基于黄河流域高质量发展和黄土高原生态环境保护的现实需求，针对黄土高原及广大无砂石料地区工程建设面临的砂石料开采环境成本高、弃土弃渣难以利用且传统土壤固化材料固土性能亟待提升的问题，为了充分利用当地水土资源，同时减少因开山取石、挖河淘沙等对环境的危害，在已有研究的基础上开发了一种新型纳米土壤固化剂N-MBER。通过室内力学试验与野外工程实践相结合的方法，运用扫描电镜和能谱分析等观测手段，明晰了纳米土壤固化剂性能优化的影响机制，揭示了纳米固化剂对土体力学性能及界面结构的作用机理，提出了纳米固化土单轴压缩本构关系及模型方程，构建了基于土壤惰性矿物激活与离子再造的纳米固化剂固土理论，研发了新型纳米固化剂材料及土体重构技术在不同坡沟生态工程中的施工技术，为纳米土壤固化剂的深入研发及在无砂石料地区的应用提供理论及技术支撑。取得的主要研究成果：

1、纳米材料对土壤固化剂的性能影响及N-MBER纳米固化剂开发。

针对土壤固化剂在强度和耐久性等方面的缺陷及纳米材料的性能优势，通过分析纳米改性后的土壤固化剂强度变化规律、影响因素以及微观颗粒形态，探讨了不同纳米二氧化硅掺量和养护龄期下的纳米固化剂、普通固化剂及P.O.32.5水泥的胶砂强度提升规律，建立了纳米改性固化剂胶砂抗压强度与掺量和龄期的复合幂指函数模型，明确了纳米固化剂在微观几何形态上对土体颗粒界面的胶凝机制，开发了一种新型纳米土壤固化剂N-MBER，其配方优化后的纳米二氧化硅掺量为2.5%。胶砂试验结果表明该掺量下的纳米固化剂强度较普通固化剂可提升15%以上，较P.O.32.5水泥可提升约50%。

2、揭示了纳米固化剂对土体力学性能及界面结构的影响机理。

研究发现纳米固化剂的掺量和龄期与固化土的力学性能显著相关，其中掺量与纳米固化土的无侧限抗压强度呈指数函数关系；在力学性能方面，纳米固化土各龄期的无侧限抗压强度较普通固化土和P.O.32.5水泥土可提升10%~30%；在微观界面结构方面，通过对比纳米固化土、普通固化土及水泥土的吸水率、干密度和颗粒形态随养护龄期的变化规律，揭示了纳米固化剂对土体力学性能和界面结构的影响机理。通过上述研究，明确了纳米固化剂加固后的土体在微观界面结构及宏观力学性能方面的演变机制，为进一步研究纳米固化土在受力条件下的应力-应变本构关系提供了基础。

3、建立了纳米固化土单轴受压条件下的弹塑性本构模型。

通过分析典型纳米固化土构件单轴压缩破坏过程，明晰了纳米固化土受力变形的三个阶段，即早期的材料内部孔隙闭合阶段，峰值应力前的线弹性变形阶段和峰值应力过后的材料破型阶段；通过模型筛选和参数计算，提出了纳米固化土单轴压缩应力-应变的弹塑性本构模型，并对模型精度进行了验证；模型验证结果表明，构建的纳米固化土弹塑性本构模型可以较好地模拟材料在单轴压缩受力下的应力-应变曲线变化规律。上述结果为定量计算纳米固化土在一维压缩条件下的应力-应变关系提供了依据，为研究纳米固化土各向异性多轴受力本构模型的研究提供了参考。

4、构建了基于惰性矿物激活与离子再造的纳米固化剂固土理论。

研究了纳米二氧化硅在固化剂水化过程中对其水化活性及离子组成和分布的影响机制研究，发现纳米二氧化硅能利用其火山灰催化活性强，颗粒小且流动性高等特点，通过激活土壤惰性矿物和化学离子再造，强化网状胶结，使材料的基本结构单元无分散，相界面紧密接触。同时能激发土体铝酸盐矿物潜在的活性，在相界面和土体单元内部形成牢固的多晶粘土聚集体，从而改善土体颗粒相界面接触的本质，产生较高的强度和水稳定性。研究发现纳米二氧化硅在早期水化过程中对氢氧化钙晶体的细化率可达50%以上，纳米固化剂对土壤胶体中不同形状的水化硅酸钙凝胶数量提升可达30%。通过上述研究构建了纳米固化剂加固土的基本理论，即“基于土壤惰性矿物活性再生与离子再造的相界面重构理论”，该理论的提出可为纳米固化剂的进一步研发及应用提供理论基础。

