武汉市分布着大量由冲洪积形成的第四系网纹状红色黏土,其分布广泛,被大量用作临时公路,建筑场地,水利防渗工程等建筑材料和地基使用。其黏土矿物成分主要为高岭石和伊利石,并含有少量绿泥石,非黏土矿物主要为石英、云母和长石。这一类红色黏土具有中等孔隙性、中等含水量、高塑性、中一低压缩性,中一微弱膨胀性等特点,但是其遇水易软化,常地基不均匀下沉引起基础结构断裂破坏、基坑及边坡塌方、滑坡等许多工程病害。因此,对红色黏土改性的深入研究就显得十分必要和紧迫。本文采用离子土壤固化剂(ISS)对红色黏土进行化学改性,探讨改性机理,指导工程实践。ISS是一种复合型的阴离子表而活性剂,与红色黏土充分接触后,与土颗粒表而可交换性阳离子和极性水分子进行强烈的离子交换,从而土颗粒表面电荷降低,土扩散层厚度减薄,水稳性提高,强度增加。由此可见,离子交换吸附变化是引起土体性质改变的一个首要环节,阳离子交换容量,特别是各主要阳离子交换过程的改变量,是研究ISS固化机理与评价固化效果的重要指标。国内外同行在此内容的研究中,多针对红色黏土扰动样固化的阳离子交换前后总量变化与固化效果进行比对分析,但是针对其原位静态加固研究尚未深入的开展。对红色黏土分布地区实施未扰动原位加固的研究,具有更为重要的工程实践意义。本文通过自行研制一套基于激光击穿光谱技术(LIBS)实时在线检测的变水头渗透土柱系统,开展蒸馏水渗透红色黏土素土试验,了解素土经蒸馏水渗透后阳离子的基本变化情况；ISS水溶液渗透红色黏土素土试验,对红色黏土原位加固的实验室模拟；蒸馏水渗透ISS改性后的红色黏土试验,验证改性土保持强度的持久性,即ISS改性红色黏土的不可逆性。’主要开展了以下研究工作：(1)在不同交换条件下各主要阳离子迁移过程的探索中,测试方法是探索研究首要和关键要解决的技术环节。本文首先详细介绍了岩土工程常用实验室测定阳离子交换总量的氯化钡缓冲液法,但其技术操作人为干扰因素太多。然后介绍采用等离子体发射光谱仪(ICP—AES)测试主要阳离子和DX一120型离子色谱仪测试阴离子的试样制备,测定方法,发现该技术比传统实验室化学滴定法有很大的改进,但是预处理复杂,而且满足不了原位检测的需求。本文选取国内外先进的激光击穿光谱技术(LIBS)来探测阳离子迁移过程,该技术可以实时、在线、多元素同时检测,满足ISS固化机理研究中揭示阳离子交换过程的需求,还可以实现原位检测,具有非常显著的优势。(2)自行搭建一套基于LIBS技术的变水头渗透土柱试验系统。①对试验用土红色黏土的颗粒连结特征、粘土矿物的结晶结构、基本物化性质,以及土样制备进行了详细的介绍。②试验试剂是与水一定体积比的ISS水溶液,本文通过对其离子成分的测试,发现该ISS是高钠含量的离子土壤固化剂。③采用较为常用的最大气泡压力法对不同配比下ISS水溶液的表而张力进行测试,结果显示ISS溶于水后能迅速降低水的表而张力。④采用FG2梅特勒-托利多便携式pH计和FG3梅特勒-托利多便携式电导率仪对不同配比下ISS水溶液的PH值与电导率进行了测试,表明ISS水溶液偏酸性,原液具有高的电导性,并且随ISS水溶液浓度的增加,其电导率也相应增大。⑤从加入ISS后红色黏土塑性指数的最小值来确定本文选取的ISS与水的最优配比为1：150。(3)通过开展蒸馏水渗透红色黏土素土试验、ISS水溶液渗透红色黏土素土试验和蒸馏水渗透ISS改性后的红色黏土试验,得出在不同时间节点,渗出液中四种主要阳离子K+、Na+、Ca2+、Mg2+的离子浓度,从而对不同渗透条件下阳离子迁移过程进行研究,同时用相应渗出液电导率的变化情况来加以验证。①蒸馏水渗透红色黏土素土过程中,黏土矿物孔隙水中的k+、Na+、Ca2+、Mg2+等,在蒸馏水的作用下,纷纷从土柱向渗出液迁移出来,渗出液各阳离子浓度逐渐达到峰值,随着新的水化环境下土结构趋于平衡,各离子的浓度逐渐减少,所以整体趋势是先增大后减少。