我國紅黏土物理力學(xué)性能研究現(xiàn)狀及展望

鄧紹云

(北部灣大學(xué)建筑工程學(xué)院，廣西欽州 535011)

0 引言

紅黏土是指碳酸鹽類巖石(石灰?guī)r、白云巖、泥質(zhì)灰?guī)r等)，在亞熱帶溫濕氣候條件下，經(jīng)風(fēng)化而成的殘積、坡積或殘—坡積的褐紅色、棕紅色或黃褐色的高塑性黏土[1]。

我國紅黏土主要分布在貴州、云南和廣西，其次為川南、川東、鄂南、鄂西、湘西、湘南、粵北、皖南和浙西等地；而北方紅黏土零星分布在一些較為溫濕的巖溶盆地，如陜南、魯南和遼東等地，其多為受到后期營力的侵蝕和其他沉積物覆蓋的早期紅黏土。

1 紅黏土的成分分析研究

紅黏土的成分與其形成過程密切相關(guān)，人們普遍認(rèn)為紅土化作用過程是紅黏土成因的關(guān)鍵和決定過程，其機(jī)理非常復(fù)雜，可概括為：濕熱下，富含鐵質(zhì)硅酸鹽類母巖風(fēng)化為次生礦物、膠質(zhì)，這些次生礦物在酸性環(huán)境中疊聚為微體，且因被游歷鐵鋁質(zhì)包裹成團(tuán)粒，并因膠質(zhì)作用和結(jié)晶作用，體積漸增，最終形成高分散呈整體膠結(jié)狀態(tài)的塊狀紅土。爾后經(jīng)漫長地質(zhì)年代，因環(huán)境變化，膠質(zhì)淋溶流失，膠結(jié)減弱或破壞，紅土散粒化，然后又經(jīng)壓密固結(jié)及膠質(zhì)膠結(jié)，反復(fù)多次最終形成現(xiàn)代紅黏土[2]。

紅黏土的成因與其物理化學(xué)性質(zhì)及工程特性有密切關(guān)系，不同地區(qū)的紅黏土成因大致相似，但有所差異，該差異導(dǎo)致各地的紅黏土性質(zhì)和性能上的差異性。

王秀麗等[3]探究北京地區(qū)非碳酸鹽母質(zhì)上發(fā)育的2個(gè)紅黏土剖面，認(rèn)為該紅黏土形成于古時(shí)濕熱氣候條件下，其堿性是由現(xiàn)代黃土降塵所帶來的碳酸鹽參與到成土過程中造成的。熊平生[4]野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)贛州盆地第四紀(jì)紅黏土中含有少量棱角分明的石礫,呈斷續(xù)條帶狀分布,坡積、洪積特征明顯。章明奎等[5]研究認(rèn)為貴州省第四紀(jì)紅黏土不完全是由碳酸鹽巖直接風(fēng)化形成，而是由周邊山體提供物質(zhì)來源經(jīng)漫長的地質(zhì)年代堆積而形成。裴云鵬等[6]采用古生物化學(xué)分析方法研究認(rèn)為甘肅西峰趙家川晚第三紀(jì)紅黏土與黃土的形成背景相同，且是陸相風(fēng)塵沉積而成。黃 雷等[7]對(duì)甘肅臨夏盆地新近紀(jì)紅黏土粒度取樣測(cè)試結(jié)果推斷其成因?yàn)轱L(fēng)成。曾召田等[8]分析了廣西巖溶地區(qū)的典型四種紅黏土的成因，并指出廣西典型的濕熱氣候、廣泛發(fā)育的巖溶環(huán)境有利于紅黏土的形成。

