近些年,生物炭在农业、环境、二氧化碳封存等领域得到广泛的应用。生物炭的使用,将对土体的物理性质、化学性质、力学性质等产生显著影响。本研究以城市景观落叶和甘蔗渣为原料,开展了生物炭制备及其表征;以专业制备的木质生物炭为基础,研究了生物炭对膨胀土和下蜀土体积变形特性(膨胀性、收缩性、干缩开裂特性)和力学特性(结构强度)的影响;结合压汞试验、扫描电子显微镜、基质吸力测试等手段,揭示了生物炭对膨胀土和下蜀土的作用机理。主要结论如下:(1)生物质原料、热解温度等因素显著影响生物炭的灰分含量、pH及孔隙结构,热解时长对生物炭性质的影响存在差异性。甘蔗渣生物炭对温度的敏感性高于树叶生物炭。相同热解条件下,树叶生物炭pH及灰分含量均高于甘蔗渣生物炭,比表面积和孔容远小于甘蔗渣生物炭。随着热解温度的升高,树叶和甘蔗渣生物炭灰分含量、pH、比表面积和总孔容显著升高,微孔结构发育更完善。随着热解时间的增长,生物炭的比表面积和孔容增大,微孔结构增多。但在600℃下热解4h时,两种生物炭的比表面积和孔容都降低,可能因为高温下过长时间的热解导致生物炭发生烧结现象。此外,生物炭的pH与灰分含量呈正相关关系。(2)生物炭可以降低膨胀土和下蜀土的压缩性,且压缩速率随生物炭掺量的增加呈线性增大。生物炭会显著改变土体结构,在土体内形成有效的水分迁移通道从而加快土体的压缩进程。生物炭对膨胀土的膨胀性没有明显的影响,但可以显著增加下蜀土的膨胀性。此外,生物炭的粒径对膨胀土和下蜀土的压缩性没有明显的影响。(3)生物炭对饱和泥浆样的蒸发干缩特性的影响不仅与掺量有关,还受蒸发阶段的影响。当掺量大于4%时,生物炭能够提高膨胀土和下蜀土的蒸发速率,而当掺量小于4%时,生物炭会抑制土体的蒸发过程。其主要原因是较高掺量的生物炭改变了土体结构,在土体内部形成许多通道,利于土体内部水分向表层迁移,促进土体的蒸发。低掺量条件下,生物炭颗粒难以在土体内形成连通的水分迁移通道,因此对土体的蒸发过程影响不明显,甚至会因为堵塞下蜀土土颗粒之间的孔隙造成蒸发速率下降。(4)生物炭改性土在蒸发失水过程中,产生初始裂隙的临界含水率不是一个固定值,且生物炭的添加对临界含水率的影响不明显。当生物炭掺量较高时,试样的蒸发速率较大,导致试样产生初始裂隙所用的时间更短。生物炭对黏土干缩开裂的几何特征有显著影响。土体的裂隙比、土块数和分形维数随着生物炭掺量增加而降低,而裂隙数、总裂隙长度和节点数均随生物炭掺量增加先降低后增大,这与生物炭改变了土体的力学强度和孔隙结构有关。(5)生物炭可提高土体的结构强度,随着掺量的增加,结构强度增强越明显。在高含水率条件下,贯入阻力随着贯入深度的增加而升高,最终趋于平缓;当含水率较低时,随着贯入深度的增加,贯入阻力先迅速升高,到达峰值后开始降低。