非饱和红粘土中水-溶质迁移机制及力学效应

红粘土是广西地区广泛分布的一种特殊土，在实际中处于非饱和状态的红粘土受到各种扰动时，土中流体产生非平衡流动，引起溶质迁移规律的变化。本项目在分析非平衡流动形成机理基础上，结合红粘土内部微观孔隙结构分布特征试验，通过概化分析建立反映红粘土非平衡流毛细松弛效应的毛细管束几何模型，确定毛细松弛系数及动态土水特征关系的演化规律；在此基础上，建立非平衡流动模型来模拟土中溶质的迁移，并与传统的弥散-对流模型以及试验结果比较，揭示非平衡流对溶质迁移的影响规律。在此基础上，考虑溶质对红粘土胶结的削弱作用，建立化学反应量与强度指标衰减的关系，并通过室内模型试验，提出考虑胶结物溶蚀作用下红粘土地基的破坏模式。本研究不仅为红粘土中污染物的危害防治提供可靠的分析方法，对解决非饱和土渗流引发的工程问题也有理论指导意义。

人类活动产生的各种污染物进入岩土介质是环境污染的常见方式。各种污染物不仅对环境生态造成危害，同时也引起岩土介质工程性状的变化，污染物中的各种溶质与岩土体发生溶解、置换、离子交换吸附、结晶等化学作用，导致土质参数与结构不再保持常数，力学性质劣化，造成工程问题，因此污染物在土中迁移及其对力学性质的影响已经成为环境岩土工程的一个重要课题。项目组围绕这一课题，在大量试验的基础上，进行了红黏土中溶质迁移机制理论分析，取得以下主要成果：（1）土质学特征表明所研究区域的红黏土处于红土化的不同阶段，矿物成分以高岭石、石英、针铁矿、三水铝石为主，三水铝石是划分红土化阶段的重要标志性矿物，包含三水铝石的武鸣、桂林红黏土处于红土化的第三阶段——“富铝脱硅”阶段；而柳州、来宾的红黏土并未含有三水铝石，且石英的含量比武鸣、桂林红黏土高，整体处于红土化的第二阶段——“富铁锰”阶段。（2）首先借鉴沉积土结构性理论框架，对红黏土结构性进行了解释；研究发现结构性对红黏土的力学性质有明显的影响，红粘土的压缩性沿深度分布呈现出“上硬下软”的形式，与沉积土相反，但其固有压缩曲线（ICL）仍与沉积土类似，满足Burland提出的归一化模式，这表明残积成因的红粘土一样具有沉积土结构性的“基本单元”。（3）通过压汞试验对红黏土孔隙结构的研究，发现红黏土的双峰结构非常明显，提出了确定团粒内和团粒间孔径尺寸的方法，确定了柳州红黏土的团粒内孔隙的孔径中心尺寸为0.13μm，桂林红黏土的则为0.03μm，；红黏土的团粒内孔径能与土水特征曲线的形态较好地对应；桂林柳州红黏土中这种孔隙结构与其所处红土化阶段有关，处于更高红土化阶段的桂林红黏土团粒内孔隙更小、数量更多。（4）通过室内土柱淋溶试验研究了红黏土中溶质迁移的规律，发现红黏土中非平衡两区流特征非常显著，不可动区体积达到20%~40%。对于同一种红黏土，分形系数β也随着土壤干密度的增大而减小，不可动区体积增大。对比其他砂土、砂质壤土、粉质黏土、重粉质黏土、壤质黏土、黏土，发现不可动区体积较小，基本不存在两区流现象，红黏土中两区流与红土化程度密切相关，红土化程度较高的土，由于游离铁含量大，两区流特征更为显著。