貴州紅粘土塑性圖分布特性及機(jī)理分析*

唐 薇，伍廷亮，邵 元，張貝貝

(貴陽學(xué)院，貴州 貴陽 550005)

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。在規(guī)范中塑性圖是對(duì)土分類的一種方法，同時(shí)塑性圖對(duì)粘性土的水理性質(zhì)也有指向作用。研究貴州紅粘土的塑性圖位置特征更能幫助理解它的特殊性，具有實(shí)際意義。

1 塑性圖

在直角坐標(biāo)系中，以土的液限值ωL作為橫坐標(biāo)，以土的塑性指數(shù)Ip作為縱坐標(biāo)，在這個(gè)坐標(biāo)體系中，通過液限和塑性指數(shù)的關(guān)系對(duì)粘性土分類定名，同時(shí)根據(jù)粘性土在圖中的不同位置認(rèn)識(shí)分析和判斷它的特殊水理性質(zhì)[1]。

規(guī)范中，在塑性圖中根據(jù)液限的大小可將粘性土劃分為低液限土(L)、中液限土(M)和高液限土(H)，再根據(jù)液限所對(duì)應(yīng)的塑性指數(shù)將粘性土劃分為粘質(zhì)土(C)和粉質(zhì)土(M)。這樣在塑性圖的區(qū)域內(nèi)有六個(gè)部分，分別是低液限粉質(zhì)土(ML)、中液限粉質(zhì)土(MM)、高液限粉質(zhì)土(MH)、低液限粘質(zhì)土(CL)、中液限粘質(zhì)土(CM)、高液限粘質(zhì)土(CH)。其中液限是通過B線和C線來劃分的，塑性指數(shù)是以A線來劃分的，如圖1，它們的線性方程是：

圖1 塑性圖Fig.1 Plastic diagram

A線的線性方程：Ip=0.62×(ωL-20)

B線的線性方程：ωL=40%

C線的線性方程：ωL=28%

貴州紅粘土是廣泛分布的工程土類，經(jīng)過長時(shí)間的工程實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，貴州紅粘土屬于高液限粘質(zhì)土，它在塑性圖上的位置理論上應(yīng)落在CH區(qū)域[2]。但筆者利用大量的紅粘土相關(guān)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)紅粘土在塑性圖上的位置與理論分析有所出入，不全落在CH區(qū)，因此分析紅粘土在塑性圖上的位置是很有必要的。

2 貴州紅粘土塑性圖特征

2.1 數(shù)據(jù)來源

筆者通過大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析發(fā)現(xiàn)，貴州紅粘土在塑性圖上的分布有自己的特點(diǎn)。針對(duì)研究內(nèi)容，收集貴州省內(nèi)六個(gè)城市紅粘土水理性質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，在前期研究基礎(chǔ)上，用SPSS分析軟件排除奇異點(diǎn)，選取分布在六盤水、畢節(jié)、安順、遵義、貴陽、黔南、銅仁七個(gè)地區(qū)的紅粘土進(jìn)行分析，共計(jì)1399組數(shù)據(jù)，其中六盤水地區(qū)114組，畢節(jié)地區(qū)129組，安順地區(qū)151組，遵義地區(qū)94組，貴陽地區(qū)734組，黔南地區(qū)86組，銅仁地區(qū)91組。它們的水理性質(zhì)均值如表1。

表1 貴州紅粘土含水性數(shù)據(jù)Tab.1 Water content data of Guizhou red clay

2.2 貴州紅粘土塑性圖特征

根據(jù)貴州省1399組數(shù)據(jù)和土工試驗(yàn)規(guī)程以及土質(zhì)分類的塑性圖標(biāo)準(zhǔn)，為更準(zhǔn)確地分析紅粘土塑性圖分布特點(diǎn)，對(duì)ωL>40%高液限區(qū)增加分析區(qū)域，分別增加液限值為40%≤ωL<70%、70%≤ωL<85%、85%≤ωL<100%、ωL≥100%四個(gè)區(qū)域進(jìn)行研究，繪制出貴州省紅粘土在塑性圖上的位置(以稠度狀態(tài)為畫板)，如圖2。

圖2 貴州紅粘土散點(diǎn)塑性圖(以稠度狀態(tài)為畫板)Fig.2 Scatter plasticity diagram of Guizhou red clay(consistency as draw board)

