貴州紅粘土稠度狀態(tài)指標(biāo)劃分差異及其原因分析

唐 薇，廖義玲，唐睿旋，易慶波，張衍林

（1.貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.中國地質(zhì)大學(xué)，湖北 武漢 430074）

紅粘土在貴州省內(nèi)廣泛分布，發(fā)育完好，是與工程建設(shè)關(guān)系最為密切的土類。對于粘性土而言，其力學(xué)性質(zhì)主要由粒間連結(jié)力控制［1］，而粒間連結(jié)力在不同的稠度狀態(tài)上有不同的表現(xiàn)形式，因此在粘性土中稠度狀態(tài)是一項重要的指標(biāo)。由于受到母巖巖性和成土條件的影響，貴州紅粘土有自身特殊的性質(zhì)，其中稠度狀態(tài)的特殊性表現(xiàn)得尤為突出，故而探討貴州紅粘土的稠度狀態(tài)及其指標(biāo)有著重要的意義。

1 稠度狀態(tài)及其指標(biāo)

對于同種土，其稠度狀態(tài)是由于含水多少的不同，土表現(xiàn)出不同的軟硬狀態(tài)。土體稠度狀態(tài)指標(biāo)的大小是通過天然含水率與界限含水率(塑限含水率、液限含水率)的關(guān)系來考慮的，一般用液性指數(shù)IL來表征。當(dāng)天然含水率小于塑限含水率時，土體屬于堅硬狀態(tài)；當(dāng)天然含水率大于液限含水率時，土體屬于流態(tài)；當(dāng)天然含水率在界限含水率之間時，土體屬于塑態(tài)［2］。

貴州紅粘土是廣泛分布的工程土類，經(jīng)過長期工程實踐發(fā)現(xiàn)，紅粘土的稠度狀態(tài)比較特殊，若按一般粘性土的液性指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)來劃分，會與實際稠度狀態(tài)有出入。在工程應(yīng)用上，為了解決這個問題，通過大量工程實踐統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，用含水比aw來劃分貴州紅粘土的稠度狀態(tài)更符合實際情況，更能表明貴州紅粘土在自然狀態(tài)下的稠度情況，為此還制定了相關(guān)劃分標(biāo)準(zhǔn)寫入規(guī)范中［3］，劃分范圍如表 1。

表1 含水比劃分紅粘土稠度狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)［3］Table 1 Classification standard of consistency state of red clay by using water content ratio

由于貴州紅粘土稠度狀態(tài)劃分上的特殊性，筆者通過大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析，發(fā)現(xiàn)用液性指數(shù)對貴州紅粘土稠度狀態(tài)劃分會將本屬于硬塑態(tài)的劃分到堅硬和軟塑態(tài)中去，且不同地域紅粘土在指標(biāo)差異上有所不同。針對研究內(nèi)容，選取分布在銅仁、黔東南、貴陽、遵義、安順、六盤水6個地區(qū)的紅粘土進(jìn)行分析。

2 對貴州紅粘土的稠度狀態(tài)的探討

2.1 含水比劃分貴州紅粘土的稠度狀態(tài)

根據(jù)規(guī)范要求，采用表1分類標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計上述6個區(qū)域共1628組數(shù)據(jù)，稠度狀態(tài)劃分結(jié)果如表2。從表2中可以看出，貴州紅粘土大部分處于硬塑和可塑狀態(tài)，兩者所占比例高達(dá)88.27%，流態(tài)所占比例很小，僅有0.37%，多在局部的低洼地形或溶洞中會出現(xiàn)這種情況。數(shù)據(jù)顯示，紅粘土從西部高原地區(qū)主要由軟塑、可塑狀態(tài)為主，向東部山地丘陵區(qū)逐漸變化為以硬塑甚至堅硬狀態(tài)為主。六盤水地區(qū)可塑、軟塑、流態(tài)所占比例高達(dá)87.97%，這3個狀態(tài)多占比例向東依次為安順75.14%，遵義71%，貴陽37.29%，黔東南53.85%，銅仁16.48%，呈降低的趨勢，而堅硬、硬塑態(tài)的比例從西向東則呈上升的趨勢。貴州東部的銅仁地區(qū)比西部的六盤水地區(qū)海拔低，氣溫高，晝夜溫差大，稠度狀態(tài)相較來看，統(tǒng)計樣品中處堅硬、硬塑態(tài)的土樣比例較大，甚至無流態(tài)的土樣，而六盤水地區(qū)處可塑、軟塑態(tài)的土樣比例較大。在貴州省內(nèi)，不同區(qū)域的紅粘土，其稠度狀態(tài)是有差異的。

表2 貴州不同地區(qū)紅粘土稠度狀態(tài)統(tǒng)計表(用aw劃分)Table 2 A statistic chart of consistency state of red clay in Guizhou regions(By using water content ratio)

