碳酸巖地區(qū)紅粘土邊坡變形機(jī)理分析

■董智飛 牟玲峰

（廣西基礎(chǔ)勘察工程有限責(zé)任公司 廣西南寧5300143）

碳酸巖地區(qū)紅粘土邊坡變形機(jī)理分析

■董智飛 牟玲峰

（廣西基礎(chǔ)勘察工程有限責(zé)任公司 廣西南寧5300143）

碳酸巖也叫火成巖，主要物質(zhì)是碳酸鹽礦物，因碳酸巖地區(qū)的土質(zhì)特點(diǎn)，形成了不同的紅粘土變形特性，對(duì)碳酸巖地區(qū)的紅粘土邊坡變形對(duì)工程建筑和土地開發(fā)造成一定的影響。廣西壯族自治區(qū)是典型的碳酸巖地區(qū)，本文將以廣西區(qū)內(nèi)碳酸巖地區(qū)為研究對(duì)象，通過對(duì)廣西殘積紅粘土、殘坡積紅粘土以及沖洪積紅粘土的形成分析，研究廣西區(qū)內(nèi)紅粘土的基本物理性質(zhì)以及收縮性能、微膨脹性能，得出碳酸巖地區(qū)紅粘土邊坡變形的原因。

碳酸巖廣西紅粘土邊坡變形

1　前言

紅粘土主要分為三種，花崗巖的出露區(qū)形成的紅粘土、地質(zhì)紅層的出露區(qū)形成的紅粘土以及碳酸巖的出露區(qū)形成的紅粘土[1]。因紅土化的土質(zhì)影響，最終變成黃褐色、棕紅色等色系的土質(zhì)。因含有的粘粒十分高，粘粒之間都是以結(jié)合水聯(lián)結(jié)和膠結(jié)聯(lián)結(jié)為主要結(jié)合模式，使紅粘土結(jié)構(gòu)性強(qiáng)，是具有十分強(qiáng)的可塑性粘土。廣西、云南、廣東、湖南、貴州等地都屬于熱帶與亞熱帶地區(qū)，是我國主要的紅粘土分布地區(qū)，總露出的面積達(dá)到二十萬平方公里左右，壓縮性能低但具有高力學(xué)強(qiáng)度，因此在紅粘土區(qū)域進(jìn)行施工建設(shè)需要對(duì)紅粘土有一定的探究。本文主要研究的是碳酸巖地區(qū)紅粘土，紅粘土是處在酸性地質(zhì)環(huán)境中碳酸鹽系典型的特殊土質(zhì)，包括巖石風(fēng)化殘積、殘坡積以及沖洪積，它含有豐富的鋁氧化物和鐵。廣西紅粘土的形成主要是碳酸巖類母巖溶余堆積，屬于偏中弱級(jí)別的膨脹性紅粘土。以廣西區(qū)內(nèi)靖西縣、合山市、柳州、貴港、玉林市福綿區(qū)及其交界處等典型紅粘土地區(qū)為研究對(duì)象，研究紅粘土變形特性，含水量的多少影響其變形量等紅粘土邊坡變形機(jī)理。

2　碳酸巖地區(qū)紅粘土的形成

2.1殘坡積、殘積紅粘土的形成

殘坡積和殘積紅粘土主要形成在山麓斜坡和溶蝕緩坡，其礦物成分包含大量的高嶺石和伊利石，土體呈現(xiàn)紅褐色和黃褐色。殘坡積和殘積紅粘土一般呈以團(tuán)狀或是塊狀，團(tuán)狀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使得其粘性很強(qiáng)。紅粘土土體發(fā)育以垂直裂隙為主，碳酸鹽巖經(jīng)過了淋溶、分解結(jié)合、遷徙和團(tuán)聚等一系列復(fù)雜紅土化反應(yīng)，讓碳酸鹽巖逐漸風(fēng)化成殘坡積和殘積紅粘土。碳酸鹽巖中白云石、方解石的可溶性礦物質(zhì)通過廣西豐富的地下水溶出，同時(shí)攜帶了酸性粘土礦物中的硅、鋁、鐵物質(zhì)?；谝陨戏治觯瑲埰路e、殘積紅粘土的形成原因主要為交代作用和溶蝕作用[2]。溶蝕作用也就是碳酸鹽巖與水產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，所形成的溶蝕作用，也就是地下水對(duì)碳酸巖中可溶性物質(zhì)的溶解遷移作用。由氧離子、二氧化碳、一氧化碳離子、氫氧離子、碳酸氫根離子等多種離子，通過在溶于二氧化碳的水在氣態(tài)（空氣）、液態(tài)（水溶液）、固態(tài)（碳酸鹽）三種形態(tài)之間進(jìn)行復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)。交代作用分為滲透交代和擴(kuò)散交代，兩者都是在不改變成礦物質(zhì)巖石的構(gòu)造和結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，改變成礦物質(zhì)巖石的礦物成分的化學(xué)作用。滲透作用是在溶液流動(dòng)時(shí)，擴(kuò)散作用和滲透作用相結(jié)合改變其礦物成分。擴(kuò)散作用是溶液中的物質(zhì)通過離子和分子的形式擴(kuò)散到成礦物質(zhì)巖石中，從而實(shí)現(xiàn)改變成礦物質(zhì)巖石中的礦物成分。綜上可知，碳酸巖地區(qū)的紅粘土中的硅、鋁、鐵等礦物成分物質(zhì)依靠地下水作為載體，經(jīng)過擴(kuò)散作用和滲透作用，碳酸鹽巖在廣西多雨高溫的地理?xiàng)l件下形成紅粘土。

