions for ice formation of saturated sand in freezing and thawing cycles[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 1992, 14(2): 101–106, 191. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-BCDT199202001.htm
[16] 李述训, 程国栋, 张宏鼎, 等. 冰水系统中的砖在融化过程中水分迁移实验研究[J]. 冰川冻土, 1991, 13(4): 323–329. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-BCDT199104006.htm LI Shu-xun, CHENG Guo-dong, ZHANG Hong-ding, et al. Experimertal reseach on moisture migration of brick in ice-water system during thawing[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 1991, 13(4): 323–329. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-BCDT199104006.htm
-
期刊类型引用(2)
1. 赵再昆，王铁行，金鑫，张亮. 高温作用下非饱和黄土水热迁移试验研究. 岩土工程学报. 2024(01): 151-161 . 
本站查看
2. 晏忠瑞，黄健，万旭升，路建国，刘志良. 多年冻土区石油污染土物理性质、石油迁移及修复现状. 环境科学研究. 2024(06): 1336-1347 . 百度学术
其他类型引用(4)
计量
- 文章访问数: 161
- HTML全文浏览量: 27
- PDF下载量: 42
- 被引次数: 6
