昆明某工程區(qū)不同埋深下紅土的物理特性研究

朱旭 田林 羅軍堯

摘 要：隨著西部地區(qū)的開(kāi)發(fā)與建設(shè)，更深層次的研究紅土的特性從而更好地應(yīng)用于實(shí)踐工程中去，已經(jīng)成為眾多科研學(xué)者的研究課題。本文對(duì)云南省昆明市某工程區(qū)的不同深度下的原狀土進(jìn)行了試驗(yàn)研究。通過(guò)基本的室內(nèi)土工試驗(yàn)測(cè)出紅土的基本物理參數(shù);不同壓力等級(jí)下的高壓固結(jié)試驗(yàn)，研究各級(jí)壓力等級(jí)下土的壓縮固結(jié)特性;通過(guò)剪切試驗(yàn)得出土的黏聚力與內(nèi)摩擦角來(lái)探究土體的強(qiáng)度。試驗(yàn)研究表明：云南省昆明市紅土具有含水率較高、孔隙較大、壓縮性較低和強(qiáng)度較高的物理特性。在試驗(yàn)基礎(chǔ)上系統(tǒng)總結(jié)了不同埋深紅土的物理特性及力學(xué)特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：紅土;物理特性;工程;土工試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TU411.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

紅土具有壓縮性低、強(qiáng)度高等特殊的工程特性。由于各地氣候、水文、地質(zhì)的差異性，紅土具有明顯的地域性，紅土通常呈磚紅色、棕紅色、褐黃色[1]。紅土在上世紀(jì)作為特殊土被列入規(guī)范，并且在專家學(xué)者的深入研究下已經(jīng)取得了很多具有價(jià)值的成果[2]。

畢慶濤等[3]通過(guò)對(duì)紅土進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)分析了紅土的強(qiáng)度與含水率的關(guān)系，結(jié)果表明，紅土的強(qiáng)度明顯受含水量的影響。王洋等[4]對(duì)殘積紅黏土的物理化學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了研究，通過(guò)試驗(yàn)的方法分析了紅黏土性質(zhì)的變異性。其研究成果如下：土體的黏聚力（c）和內(nèi)摩擦角（φ）值均受含水率的影響，其中對(duì)c值的影響程度更顯著。柏巍等[5]對(duì)廈蓉高速段的紅土展開(kāi)了試驗(yàn)研究，試驗(yàn)表明：紅土土層的力學(xué)特性與含水率及厚度相關(guān)。張瑞敏[6]通過(guò)對(duì)貴州地區(qū)紅土固結(jié)特性進(jìn)行研究得出了研究區(qū)紅土均為中壓縮性土。

昆明地區(qū)廣泛分布著紅黏土且其埋深不大，許多工程項(xiàng)目都選址在紅黏土地基上，這就使得研究紅黏土的物理特性具有現(xiàn)實(shí)意義。由本地區(qū)的研究資料可知，昆明地區(qū)的紅黏土一方面因其抗剪強(qiáng)度高和壓實(shí)性較低的特性，往往在工程中被選作持力層。另一方面，又由于其孔隙大、含水率高、液塑性高的物理特性決定了其具有弱膨脹性、裂縫性，會(huì)給工程的安全帶來(lái)隱患[7]。故而從紅黏土的物理特性出發(fā)，對(duì)昆明地區(qū)的紅黏土的物理特性展開(kāi)研究，對(duì)工程實(shí)踐具有較大的指導(dǎo)意義。本文對(duì)昆明市某工程的不同深度的地下土進(jìn)行物理特性研究，對(duì)不同深度下的原狀土的基本工程特性通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行了深入的分析與探討。

1 工程地質(zhì)條件

1.1 位置及地形地貌

研究區(qū)位于昆明斷陷盆地北部，屬于河谷階地，是由于河流侵蝕堆積成因形成的。該范圍地坪標(biāo)高起伏較大，地形總體為西北高東南低，坡度約在3%～8%之間。現(xiàn)狀下場(chǎng)地表部分布有厚層填土（填土厚度最大達(dá)11 m）研究區(qū)西側(cè)及北側(cè)回填土較厚介于1 912.67～1 923.00 m，相對(duì)高差10.23 m。

