中国红黏土的成因及物理力学特征研究进展

杨 鑫,陈学军,宋 宇,李 辉

桂林理工大学 a. 土木与建筑工程学院、b. 广西岩土力学与工程重点实验室, 广西 桂林 541004

0 引言

红黏土是碳酸盐类岩石经过风化作用而形成的残积、坡积或残—坡积的棕红色或黄褐色的黏性土,在中国主要分布于广西、贵州、云南等省份。红黏土具有抗剪强度较高,压缩性、交换容量较低,透水性、崩解性较小及中—弱胀缩性[1,2]等特性,由于这些特性,往往会认为是一种良好的地基土。然而,红黏土作为区域性的特殊土,具有高天然含水率、孔隙比、液限及 “遇水软化,失水收缩干裂”的独特工程地质性质,容易造成边坡失稳,地基不均匀沉降,路基下陷等一系列工程问题。

1 红黏土成因及矿物研究现状

“红土”一词被英国学者Buchanan在1807年率先提出,同时Buchanan认为红土是一种局限于低水平的沉积矿床,并将其描述为块状、非层状富铁黏土材料,充满空洞和孔隙,而后广泛应用于各种土壤、沉积物和岩石,为制定一个可接受的术语来描述红土形成的形式和过程提供了相关问题[3]。中国从二十世纪五六十年代将红黏土作为一种特殊性土,而后引起了众多学者对此类特殊性土产生了浓厚的兴趣,对于红土形成的机理受到很多关注,提出众多假说,但同时也存在争议,到目前也未能达成一个统一的共识。目前,中国学者用于解释红土形成的机理分为三种:“溶蚀—残积说”、“溶蚀—交代成因说”、“外来沉积说”[4]。

张咸恭等[5]提出了“溶蚀—残积说”,认为红土是碳酸盐岩及与其同时产出的其他沉积岩经风化作用形成的风化壳经过淋失作用后都可为红土的形成提供物源,同时众多学者从不同角度论证了“溶蚀—残积说” 的可靠性。随后李景阳等[6,7]提出“溶蚀—交代成因”说,根据碳酸盐岩风化壳主要特征和喀斯特成土作用,认为红土形成是碳酸盐岩溶蚀残余和等体积等厚度溶蚀交代的产物。红土的形成过程主要为两个阶段,第一阶段是顺方解石和白云石结晶颗粒连接处或晶体的解理面溶蚀形成孔洞及砂粒状的溶滤层;第二阶段主要是地下水中的Si、Al、Fe等物质在溶蚀的矿物表面形成黏土矿物。关于“外来沉积说”,符必昌[8]认为是由碳酸盐岩经过特殊的地理气候条件形成古岩溶,再经过地壳运动形成沉积床,当非可溶岩红土化作用后在沉积床上沉积最终成为红黏土。

测量红黏土的矿物成分方法有很多种,韦复才[1]、朱立军等[9]通过差热、X衍射、扫描电镜鉴定和化学成分测试以及大量的土工试验发现红黏土主要由高岭石、伊利石、绿泥石等次生黏土矿物组成,含有少量的蒙脱石、蛭石及绿蒙混层矿物。吕海波等[10]通过X射线衍射试验、全化学元素分析试验以及鲍格(R. H. Bogue)法、K值法对桂林、武鸣两地红黏土进行矿物分析确定主要矿物为高岭石、三水铝石、针铁矿,但桂林红黏土含有一定的石英;同时求出桂林红黏土的矿物成分和含量为:高岭石(56.59%)、三水铝石(11.44%)、针铁矿(15.61%)、石英(12.45%);而武鸣红黏土则为:高岭石(74.0%)、三水铝石(12.53%)、针铁矿(8.37%)。

