貴州紅黏土路用工程性能研究

梁 毅，董潔霜

（上海理工大學(xué)管理學(xué)院，上海200093）

0 前言

關(guān)于紅黏土的定義，JTG D 30—2004《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]中明確規(guī)定：紅黏土是指碳酸鹽巖出露的巖石，經(jīng)紅土化作用形成的棕紅色、褐黃色等的高塑性黏土，其液限一般大于50%。經(jīng)再搬運(yùn)后仍保留紅黏土基本特征，其液限大于45%的土稱為次生紅黏土。紅黏土在貴州省分布十分廣泛，發(fā)育相對(duì)完好，具有的特殊物理力學(xué)性質(zhì)和特征都具有一定的代表性。貴州是國(guó)內(nèi)研究紅黏土最早的地區(qū)之一，很多學(xué)者進(jìn)行了研究并取得了成果，但是都局限在紅黏土的定義、分類、成因等問(wèn)題上。對(duì)于紅黏土作為道路路基填料方面的研究仍存在很大的空間，因此為了提高工程建設(shè)中設(shè)計(jì)和施工的科學(xué)性與合理性，對(duì)紅黏土的路用性質(zhì)的系統(tǒng)研究顯得極其重要。

1 紅黏土的成因

在貴州，紅黏土作為與道路工程建設(shè)關(guān)系密切的土類，自身所具有的特殊性在長(zhǎng)期的實(shí)踐中被人們所逐步認(rèn)識(shí)。土的特殊性是由它的物質(zhì)成分和組成結(jié)構(gòu)所決定的，而成分與結(jié)構(gòu)跟土體本身的成因有關(guān)[2]。

1.1 地形地貌與氣候條件

貴州位于中國(guó)西南部——云貴高原的東斜坡，地理位置為東經(jīng)106°36′～ 106°35′，北緯24°37′～29°13′，東與湖南交界，西與云南接壤，南與廣西毗鄰，北與四川和重慶相連。主要是以高原、山地地形地貌為主要特征，平原山地很少。山地多為溶蝕型喀斯特地貌，在喀斯特作用的影響下，紅黏土下伏的基巖面為起伏不定的溶蝕面，這就成為母巖溶蝕殘余物堆積起來(lái)的保存地。

氣候方面，貴州屬于典型的亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候區(qū)，由于地處低緯山區(qū)，地勢(shì)高差懸殊，所以垂直方向氣候差異較大，立體氣候明顯。就全省大部分地區(qū)而言，氣溫最低值出現(xiàn)在1月份，最高值出現(xiàn)在7月份，平均氣溫為15℃，常年雨量充沛，時(shí)空分布不均。全省各地多年平均年降水量在1 100～1 300mm之間，最多值接近1 600mm，最少值約為850mm。光照條件較差，降雨日數(shù)較多，相對(duì)濕度較大，年平均值在80%左右。這種濕熱交替的特殊氣候條件造就了紅土化作用，影響并決定了紅黏土的成因。

1.2 紅黏土形成過(guò)程

紅黏土形成主要有2個(gè)階段：第1階段為巖溶作用階段，即母巖（碳酸鹽巖系地層），通過(guò)化學(xué)溶蝕為主的巖溶作用，流水的溶蝕沖刷作用把可溶礦物溶解并帶走，剩余的不可溶礦物則殘留并堆積，這就形成了紅黏土最初的物質(zhì)來(lái)源。在物質(zhì)組成上，母巖中占優(yōu)勢(shì)的可溶礦物在流水的作用下溶解帶走，剩余的少量不可溶物質(zhì)成為紅黏土的主要成分，溶蝕殘余物不再具有母巖結(jié)構(gòu)的骨架，多為疏松多孔的砂狀物，母巖結(jié)構(gòu)被徹底破壞[3]。

第2階段為紅土化階段，溶蝕后的殘余堆積物還必須經(jīng)過(guò)紅土化作用后才能形成完全意義上的紅黏土。殘余堆積物在潮濕溫暖的特殊氣候條件下開(kāi)始進(jìn)行紅土化作用，即堆積物在地下水的進(jìn)一步作用下，發(fā)生淀積、淋濾、水化、水解等復(fù)雜地質(zhì)變化并最終形成新的黏土礦物。在黏土化過(guò)程的同時(shí)，紅土化作用又使其中的氧化物逐漸游離出來(lái)，形成新的礦物成分。隨著紅土化的進(jìn)程，新的礦物與剩余的物質(zhì)重新組成了紅黏土的微觀結(jié)構(gòu)，并最終形成紅黏土。