從圖2分析出：

特征一：統(tǒng)計(jì)的1399組數(shù)據(jù)塑性圖中，散點(diǎn)絕大多數(shù)落在了B線的右側(cè)，只有10組數(shù)據(jù)的液限值小于40%，僅占了0.715%，故貴州紅粘土的液限一般大于40%，是高液限土。散點(diǎn)在塑性圖上的位置密集在高液限區(qū)的A線附近，其分布帶與A線的展布方向一致。

特征二：從圖中變化情況可以看出，隨著液限值的增加，土樣中堅(jiān)硬狀態(tài)的比例逐漸增加，硬塑狀態(tài)的比例逐漸增加，而可塑狀態(tài)和軟塑狀態(tài)的比例是逐漸減小的，但同時(shí)土樣的天然含水率是增加的。如表2，液限在40%～70%的范圍內(nèi)，堅(jiān)硬態(tài)的占1.58%，硬塑態(tài)占31.12%，可塑態(tài)占56.56%，軟塑態(tài)的占9.95%，紅粘土主要以可塑狀態(tài)為主，天然含水率平均值是44.44%；液限值為70%～85%的范圍內(nèi)，堅(jiān)硬態(tài)占1.12%，硬塑態(tài)的比例是48.66%，可塑態(tài)的比例是48.88%，軟塑態(tài)占1.34%，紅粘土硬塑和可塑狀態(tài)比例相當(dāng)，天然含水率平均值是53.91%；液限值為85%～100%的這部分土樣中，堅(jiān)硬狀態(tài)占4.72%，硬塑狀態(tài)占了68.24%，可塑狀態(tài)占了26.73%，軟塑態(tài)僅占0.31%，紅粘土主要以硬塑狀態(tài)為主，天然含水率平均值是61.43%；液限值大于100%的范圍內(nèi)時(shí)，主要以硬塑和堅(jiān)硬狀態(tài)為主，天然含水率平均值是65.71%。

特征三：貴州紅粘土是一種典型的高塑性、高液限粘土，粘粒含量一般在55%～70%，按照劃分理論應(yīng)該在A線的上方，但是在展布過程中，隨著液限值的增大，散點(diǎn)的分布從A線的上方逐漸過度到A線下方，表明既有粉土的性質(zhì)，也有粘土的性質(zhì)，土性并不單一。如表2。

表2 不同液限范圍稠度狀態(tài)比例表Tab.2 Consistency state proportion table of differentliquid limit range

2.3 貴州紅粘土稠度狀態(tài)及含水性

以往的研究認(rèn)為，土呈現(xiàn)出的軟硬程度與含水量有密切的關(guān)系，含水越大，稠度越軟，含水越小，稠度越硬[4-5]。而貴州紅粘土的稠度狀態(tài)比較特殊，在工程應(yīng)用上，通過大量工程實(shí)踐統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，用含水比aw(天然含水率和液限含水率的比值)來劃分貴州紅粘土的稠度狀態(tài)更符合實(shí)際情況，更能表明貴州紅粘土在自然狀態(tài)下的稠度情況。說明紅粘土不僅僅從含水率來判斷它的狀態(tài)，需要重視液限值對(duì)它的影響，于是，繪制出塑性圖中天然含水率的變化情況如圖3。與塑性圖中稠度狀態(tài)的變化情況做對(duì)比分析。

圖3 貴州紅粘土散點(diǎn)塑性圖(以天然含水率為畫板)Fig.3 Scatter plasticity diagram of Guizhou red clay(natural moisture content as draw board)

從圖3中看出，在貴州紅粘土的塑性圖(以天然含水率為畫板)中，液限值大的土樣塑性指數(shù)高，同時(shí)它的天然含水率也高。將圖2和圖3對(duì)比來看，在塑性圖中，液限值高的土體，天然含水率高，但是卻表現(xiàn)出堅(jiān)硬硬塑的稠度狀態(tài)，而液限值低的土體，天然含水率低，較多表現(xiàn)出可塑、軟塑的稠度狀態(tài)，尤其是在液限值大于100%的范圍內(nèi)這種現(xiàn)象最為明顯，土樣有較高的天然含水率，表現(xiàn)出堅(jiān)硬硬塑的狀態(tài)。這一點(diǎn)與常規(guī)認(rèn)為的，含水率越高其稠度狀態(tài)越軟的觀點(diǎn)相背。印證紅粘土的稠度狀態(tài)不單單是從其含水率來認(rèn)識(shí)，液限值的大小對(duì)其稠度狀態(tài)的影響是明顯存在的，且其影響程度比含水率大。

