离子特异性效应对崩岗红土层土壤胀缩性能的影响机制研究

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土壤水分变化导致崩岗土体中离子浓度发生变化,由于离子特异性效应会导致土壤内力发生差异,从而对土壤宏观力学性质产生影响。因此本试验以崩壁红土层土壤为研究对象,通过进行室内无荷膨胀和线性收缩试验,研究不同离子对红土层土壤胀缩性能的影响。计算并分析各离子对红土层土壤表面电化学性质的影响,结合不同离子体系下的土壤内力(范德华引力和静电斥力),与土壤胀缩性能相联系,从微观角度出发解释离子对红土层土壤胀缩性能的影响机制。结果表明:(1)NO3-、H2PO4-和HPO42-浓度与红土层土壤无荷膨胀率之间存在着显著的指数递减关系,其拟合所得回归方程均符合:δt=ae(-x/b)+c。在离子浓度相同的情况下,红土层土壤无荷膨胀率整体趋势表现为H2PO4->NO3->HPO42-。随着离子浓度的增大,土壤无荷膨胀率变化幅度表现为H2PO4->NO3->HPO42-。(2)NO3-、H2PO4-和HPO42-浓度与红土层土壤线性收缩率之间存在着显著的指数递增关系,其拟合所得回归方程均符合:δst=ae(x/b)+c。随着各离子浓度的增加,土壤体积收缩率均逐渐增加。在离子浓度相同的情况下,土壤的线性收缩率和体积收缩率整体趋势均表现为HPO42->NO3->H2PO4-。随着离子浓度的增加,土壤线性收缩率与体积收缩率变化幅度均表现为HPO42->NO3->H2PO4-。(3)根据红土层土壤在不同离子条件下土壤颗粒间静电斥力和范德华引力的变化可知,随着各离子浓度的降低,土壤颗粒间的静电斥力均逐渐增大。各离子体系下土壤的静电斥力均随土壤颗粒间距离的增大而降低。在离子浓度以及颗粒间距离相同的情况下,各离子体系下土壤的静电斥力大小为H2PO4->NO3->HPO42-。土壤颗粒间的范德华吸引力随着土壤胶体颗粒间距离的增加而降低。当两个土壤颗粒相距较近时,颗粒间会产生非常大的范德华吸引力,可将周围相近的土壤颗粒牢固地结合在一起。随着红土层土壤中离子浓度的降低,土壤胶体颗粒间的静电斥力增加,以及水分的进入,导致土壤胶体颗粒间的距离增大,范德华吸引力因此降低,进一步增大颗粒间距,从而容易导致土壤颗粒发生分散,而颗粒的分散在宏观上的表现则为土壤膨胀。随着土壤中离子浓度的增大,土壤胶体颗粒间的静电斥力降低,以及水分的散失,导致土壤胶体颗粒间的距离减小,范德华吸引力因此增加,进一步减小颗粒间距,从而容易导致土壤颗粒发生聚集,而颗粒的聚集在宏观上的表现则为土壤收缩。土壤水分的变化会对离子浓度产生影响,而离子浓度的改变则会引起土壤内力的改变,从而对土壤膨胀收缩造成影响。
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