武廣客專紅粘土變形特性及形成機(jī)理研究*

余敦猛 楊果林 方 薇

(中冶集團(tuán)武漢勘察研究院有限公司1) 武漢 430080) (中南大學(xué)土木建筑學(xué)院2) 長(zhǎng)沙 410075)1)

紅粘土是碳酸鹽巖在熱帶、亞熱帶濕熱氣候條件下經(jīng)過(guò)物理、化學(xué)風(fēng)化和紅土化作用而形成的一種呈褐紅、棕紅及黃褐等顏色的高塑性粘土.由于紅粘土的特殊性,紅粘土地段常常發(fā)生諸如路基沉陷和邊坡失穩(wěn)等病害,給人民生命財(cái)產(chǎn)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)造成巨大損失.武廣客運(yùn)專線武漢至韶關(guān)段分布有長(zhǎng)達(dá)100 km的紅粘土,在修筑路基和開挖邊坡時(shí)常會(huì)遇到一系列紅粘土變形方面的問(wèn)題,因此,對(duì)武廣客運(yùn)專線沿線紅粘土的變形特性進(jìn)行研究也就顯得十分迫切和必要.本文從紅粘土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、固結(jié)變形和脹縮變形3個(gè)方面來(lái)研究紅粘土的變形特性,并討論了紅粘土變形特性的成因,對(duì)于如何減小紅粘土的變形、確保相關(guān)工程的安全順利進(jìn)行提出了若干應(yīng)對(duì)措施.

1 紅粘土的應(yīng)力-應(yīng)變特性

1.1 紅粘土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

由圖1可知,紅粘土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系呈非線性.紅粘土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線陡峭段的應(yīng)變較小,而對(duì)應(yīng)的應(yīng)力增幅較大,但隨后的平緩段對(duì)應(yīng)的應(yīng)變較大,而應(yīng)力增長(zhǎng)較小.這表明,在應(yīng)力作用下,達(dá)到結(jié)構(gòu)強(qiáng)度后產(chǎn)生的應(yīng)變遠(yuǎn)大于土體擠密所產(chǎn)生的應(yīng)變,即第二階段變形遠(yuǎn)大于第一階段的變形[1].

圖1 紅粘土固結(jié)排水剪應(yīng)力-應(yīng)變曲線

1.2 紅粘土的體積應(yīng)變-軸向應(yīng)變關(guān)系

由圖2可知,紅粘土的體積應(yīng)變-軸向應(yīng)變關(guān)系呈非線性,均有明顯的拐點(diǎn),在起始階段各圍壓下紅粘土的體積應(yīng)變-軸向應(yīng)變曲線基本一致,這說(shuō)明該紅粘土具有相同的初始應(yīng)力狀態(tài),初始變形狀態(tài)相同.隨著圍壓增大,體積變形也相應(yīng)增大.各圍壓下,紅粘土在剪切的初始階段都是剪縮,但過(guò)了拐點(diǎn)以后體積變化出現(xiàn)了波動(dòng),出現(xiàn)剪脹現(xiàn)象,有的土體體積應(yīng)變?cè)谶_(dá)到某一固定值后便不再隨軸向應(yīng)變?cè)黾佣l(fā)生變化.

在第一階段變形中,由于紅粘土的結(jié)構(gòu)沒有破壞,紅粘土在剪切過(guò)程中不會(huì)發(fā)生土顆粒的旋轉(zhuǎn)、錯(cuò)動(dòng)等現(xiàn)象,所以是剪縮的,即圖2中拐點(diǎn)之前陡峭段對(duì)應(yīng)的體積應(yīng)變.在第二階段的變形中,由于土體結(jié)構(gòu)已經(jīng)破壞,在受到擠壓后,一些土顆粒必須脫離原來(lái)的位置,繞過(guò)前面的顆粒產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)滑移,這時(shí)土體便可能出現(xiàn)剪脹現(xiàn)象.

圖2 紅粘土的體積應(yīng)變-軸向應(yīng)變關(guān)系曲線

2 紅粘土的固結(jié)變形特性

固結(jié)是土的工程性質(zhì)的一個(gè)重要方面,與建筑的穩(wěn)定和沉降有密切的關(guān)系.伴隨著固結(jié)過(guò)程,土體內(nèi)部的顆粒排列不斷調(diào)整,粒間的應(yīng)力不斷改變,使土體強(qiáng)度增強(qiáng).