2 紅黏土礦物成分及含量研究

礦物是具有一定化學(xué)組成的天然化合物，它具有穩(wěn)定的相界面和結(jié)晶習(xí)性。礦物成分的不同決定土的不同，紅黏土之所以區(qū)別于其他土，是因?yàn)樗哂歇?dú)特的礦物成分，而礦物成分的含量的不同又會(huì)使紅黏土表現(xiàn)出不同的工程特性。對(duì)于紅黏土的基本礦物成分，廖義玲等[9]研究認(rèn)為，主要包括黏土礦物、游離氧化物及殘余碎屑，碎屑礦物主要是石英和少量末風(fēng)化長石；黏粒含量較多，黏土礦物以高嶺石類為主，伊利石含量較少；含一定量的針鐵礦和赤鐵礦，部分含有三水鋁石。紅黏土的產(chǎn)地不一樣，則礦物成分有細(xì)微的差別，但礦物含量的差別可能表現(xiàn)得更大，這些差異將引起工程特性的差異表現(xiàn)，也引發(fā)科研工作者的關(guān)注。李光耀等[10]研究認(rèn)為，貴州紅黏土組成成分差異較大在于紅土化作用程度的不同。呂海波等[11]測(cè)得武鳴紅黏土的礦物成分及其含量依次為：高嶺石(74．0%)、三水鋁石(12．53%)、針鐵礦(<2 mm,2．22%)、針鐵礦(>2 mm,8．37%)；桂林紅黏土的礦物成分及其含量依次為:高嶺石(56．59%)、三水鋁石(11．44%)、針鐵礦(15．61%)、石英(12．45%)。蔣文宇博士論文[12]報(bào)道了武鳴紅黏土和桂林紅黏土礦物成分同文獻(xiàn)[11]所述，還鑒定柳州、鐵北、來良紅黏土的礦物成分為高嶺石、針鐵礦、伊利石、石英等4種礦物，且通過掃描電鏡(SEM)與能譜分析(EDS)相結(jié)合發(fā)現(xiàn),由于所經(jīng)歷的紅土化過程不同,同一種礦物在不同地點(diǎn)的紅黏土中的微觀形態(tài)是有差異的。劉振波等研究表明，云南紅黏土礦物組成以高嶺石為主，伊俐石、蒙脫石、石英、綠泥石比重不大[13]。

3 紅黏土的結(jié)構(gòu)特征研究

紅黏土的結(jié)構(gòu)特征將影響紅黏土的工程特征，而結(jié)構(gòu)差別來自于土體中礦物成分與含量及土體顆粒形狀粒徑、形成歷史、土體顆粒之間膠結(jié)力之間關(guān)系的綜合結(jié)果。

紅黏土的結(jié)構(gòu)研究分為微觀結(jié)構(gòu)和宏觀結(jié)構(gòu)兩方面，微觀結(jié)構(gòu)的研究成果取決于一定的科技方法和先進(jìn)的設(shè)備和儀器。

紅黏土的微觀結(jié)構(gòu)特征是由基本單元組合而成，宋 宇[14]歸納前人研究成果總結(jié)認(rèn)為紅黏土微結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)單元可分為兩類：一類是占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的復(fù)合多孔性單元，另一類是占少量的由鐵質(zhì)膠結(jié)或殘余碎屑顆粒組成的剛性單元。無論哪種微觀結(jié)構(gòu)，紅黏土的顆粒和粒團(tuán)都是由最小單元聚集而成，這些顆粒和粒團(tuán)的排列對(duì)紅黏土的力學(xué)性質(zhì)具有重要影響。此外，紅黏土的微觀結(jié)構(gòu)不是一成不變的，在一定條件和環(huán)境下是可以發(fā)生轉(zhuǎn)變的，如在應(yīng)力的作用下可以改變紅黏土的微觀結(jié)構(gòu)，紅黏土微觀結(jié)構(gòu)的變化又將進(jìn)一步改變紅黏土的力學(xué)特性。

紅黏土的宏觀結(jié)構(gòu)特性人眼可見，裂隙發(fā)育是紅黏土的重要特性，在地表處，紅黏土裂隙多呈豎向開口的龜裂狀，往下逐漸閉合成網(wǎng)狀；裂隙面光滑，有的有擦痕，裂隙壁常有鐵錳物質(zhì)浸染。在天然狀態(tài)下，紅黏土孔隙比大，多處于飽和狀態(tài)，天然含水量接近塑限，多呈堅(jiān)硬、硬塑狀態(tài)。故強(qiáng)度比較高、壓縮性比較低。紅黏土具有兩種特殊性質(zhì)：一是厚度變化很大，而且因?yàn)榘l(fā)育較多的網(wǎng)狀裂隙，破壞了土體結(jié)構(gòu)的完整性，促使地下水在土層中活動(dòng),降低了土體強(qiáng)度；一般愈往深處土體愈易變軟，因此紅黏土的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度在水平方向和垂直方向都有很大的不均勻性。紅黏土裂隙發(fā)展的原因在于紅黏土失水收縮，土體水分喪失過程中，表面與內(nèi)部的不均勻性，導(dǎo)致基質(zhì)吸力存在差值，具體表現(xiàn)在體表收縮大，而內(nèi)部收縮小，從而引起的過大拉應(yīng)力使土體產(chǎn)生張拉主裂縫，裂縫不斷延展與加深形成主裂紋網(wǎng)絡(luò)后次級(jí)分叉發(fā)展直至最終割裂成各個(gè)區(qū)塊。