1.2 水文

昆明某工程研究區(qū)所在的滇池流域是三大流域（紅河、金沙江和珠江）的分水嶺地帶。流域內(nèi)分布有二十余條大小河流匯入滇池，但大部分河流水量小，匯水面積大。其中新河、洛龍河、寶象河、撈魚(yú)河、大河、盤(pán)龍江、東大河、柴河等8條的匯水面積都在100 km2以上。東白沙河、西北沙河、紅坡等小型水庫(kù)以及松華壩大型水庫(kù)和寶象河、松茂、橫沖、大河、柴河等5座中型水庫(kù)都坐落在這些河流上。研究區(qū)內(nèi)分布有一條寬約0.50～1.30 m、深約0.30～0.80 m泄洪渠，該泄洪渠由場(chǎng)地西北方向往東南方向流經(jīng)場(chǎng)地并匯入距場(chǎng)地110 m遠(yuǎn)的盤(pán)龍江內(nèi)?？辈炱陂g泄洪渠內(nèi)水量較小，流速較緩，勘察施工后期，該泄洪渠已被截?cái)喔南蚝蟛涣鹘?jīng)場(chǎng)地內(nèi)。

1.3 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

昆明盆地在大地構(gòu)造上位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)康滇古隆起東緣。研究區(qū)附近主要發(fā)育黑龍?zhí)?官渡斷裂，該斷裂呈近南北向發(fā)育，區(qū)域發(fā)育長(zhǎng)度98 km;斷裂北段（即大哨以北）傾向西，傾角32～45°，為壓扭性逆斷層;該斷層的東盤(pán)主要是古生界泥盆系至二疊系上統(tǒng)地層;斷層的西盤(pán)主要是侏羅系中統(tǒng)、古生界奧陶系下統(tǒng)、二疊系上統(tǒng)及中生界三疊系上統(tǒng)地層;斷裂南段（即大哨以南）傾向東，傾角52～70°，性質(zhì)為張扭性正斷層;該斷層主要分布角礫巖與碎裂巖，碎裂巖帶寬120 m，角礫巖帶寬30 m;東、西兩盤(pán)主要是元古界昆陽(yáng)群及古生界二疊系上統(tǒng)地層。該斷裂從研究區(qū)附近通過(guò)，距離研究區(qū)2 km。

研究區(qū)區(qū)域地殼較不穩(wěn)定，區(qū)域主干斷裂及次級(jí)斷裂挽近期活動(dòng)是影響區(qū)域地殼穩(wěn)定性的主要因素。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011—2010）[8]，昆明市抗震設(shè)防烈度為8度。

2 紅黏土的物理特性

2.1 紅黏土的基本工程特性

紅黏土具有非常明顯的區(qū)域性，紅黏土在不同地區(qū)的的物理特性是不同的[9]。研究典型土樣取自南省昆明市某工程的最具有代表性的鉆孔中的原狀土進(jìn)行研究。

分別取兩個(gè)鉆孔的不同深度的原狀土進(jìn)行物理特性研究，根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GBT50123—2019）進(jìn)行具體物理試驗(yàn)[10]。表1介紹了ZK1和ZK2的取樣深度及基本物理特性試驗(yàn)結(jié)果。

ZK1-1、ZK1-2及ZK1-3的取樣深度分別為30.5～32.7 m、42.5～42.7 m和45.9～46.1 m，ZK2-1、ZK2-2及ZK2-3的取樣深度分別為11.3～11.5 m、27.0～27.2 m和32.4～32.6 m。通過(guò)表1中的一些物理參數(shù)，能夠進(jìn)一步證實(shí)紅黏土孔隙大、含水率高的物理特性，且可以看出紅黏土的孔隙比及含水率隨著取樣深度的增大而增大;而土粒比重和濕密度則是隨著取樣深度的增大而減小。

2.2 紅黏土的界限含水率

界限含水率在很大程度上決定了土的力學(xué)性質(zhì)。黏土的狀態(tài)隨著土壤含水量由高到低的變化分別為流動(dòng)態(tài)、塑性態(tài)、半固態(tài)和固態(tài)。在工程實(shí)際中，準(zhǔn)確測(cè)定土壤的液塑指標(biāo)對(duì)工程具有很重要的意義，特別是液限能很好的反應(yīng)出土的物理特性[11]。塑性指數(shù)是紅黏土特性中的一個(gè)重要指標(biāo)，能綜合地反映土的礦物成分和顆粒大小的影響[12]。

表2是不同深度下紅土的液、塑限及液、塑性指數(shù)。由表2可得出隨著深度的增大，液限和塑限也隨之增大。研究區(qū)所有紅土樣品的塑性指數(shù)均大于17，進(jìn)一步證實(shí)研究區(qū)土壤為黏性土。

3 紅黏土的載荷試驗(yàn)

3.1 固結(jié)試驗(yàn)