固結(jié)變形指標(biāo)主要是通過(guò)壓縮曲線反映出來(lái)的.根據(jù)武廣客運(yùn)專線沿線咸寧和泉口兩個(gè)工點(diǎn)的試樣的固結(jié)試驗(yàn)結(jié)果,繪制紅粘土的e-lg p壓縮曲線如圖3所示.由圖3可知,在壓縮的初始階段,即固結(jié)壓力小于先期固結(jié)壓力pc時(shí),e-lg p壓縮曲線并沒有像一般粘性土那樣出現(xiàn)直線段.而當(dāng)固結(jié)壓力超過(guò)先期固結(jié)壓力pc后,紅粘土的壓縮曲線(e-lg p)呈線性關(guān)系.利用雙對(duì)數(shù)法[2],固結(jié)壓縮曲線則可以很好地用兩條直線表示,如圖4所示.對(duì)應(yīng)于2條直線交點(diǎn)的應(yīng)力即為“先期固結(jié)壓力pc”.武廣客運(yùn)專線紅粘土固結(jié)變形的壓縮系數(shù)及固結(jié)壓力等指標(biāo)分別見表1和2.此外,為了更完整地認(rèn)識(shí)紅粘土的剖面特性,表3給出了其含水量、孔隙比和液/塑限隨深度的變化關(guān)系.

圖3 紅粘土試樣e-lg p固結(jié)壓縮曲線

圖4 紅粘土ln(1+e)-lg p雙對(duì)數(shù)固結(jié)壓縮曲線

表1 紅粘土固結(jié)變形的主要指標(biāo)

表2 紅粘土先期固結(jié)壓力及超固結(jié)比

表3 紅粘土各指標(biāo)的剖面分布特征

試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn):(1)紅粘土的先期固結(jié)壓力大,原狀土的pc值在262～370 kPa之間,且遠(yuǎn)大于上覆土層的自重壓力.固結(jié)試驗(yàn)證實(shí)了紅粘土是超固結(jié)性土;(2)固而不密和反剖面特征.固而不密特征是指紅粘土是超固結(jié)性的,但其孔隙比又較大.2個(gè)工點(diǎn)試驗(yàn)的紅粘土的先期固結(jié)壓力pc及超固結(jié)比OCR隨剖面向下有規(guī)律的遞減,即“固結(jié)反剖面特征”,而且這種“反向”具有突變性.此外,表3表明孔隙比隨著埋深的增加而增大,這也是與一般粘土相反的.反剖面特征有力地說(shuō)明了紅粘土“上硬下軟”的工程特性.(3)由表1可知,紅粘土的壓縮系數(shù)平均值在0.22～0.26 MPa-1之間,為中等壓縮性土.壓縮指數(shù)平均值在0.137～0.141之間,高于老粘性土.單從紅粘土的壓縮變形參數(shù)來(lái)看,并不能表明他與其他土類有多大的不同,但若與其高孔隙性、高液限、高塑性等對(duì)應(yīng)起來(lái)看,紅粘土就具有自身特有的變形特征,即在很高的孔隙比下具有中壓縮性特征.

3 紅粘土的脹縮變形特性

3.1 紅粘土脹縮特性

紅粘土的脹縮參數(shù)指標(biāo)平均值見表4所列.兩個(gè)工點(diǎn)紅粘土的無(wú)荷膨脹率均在2.5%以下,自由膨脹率也都小于40%,膨脹性不大.紅粘土的膨脹力小于22 kPa,由于實(shí)際工程中路基土體承受的荷載一般都大于22 kPa,故其膨脹對(duì)工程破壞較小.此外,紅粘土的體縮率大于18.40%,線縮率大于1.46%,收縮系數(shù)在0.28～0.35之間,縮限在16.90～17.00之間.

表4 紅粘土的脹縮變形參數(shù)

如果按膨脹指標(biāo)給紅粘土分類(自由膨脹率小于40%為非膨脹土),那么2個(gè)工點(diǎn)的紅粘土均不是膨脹土.但如果按收縮指標(biāo)劃分(體縮率在16%～23%屬于中等膨脹土),那么又都屬于中等膨脹土的范疇.因此紅粘土具有特殊的脹縮特點(diǎn),即:雖然其膨脹性微弱,但有著較強(qiáng)的收縮性.