3 指標(biāo)相關(guān)性分析和實(shí)驗(yàn)

3.1 液限與塑性指數(shù)的相關(guān)性

紅粘土的液限和塑性指數(shù)的值直接決定他們?cè)谒苄詧D上的位置，因此有必要研究它們兩者的關(guān)系。

塑性指數(shù)IP是計(jì)算指標(biāo)，IP=ωL-ωP，通過SPSS統(tǒng)計(jì)軟件分析它們的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)，塑性指數(shù)與液限為正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.839，而與塑限的相關(guān)系數(shù)為0.505。說明紅粘土的塑性指數(shù)與液限的相關(guān)關(guān)系更強(qiáng)。通過回歸驗(yàn)算，液限與塑性指數(shù)的關(guān)系曲線是：

當(dāng)自變量為液限時(shí)：

(1)

通過公式(1)，液限的變化可以控制塑性指數(shù)的變化，塑性指數(shù)的變化也可以說明液限值的變化，因此影響液限值的因素也會(huì)影響到塑性指數(shù)，這種關(guān)系的存在說明紅粘土的水理性質(zhì)間的相互影響關(guān)系，也是貴州紅粘土塑性圖散點(diǎn)展布方向與A線一致的原因(特征一)。

與此同時(shí)由于塑限含水率wP表示從塑態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閳?jiān)硬狀態(tài)時(shí)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(huì)偏大。同理，液限含水率wL表示為從塑態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱鲬B(tài)時(shí)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?yàn)檫@個(gè)原因，使得塑性指數(shù)IP=wL-wP與一般土相比會(huì)偏小(這也是塑性圖上紅粘土位于A線下方的原因之一)。

3.2 液限與天然含水率的相關(guān)性

天然含水率和液限值是土的含水性指標(biāo)，且都是實(shí)測(cè)指標(biāo)，液限值的大小由紅粘土的物質(zhì)成分決定，天然含水率的大小和含水條件有關(guān)。通過SPSS軟件分析出的相關(guān)系數(shù)是0.814，屬于正強(qiáng)相關(guān)的兩個(gè)指標(biāo)。根據(jù)曲線估計(jì)，它們的擬合方程是：

以液限為自變量，含水率與液限成對(duì)數(shù)關(guān)系。

(2)

式中，液限值的單位是%，天然含水率的單位是%。

公式(2)表明在相同含水環(huán)境條件下，液限值高的土它的天然含水率就高。說明液限增高，土中的物質(zhì)成分有一定的變化，含有更多的粘土成分或親水成分，有更強(qiáng)的吸引水分子的能力，表現(xiàn)出較高的天然含水率，因此紅粘土的天然含水率會(huì)隨著液限值的不同而發(fā)生變化，并且成正相關(guān)關(guān)系。但這個(gè)規(guī)律反過來就不成立了，在天然含水率一定的條件下，由于含水環(huán)境的差異和本身物質(zhì)成分的差異，液限值也是有差異的。根據(jù)含水比的公式，即使紅粘土有較高的含水率，但是其液限值變化范圍大，液限值大，同樣可使得計(jì)算得到的含水比值小，表現(xiàn)出堅(jiān)硬硬塑狀態(tài)，因而在塑性圖上表現(xiàn)出隨著液限的增大，軟塑和可塑態(tài)的土減少，而硬塑和堅(jiān)硬態(tài)的土增多(特征二)。這一點(diǎn)是貴州紅粘土的特殊物質(zhì)組成決定的。

3.3 粒度實(shí)驗(yàn)

貴州紅粘土的塑性圖中，紅粘土在天然情況下有表現(xiàn)出粉土的性質(zhì)，因此需要分析它們的粒度成分。紅粘土中粘粒含量較高，石英等原生礦物含量就越少，紅粘土的粒度成分分析采用化學(xué)分散的方法測(cè)定。但是在自然情況下，沒有天然分散劑使紅粘土分散，表現(xiàn)出高粘土的性質(zhì)，于是設(shè)計(jì)了一組對(duì)比試驗(yàn)。