固結(jié)試驗(yàn)是測(cè)定樣品壓縮性的一個(gè)試驗(yàn)，而壓縮性也是土的一個(gè)重要的指標(biāo)。將各個(gè)點(diǎn)的6.18 cm×2 cm的環(huán)刀試樣裝在單杠桿固結(jié)儀上，分別以50、100、200、300、400 kPa加壓，記錄不同時(shí)間內(nèi)的壓縮量。根據(jù)數(shù)據(jù)可以得出紅黏土的壓縮系數(shù)，還可得出壓縮變形量與荷載之間的關(guān)系，進(jìn)而得到土的孔隙比與荷載之間的關(guān)系，即e-lgp曲線。通常將壓力100 kPa與壓力200 kPa下的壓縮系數(shù)作為土體壓縮性評(píng)價(jià)指標(biāo)。

表3是不同深度下紅黏土在不同壓力下的壓縮系數(shù)。

可以得出除了取樣深度最深（52.9～53.1 m）的樣品外，其它所有樣品在獲得的100～200 kPa之間的壓縮系數(shù)（α0.1～0.2MPa）均在0.1～0.5 MPa-1（中壓縮性土的壓縮系數(shù)范圍）之間（表3）。

圖1表示不同深度下紅黏土的壓縮系數(shù)（α0.1～0.2MPa）和壓縮模量?？梢钥闯?，紅黏土在最小取樣深度3.3～3.5m的壓縮系數(shù)為最大值0.45 kPa，在最大取樣深度52.9～53.1 m的壓縮系數(shù)為最小值0.08 kPa。并且紅黏土的壓縮系數(shù)呈現(xiàn)了一個(gè)非常明顯的規(guī)律：紅黏土的壓縮系數(shù)隨著取樣深度的增大而減小。也就是說(shuō)，取樣深度越深，紅黏土的壓縮性越差，取樣深度越淺，紅黏土的壓縮性越好。

3.2 剪切試驗(yàn)

直接剪切試驗(yàn)是測(cè)定土的抗剪強(qiáng)度的一種常用方法。根據(jù)直剪試驗(yàn)結(jié)果和庫(kù)倫定律可以確定土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)內(nèi)摩擦角φ 和黏聚力c。黏聚力和內(nèi)摩擦角是常規(guī)土工試驗(yàn)反映土體強(qiáng)度的重要指標(biāo)[13]。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可以看出最小取樣深度11.3～11.5 m的黏聚力為30.5 kPa，最大取樣深度45.9～46.1 m的黏聚力為23.2 kPa;而最大粘聚力56.8 kPa的取樣深度為27.0～27.2 m，非最大或最小取樣深度。同樣根據(jù)表4可以看出，最小內(nèi)摩擦角9.3 °的取樣深度為42.5～42.7 m，最大內(nèi)摩擦角12 °的取樣深度為27.0～27.2 m;而最大取樣深度45.9～46.1 m的內(nèi)摩擦角為10.5°，非最大或最小內(nèi)摩擦角。因此紅黏土的黏聚力和內(nèi)摩擦角與深度之間并無(wú)明顯規(guī)律。

4 穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

4.1 不良地質(zhì)作用和地質(zhì)災(zāi)害

研究區(qū)屬于地殼較穩(wěn)定區(qū)，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定性較好。周邊分布最近的斷裂帶為晚更新世的普渡河斷裂帶，其與普渡河斷裂之間的距離大于10 km。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011—2010）規(guī)定，研究區(qū)擬建建筑結(jié)構(gòu)地震動(dòng)參數(shù)可不計(jì)入近場(chǎng)影響，可忽略發(fā)震斷裂錯(cuò)動(dòng)對(duì)地面建筑的影響。

4.2 穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)

從區(qū)域地質(zhì)資料查證，研究區(qū)附近分布著早-中更新世活動(dòng)性斷裂（黑龍?zhí)丁俣蓴嗔眩?，該斷裂距研究區(qū)約2 km，研究區(qū)10 km范圍內(nèi)無(wú)全新世活動(dòng)斷裂通過(guò)，研究區(qū)區(qū)域地殼較不穩(wěn)定，位于次不穩(wěn)定區(qū)。