3.2 紅粘土脹縮變形的時(shí)程特性

如圖5,紅粘土的膨脹變形曲線可以分為3個(gè)階段:(1)直線勻速膨脹階段.這個(gè)階段持續(xù)時(shí)間較短,但變形量較大,約占整個(gè)膨脹變形量的70%,實(shí)際工程中紅粘土吸水變形也主要發(fā)生在這個(gè)時(shí)間段內(nèi);(2)外凸弧線減速膨脹階段.這一階段的膨脹變形中,外凸弧線的曲率明顯增大,膨脹速率變緩,但這一階段的膨脹持續(xù)時(shí)間明顯增長(zhǎng).相比直線劇烈膨脹階段,這一階段的膨脹量比較小,約占整個(gè)膨脹變形量的25%左右;(3)直線緩慢膨脹階段.這一階段的膨脹曲線近似水平直線,膨脹變形量非常小,占整個(gè)膨脹變形量的5%以內(nèi),但這一階段的持續(xù)時(shí)間非常長(zhǎng),占整個(gè)膨脹時(shí)間的一半以上.第一階段膨脹變形發(fā)生在浸水表面,吸力較大,吸水較快,膨脹速率較高;隨著水分由于毛細(xì)作用深入土體內(nèi)部,土水交界面面積擴(kuò)大,土體開始完全膨脹,進(jìn)入第二階段外凸弧線減速膨脹階段;隨著土體水分的增加,土體內(nèi)吸力逐漸降低,吸水速度減小,土體的膨脹速率也降低;進(jìn)入直線緩慢膨脹階段,直至土體完全吸水飽和,土體膨脹變形達(dá)到穩(wěn)定.需要說(shuō)明的是,以上三個(gè)階段間的界限不是絕對(duì)的,而是為了方便描述紅粘土浸水條件下的膨脹變形時(shí)程特性而人為劃分的.

圖5 紅粘土的脹縮時(shí)程曲線

紅粘土的收縮變形同樣分為3個(gè)階段:(1)直線勻速收縮階段.此階段的長(zhǎng)短與土樣中粘粒含量多少、制備含水量大小以及水分蒸發(fā)散失條件有關(guān),一般持續(xù)12 h左右;(2)外凸弧線減速收縮階段,隨著含水量的減少,土體收縮速度減緩;(3)直線緩慢收縮階段,含水量繼續(xù)減少,土體不再收縮或收縮甚微.各個(gè)階段的收縮速度及收縮量不同,在直線等速收縮階段和外凸弧線減速收縮階段內(nèi)所發(fā)生的收縮量占總收縮量的95%以上,而在直線緩慢收縮階段收縮量很小,通常小于5%.

4 紅粘土變形特性形成機(jī)理的討論

4.1 關(guān)于紅粘土的先期固結(jié)應(yīng)力及其超固結(jié)性

傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為先期固結(jié)壓力是由土體的自重應(yīng)力引起,也就是說(shuō),土的固結(jié)程度取決于土體歷史上曾經(jīng)有過(guò)的埋深.通常情況下,由于土體自重作用,隨著埋深的增加,密度會(huì)增加、壓縮性減小;先期固結(jié)壓力增大,固結(jié)程度也會(huì)越好.絕大多數(shù)正常沉積的土體都遵循這一基本規(guī)律,尤其是粒間不存在聯(lián)結(jié)的砂類土,先期固結(jié)壓力來(lái)自上覆土體自重,其隨埋深增加而增大,與壓縮性和孔隙比減小等有著良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系.然而,室內(nèi)試驗(yàn)表明紅粘土卻并非如此,而是呈現(xiàn)出隨著埋深的增加,土的先期固結(jié)壓力和超固結(jié)比減小、固結(jié)性變差的特征,即“反剖面”特性,它與紅粘土的物理性質(zhì)和狀態(tài)指標(biāo)隨深度增加而變差、變軟的規(guī)律相一致.

紅粘土的先期固結(jié)壓力大,甚至超過(guò)了上覆土體自重的數(shù)倍;此外,隨著深度的增加,紅粘土先期固結(jié)壓力反而有規(guī)律地減小,由此可推知造成紅粘土先期固結(jié)壓力的因素具有隨深度增加而減弱的規(guī)律,這是由紅土化作用決定的,而非重力因素所致.紅土化作用是一個(gè)特殊而復(fù)雜的演變過(guò)程.簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),就是在干濕交替明顯的氣候條件下,土中難溶的氧化鐵、鋁、硅等物質(zhì)連續(xù)不斷溶濾、聚集、膠化、陳化,把松散的土粒膠結(jié)起來(lái),并通過(guò)氧化鐵對(duì)土進(jìn)行染色作用的過(guò)程.在這一過(guò)程中逐漸形成抗水性好,力學(xué)強(qiáng)度較高的膠結(jié)物,使疏松多孔的土粒得以連接成整體,從而具有較好的力學(xué)性能.紅土化作用的程度主要取決于氣候、埋深和作用時(shí)間.離地表越深,越不易受大氣干濕交替的影響,紅土化作用也就越弱.因此,游離氧化鐵的含量也是沿垂直剖面由上到下逐漸減少的.隨著氧化鐵的含量的減少,其對(duì)紅粘土的膠結(jié)就越來(lái)越弱,紅粘土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度就越來(lái)越小,由此引起的先期固結(jié)壓力也就越來(lái)越小.紅粘土的固結(jié)的本質(zhì)是其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、力學(xué)性能加強(qiáng)的過(guò)程和結(jié)果,包括物理固結(jié)和化學(xué)固結(jié)[3-4].

