中國紅黏土的成因及物理力學(xué)特征研究進(jìn)展

楊 鑫,陳學(xué)軍,宋 宇,李 輝

桂林理工大學(xué) a. 土木與建筑工程學(xué)院、b. 廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣西 桂林 541004

0 引言

紅黏土是碳酸鹽類巖石經(jīng)過風(fēng)化作用而形成的殘積、坡積或殘—坡積的棕紅色或黃褐色的黏性土,在中國主要分布于廣西、貴州、云南等省份。紅黏土具有抗剪強(qiáng)度較高,壓縮性、交換容量較低,透水性、崩解性較小及中—弱脹縮性[1,2]等特性,由于這些特性,往往會(huì)認(rèn)為是一種良好的地基土。然而,紅黏土作為區(qū)域性的特殊土,具有高天然含水率、孔隙比、液限及 “遇水軟化,失水收縮干裂”的獨(dú)特工程地質(zhì)性質(zhì),容易造成邊坡失穩(wěn),地基不均勻沉降,路基下陷等一系列工程問題。

1 紅黏土成因及礦物研究現(xiàn)狀

“紅土”一詞被英國學(xué)者Buchanan在1807年率先提出,同時(shí)Buchanan認(rèn)為紅土是一種局限于低水平的沉積礦床,并將其描述為塊狀、非層狀富鐵黏土材料,充滿空洞和孔隙,而后廣泛應(yīng)用于各種土壤、沉積物和巖石,為制定一個(gè)可接受的術(shù)語來描述紅土形成的形式和過程提供了相關(guān)問題[3]。中國從二十世紀(jì)五六十年代將紅黏土作為一種特殊性土,而后引起了眾多學(xué)者對(duì)此類特殊性土產(chǎn)生了濃厚的興趣,對(duì)于紅土形成的機(jī)理受到很多關(guān)注,提出眾多假說,但同時(shí)也存在爭(zhēng)議,到目前也未能達(dá)成一個(gè)統(tǒng)一的共識(shí)。目前,中國學(xué)者用于解釋紅土形成的機(jī)理分為三種:“溶蝕—?dú)埛e說”、“溶蝕—交代成因說”、“外來沉積說”[4]。

張咸恭等[5]提出了“溶蝕—?dú)埛e說”,認(rèn)為紅土是碳酸鹽巖及與其同時(shí)產(chǎn)出的其他沉積巖經(jīng)風(fēng)化作用形成的風(fēng)化殼經(jīng)過淋失作用后都可為紅土的形成提供物源,同時(shí)眾多學(xué)者從不同角度論證了“溶蝕—?dú)埛e說” 的可靠性。隨后李景陽等[6,7]提出“溶蝕—交代成因”說,根據(jù)碳酸鹽巖風(fēng)化殼主要特征和喀斯特成土作用,認(rèn)為紅土形成是碳酸鹽巖溶蝕殘余和等體積等厚度溶蝕交代的產(chǎn)物。紅土的形成過程主要為兩個(gè)階段,第一階段是順方解石和白云石結(jié)晶顆粒連接處或晶體的解理面溶蝕形成孔洞及砂粒狀的溶濾層;第二階段主要是地下水中的Si、Al、Fe等物質(zhì)在溶蝕的礦物表面形成黏土礦物。關(guān)于“外來沉積說”,符必昌[8]認(rèn)為是由碳酸鹽巖經(jīng)過特殊的地理氣候條件形成古巖溶,再經(jīng)過地殼運(yùn)動(dòng)形成沉積床,當(dāng)非可溶巖紅土化作用后在沉積床上沉積最終成為紅黏土。

測(cè)量紅黏土的礦物成分方法有很多種,韋復(fù)才[1]、朱立軍等[9]通過差熱、X衍射、掃描電鏡鑒定和化學(xué)成分測(cè)試以及大量的土工試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)紅黏土主要由高嶺石、伊利石、綠泥石等次生黏土礦物組成,含有少量的蒙脫石、蛭石及綠蒙混層礦物。呂海波等[10]通過X射線衍射試驗(yàn)、全化學(xué)元素分析試驗(yàn)以及鮑格(R. H. Bogue)法、K值法對(duì)桂林、武鳴兩地紅黏土進(jìn)行礦物分析確定主要礦物為高嶺石、三水鋁石、針鐵礦,但桂林紅黏土含有一定的石英;同時(shí)求出桂林紅黏土的礦物成分和含量為:高嶺石(56.59%)、三水鋁石(11.44%)、針鐵礦(15.61%)、石英(12.45%);而武鳴紅黏土則為:高嶺石(74.0%)、三水鋁石(12.53%)、針鐵礦(8.37%)。

