蒙脱石在酸碱条件下的力学效应

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近些年来,我国地质灾害频繁发生,严重威胁广大人民群众的生命财产安全,也给人们的生产生活带来了极大的负面影响。滑坡是比较常见的一类地质灾害,尤以土质滑坡为甚,对其诱发因素的认识,目前已基本达成共识,大致有降雨、地震、火山活动、工程活动等或上述因素之间的耦合作用。其中,降雨是最常见、最主要的诱发因素。很多研究表明,降雨诱发滑坡的作用主要体现在降水下渗过程中转化而成的地下水与土体之间的相互作用,即水土相互作用(water-soilinteraction,简称WSI)。  水土相互作用主要分为两类:水土之间的物理力学作用以及水土化学作用。长期以来,岩土领域的研究人员将目标主要集中在前者,如孔隙水压力、基质吸力、有效应力等等;而对后者的力学效应则往往视而不见,尽管水土化学作用早已引起部分学者的注意,但对它的研究和重视程度依然是比较低的。  本论文以典型粘土矿物蒙脱石为胶结物,配制了蒙脱石-石英砂重塑土,研究了在野外滑坡孕育温度(15℃、20℃、25℃)条件下,重塑土与超纯水、pH=3HNO3、pH=13.5NaOH溶液(模拟正常水体、酸雨、碱性废液)作用后的粘聚力变化情况,并通过X衍射,从矿物成分变化的角度,对粘聚力变化的机理进行了深入分析。此外,为实现定量描述水土化学作用下的粘聚力变化,本论文深入分析了土体粘聚力产生的本质原因,建立了基于粘土矿物胶结微观性质的饱和蒙脱石-石英砂重塑土粘聚力计算模型,并在水土化学作用机理的基础上,初步实现了该作用下的粘聚力变化计算。  通过实验研究和深入分析,本论文取得了以下结论:  (1)超纯水条件下,电导率EC表现为逐渐上升,浸泡液pH也逐渐上升,最终表现为弱碱性,粘聚力表现为先上升后下降再上升。硝酸条件下,浸泡液pH逐渐上升,电导率EC总体表现为降低,粘聚力表现为先下降后上升再下降。氢氧化钠条件下,浸泡液pH和电导率EC均表现为持续下降,但后期逐渐减缓,粘聚力表现出先下降后上升再下降的特征,后期出现反弹。  (2)温度对超纯水中蒙脱石的消耗促进有限,但对硝酸与蒙脱石之间的化学反应有较大促进作用。在强碱溶液与蒙脱石之间化学反应的前期,温度有较大促进作用,后期效果不明显。  (3)硝酸会溶蚀蒙脱石,导致土体粘聚力降低,浸泡中期粘聚力增大的机理尚不明确。超纯水和碱性条件下均生成了沸石类矿物和胶结物水化硅酸钙(CSH)。超纯水条件下,还有胶结物碳酸钙(CaCO3)生成。这些新生胶结物的胶结键强度远大于相邻蒙脱石层组间的结合力强度,是上述两种条件下粘聚力增大的原因,化学溶蚀和离子交换是粘聚力减小的主要原因。  (4)超纯水条件下,土体抗剪强度总体变化不大;酸性条件下,土体抗剪强度变化与粘聚力变化一致;碱性条件下,土体抗剪强度表现为总体增大。  (5)在综合考虑了水作用的基础上,基于蒙脱石胶结微观性质,构建了饱和蒙脱石-石英砂重塑土的粘聚力定量模型,并结合粘聚力变化机理,建立了水土化学作用下的粘聚力变化定量计算模型。模拟结果较好。
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