2.2沖洪積紅粘土的形成

沖洪積紅粘土的形成主要在緩坡和階地的低洼區(qū)域。低洼區(qū)域的礦物成分與山麓斜坡和溶蝕緩坡的礦物成分相同，主要成分為高嶺石和伊利石。但因搬運(yùn)物質(zhì)所堆積的環(huán)境不同，紅粘土在不同的沉淀環(huán)境里的形成的粘土具有明顯的差異性，這就形成了沖洪積紅粘土。沖洪積紅粘土土體顏色分布不均，顏色自上而下的分層，呈現(xiàn)出黃白相間或紅白相交的網(wǎng)紋狀層次色彩。從廣西柳州所形成的沖洪積紅粘土可知，從宏觀上看，其土體結(jié)構(gòu)呈塊狀，結(jié)構(gòu)十分緊湊，土顆粒具有較輕的連接性。以灰?guī)r為主的下伏基巖，因受到不斷起伏的基巖面影響，土層厚度不一致。對(duì)于沖洪積紅粘土的網(wǎng)紋狀形成，有學(xué)者認(rèn)為，紅粘土在最初受到風(fēng)化作用的不斷堆積，隨著風(fēng)化作用不斷增加，原有的紅粘土中的礦物經(jīng)過還原分解，紅粘土的氧化鐵經(jīng)過淋濾分解最終流失，從而形成了白色網(wǎng)紋，加上原來紅粘土中的堆積，最終形成了紅白交間的網(wǎng)紋狀紅粘土。

3　碳酸巖地區(qū)紅粘土的性質(zhì)

3.1基本物理性質(zhì)分析

廣西屬于亞熱帶氣候，風(fēng)化作用較強(qiáng)，均屬于過渡類型的廣西平原石炭系白云質(zhì)和灰質(zhì)白云巖，以及邊緣區(qū)域的泥盆系中統(tǒng)都是碳酸巖產(chǎn)生地帶，紅粘土風(fēng)化作用良好，風(fēng)化殼可達(dá)到5至10米，成熟度較穩(wěn)定且都有垂直分帶性。采集廣西貴港紅泥土，分析碳酸巖地區(qū)紅泥土的物理性質(zhì)可得出其相關(guān)物理性質(zhì)數(shù)值。碳酸巖地區(qū)紅粘土的礦物成分主要有四種，74%的高嶺石，17%的針鐵礦，6%的蛭石以及3%的是石英。其紅粘土的物理學(xué)性質(zhì)指標(biāo)可見表1。由此可見，碳酸巖地區(qū)的紅粘土的天然重，飽和度、液限、比重、干重等物理性質(zhì)高于一般粘土，其紅粘土還具有無側(cè)限抗壓高強(qiáng)度、壓縮系數(shù)低和較高的直剪強(qiáng)度，這表明了紅粘土較高的力學(xué)特征。

表1　碳酸巖地區(qū)紅粘土物理性質(zhì)數(shù)值（以廣西貴港市為例）[3]