2.2 液性指數(shù)劃分貴州紅粘土的稠度狀態(tài)

一般粘性土用液性指數(shù)IL來劃分土的稠度狀態(tài)，稠度狀態(tài)劃分標(biāo)準(zhǔn)如表3。

表3 液性指數(shù)劃分粘性土狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)［2］Table 3 Classification standard of consistency state of red clay by using liquid index

將1628組土工試驗數(shù)據(jù)采用IL稠度劃分標(biāo)準(zhǔn)，貴州紅粘土的稠度狀態(tài)劃分結(jié)果如圖1。從劃分結(jié)果來看，可塑態(tài)的比例最高，所占比例達(dá)57.24%，而硬塑態(tài)所占比例僅為27.46%，堅硬狀態(tài)占11.12%，軟塑態(tài)占3.81%，流態(tài)占0.37%。

2.3 aw和IL劃分稠度狀態(tài)的差異

由統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出，用含水比和液性指數(shù)對貴州紅粘土稠度狀態(tài)劃分確實有一定差異，各種狀態(tài)的分配比例有所改變(圖1)。

圖1 含水比與液性指數(shù)對貴州紅粘土狀態(tài)劃分結(jié)果對比圖Fig.1 Correlation map of the classification result of the red clay in Guizhou by using water content ratio and liquid index

從劃分結(jié)果以及對比圖1不難發(fā)現(xiàn)，貴州紅粘土大部分仍處于硬塑和可塑狀態(tài)，兩者所占比例均達(dá)80%以上，就這一點而言，液性指數(shù)劃分結(jié)果與含水比劃分結(jié)果一樣，但兩者劃分結(jié)果中各稠度狀態(tài)所占比例有變化。用含水比劃分，堅硬狀態(tài)紅粘土僅占3.93%，硬塑態(tài)的紅粘土占 48.1%，可塑態(tài)的占40.17%，而用液性指數(shù)劃分結(jié)果顯示，堅硬狀態(tài)紅粘土占11.12%，硬塑狀態(tài)紅粘土只占27.46%，可塑態(tài)的紅粘土達(dá)57.24%，總體表現(xiàn)為用液性指數(shù)劃分后堅硬狀態(tài)的增加，硬塑態(tài)的減少和可塑態(tài)的增多，可認(rèn)為是用液性指數(shù)對貴州紅粘土稠度狀態(tài)劃分會將本屬于硬塑態(tài)的劃分到堅硬和軟塑態(tài)中去了，即說明用液性指數(shù)對貴州紅粘土土樣狀態(tài)進(jìn)行劃分，稠度狀態(tài)結(jié)果不太符合實際情況。

2.4 原因分析

紅粘土成土最主要的是巖溶作用和紅土化作用兩個地質(zhì)作用階段［4～5］。巖溶作用形成的殘余堆積物還不是紅粘土，經(jīng)過紅土化作用后才演化成紅粘土。紅土化作用是一種特殊的地球化學(xué)過程，水和溫度是兩個紅土化過程中的必要條件，充分的水利于堆積物繼續(xù)溶蝕，淋濾，分解，溫度使分解出來的物質(zhì)進(jìn)一步演化，重新組成新的氧化物類礦物。當(dāng)溫度達(dá)到一定程度時，氧化物膠體陳化形成固體礦物顆粒。紅土化作用下形成新的氧化物類礦物和膠體是影響紅粘土特殊性質(zhì)最主要的作用之一［6～7］。貴州氣候溫和，冬暖夏涼，水量充沛但不均勻，四季分明，非常適宜于碳酸鹽巖進(jìn)行紅土化地質(zhì)作用，但是由于海拔及地形地貌的影響，不同地區(qū)雨量及氣溫不一，導(dǎo)致紅土化作用程度差異［8］，從而紅粘土所含礦物及膠體含量才有差異，與水作用后表現(xiàn)形式不同，最終形成貴州紅粘土在稠度狀態(tài)上有區(qū)域性的差異。不同地區(qū)紅粘土含水量不同，使結(jié)合水厚度不一樣，貴州東部地區(qū)氣溫高，溫差大，降雨量大，較西部地區(qū)紅土化作用程度劇烈些，稠度上表現(xiàn)為多呈堅硬和硬塑態(tài)，而西部地區(qū)紅粘土多呈可塑和軟塑態(tài)［9］。

紅粘土稠度狀態(tài)的本質(zhì)是含水率增減引起土粒間連結(jié)的變化。貴州紅粘土孔隙細(xì)小，孔隙比大，土中水分含量高，在濕潤氣候條件下，土中充填的水多，但是，紅粘土粘粒含量高，有一定的親水礦物，還有一些不定形物質(zhì)和膠體物質(zhì)，使它們吸附水分子的能力強(qiáng)，更多以結(jié)合水的形式出現(xiàn)，同時土粒間連結(jié)力增強(qiáng)，使得貴州紅粘土在自然狀態(tài)下多為硬塑和可塑態(tài)。