2 红黏土的变形特性研究现状

红黏土具有“遇水软化,失水收缩”的特性,导致其变形特性为非线性,且易引起地基不均匀沉降、基坑隆起和对道路开裂等一系列岩土体工程地质灾害,所以众多学者对红黏土的变形特性方面做了许多研究,也将研究成果运用于实际工程中,具有非常重要的指导的意义。

黄质宏等[11]研究不同应力路径对红黏土变形特性,发现不同应力路径对红黏土的变形特性影响明显。王英辉等[12]对原状土样和重塑土样进行脱湿或加湿后采用室内力学试验,发现原状土样和重塑土样的应力—应变曲线分别呈应变软化型和应变硬化型,表明红黏土的黏滞性强。方薇等[13]、余敦猛[14]对武广客运专线进行室内试验,发现红黏土的膨胀收缩变形主要为三个阶段:线性递增、外凸弧线、直线缓慢膨胀阶段。罗婉[15]以湘南高液限红黏土为研究对象研究其湿化变形,得出其湿化变形也是有基质吸力丧失产生的,提高土体的压实度也可减少湿化变形;干线、湿线和干裂湿化线的应力—应变曲线基本相似;刘云飞[16]对重庆红黏土进行流变特性试验研究,发现红黏土的变形随着时间的增长先增大后趋于稳定,变形特性则为快速、平稳、稳定三种趋势;流变量随着竖向压力的增加而增大,达到稳定的时间也更长;肖桂元等[17]研究不同类型红黏土的应力—应变曲线归一化特性,结果表明:试验过程中出现了应变弱塑性和应变强塑性两种曲线,且压实度对其影响最为显著,对应力—应变曲线特征采用双曲线函数模型进行拟合,利用主应力差渐进值作为归一化因子,构建了结构性土的本构模型。

3 红黏土的强度特性研究现状

红黏土的力学强度对红黏土的挡土墙、边坡稳定性以及地基承载力等一系列工程稳定都有影响,在某些红黏土地区工程往往因为力学强度未能达到设计要求值,从而引发一些问题,因此对红黏土的强度特性进行研究对工程实践具有一定的意义。

刘春等[18]利用常规三轴试验对贵州毕节红黏土进行研究得出随着非饱和红黏土饱和度的增大其吸力减小,两者之间表现为非线性关系,且反映出强度变化与环境变化有关。欧孝夺等[19]研究常温(-4℃～60℃)对红黏土的力学特性,探讨红黏土抗剪强度指标与温度之间的关系,并得出红黏土的主应力差σ1—σ3峰值强度在10℃和40℃与室温28℃的峰值强度基本相近,但在60℃时其主应力差峰值明显增大;且其抗剪强度指标随热状况而变化,表明红黏土热力学特性敏感。张添锋等[20]研究桂林红黏土抗剪强度与含水率之间的关系,利用固结快剪试验发现随着含水率的增大其峰值凝聚力和残余黏聚力减小,随含水率的增加其峰值内摩擦角和残余内摩擦角先增大后减小。陈鸿宾等[21]利用三轴剪切试验研究桂林饱和、非饱和重塑土的抗剪强度特性,发现在相同最优含水率下,两者的黏聚力和内摩擦角与干密度分别呈凹状二次多项式拟合和凸状二次多项式拟合。陈议城等[22]以桂林红黏土为研究对象,研究其在不同含水率下无侧限抗压强度和电阻率的关系,得到无侧限抗压强度、初始电阻率、破坏电阻率与含水率呈指数函数关系,都随着含水率的增加先快速减小,随后再逐渐趋于稳定;在不同含水率下其无侧限抗压强度与初始电阻率和破坏电阻率呈正比例函数关系,可运用此关系来评价红黏土工程性质的变化效果。