學(xué)者們對(duì)于紅黏土裂隙的研究主要關(guān)注于紅黏土的裂縫長度、寬度、深度、節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)、分塊數(shù)、裂隙率、發(fā)生原因、影響因素及規(guī)律性等[15-17]，研究發(fā)現(xiàn)裂縫網(wǎng)絡(luò)具備良好的統(tǒng)計(jì)自相似分形特征，采用分維數(shù)可以較好地表征裂隙的復(fù)雜性與不規(guī)則性。紅黏土的裂隙特性大大影響紅黏土的工程力學(xué)特性，裂隙的形狀及尺寸大小將嚴(yán)重影響紅黏土的工程力學(xué)特征指標(biāo)，如強(qiáng)度、塑性和彈性及極限承載能力等物理力學(xué)性質(zhì)。

4 紅黏土的物理性質(zhì)研究

紅黏土的基本物理性質(zhì)比一般黏土的性質(zhì)差，其天然含水率高、孔隙比大、液塑限高，但壓縮性小、強(qiáng)度偏高；土體顆粒細(xì)小、比表面積大、交換容量低，因土體中形成水膜的封閉作用而透水性弱，因膠結(jié)能力較強(qiáng)使土體團(tuán)聚作用較大，從而崩解性小。

由文獻(xiàn)[1-14]分析歸納總結(jié)我國紅黏土基本物理性能指標(biāo)統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 紅黏土基本物理性質(zhì)統(tǒng)計(jì)表

由于紅黏土的取樣存在隨機(jī)性，同時(shí)取樣時(shí)存在擾動(dòng)性，加之設(shè)備儀器的精確度的限制、測(cè)試者操作技術(shù)和耐心及責(zé)任心等限制，所測(cè)試的指標(biāo)數(shù)據(jù)都具有一定的局限性和誤差性。故紅黏土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)的具體數(shù)據(jù)應(yīng)該在一個(gè)寬泛的范圍內(nèi)，且各個(gè)省份各個(gè)地方紅黏土的基本物理性質(zhì)表現(xiàn)出一定的差異。

5 紅黏土的工程力學(xué)性質(zhì)研究

紅黏土的結(jié)構(gòu)等物理性質(zhì)決定了紅黏土的力學(xué)性能，且結(jié)構(gòu)性質(zhì)的影響極大，紅黏土因其形成的地質(zhì)過程使其具有特殊結(jié)構(gòu)性，繼而使其雖然具有高天然含水量、高孔隙比、高液塑限等特征，但力學(xué)性質(zhì)卻較好。從力學(xué)方面劃分，紅黏土的結(jié)構(gòu)組成包括粒間吸附力、可恢復(fù)的氧化物膠結(jié)形成的結(jié)構(gòu)和外力影響形成的結(jié)構(gòu)；反之，這也是紅黏土的力學(xué)表現(xiàn)。

紅黏土作為一種工程地基土和工程材料，其工程力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)主要有：①壓密度；②擊實(shí)性；③抗壓強(qiáng)度；④抗剪強(qiáng)度；⑤地基承載能力；⑥塑性；⑦彈性；⑧流變特性等。

(1)壓密度研究：紅黏土的壓密度表示紅黏土的土體固體顆粒、固體團(tuán)粒在自身壓力和外在壓力長期作用下的密實(shí)程度，壓密度越高的紅黏土在普遍情況下其力學(xué)性能要比壓密度小的紅黏土好。一般土體必須達(dá)到適當(dāng)?shù)暮什拍軌好?，紅黏土作為一種特殊的黏土，它失水開裂，遇水泥化，具有水敏性，這一特性讓紅黏土的工程力學(xué)特性變得復(fù)雜。壓密有人工方法和自然方法。影響紅黏土的壓密度因素主要有：①土體固體顆粒成分；②含水率；③微型結(jié)構(gòu)形態(tài)；④試壓方法及過程。人們對(duì)于紅黏土的壓密度研究主要在于紅黏土地基的壓密、紅黏土固結(jié)及壓密度與強(qiáng)度之間關(guān)系等方面。談云志[18]以廈門至成都高速公路湖南郴州段的紅黏土為研究對(duì)象,以環(huán)境因素作用下紅黏土路基的變形特征與防護(hù)方法為研究目的,通過室內(nèi)試驗(yàn)研究了不同壓實(shí)度紅黏土的持水性能、毛細(xì)上升、濕熱耦合遷移及濕化變形等特征,證實(shí)了紅黏土的密實(shí)度與其滲透性、固結(jié)度、收縮性及剪切強(qiáng)度等都有相應(yīng)關(guān)系。紅黏土的壓密性試驗(yàn)研究結(jié)果具有一定的普遍規(guī)律，但同時(shí)具有一定的隨機(jī)性，這種隨機(jī)性表現(xiàn)在不同的紅黏土樣本和不同的試驗(yàn)方法、設(shè)備、措施和時(shí)刻等?？梢娂t黏土地基的壓密性研究須就地試驗(yàn)研究，而無法直接套用別人的具體研究成果和其他地區(qū)紅黏土地基相關(guān)成果資料。