粘性土稠度狀態(tài)的變化，從現(xiàn)象上看是由于含水率的增減引起的，但不同成分的土即使有相同的含水率，稠度狀態(tài)也可相差很大，這是因為相同含水率在不同成分的土中形成的土粒周圍結(jié)合水厚度或擴(kuò)散層厚度不同，也就是說不同土中含水的數(shù)量雖然相同，但水的類型不同，使土粒間連結(jié)強(qiáng)度不同［10］。紅粘土中水的存在形式主要為結(jié)合水，其性質(zhì)不同于普通液態(tài)水，結(jié)合水的密度要比普通純水的密度大，在體積相同時，結(jié)合水的質(zhì)量要比普通水的質(zhì)量大，所以在液性指數(shù)的計算中會因為水密度的影響造成計算結(jié)果偏差。液性指數(shù)計算公式:

式中:IL、IP—— 液性、塑性指數(shù)；

w——天然含水率；

wP、wL——塑限、液限含水率。

由于wP表示從塑態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閳杂矤顟B(tài)時的含水率，在該狀態(tài)下土中主要是以強(qiáng)結(jié)合水為主，其密度比普通水密度大得多，那么與相同體積一般粘性土相比，wP的值會偏大［11］。同理，wL表示為從塑態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱鲬B(tài)時的含水率，在該狀態(tài)下，土中水雖然含有少部分結(jié)合水，但主要還是以自由水為主，與相同體積一般粘性土相比，wL的值相差不大。因為這個原因，使得塑性指數(shù)IP與一般土相比會偏小(這也是塑性圖上紅粘土位于A線下方的原因之一)，由此可以分析出:

(1)在堅硬狀態(tài)下，紅粘土粒間連結(jié)強(qiáng)，高溫條件下固定層連結(jié)不易破壞，粒間水主要為強(qiáng)結(jié)合水，天然含水率值偏低加之wP較一般粘性土偏大，故(wwP)＜0的概率提高，會使本屬于硬塑下限的土誤分到堅硬狀態(tài)中去。在圖1中表現(xiàn)為:用液性指數(shù)對紅粘土劃分堅硬狀態(tài)的比例大于用含水比劃分出的堅硬狀態(tài)的比例。

(2)在硬塑狀態(tài)下，天然含水率與塑限含水率很接近，那么公式(1)中分子(w－wP)因為水密度不同引起的誤差就相對較小，由于分母IP值偏小，使得計算出的IL值偏大，在劃分時會將本屬于硬塑的土誤分到可塑狀態(tài)中去，在圖1中表現(xiàn)為:用液性指數(shù)對紅粘土劃分出硬塑態(tài)的比例小于用含水比劃分出的硬塑態(tài)的比例，相反，可塑態(tài)的比例增加了。

(3)在軟塑和流塑狀態(tài)下，結(jié)合水膜不僅有固定層，還有擴(kuò)散層和自由水層，天然含水率w與液限含水率wL接近，(w－wP)與(wL－wP)由于水密度的影響所產(chǎn)生的誤差可相互抵消，在圖1中表現(xiàn)為:用液性指數(shù)和含水比對紅粘土狀態(tài)劃分后軟塑和流態(tài)所占比例相差不多。

由于以上原因，按一般粘性土適用的液性指數(shù)IL劃分標(biāo)準(zhǔn)來劃分紅粘土的稠度狀態(tài)由于界限值的偏差會與實際情況有出入。另外，含水比和液性指數(shù)均為實測指標(biāo)，但wP在試驗中易產(chǎn)生誤差，故用含水比aw對紅粘土狀態(tài)進(jìn)行劃分不僅能消除因wP實驗誤差所產(chǎn)生的影響，還更能代表貴州紅粘土的狀態(tài)，故而更符合紅粘土的特殊性質(zhì)。

3 稠度指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系

3.1 aw和IL的回歸分析

通過統(tǒng)計軟件對貴州各地區(qū)大量紅粘土土工試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，確定含水比和液性指數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系。分別進(jìn)行一次、二次、指數(shù)、對數(shù)分析，篩選分析結(jié)果，每種關(guān)系中選用決定系數(shù)R2最大的作為兩者的回歸曲線，結(jié)果如表4。從表4中可以看出，含水比和液性指數(shù)均呈二次函數(shù)關(guān)系，即aw=aI2L+bIL+c。相關(guān)系數(shù)和決定系數(shù)均在0.8以上，兩者相關(guān)性較高，散點集中于回歸線附近的程度也較高。各個函數(shù)關(guān)系中，a＞0，且－b/2a＜0，說明在IL＞0的范圍內(nèi)，aw和IL呈正相關(guān)關(guān)系，證明它們在變化趨勢上具有一致性。各回歸方程的系數(shù)不同反映出紅粘土所處區(qū)域不同，各種狀態(tài)的比例分布也不同，即說明了貴州不同地區(qū)紅粘土稠度狀態(tài)變化程度不一。