4 红黏土微观结构的研究现状

1925年,Terzaghi首次提出土微观结构概念之后,国内外众多学者对土体的微观结构进行研究,提出土体的多种结构模型和概念,随着电子显微镜的发展,Tovey[23]首先对土壤结构的电子显微照片进行了定量分析,获得了黏土颗粒之间的微观孔隙尺寸及孔隙含量,为研究土壤矿物学和微观结构开辟了新的思路。Gillott[24]利用扫描电镜系统的研究细粒土的组构,随着扫描电镜、土样制备技术的发展和计算机图像处理技术的不断提高,加快了土体结构的定量研究进程;廖义玲[25]提出了红黏土的微观结构概化模型,并用该模型分析了红黏土的力学性质及其弱膨胀性和强收缩性的原因。施斌[26]对黏性土微观结构的研究历史进行回顾,分析中国微观结构研究的现状和存在的问题,并展望以后的发展趋势;中国目前研究黏性土微观结构的研究方法主要有:扫描电镜(SEM)分析处理高含水量的土样冷冻刀切干燥法、定量评价黏性土微观结构的图像处理技术、测定黏性土粒间胶结物化学成分的EDX技术以及无损伤探测土体内部结构的CT技术[27]。施斌等[28]提出了土颗粒形状系数及其空间分布指标,在定义孔隙及颗粒平均性状系数及定向度的基础上,提出一种人工处理微观电镜图像并定量评判土体微观结构的方法,即SQM法[29]。红黏土独特的工程性质与其特殊的微观结构密不可分,国内外众多学者开展了很多红黏土微观结构模型研究;谭罗荣等[30]并通过微观结构分析,提出了土体凝胶胶结结构模型(图1),初步印证了红黏土矛盾现象的合理性。

图1 红黏土粒团结构模型[30]Fig.1 Structure model of red clay aggregates

李景阳等[31]

通过大量的电镜扫描和X射线能谱分析,认为残积红黏土叠片状、斑状、球粒状等结构,与红黏土的矿物形态和成因密切相关。周远忠等[32]提出了红黏土微观“集粒”的结构模型(图2),利用该模型对含水率、含铁量等因素下的物理力学性质的理论分析、解释和预测,并通过三轴试验、模型试验和数值模拟验证其方法具有合理性和有效性。

图2 红黏土微观“集粒”结构模型[32]Fig.2 Microscopic granular structure model of red clay

宋宇等[33]通过压汞实验和扫描电镜对不同干密度条件下红黏土在三轴剪切作用前后下的微观特征,随着干密度的增大微观孔隙主要以小孔径为主,且微观结构由粒斑状结构向叠片状结构发展,土颗粒由不规则排列向整齐排列发展且具有方向性。朱国平等[34]通过研制的CT-固结仪研究干湿循环对红黏土细观结构的影响,试验结果表明干湿循环都能对其结构造成损伤,并根据CT试验数据提出了可以定量描述其在干湿循环下土样饱和度、干湿循环次数和上部荷载之间与细观结构演化参数的数学表达式。

5 红黏土性质改良的研究现状

中国南部红黏土分布广泛,且大多都为高液限红黏土。在工程上常常会引发地基不均匀沉降、边坡失稳等一系列工程灾害,若将遇到的红黏土进行弃土换填,将很大程度上增加工程成本,且弃土因处置不当或者堆放过高,还有可能引发二次灾害如滑坡等,同时也会对生态环境造成破坏。为能更好地利用工程性质不良的红黏土,工程中常利用物理和化学两种方法对红黏土进行改良,物理方法主要是通过掺入碎石、纤维等,而化学方法主要是通过掺入水泥、石灰、粉煤灰等其他材料与红黏土发生化学反应。因此众多专家学者为改善红黏土的特殊工程地质性质做了许多研究,且许多成果都在工程中得以运用。