3.2微膨脹與收縮性能分析

針對(duì)廣西不同地區(qū)的紅粘土力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)的分析，發(fā)現(xiàn)紅粘土體縮量之間差異性不大，并且被烘干后的紅粘土，有著網(wǎng)狀似收縮的微裂隙現(xiàn)象，開環(huán)刀會(huì)按照裂隙紋路張開隨后破碎。根據(jù)地質(zhì)普查相關(guān)材料得知，干旱季節(jié)許多地方的土層會(huì)發(fā)生裂縫，比如在廣西桂平富江口鎮(zhèn)出現(xiàn)的地裂情況，富江口鎮(zhèn)出現(xiàn)的地裂最長達(dá)到四十一點(diǎn)五米，最短的都有八米，寬度達(dá)到六至十五厘米。這表明了碳酸巖地區(qū)紅粘土的體縮量十分大，收縮變形的程度十分強(qiáng)烈[4]。根據(jù)在廣西區(qū)內(nèi)采集的紅泥土進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)可知，線縮率的變化因紅粘土含水量的大小變化比膨脹率的變化要高得多，由此可知，在縮限性能和脹限性能間，紅粘土主要變形以收縮為主，這是碳酸鹽巖形成的紅粘土的特點(diǎn)之一。

根據(jù)現(xiàn)有的紅粘土資料顯示，紅粘土的液限都大于百分之五十，多數(shù)紅粘土的液限在百分之五十到百分之七十之間，自由膨脹率大約在百分之二十七。參照廣西相關(guān)的地質(zhì)資料，根據(jù)其標(biāo)準(zhǔn)可以判定紅粘土是膨脹性粘土。然而，廣西區(qū)內(nèi)的紅粘土脹縮率較小，少數(shù)膨脹率超過百分之三點(diǎn)五，因此廣西紅粘土的膨脹性較弱，屬于微膨脹性能。由此可知，碳酸巖地區(qū)的紅粘土具有縮脹變形的特點(diǎn)，其中以收縮變形為主，膨脹變形呈中弱狀態(tài)。

4.碳酸巖地區(qū)紅粘土邊坡變形機(jī)理

4.1紅粘土成分導(dǎo)致變形

紅粘土具有特殊的固結(jié)變形特點(diǎn)，不僅具有超固結(jié)性還具有明顯的孔隙性。這些特性影響著紅粘土的變形。巖溶化學(xué)反應(yīng)改變了母巖的結(jié)構(gòu)和物質(zhì)，經(jīng)過溶蝕作用形成大量的空隙和土粒礦物。風(fēng)化作用將紅粘土中的游離氧化物聚集起來并產(chǎn)生膠結(jié)聯(lián)結(jié)。紅粘土土粒之間的主要聯(lián)結(jié)是游離氧化物因膠結(jié)聯(lián)結(jié)作用，他影響著紅粘土的固結(jié)程度，同時(shí)也決定了反剖面的超固結(jié)比以及先期固結(jié)壓力的特征[5]。紅粘土剖面部游離氧化物的含量高，則化學(xué)作用高，反之化學(xué)作用力低，致使紅粘土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度減弱。

除此之外，游離氧化物的含量及其存在形式也影響紅粘土的膠結(jié)作用。因大氣作用影響膠體，這使得原來結(jié)構(gòu)與成分均衡的堆積物的固結(jié)程度產(chǎn)生變化。越靠近地面，紅粘土的固結(jié)程度越好，力學(xué)性質(zhì)越明顯。另外，溶液的PH值也影響游離氧化物的膠結(jié)作用，當(dāng)溶液呈堿性時(shí)，會(huì)阻礙氧化物氧化，導(dǎo)致膠結(jié)程度降低。反之，酸性環(huán)境下，促進(jìn)氧化物產(chǎn)生氧化反應(yīng)，紅粘土的膠結(jié)作用增大。紅粘土的土質(zhì)大多呈堿性或中性，但也有小部分呈酸性，此外，紅粘土中也存在一些酸性物質(zhì)，而這些作為研究對(duì)象的地區(qū)降水量普遍較多，雨水滲入土壤，致使一些可溶的酸性物質(zhì)溶解，使土壤的酸堿度失衡，呈現(xiàn)偏酸性的狀態(tài)，最終影響了紅粘土的膠結(jié)作用。