2 紅黏土的變形特性研究現(xiàn)狀

紅黏土具有“遇水軟化,失水收縮”的特性,導(dǎo)致其變形特性為非線性,且易引起地基不均勻沉降、基坑隆起和對(duì)道路開裂等一系列巖土體工程地質(zhì)災(zāi)害,所以眾多學(xué)者對(duì)紅黏土的變形特性方面做了許多研究,也將研究成果運(yùn)用于實(shí)際工程中,具有非常重要的指導(dǎo)的意義。

黃質(zhì)宏等[11]研究不同應(yīng)力路徑對(duì)紅黏土變形特性,發(fā)現(xiàn)不同應(yīng)力路徑對(duì)紅黏土的變形特性影響明顯。王英輝等[12]對(duì)原狀土樣和重塑土樣進(jìn)行脫濕或加濕后采用室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)原狀土樣和重塑土樣的應(yīng)力—應(yīng)變曲線分別呈應(yīng)變軟化型和應(yīng)變硬化型,表明紅黏土的黏滯性強(qiáng)。方薇等[13]、余敦猛[14]對(duì)武廣客運(yùn)專線進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)紅黏土的膨脹收縮變形主要為三個(gè)階段:線性遞增、外凸弧線、直線緩慢膨脹階段。羅婉[15]以湘南高液限紅黏土為研究對(duì)象研究其濕化變形,得出其濕化變形也是有基質(zhì)吸力喪失產(chǎn)生的,提高土體的壓實(shí)度也可減少濕化變形;干線、濕線和干裂濕化線的應(yīng)力—應(yīng)變曲線基本相似;劉云飛[16]對(duì)重慶紅黏土進(jìn)行流變特性試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)紅黏土的變形隨著時(shí)間的增長先增大后趨于穩(wěn)定,變形特性則為快速、平穩(wěn)、穩(wěn)定三種趨勢(shì);流變量隨著豎向壓力的增加而增大,達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間也更長;肖桂元等[17]研究不同類型紅黏土的應(yīng)力—應(yīng)變曲線歸一化特性,結(jié)果表明:試驗(yàn)過程中出現(xiàn)了應(yīng)變?nèi)跛苄院蛻?yīng)變強(qiáng)塑性兩種曲線,且壓實(shí)度對(duì)其影響最為顯著,對(duì)應(yīng)力—應(yīng)變曲線特征采用雙曲線函數(shù)模型進(jìn)行擬合,利用主應(yīng)力差漸進(jìn)值作為歸一化因子,構(gòu)建了結(jié)構(gòu)性土的本構(gòu)模型。

3 紅黏土的強(qiáng)度特性研究現(xiàn)狀

紅黏土的力學(xué)強(qiáng)度對(duì)紅黏土的擋土墻、邊坡穩(wěn)定性以及地基承載力等一系列工程穩(wěn)定都有影響,在某些紅黏土地區(qū)工程往往因?yàn)榱W(xué)強(qiáng)度未能達(dá)到設(shè)計(jì)要求值,從而引發(fā)一些問題,因此對(duì)紅黏土的強(qiáng)度特性進(jìn)行研究對(duì)工程實(shí)踐具有一定的意義。