莫百金等[35]运用不同掺入比砂砾改良高液限红黏土,发现随着掺配率的增加,能够有效降低液塑限和收缩性和提高其强度。罗斌等[36]通过室内外试验研究碎石改良高液限红黏土性能,发现随着碎石掺配率的增加,能够有效降低收缩性能和提高其压实度以及强度,并提出了碎石改良嘉良公路高液限红黏土的最佳掺配率为70%。阮波等[37]研究聚丙烯纤维改良红黏土的力学特性,通过室内常规力学试验结果表明,掺入聚丙烯纤维能显著提高红黏土的强度,且随纤维含量和长度的增加而增大;虽黏聚力得到显著增强,但对内摩擦角影响不显著;2‰纤维掺量被认为是其最优掺量,这一成果可为红黏土地区路基加固提供参考。朱莹莹等[38]运用水泥粉煤灰固化红黏土,通过单掺和复掺的方式研究对南方红黏土的物理力学特性发现两种掺入方式都对塑性指数能有明显改变,抗剪强度显著提高,在复掺10%(4%PC+6%FA),1∶200 CTD溶液比同比例单掺的强度更高。张晓帆[39]研究不同剂量石灰对高液限黏土的工程性质发现掺入石灰能够有效提高CBR值、无侧限抗压强度等,但最优掺入率在4%～8%;王贺等[40]研究氧化钙、氧化铝以及两者混掺对红黏土的影响,发现氧化钙可以明显提高其强度,但随掺入率的增大而脆性指数IB减小,两者混掺对红黏土的脆性指数、延展性以及红黏土的强度都能有效改善。董薇等[41]通过研究掺砂对红黏土的物理力学性质影响,发现掺砂能够有效使红黏土的液塑限、最大干密度、塑性指数、收缩系数和缩限都得到降低,同时在干湿循环下也能抑制裂隙发育。

陈学军等[42]、胡舒伟[43]、李佳明等[44,45]探讨纳米碳酸钙对红黏土的性质影响及机理,发现掺入纳米碳酸钙后改变红黏土的氧化铁胶结,使黏聚力、内摩擦角随掺入率的增大表现出先减弱后增强的趋势;陈李洁等[2,46]分析超细轻质碳酸钙对红黏土的力学及微观孔隙影响,随着碳酸钙掺量的增加其力学性能先减小后增大,黏度降低;加入碳酸钙后其孔隙度与碳酸钙含量呈正相关以及降低比重和密实度。CHEN等[47]研究氧化钙对红黏土的力学性能发现氧化钙能够显著提高红黏土强度,主要是由于氧化钙与红黏土发生水化反应增加其黏聚力,使红黏土粒状、片状结构变为絮凝状结构;肖庆一等[48]研究分别加入聚丙烯纤维加固二灰和石灰对红黏土改良的影响,发现两者都能使红黏土强度提高,抑制收缩开裂和提升抗变形能力;石灰掺量为8%改良红黏土无侧限抗压强度和CBR值最大;随着养护龄期的增加,聚丙烯纤维加固二灰红黏的抗拉、抗弯拉强度明显提升。陈学军等[49]研究木质素对红黏土的影响,发现木质素能够有效改良红黏土的抗压强度,且在掺量为0%～8%时,随着掺量的增加,能够有效的改良液塑限、pH值和抗压强度。除此之外,还可通过换填法以及土工布和土工薄膜材料对红黏土路基进行封闭,防止水分扩散和冷凝迁移也能有效防治路基湿化、泥化、软化[50]。

6 结论与展望

(1)由于红黏土存在明显的区域性分布,其矿物组成成分、物理力学性质、微观结构与一般黏性土存在差异。

(2)红黏土在亚热带湿热交替环境下易产生水分迁移会对工程特性造成影响,如边坡不稳定、地基不均匀沉降、收缩开裂和强度劣化等。

(3)由于物理力学性质在各个区域存在差异,对红黏土的改良方法也不相同。

(4)红黏土属于特殊性黏土,分布广泛,对其性能改良仍然是以后研究的重点,但困难在于其水敏性、热敏性和微观结构存在差异,寻求既能改性红黏土,又能减少环境危害和降低成本的复合技术开发与应用研究。