4.2紅粘土的結(jié)構(gòu)與紅粘土變形

從微觀的角度研究紅粘土的結(jié)構(gòu)，可知紅粘土的微觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有兩部分，因此紅粘土的孔隙有對(duì)應(yīng)的兩個(gè)層次，其一是較小的孔隙，主要在粘土粒團(tuán)的內(nèi)部；其二是較大的孔隙，存在粘土團(tuán)粒之間。我國著名的地質(zhì)學(xué)廖義玲教授經(jīng)過對(duì)紅粘土進(jìn)行壓汞試驗(yàn)以及利用電鏡掃描觀察得知，第一層的孔隙以封閉或者半封閉的狀態(tài)，占孔隙總體的多數(shù)，約達(dá)總數(shù)的四分之三。然而，孔隙的數(shù)量卻不受壓力作用的變化而變化，這些在受力后呈惰性的孔隙與第二層孔隙不同，第二層孔隙較大，形狀不規(guī)則或是較狹長，而這些活性孔隙在受到壓力作用后數(shù)量急劇減少。惰性孔隙團(tuán)粒的聯(lián)結(jié)作用較為牢固穩(wěn)定，因此具有較強(qiáng)的剛性，因此不會(huì)受到壓力變化的影響。而在作用力下，紅粘土的變形主要因素是團(tuán)粒間孔隙的減小，由于團(tuán)粒之間的孔隙體積于總數(shù)較小，則紅粘土的壓縮變形較弱。因此，紅粘土的微觀結(jié)構(gòu)決定了其低壓縮高孔隙的特性，形成紅粘土的變形原因。但是，盡管比較微弱，外界壓力對(duì)紅粘土的影響依然存在。紅粘土的邊坡遭到開挖之后，原本的截面方位、受力點(diǎn)以及內(nèi)部應(yīng)力等都發(fā)生了變化，并且土壤內(nèi)部產(chǎn)生的內(nèi)力將會(huì)試圖恢復(fù)土壤的原貌；然而土壤受到的外力作用影響不僅僅來自挖掘時(shí)產(chǎn)生的作用力，還有空氣濕度的變化等產(chǎn)生的影響，這些外力改變紅粘土邊坡的形狀，并與土壤內(nèi)部作用相結(jié)合，最終也會(huì)導(dǎo)致紅粘土邊坡的變形。比如當(dāng)紅粘土中的含水量產(chǎn)生變化，其粘聚力也將隨之變化；在含水量達(dá)到25%~35%時(shí)，紅粘土的粘聚力為50%~65%kPa，而如果含水量增加到40%~70%，粘聚力則下降到大約30%kPa?？梢娙绻獠恳蛩貙?duì)紅粘土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了影響，同樣會(huì)使紅粘土變形。

4.3紅粘土固結(jié)力與紅粘土的變形

紅粘土變形以固結(jié)變形為主，包括化學(xué)固結(jié)和物理固結(jié)。其變形本質(zhì)是因紅粘土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，使其力學(xué)性能加強(qiáng)的過程及其結(jié)果。以往的研究中，有人認(rèn)為土體的重力導(dǎo)致紅粘土的先期固結(jié)壓力，然而實(shí)驗(yàn)研究表明，固結(jié)力有“反剖面”性質(zhì)，隨深埋增加而減小，超固結(jié)比值也隨之減小，最終導(dǎo)致紅粘土固結(jié)性降低。紅粘土的性質(zhì)指標(biāo)也隨著深埋的程度進(jìn)行有規(guī)律的變化。因此可以說，紅土化作用決定固結(jié)壓力隨深埋的深度增加而減弱，并非是土體的重力影響。不過，紅粘土的物理固結(jié)不止受重力影響；紅粘土具有孔隙性，某些孔隙比在1.6以上的紅粘土，含水量可達(dá)到60%。因此，如果紅粘土中的活性孔隙被水滲入，也有可能會(huì)帶來一些變化?；钚钥紫吨械乃秩绻艿胶奢d作用，將會(huì)被排出土壤之外，從而可能導(dǎo)致紅粘土體積變小，出現(xiàn)固結(jié)現(xiàn)象，最終產(chǎn)生變形。粘土磚的制造比較能體現(xiàn)這一過程，粘土磚在取得原始泥料之后對(duì)泥料進(jìn)行相應(yīng)的處理，使之成型，最后對(duì)粘土磚采取干燥、焙燒的方法完成制作。雖然粘土磚在制作初期就已經(jīng)改變了一些黏土原本具有的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)，但是制作過程中的干燥、焙燒工序和紅粘土經(jīng)過水分充分滲出后固結(jié)的現(xiàn)象十分相似，同樣是通過排出水分實(shí)現(xiàn)固結(jié)的過程。實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)同一類紅粘土進(jìn)行不同程度的脫水處理，其壓縮系數(shù)各不相同。如對(duì)保持原狀的紅粘土進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)它的壓縮系數(shù)為60%；經(jīng)過擊實(shí)后的紅粘土，壓縮系數(shù)為50%~55%；而進(jìn)行風(fēng)干和烘干處理的紅粘土壓縮系數(shù)在40%~45%之間，數(shù)據(jù)顯示紅粘土的壓縮系數(shù)是隨著水分的減少而降低的，水分的缺失會(huì)影響紅粘土的形狀。紅粘土作用是一個(gè)復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，要通過對(duì)不溶性氧化物進(jìn)行一系列反應(yīng)。在作用中，紅粘土中的膠結(jié)物形成了強(qiáng)力學(xué)，高抗水性的土粒。地域的氣候、深埋情況和時(shí)間推移都影響著紅土化作用。由此可知深埋程度越深，紅土作用越薄弱，因此紅粘土的先期固結(jié)力越小，紅粘土的變形也越小。