5、提出了纳米固化剂在典型工程中的施工技术。

本研究在团队研发的土壤固化剂成果基础上，利用开发的纳米固化剂及其土体重构技术在不同土质地区进行了典型工程的实践应用，结果表明：采用纳米固化土材料修建的工程比同等成本下的水泥土工程强度提升20%以上；在同等工程强度条件下，采用纳米固化土的修建成本可节省30%以上；纳米固化土的具有就地取材、施工简单且对环境无污染等优势，可以作为主体工程修建淤地坝拦挡墙、道路、蓄水池等设施，同时兼顾节约成本和环境保护。修建的纳米固化土工程及设施对生产建设和生态恢复具有积极的作用，在黄土高原等缺砂少石地区具有良好的推广应用前景。

目  录

摘  要... I

ABSTRACT. V

目  录... IX

第一章 绪论... 1

1.1 研究背景与意义... 1

1.2 国内外研究进展... 3

1.2.1 土壤固化剂研究进展... 3

1.2.2 纳米改性材料进展... 7

1.2.3 纳米材料加固土的进展... 11

1.2.4 水泥基类本构模型进展... 14

1.2.5 研究现状与不足... 15

1.3 研究内容与技术路线... 17

第二章 试验材料及方法... 21

2.1 试验材料... 21

2.1.1 纳米改性剂... 21

2.1.2 土壤固化剂... 22

2.1.3 试验用土... 23

2.1.4 纳米固化土... 25

2.2 研究方法... 25

2.2.1 前期预备试验... 25

2.2.2 固化剂胶砂试验... 31

2.2.3 纳米固化土性能试验... 34

2.2.4 微观物理化学分析... 36

第三章 纳米固化剂研发及性能优化试验研究... 39

3.1 纳米材料筛选... 39

3.1.1 纳米添加剂的初步筛选... 40

3.1.2 两种纳米添加剂性能对比... 41

3.2 试验方案及试样制备... 45

3.2.1 改性试验方案... 45

3.2.2 试件制备与养护... 45

3.3 纳米固化剂胶砂强度影响因素研究... 46

3.3.1 纳米固化剂抗折强度影响因素分析... 47

3.3.2 纳米固化剂抗压强度影响因素分析... 49

3.4 纳米固化剂性能优化方案对比... 52

3.4.1 纳米固化剂宏观力学性能对比... 52

3.4.2 纳米固化剂微观分形特征对比... 53

3.5 本章小结... 55

第四章 纳米固化剂对土体力学性能及界面结构的影响... 57

4.1 试验方案及试样制备... 57

4.1.1 试验方案... 57

4.1.2 试样制备与养护... 58

4.2 纳米固化土力学性能影响因素... 59

4.2.1 养护龄期对固化土力学性能的影响... 60

4.2.2 固化剂掺量对固化土力学性能的影响... 61

4.3 不同固化土界面结构对强度的影响分析... 62

4.3.1 不同固化土的抗压强度对比... 63

4.3.2 吸水率和干密度对固化土强度的影响... 64

4.3.3 固化土界面结构组成及颗粒形态分析... 67

4.4 本章小结... 69

第五章 纳米固化剂固土机理研究... 70

5.1 纳米二氧化硅火山灰活性加速水化过程... 70

5.2 纳米固化剂改变土体化学离子的微观分布... 75

5.3 纳米固化剂重构土体的相界面结构... 76

5.4 本章小结... 78

第六章 纳米固化土的本构模型研究... 79

6.1 单轴压缩破坏过程分析... 79

6.2 本构关系模型构建... 81

6.2.1 曲线无量纲处理... 81

6.2.2 模型的推导及优化... 82

6.3 本构模型参数确定... 84

6.3.1 不同模型参数计算... 84

6.3.2 模型拟合程度分析... 85

6.4 本构模型的试验验证... 87

6.5 本章小结... 89

第七章 纳米固化剂在坡沟防护工程中的技术应用... 90

7.1 黄土地区沟道土地整治防护工程技术应用... 90

7.1.1 研究区概况... 91

7.1.2 结构设计与材料配制... 92

7.1.3 施工及成型技术... 94

7.2 南方红壤区坡面及道路防护工程技术应用... 95

7.2.1 研究区概况... 95

7.2.2 红壤区土质特性... 96

7.2.3 结构优化与设计... 99

7.2.4 施工及成型技术... 101

7.3 纳米固化剂施工技术要点... 102

7.4 成本分析和环境效益... 103

7.4.1 工程成本分析... 103

7.4.2 环境效益分析... 105

7.5 本章小结... 106

第八章 总结与展望... 107

8.1 结论及创新点... 107

8.1.1 主要结论... 107

8.1.2 创新点... 109

8.2 局限性与展望... 109

参考文献... 111

致  谢... 125

作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果... 127