(2)擊實(shí)性研究：擊實(shí)紅黏土是在短暫時(shí)間內(nèi)通過擊打紅黏土土體，施加一個(gè)打擊能量對(duì)土體做功，使土體固體顆粒的空間位置達(dá)到較為理想的狀態(tài)從而達(dá)到密實(shí)的目的。工程實(shí)際中，如地基處理和路基處理等，因?yàn)闊o法長時(shí)間地等待土體在自重和其他荷載的作用下慢慢地壓實(shí)，在此情況下，在一定的范圍內(nèi)采用擊打工具和設(shè)備將紅黏土擊打密實(shí)。紅黏土的擊實(shí)也屬于紅黏土的性能改良方法之一，一般用于紅黏土公路路基和地基的處理。吳福泉等[19]以擊實(shí)試驗(yàn)研究了江西省某高速公路施工現(xiàn)場(chǎng)紅黏土的擊實(shí)特性,并采用承載比(CBR)試驗(yàn)和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究了其強(qiáng)度特性。試驗(yàn)結(jié)果表明：濕法確定的最大干密度偏小、最佳含水率偏大；不同土樣的擊實(shí)特性存在差異；擊實(shí)功越大，最大干密度越大、最佳含水率越??；含水率、壓實(shí)度對(duì)紅黏土強(qiáng)度影響較大，高于最佳含水率3%左右時(shí)紅黏土強(qiáng)度達(dá)到最大值，強(qiáng)度隨壓實(shí)度增大而提高。

(3)力學(xué)性質(zhì)及其影響研究：紅黏土作為一種地基土具有一定的力學(xué)性質(zhì)，據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[20-22]得知紅黏土承載力較高、壓縮性低、抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度較高，但紅黏土具有水敏性的特征，含水率要控制在較好的范圍內(nèi)，一旦低于這一范圍，紅黏土易于開裂，而高于該范圍則出現(xiàn)泥化，工程性能驟降，往往表現(xiàn)于因?yàn)榉植嫉貐^(qū)和環(huán)境的不同，液限越高則工程力學(xué)性能越差，具有較大的特異性。紅黏土的壓縮系數(shù)比軟土低1至數(shù)倍，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度是軟土的數(shù)倍，抗剪強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度明顯高于軟土[23]。紅黏土在自然和人工環(huán)境中存在一個(gè)干濕循環(huán)而影響其力學(xué)性質(zhì)，這種影響是負(fù)面的，將降低紅黏土的力學(xué)性質(zhì)。胡大為[24]通過非飽和三軸試驗(yàn),研究剪切過程中紅黏土經(jīng)歷不同干濕循環(huán)作用下的強(qiáng)度變化規(guī)律和體積變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)紅黏土的破壞形式屬于應(yīng)變硬化，干濕循環(huán)降低紅黏土的抗剪強(qiáng)度并增大土體體變。在應(yīng)力的作用下，紅黏土的微細(xì)結(jié)構(gòu)將發(fā)生變化，土體中的水分狀態(tài)和含水率也將發(fā)生改變，從而影響紅黏土的力學(xué)性能，且這種影響性質(zhì)和程度與紅黏土的特性有密切關(guān)系。陳 筠等[25]研究認(rèn)為紅黏土的水敏性和應(yīng)力路徑敏感性都與自身的結(jié)構(gòu)性有密切關(guān)系，這種影響主要表現(xiàn)在對(duì)黏聚力的影響上。酸堿物質(zhì)的污染都將對(duì)紅黏土的力學(xué)性能有一定的影響，趙 莎等[26]研究表明，與未被污染紅黏土相比,堿污染紅黏土的質(zhì)量、含水率增高,比重降低;堿液濃度相同時(shí),隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加呈現(xiàn)出孔隙比先降低后增加、液塑限先增加后降低、壓縮系數(shù)先減小后增大、壓縮模量先增加后減小、抗剪強(qiáng)度先增加后減小的變化規(guī)律。黃 偉等[27]研究也表明，受污染紅黏土隨堿濃度的增加,其比重增大,液限、塑限均增大,抗剪強(qiáng)度減小,壓縮系數(shù)增大,壓縮模量減小。有機(jī)物污染也將改變紅黏土的微觀結(jié)構(gòu)狀態(tài)及含水狀態(tài)，在一定程度上將改變紅黏土的物理力學(xué)性質(zhì)，劉寶臣等[28]研究表明紅黏土的液限、塑限、塑性指數(shù)隨有機(jī)物含量的增多而增長。由于青藏高原也有紅黏土的分布，從而凍融循環(huán)對(duì)紅黏土的物理力學(xué)性質(zhì)的影響也成為人們的研究話題，房建宏等[29]研究發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)作用對(duì)紅黏土粉粒和黏粒組質(zhì)量含量影響較大。細(xì)菌微生物對(duì)紅黏土的物理力學(xué)性能也有影響，施鵬超等[30]研究發(fā)現(xiàn)細(xì)菌能提高紅黏土的抗剪強(qiáng)度和壓縮模量,并呈先增后減趨勢(shì)；且增加紅黏土中粉粒含量，降低黏粒含量。分析原因認(rèn)為細(xì)菌的摻入使紅黏土生成了大量膠結(jié)物,膠結(jié)物填充在土體孔隙中加固土壤顆粒間的連接,使土體結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定。

