广西纳米碳酸钙红黏土工程地质特征及其相互作用机理研究

The increase of construction sites in the red clay areas has caused the rise of engineering diseases, which seriously affects the sustainable development of regional economy. The study, first of all, tried to find out the internal causes of the diseases resulting from the unique soil-water interaction in the clay. Then it focused on the studies of the engineering geological characteristics and modification mechanism of the red clay modified by nano-calcium carbonate. By the use of an integrated multidisciplinary study method encompassing on-site soil sample collection, indoor geotechnical test, microstructure test, and mathematical statistics analysis, the study quantitatively described the microstructure characterization index in terms of microstructure, water content and deformation, strength, expansion and contraction, shrinkage and fissure development. Following this, a mathematical model of the relationship between the microstructure and the macroscopic physical mechanical strength parameters was established, revealing the changes of the engineering geological properties of red clay modified by nano-calcium carbonate powder. Finally, the modified red clay’s engineering geochemical characteristics and modification mechanism were investigated to determine the optimal dosage ratio, which can provide a reliable theoretical basis for the prevention and control of engineering diseases caused by soil-water interaction in red clay.

随着区域性红黏土分布区工程不断增加，其所诱发的工程病害日益加剧，已严重影响区域经济可持续发展。本项目围绕探寻控制红黏土独特的水土相互作用模式诱发工程病害的内因，重点研究纳米碳酸钙红黏土改性后的工程地质特性及相互作用机理。采用纳米碳酸钙对红黏土进行改性，通过现场土样采集、室内土工试验、微观结构测试、数理统计分析等多学科交叉融合的研究方法，从微观结构、含水量与变形、强度、渗透性、胀缩性和裂隙发育等方面，实现微观结构表征指标量化描述，建立掺入量微观结构与宏观物理力学强度参数之间内在的关系数学模型，揭示纳米碳酸钙粉对红黏土工程地质性质影响变化规律，探讨其改性后的工程地质特性和改性机理，确定最优掺量比，为研究纳米碳酸钙红黏土改性特征，防治广西红黏土水土相互作用导致工程病害提供可靠的理论依据。

本项目围绕探寻控制红黏土独特的水土相互作用模式诱发工程病害的内因，重点研究纳米碳酸钙（NCC）改性红黏土的工程地质特性及相互作用机理。采用NCC对红黏土进行改性，通过现场土样采集、室内土工试验、微观结构测试、数理统计分析等多学科交叉融合的研究方法，从微观结构、含水量与变形、强度、渗透性、胀缩性和裂隙发育等方面，实现微观结构表征指标量化描述，确定最优掺入率。研究结果发现：.a) 通过掺入纳米级（NCC），10微米的超细级（GCC）和300微米粗颗粒（CC）三种粒径梯度的碳酸钙进行三轴固结不排水剪切试验，发现NCC与GCC两种粒径对红黏土的强度影响规律接近，呈先减小后增大的趋势发展；300微米的碳酸钙则随掺量的增大强度降低。由于细颗粒碳酸钙的比表面积大，在掺入率相同时，能对红黏土的力学性质产生较显著的影响，因此小于10微米碳酸钙对红黏土的强度改良效果良好。 较大的固结围压可以促使土颗粒中的微颗粒产生联结，土体间的孔隙比减小，使土体在剪切过程中，土颗粒不易移动，土颗粒之间产生较大的摩擦咬合力，即所需剪应力相应增大。.b) 对于不同粒径碳酸钙对红黏土的粘聚力的影响：NCC和GCC对红黏土的粘聚力影响曲线相似，改良红黏土的粘聚力随掺入率增大而呈先减小后增大，最后趋于平稳的趋势。随着CC的掺入率增加，红黏土的粘聚力减小，当掺入率超过2%后粘聚力趋向稳定。由于开始掺入碳酸钙导致土的粒径级配破坏和发生化学反应后导致土样中孔隙增大，伴随掺入量的增大土中粒径级配重新达到相应平衡，且化学反应过后生成的新碳酸钙分子团填充入土样孔隙，导致土样的内摩擦角增大。红粘土在工程中呈“粘性”特性，主要因为其中含有一定量的三氧化二铁胶结物质，在碳酸钙掺入后红粘土PH值增加，碱性增大破坏了三氧化二铁的胶结作用，导致粘聚力减弱，改变了红黏土的强度特性。.c) 对于不同粒径碳酸钙对红黏土内摩擦角的影响：NCC和GCC对红黏土的内摩擦角的影响曲线相似，掺入率增大，内摩擦角呈先增大后减小，最后趋于平稳的趋势。随着CC的掺入率增加，红黏土内摩擦角呈现先减小后增大，最后趋于平稳。