劉春等[18]利用常規(guī)三軸試驗(yàn)對(duì)貴州畢節(jié)紅黏土進(jìn)行研究得出隨著非飽和紅黏土飽和度的增大其吸力減小,兩者之間表現(xiàn)為非線性關(guān)系,且反映出強(qiáng)度變化與環(huán)境變化有關(guān)。歐孝奪等[19]研究常溫(-4℃～60℃)對(duì)紅黏土的力學(xué)特性,探討紅黏土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與溫度之間的關(guān)系,并得出紅黏土的主應(yīng)力差σ1—σ3峰值強(qiáng)度在10℃和40℃與室溫28℃的峰值強(qiáng)度基本相近,但在60℃時(shí)其主應(yīng)力差峰值明顯增大;且其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨熱狀況而變化,表明紅黏土熱力學(xué)特性敏感。張?zhí)礓h等[20]研究桂林紅黏土抗剪強(qiáng)度與含水率之間的關(guān)系,利用固結(jié)快剪試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著含水率的增大其峰值凝聚力和殘余黏聚力減小,隨含水率的增加其峰值內(nèi)摩擦角和殘余內(nèi)摩擦角先增大后減小。陳鴻賓等[21]利用三軸剪切試驗(yàn)研究桂林飽和、非飽和重塑土的抗剪強(qiáng)度特性,發(fā)現(xiàn)在相同最優(yōu)含水率下,兩者的黏聚力和內(nèi)摩擦角與干密度分別呈凹狀二次多項(xiàng)式擬合和凸?fàn)疃味囗?xiàng)式擬合。陳議城等[22]以桂林紅黏土為研究對(duì)象,研究其在不同含水率下無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和電阻率的關(guān)系,得到無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、初始電阻率、破壞電阻率與含水率呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系,都隨著含水率的增加先快速減小,隨后再逐漸趨于穩(wěn)定;在不同含水率下其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與初始電阻率和破壞電阻率呈正比例函數(shù)關(guān)系,可運(yùn)用此關(guān)系來評(píng)價(jià)紅黏土工程性質(zhì)的變化效果。

4 紅黏土微觀結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀

1925年,Terzaghi首次提出土微觀結(jié)構(gòu)概念之后,國內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)土體的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,提出土體的多種結(jié)構(gòu)模型和概念,隨著電子顯微鏡的發(fā)展,Tovey[23]首先對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的電子顯微照片進(jìn)行了定量分析,獲得了黏土顆粒之間的微觀孔隙尺寸及孔隙含量,為研究土壤礦物學(xué)和微觀結(jié)構(gòu)開辟了新的思路。Gillott[24]利用掃描電鏡系統(tǒng)的研究細(xì)粒土的組構(gòu),隨著掃描電鏡、土樣制備技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)的不斷提高,加快了土體結(jié)構(gòu)的定量研究進(jìn)程;廖義玲[25]提出了紅黏土的微觀結(jié)構(gòu)概化模型,并用該模型分析了紅黏土的力學(xué)性質(zhì)及其弱膨脹性和強(qiáng)收縮性的原因。施斌[26]對(duì)黏性土微觀結(jié)構(gòu)的研究歷史進(jìn)行回顧,分析中國微觀結(jié)構(gòu)研究的現(xiàn)狀和存在的問題,并展望以后的發(fā)展趨勢(shì);中國目前研究黏性土微觀結(jié)構(gòu)的研究方法主要有:掃描電鏡(SEM)分析處理高含水量的土樣冷凍刀切干燥法、定量評(píng)價(jià)黏性土微觀結(jié)構(gòu)的圖像處理技術(shù)、測(cè)定黏性土粒間膠結(jié)物化學(xué)成分的EDX技術(shù)以及無損傷探測(cè)土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的CT技術(shù)[27]。施斌等[28]提出了土顆粒形狀系數(shù)及其空間分布指標(biāo),在定義孔隙及顆粒平均性狀系數(shù)及定向度的基礎(chǔ)上,提出一種人工處理微觀電鏡圖像并定量評(píng)判土體微觀結(jié)構(gòu)的方法,即SQM法[29]。紅黏土獨(dú)特的工程性質(zhì)與其特殊的微觀結(jié)構(gòu)密不可分,國內(nèi)外眾多學(xué)者開展了很多紅黏土微觀結(jié)構(gòu)模型研究;譚羅榮等[30]并通過微觀結(jié)構(gòu)分析,提出了土體凝膠膠結(jié)結(jié)構(gòu)模型(圖1),初步印證了紅黏土矛盾現(xiàn)象的合理性。

圖1 紅黏土粒團(tuán)結(jié)構(gòu)模型[30]Fig.1 Structure model of red clay aggregates

李景陽等[31]

