环境影响下红黏土多层次结构联结的微细观演化机制及其力学效应

On the basis of pedology and soil mechanics, this proposal takes the undisturbed lateritic soils in Guangxi and Guizhou provinces as study objects. Various micro-meso-macro tests will be conducted to understand the complicated material composition and cementation model in circumstances such as acid-alkali reaction, drying-wetting cycle, temperature change. The basic data of the shear stress, modulus, thermal stability, deformation and strength behavior will be obtained, and the characteristics of the variation of cementation model will be analyzed. Then the interaction between cementation material like Oxide and clay minerals, and the feedback mechanism to environment will be described. According to the evolution of the cementation model, the most sensitive microstructure parameter to the environmental effect will be found. The effect of acid-alkali reaction, drying-wetting cycle, temperature on the cementation model will be estimated comprehensively. Finally, the relationship between micro-structural parameters and macroscopic mechanical behavior will be analyzed, and a micro-meso-macro physical model of cementation for lateritic soil under the environmental effect will be proposed.

项目以广西、贵阳典型原状红黏土为研究对象，交叉融合土质学与土力学的相关理论与研究方法，进行环境酸碱化、干湿循环、温度作用下红黏土的微-细-宏观试验与测试研究，明晰原状红黏土多层次结构联结的物质组成和联结模式，获得环境影响下红黏土的微-细-宏观剪切应力、模量、热稳定性等指标的基础数据及变化规律，分析其结构联结的变异特征，揭示氧化物胶体等联结物与黏土矿物相互作用模式和细微观环境反馈机制；基于红黏土微细结构参数的演化规律，寻找对环境效应最敏感的微细观结构参数；改进红黏土有效胶结作用的定量评价方法；综合评估环境对红黏土结构联结模式的影响，联动分析微细观结构参数变化和宏观力学行为的响应关系，建立环境影响下的红黏土微-细-宏观结构物理模型。

研究完成了环境酸碱化作用下的典型原状红黏土室内和原位试验，考虑了极端环境下的淋溶对氧化物含量的变化及其对物理力学特性的影响，改进了红黏土有效胶结作用的定量评价方法，联动分析了红黏土结构联结的微观结构参数变化和宏观力学行为的响应关系，阐明了环境影响下红黏土多层次结构联结的微细观演化特征及力学响应机理，可为工程建设中充分利用红黏土提供理论与试验基础。研究表明：（1）淋溶时间的增长导致黏粒与胶粒含量增大，耐热性小幅提升，无侧限抗压强度显著减小，且红黏土内部孔隙增大，微观形态上团粒结构遭到破坏，胶结物质明显减少。（2）环境因素中，PH值对红黏土氧化铁的含量影响最大，其次是温度，再次是循环次数；（3）黏土电导率通道中，溶液通道对土体电导率的贡献率最大，其次是联合通道，固体通道最小，且贡献率的排序不受孔隙溶液、孔隙比、黏土含量的影响；（4）经过红黏土路基振动的频域分析发现，振动能量量值在路基深度方向的主要衰减部分是第3、4频段。（5）原状红黏土的颗粒级配受碱液影响发生改变，且碱-红黏土反应中高岭土的消耗量随着碱浓度的增加而增加；存在一个最优碱液浓度使红黏土的力学强度提高到最大。低浓度下，红黏土中游离氧化铁薄膜溶解是无侧限抗压强度降低的原因。而硅铝酸盐凝胶对土骨料的胶结作用是土样无侧限抗压强度显著增大的原因。在强碱环境下，低聚合度的硅铝凝胶聚合作用被抑制，硬化变缓，是土的无侧限抗压强度又显著降低的原因。（6）在原位试验中发现红黏土的旁压模量等参数及游离氧化铁含量随浸泡时间的增加呈先快速下降后趋于平稳的趋势，转折点游离氧化铁含量为30.11 g/kg；初步提出了一种将化学选择溶解法与现场原位旁压试验相结合的手段，可更准确的获得游离氧化铁含量对原位红黏土强度和变形特性的影响的方法。