2 紅黏土的物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)特性

紅黏土之所以擁有其他土類不具備的物理力學(xué)等工程特性，是由紅黏土的特殊成分和結(jié)構(gòu)所決定的。如果說(shuō)物質(zhì)成分的組成是基礎(chǔ)，那么結(jié)構(gòu)的排列組合則是必不可少的存在方式。下面我們對(duì)紅黏土的物質(zhì)組成與特殊結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

2.1 物質(zhì)組成

我們按紅黏土的成因和性質(zhì)不同，將紅黏土中的這些礦物分為3類：黏土礦物、游離氧化物和殘余巖屑[4]。

（1）紅黏土中的黏土礦物

紅黏土的主要礦物成分為黏土礦物，對(duì)土樣進(jìn)行X線衍射、差熱分析及離子交換實(shí)驗(yàn)的測(cè)試分析，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行半定量分析估算，其含量約占固態(tài)物質(zhì)總量的50%～80%，測(cè)得土樣中的物質(zhì)成分如表1所示。

表1 紅黏土中所含黏土礦物含量／%

通過(guò)上表分析可知，貴州紅黏土的礦物成分中高嶺石、綠泥石、伊利石所占比重大，部分含少量的蒙脫石。因而土的黏性大，塑性指數(shù)高，使得土體具有比較好的強(qiáng)度與壓實(shí)性能。

（2）紅黏土中的游離氧化物

母巖在成土過(guò)程中經(jīng)歷了強(qiáng)烈的溶蝕作用，原有的鈣、鎂碳酸鹽在土中幾乎被淋失殆盡，殘留的難溶鋁硅酸鹽礦物除形成黏土礦物，部分鋁硅酸鹽礦物進(jìn)一步分解，形成游離氧化物，其含量約為8%～20%，具體見(jiàn)紅黏土游離氧化物分析成分表。

表2 紅黏土中游離氧化物含量

通過(guò)上文紅黏土成因分析我們知道，土體在經(jīng)歷了紅土化作用后，富含了大量的游離氧化物，從表中得知，主要為硅、鋁、鐵的游離氧化物。這些游離氧化物改變了土的性質(zhì)，充當(dāng)紅黏土物質(zhì)結(jié)構(gòu)組成中的膠結(jié)連結(jié)物，是紅黏土形成特殊結(jié)構(gòu)的重要原因，使紅黏土具有失水再吸水后的不可逆性[5]。

（3）紅黏土中的原生礦物及巖石碎屑

殘余巖屑主要是指母巖在紅黏土形成過(guò)程中未被溶解的穩(wěn)定成分，如石英碎屑等礦物。通過(guò)顯微鏡下觀察，殘余巖屑約占礦物總重的2%～15%，主要是石英和結(jié)晶狀的氧化礦物。

2.2 紅黏土的結(jié)構(gòu)特性

土的結(jié)構(gòu)主要包括了2種不同層次的結(jié)構(gòu)類型，分別為微觀結(jié)構(gòu)和宏觀結(jié)構(gòu)。宏觀結(jié)構(gòu)主要泛指土體在空間分布上的關(guān)系，即剖面特性、裂隙特征、巖土界面等。土的微觀結(jié)構(gòu)主要指土的顆粒大小、顆粒相互之間的排列、連結(jié)及孔隙等特征[6]。

2.2.1 宏觀結(jié)構(gòu)

（1）橫向變化特征

巖溶溶蝕作用的不均勻使得紅黏土所在的下伏基巖起伏面高差變化很大，造成了紅黏土厚度在橫向上的突變性：一般為3～5m，厚度大的甚至可達(dá)20多m。會(huì)經(jīng)常發(fā)現(xiàn)，水平距離相差不到1m的紅黏土厚度相差10m甚至更多。紅黏土的厚度突變特性對(duì)路基十分不利，容易產(chǎn)生不均勻沉降等工程地質(zhì)問(wèn)題。

（2）縱向變化特征

紅黏土在縱向上的變化特征與普通的土體截然相反，主要體現(xiàn)在物理力學(xué)性質(zhì)上。我們選取具有代表性的路基挖方進(jìn)行土工試驗(yàn)，數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

從表中數(shù)據(jù)反映，隨著紅黏土剖面深度的增加，土的天然含水量、液限、孔隙比逐漸增高，稠度狀態(tài)則由堅(jiān)硬變?yōu)橛菜軤顟B(tài)、可塑狀態(tài)、軟塑態(tài)，在深達(dá)21m處甚至出現(xiàn)了流塑狀態(tài)。地質(zhì)學(xué)界把紅黏土的此類特征稱為“反剖面”特性[7]。

2.2.2 土的微觀結(jié)構(gòu)

