包气带盐分积聚与变形互馈过程中粉质黏土的宏微观性质演化

In the northwestern area of China which lies in the arid and semi-arid climatic zone, it is difficult to predict the hydraulic-deformation and stress-induced deformation of soil foundation. The main reasons are the saline water transportation in silty clay attributed to the high evaporation on the surface of vadose zone, and the changes of hydraulic conductivity of silty clay under the impact of stress-induced deformation. Actually, to predict and prevent the engineering disasters, more researchers began to highlight the salinity effect on hydro-mechanical behavior of unsaturated soil. In this project, the experimental and theoretical investigations on the interaction of water-salt distribution, stress-strain relationship and micro-fabric of unsaturated silty clays will be conducted. Firstly, by monitoring the water-salt transportation in one-dimensional column under applied stresses, the conventional prediction model of hydraulic conductivity in unsaturated silty clay based on water-retention curve will be promoted. Meanwhile, by controlling the total suction and osmotic suction, the devised compression tests will be conducted to reveal the coupling process of osmotic suction, stress and strain. Based on the evolution law of hydraulic conductivities and the coupling model of osmotic suction-stress-strain, the deformation of soil foundation in one-dimensional space will be clarified. Finally, the micro mechanism of salinity and clay mineral effects on the mechanical behavior of unsaturated silty clay will be investigated. This study will be beneficial to understand the engineering behavior evolution of saline soil in complex environment, and thus to promote the evaluation and safety of soil foundation in field.

西北干旱-半干旱地区，包气带粉质黏土在水盐上升积聚和地基变形的互馈作用下，工程性质的动态演化难以预测。通过研究非饱和土水-土耦合作用的盐分效应，来实现复杂环境下工程病害的预测与防控，是目前工程地质领域的研究热点。本项目拟采用试验与理论分析相结合的方法，开展非饱和粉质黏土水盐分布、应力-应变关系和微观组构之间相互作用规律的研究。研究内容如下：首先，通过监测非饱和粉质黏土水盐上升与变形互馈过程中水盐动态分布，改进基于土水特征曲线的非饱和土导水特性预测模型；同时，通过控制总吸力和渗透吸力（溶质吸力）的压缩试验，明晰渗透吸力-应力-应变的耦合关系，并在此基础上，结合水盐分布规律对地基宏观变形进行预测；最终，通过微观组构调查，提出盐分和矿物成分影响工程性质的微观机理。本项目的研究成果将深化西北地区复杂环境下特殊土工程性质演化的认知，从而有助于阐明地基的长期服役特性，提升工程设计的安全性。

西北干旱-半干旱地区，包气带粉质黏土内水盐上升和地基变形的互馈作用尚不明晰。因此，本项目主要开展了：（1含盐毛细水浸润和应力变形共同作用下，天然粉质黏土和人工伊利土内部体积含水率、基质吸力、总水势和盐分分布的演化规律研究。同时，基于瞬态剖面法分析了非饱和粉质黏土导水特性演化规律。（2基于自研的控制环境湿度和盐溶液的固结试验装置，探究了对原状黄土、重塑黄土和人工黏土的压缩特性和强度的影响。（3基于水理试验和核磁共振试验研究了可溶盐离子成分和矿物成分对粉质黏土的结合水含量与自由水含量比例关系的影响。进行分子动力学模拟，对矿物晶胞的吸水特性以及吸附离子特性进行了研究，进一步分析盐分积聚与变形互馈过程的微观机制。获得重要成果为：(1明晰包气带粉质黏土在重力势、总水势、基质势三种水势作用下水盐上升速率的差异；发现水盐在非饱和区毛细上升后，基质吸力显著下降，但在总吸力作用下仍持续积聚，存在明显滞后性；发现了土体压缩对包气带盐分积聚的加速作用，在传统的基质吸力预测非饱和土导水系数的基础上，构建总吸力预测盐分作用下非饱和土导水特性的模型。(2采用总吸力、渗透吸力两个变量分别描述环境湿度和孔隙水化学作用，揭示盐分上升积聚、总吸力平衡过程（外部湿度变化）对非饱和粉质黏土应力-应变关系的影响规律，发现了高吸力与低吸力条件下盐分对土体压缩参数的影响机制不同，构建水-盐-力共同作用下土体变形预测的双曲线模型。(3从自由水和结合水比例变化、黏土矿物表面势能演化及胶结物质潮解三个角度，明晰了不同矿物成分的粉质黏土在微观组构演化过程中的差异性，将盐分积聚和总吸力对不同矿物粉质黏土变形特性产生影响的主要机制归纳为盐分的潮解与伊利石矿物对水分子的吸附。本项目的研究成果将深化西北地区复杂环境下特殊土工程性质演化的认知，从而有助于阐明地基的长期服役特性，提升工程设计的安全性。