由此可見,紅粘土的先期固結(jié)壓力與傳統(tǒng)定義中的從應(yīng)力歷史角度出發(fā)的先期固結(jié)壓力有著本質(zhì)的區(qū)別.就像前蘇聯(lián)學(xué)者杰尼索夫指出的那樣,壓密只是土顆粒的間距及位置的改變,并沒有涉及到質(zhì)變.而固結(jié)作用是物理化學(xué)、化學(xué)、生物化學(xué)作用.當(dāng)土顆粒在新的位置達(dá)到平衡狀態(tài)后,壓密作用就結(jié)束了,而固結(jié)作用遠(yuǎn)沒有結(jié)速.固結(jié)作用直到土固化成巖石后才逐漸停止[5].由應(yīng)力歷史引起的固結(jié)僅僅是物理壓密過(guò)程,而紅粘土的先期固結(jié)壓力是在特殊的成土過(guò)程中形成的,其真正的含義是紅粘土微觀結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的宏觀反映,它表征著結(jié)構(gòu)的屈服強(qiáng)度,而不是上覆壓力歷史的記錄.

4.2 關(guān)于紅粘土的微觀結(jié)構(gòu)

紅粘土的微觀結(jié)構(gòu)特征分為2個(gè)層次,相對(duì)應(yīng)的,也有兩個(gè)層次的孔隙,一個(gè)是粒團(tuán)內(nèi)部的細(xì)小孔隙;另一個(gè)層次的孔隙是粒團(tuán)之間的較大孔隙.貴州大學(xué)廖義玲教授曾根據(jù)掃描電鏡觀察和壓汞試驗(yàn)認(rèn)為,粒團(tuán)內(nèi)的孔隙極其發(fā)育,約占孔隙總體積的3/4以上,呈封閉或半封閉狀,受壓力作用后,孔隙的數(shù)量變化不大,屬于受力后具有“惰性”的孔隙;粒團(tuán)之間的孔隙多呈菱形、狹長(zhǎng)型或不規(guī)則形,受力后這類孔隙數(shù)量大幅減少,是活性孔隙.

粒團(tuán)內(nèi)部連結(jié)是牢固的、水穩(wěn)性的連結(jié),具有一定的剛性,所以內(nèi)部孔隙在常壓下不會(huì)有很大變化.在外部荷載的作用下,紅粘土體積變化的主要因素是粒團(tuán)之間的孔隙減少,而粒團(tuán)之間的孔隙僅占孔隙體積總體積的四分之一,故其壓縮性小.所以,紅粘土具有高孔隙性卻是低壓縮性土,其最根本原因是紅粘土本身微觀成分和結(jié)構(gòu)所決定的.

5 結(jié) 論

1)紅粘土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系呈非線性.曲線陡峭段的應(yīng)變較小,而對(duì)應(yīng)的應(yīng)力增幅較大,但平緩段對(duì)應(yīng)的應(yīng)變較大,而應(yīng)力增長(zhǎng)較小.在應(yīng)力作用下,先是土體擠密產(chǎn)生應(yīng)變,接著是土體結(jié)構(gòu)被破壞而產(chǎn)生變形,其中第二階段變形遠(yuǎn)大于第一階段的變形.在第一階段變形中,紅粘土是剪縮的;在第二階段的變形中,可能出現(xiàn)剪脹現(xiàn)象.

2)武廣客運(yùn)專線紅粘土具有超固結(jié)性、固而不密的特性.在孔隙比很高的同時(shí)具有中等壓縮性.固結(jié)反剖面特征明顯.剖面上部先期固結(jié)壓力較大,超固結(jié)比較大,固結(jié)程度好;下部超固結(jié)比小,固結(jié)程度差,呈現(xiàn)出上硬下軟的特性.紅粘土雖然含水量高,孔隙比大,但承載力較好,是一種良好的天然地基土.

3)武廣客運(yùn)專線紅粘土按膨脹性來(lái)劃分,它不屬于膨脹土;從收縮性來(lái)看則又屬中等膨脹土,即以縮為主,縮大于脹.紅粘土的膨脹、收縮曲線具有明顯的相似性,膨脹、收縮過(guò)程都經(jīng)歷了從斜直線→弧線→平直線的變化過(guò)程,但兩個(gè)過(guò)程的各階段持續(xù)時(shí)間及所發(fā)生的變形量有很大差異,吸水膨脹明顯要比失水收縮快得多.

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[4]韋時(shí)宏,廖義玲.黔中地區(qū)紅粘土的超固結(jié)性及低密實(shí)度和變形特征[J].貴州工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2006,35(4):9-12.

[5]杰尼索夫.粘性土的工程性質(zhì)[M].盛崇文,譯.北京:水利電力出版社,1960.