CNS抑制膨胀土膨胀的电化学机理及其工程应用

Chemically modified non expansive clay covering technology(CNS) has a significant effect on the treatment of expansive soil subgrade and slope disasters. The main reason of the swelling inhibition mechanism of CNS is not the isolation effect, but the electrochemical environment produced by the cover layer in the expensive soil inside. This issue is a frontier area in the cross domain of soil mechanics and soil science, and has great theoretical and practical significance. On the basis of swell-shrinking mechanism of montmorillonite, typical expansive soil and non-expansive soil would be selected and indoor tests and in-situ tests would be taken as main study methods. We would set interval covers of CNS layers with different thickness above the indoor filling expansive soil and in-situ natural expensive soil, and measure physical and mechanical parameters like water content, density, strength, volume deformation and the electric charge density of each layer of expensive soil under water-saturated conditions. The relationship coupling properties between the swell-shrinking of the expensive soil and the coupling characteristics of overburden pressure & soil electrochemical would be explored, and the electrochemical mechanism of swelling inhibition effect of CNS on the expensive soil would also be revealed. On this basis, the selection principle of CNS and the design guidelines of CNS method would be determined. With the development of the cationic modifier-hydroxy-aluminum, we would thoroughly investigate the feasibility of the substitution of CNS materials by hydroxy-aluminum modified expansive soil and the treatment of the in-situ expansive soil by the chemically modified expansive soil layer cover technology construction method (CSS).

非膨胀性粘土覆盖技术 (CNS）对膨胀土路基和边坡灾害治理具有显著的功效。CNS抑制膨胀性的机理主要原因不是隔离作用，而是覆盖层在膨胀土内部产生的电化学环境，该课题是土力学和土质学交叉领域的前沿课题，具有重要的理论和实际意义。在蒙脱土胀缩机理研究基础上，以室内试验和现场原位试验为主要研究方法，选取典型膨胀土和非膨胀性粘土，在室内填筑膨胀土和原位天然膨胀土之上，间隔覆盖不同厚度的CNS层，实测在饱水状态下，膨胀土各土层的含水率、密度、强度和体积变形等物理力学参数，以及各土层之电荷富集密度，探寻膨胀土胀缩与上覆压力和土壤的电化学耦合特性的关联性，揭示CNS抑制膨胀土膨胀的电化学机理。在此基础上，确定CNS选取原则和CNS工法设计准则。在阳离子改性剂-羟基铝研发基础上，探寻羟基铝改性膨胀土替代CNS材料，形成化学改性膨胀土层覆盖技术工法（CSS）处治原状膨胀土的可行性。

目前工程上常采用的膨胀土处治方法中，非膨胀性粘土（CNS）覆盖技术作为一种简单经济、快速安全的方法，在膨胀土路基、边坡和引水灌溉等工程上得到了广泛的应用。但由于其作用机理至今尚没有研究清楚，致使工程施工时在CNS材料的选取、合理包边宽度的确定等方面缺少科学依据，给工程安全带来隐患。本项目采用室内试验和模型试验，系统的研究在单向注水条件下，不同厚度的CNS覆盖层对膨胀土的抑制效果，揭示CNS覆盖层抑制膨胀土的作用机理。进一步研究采用化学（羟基铝CSS）处治膨胀土作为覆盖层对膨胀土进行处治的应用效果。主要研究成果如下：.（1）验证了不同厚度的CNS覆盖层对膨胀土的抑制效果。利用室外混凝土试验槽和有机玻璃试验箱，在单向注水饱和过程中，对各模型土层的膨胀变形、土压力等参数进行了监测，发现CNS覆盖层对膨胀土的抑制效果随着其厚度的增加而增大，指出了CNS层对膨胀土的抑制不仅仅是本身自重的原因，还有其他作用。.（2）分析了CNS覆盖层抑制膨胀土的控制因素。在室内和室外模型试验的基础上，结合试验过程中各模型膨胀土层的电阻率、电位差等参数的变化规律，发现CNS层的离子会向下发生迁移聚集，改变膨胀土的电化学性质，对其膨胀产生抑制。.（3）揭示了CNS覆盖层抑制膨胀土的作用机理。先通过开展一组膨胀土的注水饱和试验，阐明膨胀土层自身不同层位的膨胀特点。然后以此为基础，通过对室内小模型试验中提取到的孔隙溶液进行离子浓度分析，探明了CNS层中离子的迁移聚集规律。然后对比试验前后膨胀土的膨胀特性、浸出液离子浓度的变化，提出了CNS抑制膨胀土的作用机理。.（4）研究了采用羟基铝溶液处治膨胀土CSS作为覆盖层对膨胀土进行处治的应用效果。通过室外模型试验和室内模型试验分别研究了将羟基铝溶液通过表面喷洒的方式直接对膨胀土进行原位处治的可行性，以及将羟基铝溶液与膨胀土进行拌合制备CSS层，以此作为覆盖层对膨胀土产生的抑制效果。