表4 貴州各地區(qū)紅粘土含水比與液性指數(shù)相關(guān)關(guān)系Table 4 Correlativity of the water content ratio and the liquid index of red clay in Guizhou

3.2 紅粘土液性指數(shù)等效劃分范圍

貴州紅粘土用一般粘性土適用的液性指數(shù)劃分稠度狀態(tài)與實際情況有出入，為了能夠提出一個適合貴州紅粘土稠度狀態(tài)劃分的液性指數(shù)等效劃分范圍，現(xiàn)將表1含水比的劃分范圍帶入到各地區(qū)的回歸方程中，換算出液性指數(shù)等效劃分范圍I'L，得到表5。

表5 紅粘土稠度狀態(tài)液性指數(shù)等效劃分范圍Table 5 Equivalent range of liquid index of consistency state of red clay

為了驗證液性指數(shù)等效劃分范圍I'L的可用性，將1628組土工試驗數(shù)據(jù)采用液性指數(shù)等效范圍I'L進(jìn)行劃分(圖2)，堅硬狀態(tài)所占比例為11.12%；硬塑態(tài)占40.6%；可塑態(tài)占39.25%；軟塑態(tài)占8.66%；流態(tài)占0.37%。液性指數(shù)IL的稠度狀態(tài)劃分區(qū)間對貴州紅粘土來說，硬塑態(tài)的上限偏低，可塑態(tài)的上限偏高，這樣會將本屬于硬塑和軟塑態(tài)的誤分到可塑態(tài)中去，對正確認(rèn)識紅粘土稠度狀態(tài)造成影響。同時從數(shù)據(jù)可以看出來，用液性指數(shù)等效范圍I'L與用含水比aw劃分稠度狀態(tài)的結(jié)果很接近。

圖2 含水比與液性指數(shù)等效范圍對貴州紅粘土狀態(tài)劃分結(jié)果對比圖Fig.2 Correlation of the classification result of the red clay in Guizhou by using water content ratio and equivalent range of liquid index

從圖2中可以看出，用液性指數(shù)等效范圍對貴州紅粘土稠度狀態(tài)進(jìn)行劃分的結(jié)果與用含水比劃分狀態(tài)的結(jié)果，兩者差別大大縮小了，尤其是兩結(jié)果中可塑和軟塑態(tài)的比例相差很小，唯一的差別就是由于紅粘土塑限含水率較一般粘性土偏大的原因，將本屬于硬塑狀態(tài)的誤分到堅硬狀態(tài)中了。結(jié)果的一致性說明用液性指數(shù)等效范圍來劃分貴州紅粘土稠度狀態(tài)有一定的可行性，但這只能作為工程評價紅粘土的參考范圍，暫不能成為規(guī)范的指標(biāo)來推廣。

液性指數(shù)等效劃分范圍I'L概念的提出，可以直觀對比貴州紅粘土與一般粘性土在稠度狀態(tài)劃分上的差別，而這樣比較的結(jié)果間接證明了貴州紅粘土的特殊性，為研究貴州紅粘土特殊性提供了一個新方法。

4 結(jié)論和建議

(1)貴州紅粘土在自然狀態(tài)下，大都處于硬塑和可塑狀態(tài)，且狀態(tài)分布有地域性的差異。西部高原地區(qū)以軟塑、可塑狀態(tài)為主，東部山地丘陵區(qū)以硬塑甚至堅硬狀態(tài)為主。貴州紅粘土不同的紅土化作用程度和孔隙水多為結(jié)合水是造成這一現(xiàn)象的主要原因。

(2)含水比和液性指數(shù)劃分稠度狀態(tài)，結(jié)果間存在差異，用含水比劃分更符合貴州紅粘土的特殊性質(zhì)。紅粘土結(jié)合水層的存在和結(jié)合水密度大于普通水密度是造成劃分結(jié)果差異的主要原因。

(3)含水比和液性指數(shù)之間存在二次函數(shù)關(guān)系。提出適合貴州紅粘土稠度狀態(tài)劃分的液性指數(shù)等效劃分范圍，可以直觀對比出貴州紅粘土與一般粘性土的差別，間接證明貴州紅粘土的特殊性。

由于紅粘土成分結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，以上分析是粗淺的，客觀上是否可行，還有待實踐檢驗。建議進(jìn)一步分析和研究貴州紅粘土特殊性質(zhì)的變化規(guī)律和影響因素，不斷深入對貴州紅粘土特殊性本質(zhì)的研究。

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