戈壁土颗粒胶结力作用机理及强度参数取值研究

The bond forces among particles in Gobi soil is one of controlling factors to determine its mechanical strength. How to express the quantitative relationship of physicochemical interaction between soil particles is a scientific issue needed to be solved. This research takes Gobi soil in Gansu Province and Xinjiang Autonomous Region as the object, the microscopic structure, mineral composition, and bond character of structural soil particles are tested by using techniques such as X-Ray, CT, electron spectroscopy, SEM, moss-Bauer spectroscopy to obtain the physical chemistry mechanism of bond forces. Based on the above research, the chemical bond types and the physical chemistry mechanism of bond forces are revealed by means of the calculation theory quantum chemistry. And at the same time, a microscopic chemical bond force model is established. Through mathematic integration, the quantitative relations between microscopic bond force and macro mechanical strength parameter are derived. The research gives theoretical proof for geotechnical engineering in Gobi area and for obtaining the value of physical and mechanical parameters of soils.

戈壁土颗粒间胶结力是决定其强度的主要因素之一，如何表征土颗粒间胶结力及其与土的强度参数间的定量关系是岩土工程研究领域中有待解决的主要科学问题。以新疆和甘肃境内典型戈壁土为研究对象，采用X衍射、CT技术、电子能谱、SEM、穆斯堡尔谱等微观测试技术，通过对戈壁土微结构、颗粒矿物成分、胶结物类型及成键特征等进行定性和定量研究，运用量子化学计算理论，分析颗粒中矿物与胶结物间化学键类型，揭示戈壁土颗粒胶结力的作用机理，建立戈壁土颗粒间胶结力与胶结物含量的微观力学模型。以胶结物含量为变量，通过严谨的数学力学推导，建立戈壁土强度参数与颗粒间胶结力之间的定量关系，进而建立戈壁土强度参数与胶结物含量关系的力学模型。本研究将对戈壁地区岩土工程建设提供关键的理论基础，具有广泛的实际应用价值。

戈壁是我国西北地区广泛分布的一类特殊土地基，由粗粒、细粒、细粒—粗粒间的相互接触与胶结作用而形成其骨架颗粒结构。戈壁土粒间胶结效应明显，工程性质不同于一般“土石混合体”。本项目以新疆和甘肃典型戈壁碎石土为研究对象，采用现场勘查、现场取样、现场试验和室内试验相结合的方法，研究了戈壁土胶结作用机理及其抗剪强度参数取值，研究成果为戈壁土抗剪强度的合理确定提供了理论和实践依据。.（1）戈壁土微观结构及粒间胶结作用机理.开展戈壁碎石土粒径级配试验，基于Unified Soil Classification System（USCS）和Expanded Burmister Soil Identification System （EBSIS）土体分类方法，给出了戈壁碎石土的分类结果，弥补了仅采用USCS方法对戈壁土分类的不足。开展戈壁土酸碱度及可溶性盐含量测试，分析了戈壁土盐份胶结作用机理及其类型。通过X射线衍射、扫描电子显微镜（SEM法）、能谱分析等方法，测试了戈壁土胶结黏土的矿物成分，得到了戈壁土胶结物微观结构特征及其元素组成，揭示了戈壁土粒间胶结作用力类型及其形成机理。.（2）戈壁土粒间胶结作用的微观力学模型.根据戈壁土胶结物组分及微细观结构测试结果，分析了戈壁土中黏土矿物晶胞吸附其它胶结物或土颗粒中的阳离子所形成胶结的可能化学结构，建立了戈壁土胶结力作用的微观力学模型。自主开发了“基于结构化学理论的碎石土胶结过程能量变化计算程序”，并计算戈壁土胶结物中矿物晶体胶结过程的能量变化规律。结果表明：戈壁土粒间胶结作用的实质是黏土矿物或碳酸钙中的非金属原子（如O原子）与土体中金属阳离子相结合而形成离子键，其胶结作用力的大小由连接胶结物微观晶面间的多个离子键的综合贡献而确定。.（3）戈壁土强度参数与胶结物含量关系的力学模型研究.建立了戈壁土胶结力微观力学模型，以胶结黏土矿物含量为变量，得到了戈壁土抗剪黏聚强度与颗粒胶结力间的关系式，计算出戈壁土黏聚强度值，并与现场原位直接剪切试验结果进行对比。结果表明，戈壁土黏粒胶结作用对其宏观黏聚强度的贡献率为13.2～26.6%。因此，仅从戈壁土胶结力微观力学模型和黏胶粒含量分析并不能获得戈壁土完整的宏观黏聚强度，戈壁土宏观强度值来源多样，除了土体胶结物微观晶面上离子键作用外，还应考虑盐分胶结等其它微观作用力。