紅粘土固體顆粒很細(xì)很均勻，在做粒度分析實(shí)驗(yàn)時(shí)，規(guī)范規(guī)定加入4%濃度的六偏磷酸鈉10 mL作為分散劑，但在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)對(duì)于貴州紅粘土來說，需要加至20 mL才能得到穩(wěn)定的懸液，與之前廖義玲教授的關(guān)于粒度的分析實(shí)驗(yàn)一致。另一組試樣不加分散劑測(cè)它的粒度成分，發(fā)現(xiàn)懸液中顆粒仍以集合體的粉粒形式存在。結(jié)果如表3。

表3 貴州紅粘土粒度成分分析結(jié)果Tab.3 Results of particle size composition analysis of Guizhou red clay

表3中，紅粘土的實(shí)際粘粒含量(加分散劑)多在50%以上，屬于重粘土，以<2 μm的細(xì)粘粒為主，其余多為粉粒和砂粒，大顆粒含量非常少。然而天然狀態(tài)下(不加分散劑)紅粘土不呈分散狀態(tài)，紅粘土的砂粒組含量在23%～36%，粉粒組含量為62%～74%，粘粒組含量非常少。

在不加分散劑的情況下，受土粒間連結(jié)的影響，測(cè)定的是沒有破壞土粒間連結(jié)的情況下的粒徑大小，紅粘土形成粉粒大小的集合體，按照粒組分類標(biāo)準(zhǔn)，在這種情況下紅粘土屬于粉土，出現(xiàn)“假粉?！碧攸c(diǎn)。這種“假粉?！贝砑t粘土中固體礦物顆粒膠結(jié)后粒團(tuán)的大小，反映的是固相團(tuán)粒的基本尺寸，這也是自然狀態(tài)下的主要表現(xiàn)形式。隨著液限值的增加，紅粘土粘粒含量也增加，在自然狀況下，“假粉?！爆F(xiàn)象越突出，在塑性圖上表現(xiàn)出散點(diǎn)分布從A線上方逐漸變化到A線下方的原因(特征三)。

4 原因分析

紅粘土的成土過程中，紅土化作用程度直接影響紅粘土的特殊物質(zhì)組成[3]。紅土化作用越強(qiáng)烈，生成紅粘土中的粘土礦物有更多的親水礦物成分和氧化物的膠結(jié)連結(jié)成分，能夠吸收更多的水分子，從而有更高的液限值[6-7]。因此在自然狀態(tài)下，液限值高的土體比液限值低的土體有更強(qiáng)的吸附水分子的能力，故而其天然含水率較高。因而液限值可以間接分析紅粘土的紅土化作用程度。同時(shí)由于液限值對(duì)稠度狀態(tài)有更強(qiáng)的控制作用，導(dǎo)致紅粘土液限值越高，天然含水率也越高，但卻表現(xiàn)出更堅(jiān)硬的狀態(tài)。天然情況下，紅土化作用越強(qiáng)烈，粘土礦物成分更多，顆粒間相互作用越強(qiáng)烈，表現(xiàn)出的“假粉粒”現(xiàn)象越突出，因此液限值越高的土在塑性圖上表現(xiàn)出更多的出現(xiàn)在A線下方。紅粘土在塑性圖上的特殊分布是它的特殊紅土化作用程度和特殊物質(zhì)成分所決定的。

5 結(jié)論

1)紅粘土散點(diǎn)在塑性圖上的展布規(guī)律與A線展布規(guī)律一致。

2)紅粘土液限值越高，它的天然含水率也越高，但表現(xiàn)出更堅(jiān)硬的特點(diǎn)。

3)紅粘土散點(diǎn)在塑性圖上的位置從A線上方逐漸變化到A線下方，天然情況下具有“假粉?！钡奶攸c(diǎn)，液限值越高，這種現(xiàn)象越突出。

4)紅粘土紅土化作用程度和特殊物質(zhì)成分是導(dǎo)致紅粘土塑性圖特殊分布的主要原因。