紅黏土的物理力學(xué)性質(zhì)主要是由它的微觀結(jié)構(gòu)所決定的，因此要了解它的工程屬性必須對(duì)其顆粒大小、連結(jié)形式及孔隙進(jìn)行分析研究。

（1）粒度特征

對(duì)采集的紅黏土土樣進(jìn)行顆粒篩分試驗(yàn)（密度計(jì)法），從表4數(shù)據(jù)可以看出：紅黏土中以黏粒為主，約占47%；粉粒次之，約占45.8%，沙粒只有8.2%?？傮w粒度特征為細(xì)分散性。

表3 紅黏土剖面性質(zhì)變化

表4 顆粒篩分實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（2）連結(jié)特性

紅黏土的基本顆粒單元是黏土粒團(tuán)，按結(jié)合方式可以分為：黏土團(tuán)粒內(nèi)部連結(jié)與粒團(tuán)間的連結(jié)。團(tuán)粒內(nèi)部連結(jié)分布于粒團(tuán)表面，為一種絮狀連結(jié)；粒團(tuán)間連結(jié)主要由游離氧化物膠結(jié)而成，通過(guò)膠結(jié)而形成整體的紅黏土不但穩(wěn)定而且具備了特殊的力學(xué)性質(zhì)，即失水后其膠凝作用不可恢復(fù)[8]。

圖1 紅黏土粒團(tuán)結(jié)構(gòu)圖

（3）孔隙特性

紅黏土的孔隙特征完全由土體顆粒的連結(jié)形式所決定，粒團(tuán)內(nèi)部黏土礦物的連結(jié)通過(guò)面—面、邊—邊、邊—面3種方式實(shí)現(xiàn)[9]，彼此的內(nèi)部連結(jié)在黏土礦物間形成了微小的孔隙，約占總孔隙體積的70%，剩余30%左右的孔隙則由黏土粒團(tuán)與粒團(tuán)之間連結(jié)形成，孔隙較大。在路基的壓實(shí)過(guò)程中，使顆粒重新壓實(shí)排列的主要是這部分孔隙。

3 紅黏土的物理力學(xué)性質(zhì)

土的物理性質(zhì)即土在自然狀態(tài)下表現(xiàn)出來(lái)的性質(zhì)，包括物理性質(zhì)指標(biāo)與物理狀態(tài)指標(biāo)；力學(xué)性質(zhì)主要包括壓縮系數(shù)、固結(jié)系數(shù)、抗剪強(qiáng)度，承載比（CBR）等[10]。通過(guò)土工試驗(yàn)分析紅黏土的物理力學(xué)性質(zhì)的變化范圍及特征。

從表中數(shù)據(jù)可以知道，紅黏土具有特殊的物理力學(xué)性質(zhì)，主要表現(xiàn)在紅黏土具有高含水量，土樣中含水量大于65%的土樣占所有試驗(yàn)土樣的60%以上。飽和度也很高，有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)大于100%的不合理現(xiàn)象。一般黏性土的天然孔隙比常見(jiàn)值范圍在0.5～1.0之間，而貴州紅黏土孔隙比e常見(jiàn)值在1.0～2.0（占土樣的84.3%）之間，指標(biāo)超出了一般黏性土的上限。貴州紅黏土還具有高液塑性的特點(diǎn)，塑限多在25%～50%，液限高于60%的占土樣的64.5%。

表5 紅黏土物理性質(zhì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

對(duì)一般黏性土而言，孔隙比大，含水量高，則土的力學(xué)性質(zhì)相應(yīng)地較差，因而工程上常根據(jù)黏性土的這些物理性質(zhì)指標(biāo)，間接的評(píng)價(jià)土的力學(xué)性質(zhì)。紅黏土不符合普通的規(guī)律，它在高孔隙性及高含水量的物理性質(zhì)下，卻具有相對(duì)較好的力學(xué)性質(zhì)。見(jiàn)表6。

表6 紅黏力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

貴州紅黏土與淤泥質(zhì)土相比，孔隙比及天然含水量都相近，內(nèi)聚力卻高出5～6倍，內(nèi)摩擦角提高約1倍，地基容許承載力提高1～2倍；與新近沉積黏性土相比，孔隙比和天然含水量值都大得多，地基容許承載力卻提高1倍左右；和一般黏性土相比，孔隙比與天然含水量幾乎大了1倍，地基容許承載力卻很接近。貴州紅黏土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)與力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系明顯不同于其他土類，其物理性質(zhì)較差，但其力學(xué)性質(zhì)、建筑性能卻較好[11]。

4 結(jié)語(yǔ)