6 紅黏土應(yīng)用與性能改良研究

紅黏土作為一種材料，廣泛用于建筑等土木工程實(shí)體材料，此外因具有獨(dú)特的特性，人們將其加以一定的配方用于仿制宜興紫砂陶，文獻(xiàn)[31]已報(bào)道。

紅黏土作為建筑與公路及鐵路地基承載持力層、邊坡土體及其他工程材料，在工程中得到廣泛應(yīng)用，但其物理和力學(xué)性能不能滿足工程需求，如郭培璽等[32]認(rèn)為含有紅黏土的地基土多具上硬下軟的特點(diǎn)，故有必要對(duì)其進(jìn)行改良，這種改良研究是紅黏土的研究重點(diǎn)和前沿。人們思考各種辦法加固紅黏土，如水泥外加粉煤灰加固法[33]。吳 超曾研究提議以收縮開裂寬度、液塑限為指標(biāo)確定最佳摻砂礫配率來改良高液限紅黏土[34]；文獻(xiàn)[35]報(bào)道過采用紅黏土物理力學(xué)性能離子土固化劑(ISS)改善法；隨著加筋土力學(xué)發(fā)展，人們意識(shí)到可通過添加纖維來抗擊和減緩紅黏土失水開裂的現(xiàn)象，趙寧雨等[36]研究發(fā)現(xiàn)加筋纖維配合比越高，效果越好；石灰對(duì)紅黏土的強(qiáng)度有加強(qiáng)作用，談云志等[37]試驗(yàn)驗(yàn)證了這種效果來自于碳化作用；劉寶臣等[38]試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)高效減水劑能明顯提高水泥對(duì)高塑性有機(jī)質(zhì)紅黏土的加固效果；顏椿釗等[39]試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)廢棄輪胎橡膠顆粒能改良紅黏土的抗剪強(qiáng)度，并分析認(rèn)為其原因在于增大了紅黏土的內(nèi)摩擦角；白漢民等[44]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)納米石墨粉可顯著增強(qiáng)紅黏土的抗剪強(qiáng)度，并認(rèn)為納米石墨粉改善了紅黏土孔隙結(jié)構(gòu)和礦物顆粒黏附膠結(jié)能力。

7 思考與展望

紅黏土的性能改良是今后研究的重點(diǎn)，其困難在于紅黏土的水敏性、熱敏性及微觀結(jié)構(gòu)的特異性，改良的關(guān)鍵在于控制紅黏土的含水率和改善紅黏土的微觀結(jié)構(gòu)。

對(duì)于紅黏土，人們熱衷于其地方特性的取樣分析測(cè)試研究，而沒能做到普遍性概化性研究，在理論研究方面有待進(jìn)一步加強(qiáng)。需構(gòu)建適合于各地紅黏土的本構(gòu)方程，也應(yīng)整理歸納出適用于各地紅黏土的較為寬泛物理力學(xué)性能指標(biāo)數(shù)值以供工程實(shí)際參考。同時(shí)，針對(duì)于紅黏土的普遍性原理和知識(shí)體系應(yīng)該加強(qiáng)研究和構(gòu)建。此外，最為重要和緊迫的是紅黏土的性能改良研究應(yīng)該得到大幅度加強(qiáng)。