4.4膠結(jié)作用與紅粘土變形

紅粘土因風(fēng)化作用，在顆粒結(jié)構(gòu)上屬于細(xì)粒土，以粘聚力為主，其次是內(nèi)摩擦力的作用，使其抗剪強(qiáng)度較強(qiáng)。土粒間的物質(zhì)發(fā)生的各種化學(xué)或物理性質(zhì)的作用力，決定了紅粘土的粘聚力，如膠結(jié)作用力和庫侖靜電力都是土粒間的作用。而膠結(jié)連結(jié)、毛細(xì)水連結(jié)、結(jié)合水連結(jié)的作用宏觀地反映了紅粘土中顆粒內(nèi)部的連結(jié)反應(yīng)。和一般性的粘土一樣，紅粘土的結(jié)合水連結(jié)作用的規(guī)律也是因含水量的變化而變化。廣西大部分地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，處于這種氣候下的地區(qū)全年降水量比較充足，我國的亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)的年降水量一般在800毫米到1600毫米之間；降水主要集中在夏季，尤其是最長可達(dá)一個(gè)月的梅雨期，冬季降水最少，具有比較明顯的季節(jié)性。盡管紅粘土較其他類型的土壤來說滲水性非常差，速度只有大概0.7毫米每分鐘，重力水的滲透深度僅在50厘米左右，但是紅粘土的親水性較強(qiáng)，當(dāng)液限達(dá)到50%~70%時(shí)，其塑限可達(dá)到30%~50%，塑性指數(shù)為20~40。因此長期處在這樣水源充足的環(huán)境之下，仍然會(huì)導(dǎo)致紅粘土自然含水量的大幅增加。此外和土質(zhì)也有關(guān)聯(lián)，例如在靖西縣的紅粘土中，膠粒含量超過了70%，這使得靖西縣的紅粘土容易吸收水分且受到水分的影響。紅粘土自然含水量的增加，增厚了土粒表面擴(kuò)散層弱結(jié)合水膜，致使土粒之間的距離增長，最終減弱了紅粘土的連結(jié)力。紅粘土粘聚力弱是紅粘土變形的根本原因，膠結(jié)連結(jié)的形成因膠結(jié)物質(zhì)（包括氧化鋁、氧化鐵、二氧化硅等物質(zhì)）又決定了紅粘土的粘聚力的強(qiáng)弱。膠結(jié)物質(zhì)中的游離態(tài)氧化鐵的膠結(jié)作用最為主要，當(dāng)紅粘土中的礦物與游離態(tài)的氧化鐵相互作用，游離氧化鐵以包膜形式吸附在粒團(tuán)礦物周圍，使得礦物粒團(tuán)起到了堅(jiān)固的膠結(jié)作用。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)紅粘土含水量大于百分之四十，膠結(jié)作用會(huì)突然消失，粘聚力較低。當(dāng)含水量小于百分之三十五，膠結(jié)作用沒有明顯變化。由此可知紅粘土含水量變化對(duì)氧化鐵的膠結(jié)具有突變性的影響。

5　結(jié)語

根據(jù)分析得出，紅粘土的變形與固結(jié)是相互影響，紅粘土因固結(jié)性使得紅粘土疏而不散。通過對(duì)廣西各地的紅粘土進(jìn)行試驗(yàn)分析，得知碳酸巖地區(qū)的紅粘土變形機(jī)理主要包括紅粘土的含水量、膠結(jié)性、溶液PH值、粘聚力強(qiáng)弱、游離氧化物的含量、游離氧化物存在形式以及外部環(huán)境（如溫度）等。

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P61[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-2-84-1