②ISS水溶液渗透红色黏土素土过程中,首先ISS水溶液中的Na+离子以其浓度的绝对优势,将黏土颗粒表而的可交换性高价阳离子Ca2+、Mg2+交换出来,其占据了土颗粒表而的位置,其渗出液中浓度很低,这一阶段是外表面平衡阶段,时间比较短；接着是内表面平衡阶段,时间比较长,ISS水溶液依靠“亲水头”与红色黏土颗粒表面所形成的化学链作用,占据了颗粒表面上的阳离子空位,并被吸附在粘土矿物的表面；ISS"疏水尾”围绕着土颗粒表而形成了一个油性层,阻止水份进入这个体系。此时离子交换渐渐缓慢,Ca2+、Mg2+离子浓度慢慢减少,而Na+离子随着ISS水溶液的渗透浓度慢慢增加。最后,新的水化环境平衡稳定后,黏土颗粒有了稳定的渗流渠道,于是后期的各离子浓度将增减到与ISS水溶液中各离子浓度趋于一致。试验结果初步推断,ISS水溶液与红色黏土完全作用的时间在1-2天左右。③蒸馏水渗透经ISS改性过的红色黏土过程中,由于改性后的红色黏土土表而发生离子交换的结合水量明显减少,离子交换程度减小,交换能力减弱,水化、膨胀和分散能力变弱,形成的结合水膜厚度减薄；土对新的水化环境的改变不敏感,土的性质不发生明显的变化,渗出液中Na+浓度先增加后减小,而K+、Ca2+、Mg2+浓度逐渐降低。④渗出液的电导率能反映其中溶质含量的多少。三种渗透方式下,测得渗出液的电导率的变化趋势均呈对数正态分布走势,先增大,后减少,最后趋于平稳值,与各主要阳离子浓度变化基本趋势是一致的。(4)对红色黏土渗透前后进行了一系列物理力学指标检测,检测以渗透方式进行静态固化土强度的持久性,比对动态固化土的各项指标,进一步检验固化效果和探索固化机理。①采用F-Sorb3400比表面积及孔径测试仪,试验结果反映经ISS处理后的土颗粒比表而积减小,颗粒粒径增大。②采用快剪法进行了一系列的直接剪切试验,蒸馏水渗透经ISS搅拌加固过的红色黏土的抗剪强度指标C较蒸馏水渗透红色黏土素土和ISS渗透红色黏土素土的小,而内摩擦角大。说明ISS水溶液渗透红色黏土素土,可以有效的减小黏土弱结合水,降低土的粘性,增加土颗粒之间的接触面积,增大咬合阻力,使其接触摩擦力和咬合摩擦力增大,内摩擦角增加,土体的抗剪强度有了较大的提高。③开展ISS加固红色黏土前后的胀缩性对比研究,可以看出,加入ISS后,红色黏土的自由膨胀率明显减小,线缩率、体缩、缩限也有不同程度地减小,表明土颗粒之间的连结力加强,土收缩变形能力变小。④利用固结仪对蒸馏水渗透红色黏土素土和ISS渗透红色黏土素土的压缩系数和压缩模量进行了高压固结试验,结果显示经过ISS处理后,红色黏土的压缩系数减小,压缩模量增大,证明经ISS处理后,红色黏土的孔隙变小,土体变得更密实,土体骨架的坚硬性提高,承受外荷载的能力增强,抵抗变形的能力提高。⑤开展土—水特征曲线研究,发现红色黏土素土和ISS改性土样的基质吸力都随着含水量的降低而增大,并且在较高的基质吸力范围内,含水量对土—水特征曲线的影响作用有减小的趋势。(5)扫描电镜试验说明ISS渗透作用后土体的矿物粒团变大,颗粒之间的胶结更为紧密,并且排列较为整齐均匀,呈层叠状,同时孔隙减少,原来的大孔隙也被填塞和重新胶结,整个土体的结构相对比较稳定,土体颗粒吸附结合水的空间减少,孔隙减少,渗透性降低,力学性质得到增强。(6)从土的微结构变化、土中水的作用、各主要阳离子运动扩散方式,再谈离子土固化剂的改性机理。本文通过实验室模拟ISS静态原位固化红色黏土的一系列试验研究,充分说明红色黏土是可以通过渗透这种静态的方式进行原位加固,加固后的土体具有持久的力学强度。本文的研究为ISS固化机理的研究,为ISS原位加固红色黏土的工程实践提供重要的实验室依据。