本文僅針對(duì)貴州地區(qū)的紅黏土進(jìn)行了基本的物理力學(xué)性質(zhì)的分析與研究，一方面天然含水率高、高液塑限、路基沉降變形較大、壓實(shí)較困難；另一方面由于其獨(dú)特的物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)特征，有著較高的力學(xué)強(qiáng)度和較低的壓縮性，是一種較好的地基土。

根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定：液限大于50%，塑限指數(shù)大于26的細(xì)粒土，不得直接用于路基填筑[1]。貴州省公路工程建設(shè)中經(jīng)常遇到紅黏土，由于缺少針對(duì)性的處理措施，路基填料的選擇常采用棄土換填的辦法。這種不得已的方法不僅產(chǎn)生大量的紅黏土棄方，而且在征用大量土地進(jìn)行堆置的同時(shí)還需要修建環(huán)保工程。這樣一來(lái)，除工程施工進(jìn)度得不到保障外，還大大增加了工程建設(shè)費(fèi)用。研究和實(shí)踐表明，只要措施得當(dāng)，將紅黏土用作路基填料是可行的。

使用紅黏土作為路基填料應(yīng)通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)和試驗(yàn)路段論證可行后方可使用，針對(duì)紅黏土物理性質(zhì)與工程力學(xué)性質(zhì)的特殊性，施工時(shí)需注意以下問(wèn)題：

（1）控制含水量：紅黏土填筑前應(yīng)在取土場(chǎng)將紅黏土挖松、攤涼、翻曬，使含水量減少一部分，施工時(shí)應(yīng)注意控制紅黏土含水量均勻性。施工前應(yīng)準(zhǔn)備好防雨塑料布，如下雨馬上全面積覆蓋，防雨水浸入。不定期用酒精法測(cè)定土料含水量，碾壓前控制紅黏土含水量達(dá)到施工要求[12]。

（2）保證壓實(shí)度：紅黏土填筑路基時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況通過(guò)試驗(yàn)路段確定施工壓實(shí)工藝，確保壓實(shí)度達(dá)到《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》要求。

（3）減少裂縫數(shù)量，抑制開(kāi)裂寬度：通過(guò)加快施工進(jìn)度和工藝控制，對(duì)分層碾壓后的路基需要盡快覆蓋，以縮短表面曝露風(fēng)干的時(shí)間。

（4）做好路基防排水：為防止水危害路基，紅黏土填筑路段應(yīng)做好路基防排水工程，除常規(guī)的防排水措施外，基底應(yīng)設(shè)置排水隔離層，采用滲水性良好的砂礫或碎石填筑，具體厚度根據(jù)路基設(shè)計(jì)高度而定[13]。

（5）注意邊坡防護(hù)：紅黏土天然含水量較高且飽和，路基開(kāi)挖后形成的邊坡破壞了原有的穩(wěn)定性，土體表面在大氣環(huán)境的影響下含水量降低、失水后產(chǎn)生收縮裂縫，在降雨蒸發(fā)的反復(fù)作用下，紅黏土邊坡容易發(fā)生失穩(wěn)坍塌下滑。在避免雨季施工的前提下，應(yīng)采取快速施工并進(jìn)行封閉措施，防止土體失水[14]。

[1]JTG D30—2004，公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]丁德明.貴州紅粘土的物理力學(xué)性質(zhì)及工程應(yīng)用情況[A].唐大雄.第二界全國(guó)紅土工程地質(zhì)研討會(huì)論文集[C].貴州：貴州科技出版社，1991：160－166.

[3]廖義玲，朱要強(qiáng)，趙坤，等.對(duì)紅粘土成因的再探討[J].貴州大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，23（4）：361－365.

[4]廖義玲，余培厚.紅粘土的微結(jié)構(gòu)及其概化模型[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，1994，2（1）：27－37.

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[8]周訓(xùn)華，廖義玲.紅粘土顆粒之間結(jié)構(gòu)連結(jié)的膠體化學(xué)特征[J].貴州工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2004，33（1）：26－29.

[9]廖義玲，余培厚.紅粘土的微結(jié)構(gòu)及其概化模型[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，1994，2（1）：27－37.

[10]廖義玲，賀增，秦剛，等.中國(guó)南方紅粘土屬性的空間變化規(guī)律[J].貴州科學(xué)，2008，26（4）：53－58.

[11]GB 50021—2001，巖土工程勘察規(guī)范[S].

[12]JTJ 051—3，公路土工試驗(yàn)規(guī)程 [S].

[13]GB 50007—2002，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[14]DB 22／46—2004，貴州建筑巖土工程技術(shù)規(guī)范[S].