通過大量的電鏡掃描和X射線能譜分析,認(rèn)為殘積紅黏土疊片狀、斑狀、球粒狀等結(jié)構(gòu),與紅黏土的礦物形態(tài)和成因密切相關(guān)。周遠(yuǎn)忠等[32]提出了紅黏土微觀“集?！钡慕Y(jié)構(gòu)模型(圖2),利用該模型對(duì)含水率、含鐵量等因素下的物理力學(xué)性質(zhì)的理論分析、解釋和預(yù)測(cè),并通過三軸試驗(yàn)、模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬驗(yàn)證其方法具有合理性和有效性。

圖2 紅黏土微觀“集?！苯Y(jié)構(gòu)模型[32]Fig.2 Microscopic granular structure model of red clay

宋宇等[33]通過壓汞實(shí)驗(yàn)和掃描電鏡對(duì)不同干密度條件下紅黏土在三軸剪切作用前后下的微觀特征,隨著干密度的增大微觀孔隙主要以小孔徑為主,且微觀結(jié)構(gòu)由粒斑狀結(jié)構(gòu)向疊片狀結(jié)構(gòu)發(fā)展,土顆粒由不規(guī)則排列向整齊排列發(fā)展且具有方向性。朱國平等[34]通過研制的CT-固結(jié)儀研究干濕循環(huán)對(duì)紅黏土細(xì)觀結(jié)構(gòu)的影響,試驗(yàn)結(jié)果表明干濕循環(huán)都能對(duì)其結(jié)構(gòu)造成損傷,并根據(jù)CT試驗(yàn)數(shù)據(jù)提出了可以定量描述其在干濕循環(huán)下土樣飽和度、干濕循環(huán)次數(shù)和上部荷載之間與細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化參數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

5 紅黏土性質(zhì)改良的研究現(xiàn)狀

中國南部紅黏土分布廣泛,且大多都為高液限紅黏土。在工程上常常會(huì)引發(fā)地基不均勻沉降、邊坡失穩(wěn)等一系列工程災(zāi)害,若將遇到的紅黏土進(jìn)行棄土換填,將很大程度上增加工程成本,且棄土因處置不當(dāng)或者堆放過高,還有可能引發(fā)二次災(zāi)害如滑坡等,同時(shí)也會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成破壞。為能更好地利用工程性質(zhì)不良的紅黏土,工程中常利用物理和化學(xué)兩種方法對(duì)紅黏土進(jìn)行改良,物理方法主要是通過摻入碎石、纖維等,而化學(xué)方法主要是通過摻入水泥、石灰、粉煤灰等其他材料與紅黏土發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。因此眾多專家學(xué)者為改善紅黏土的特殊工程地質(zhì)性質(zhì)做了許多研究,且許多成果都在工程中得以運(yùn)用。

莫百金等[35]運(yùn)用不同摻入比砂礫改良高液限紅黏土,發(fā)現(xiàn)隨著摻配率的增加,能夠有效降低液塑限和收縮性和提高其強(qiáng)度。羅斌等[36]通過室內(nèi)外試驗(yàn)研究碎石改良高液限紅黏土性能,發(fā)現(xiàn)隨著碎石摻配率的增加,能夠有效降低收縮性能和提高其壓實(shí)度以及強(qiáng)度,并提出了碎石改良嘉良公路高液限紅黏土的最佳摻配率為70%。阮波等[37]研究聚丙烯纖維改良紅黏土的力學(xué)特性,通過室內(nèi)常規(guī)力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果表明,摻入聚丙烯纖維能顯著提高紅黏土的強(qiáng)度,且隨纖維含量和長度的增加而增大;雖黏聚力得到顯著增強(qiáng),但對(duì)內(nèi)摩擦角影響不顯著;2‰纖維摻量被認(rèn)為是其最優(yōu)摻量,這一成果可為紅黏土地區(qū)路基加固提供參考。朱瑩瑩等[38]運(yùn)用水泥粉煤灰固化紅黏土,通過單摻和復(fù)摻的方式研究對(duì)南方紅黏土的物理力學(xué)特性發(fā)現(xiàn)兩種摻入方式都對(duì)塑性指數(shù)能有明顯改變,抗剪強(qiáng)度顯著提高,在復(fù)摻10%(4%PC+6%FA),1∶200 CTD溶液比同比例單摻的強(qiáng)度更高。張曉帆[39]研究不同劑量石灰對(duì)高液限黏土的工程性質(zhì)發(fā)現(xiàn)摻入石灰能夠有效提高CBR值、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度等,但最優(yōu)摻入率在4%～8%;王賀等[40]研究氧化鈣、氧化鋁以及兩者混摻對(duì)紅黏土的影響,發(fā)現(xiàn)氧化鈣可以明顯提高其強(qiáng)度,但隨摻入率的增大而脆性指數(shù)IB減小,兩者混摻對(duì)紅黏土的脆性指數(shù)、延展性以及紅黏土的強(qiáng)度都能有效改善。董薇等[41]通過研究摻砂對(duì)紅黏土的物理力學(xué)性質(zhì)影響,發(fā)現(xiàn)摻砂能夠有效使紅黏土的液塑限、最大干密度、塑性指數(shù)、收縮系數(shù)和縮限都得到降低,同時(shí)在干濕循環(huán)下也能抑制裂隙發(fā)育。

陳學(xué)軍等[42]、胡舒?zhèn)43]、李佳明等[44,45]探討納米碳酸鈣對(duì)紅黏土的性質(zhì)影響及機(jī)理,發(fā)現(xiàn)摻入納米碳酸鈣后改變紅黏土的氧化鐵膠結(jié),使黏聚力、內(nèi)摩擦角隨摻入率的增大表現(xiàn)出先減弱后增強(qiáng)的趨勢(shì);陳李潔等[2,46]分析超細(xì)輕質(zhì)碳酸鈣對(duì)紅黏土的力學(xué)及微觀孔隙影響,隨著碳酸鈣摻量的增加其力學(xué)性能先減小后增大,黏度降低;加入碳酸鈣后其孔隙度與碳酸鈣含量呈正相關(guān)以及降低比重和密實(shí)度。CHEN等[47]研究氧化鈣對(duì)紅黏土的力學(xué)性能發(fā)現(xiàn)氧化鈣能夠顯著提高紅黏土強(qiáng)度,主要是由于氧化鈣與紅黏土發(fā)生水化反應(yīng)增加其黏聚力,使紅黏土粒狀、片狀結(jié)構(gòu)變?yōu)樾跄隣罱Y(jié)構(gòu);肖慶一等[48]研究分別加入聚丙烯纖維加固二灰和石灰對(duì)紅黏土改良的影響,發(fā)現(xiàn)兩者都能使紅黏土強(qiáng)度提高,抑制收縮開裂和提升抗變形能力;石灰摻量為8%改良紅黏土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和CBR值最大;隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加,聚丙烯纖維加固二灰紅黏的抗拉、抗彎拉強(qiáng)度明顯提升。陳學(xué)軍等[49]研究木質(zhì)素對(duì)紅黏土的影響,發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素能夠有效改良紅黏土的抗壓強(qiáng)度,且在摻量為0%～8%時(shí),隨著摻量的增加,能夠有效的改良液塑限、pH值和抗壓強(qiáng)度。除此之外,還可通過換填法以及土工布和土工薄膜材料對(duì)紅黏土路基進(jìn)行封閉,防止水分?jǐn)U散和冷凝遷移也能有效防治路基濕化、泥化、軟化[50]。

6 結(jié)論與展望

(1)由于紅黏土存在明顯的區(qū)域性分布,其礦物組成成分、物理力學(xué)性質(zhì)、微觀結(jié)構(gòu)與一般黏性土存在差異。

(2)紅黏土在亞熱帶濕熱交替環(huán)境下易產(chǎn)生水分遷移會(huì)對(duì)工程特性造成影響,如邊坡不穩(wěn)定、地基不均勻沉降、收縮開裂和強(qiáng)度劣化等。

(3)由于物理力學(xué)性質(zhì)在各個(gè)區(qū)域存在差異,對(duì)紅黏土的改良方法也不相同。

(4)紅黏土屬于特殊性黏土,分布廣泛,對(duì)其性能改良仍然是以后研究的重點(diǎn),但困難在于其水敏性、熱敏性和微觀結(jié)構(gòu)存在差異,尋求既能改性紅黏土,又能減少環(huán)境危害和降低成本的復(fù)合技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用研究。