研究區(qū)地層較復(fù)雜，地貌較單一，交通方便，研究區(qū)地貌單元為河流侵蝕堆積成因形成的河谷階地地貌。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，研究區(qū)附近無(wú)滑坡、泥石流、地面塌陷、巖溶、采空區(qū)、地下埋藏物等不良地質(zhì)作用， 擬建場(chǎng)地處于昆明斷陷湖積盆地北部，地形有一定起伏，原始地貌為山麓斜坡坡積與洪積扇交替地帶。根據(jù)工程地質(zhì)測(cè)繪、鉆探等手段的勘測(cè)和已有資料綜合分析判斷，研究區(qū)內(nèi)無(wú)活動(dòng)斷裂通過(guò)，地層結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，但地層分布相對(duì)較為穩(wěn)定，地勢(shì)較為平緩，巖土體的工程特性較好。場(chǎng)地內(nèi)存在人工填土、紅黏土、軟弱土外，無(wú)滑坡、地面塌陷、泥石流等不良地質(zhì)作用，現(xiàn)狀下是穩(wěn)定的，基本適宜本工程建設(shè)。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)研究區(qū)的地質(zhì)調(diào)查勘探以及對(duì)不同深度下的紅黏土進(jìn)行系統(tǒng)的室內(nèi)試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

1）研究區(qū)區(qū)域地殼較不穩(wěn)定，影響區(qū)域地殼穩(wěn)定性的主要因素為區(qū)域主干斷裂及次級(jí)斷裂挽近期活動(dòng)，同時(shí)伴生有地震發(fā)生。

2）研究區(qū)紅黏土具有孔隙大、含水率高的物理特性。紅黏土的孔隙比及含水率隨著取樣深度的增大而增大;而土粒比重和濕密度則是隨著取樣深度的增大而減小。隨著深度的增大，液限與塑限也隨之增大。而塑限指數(shù)均大于17。

3）除了取樣深度最深（52.9～53.1 m）的樣品外，其它所有樣品均屬于中壓縮性土。紅黏土的壓縮系數(shù)隨著取樣深度的增大而減小。也就是說(shuō)，取樣深度越深，紅黏土的壓縮性越差，取樣深度越淺，紅黏土的壓縮性越好。

4）場(chǎng)地內(nèi)存在人工填土、紅黏土、軟弱土外，沒(méi)有滑坡、地面塌陷、泥石流等不良地質(zhì)作用。場(chǎng)地內(nèi)存在人工填土、紅黏土、軟弱土外，無(wú)滑坡、地面塌陷、泥石流等不良地質(zhì)作用，現(xiàn)狀下是穩(wěn)定的，基本適宜本工程建設(shè)。

參考文獻(xiàn)：

[1]何添杰， 劉之葵， 董兵紅， 等. 桂林巖溶區(qū)紅黏土固結(jié)特性研究[J]. 土工基礎(chǔ)， 2019， 33（4）： 442-445.

[2] 字曉雷. 昆明呈貢地區(qū)飽和紅黏土的靜動(dòng)力學(xué)特性研究[D]. 昆明： 云南大學(xué)， 2019.

[3] 畢慶濤， 姜國(guó)萍， 丁樹(shù)云. 含水量對(duì)紅黏土抗剪強(qiáng)度的影響[J]. 地球與環(huán)境， 2005（S1）：144-147.

[4] 王洋， 湯連生， 高全臣， 等. 水土作用模式對(duì)殘積紅黏土力學(xué)性質(zhì)的影響分析[J]. 中山大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2007（1）： 128-132.

[5] 柏巍， 孔令偉， 郭愛(ài)國(guó)， 等.紅黏土地基承載力和變形參數(shù)的空間分布特征分析[J]. 巖土力學(xué)， 2010， 31（S2）： 164-169.

[6] 張瑞敏. 玄武巖殘積土的物理力學(xué)特性研究[J]. 水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2020， 18（1）： 74-78.

[7] 韋復(fù)才. 桂林紅黏土的物質(zhì)組成及其工程地質(zhì)性質(zhì)特征[J]. 江西師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2005（5）： 88-92.

[8] 中國(guó)建筑工業(yè)出版社. 建筑設(shè)計(jì)規(guī)范[M]. 北京： 中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.

[9] 李珍玉， 王永和， 楊果林. 不同應(yīng)力水平下結(jié)構(gòu)性紅黏土物理力學(xué)特性[C]//中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)土力學(xué)及巖土工程學(xué)術(shù)會(huì)議. 重慶： 中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)， 2007.

[10]中華人民共和國(guó)水利部. 土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 50123—2019[S]. 北京： 中國(guó)計(jì)劃出版社， 2019.

[11]李向東. 云南紅黏土路用性能及施工工藝研究[D]. 西安： 長(zhǎng)安大學(xué)， 2013.12.

[12]康長(zhǎng)平， 廖義玲， 易慶波， 等. 貴州紅黏土液塑限的差異及對(duì)工程性質(zhì)的影響[C]// 2011年全國(guó)工程地質(zhì)學(xué)術(shù)年會(huì). 西寧： 中國(guó)地質(zhì)學(xué)會(huì)， 2011.

[13]許延春. 深部飽和黏土的力學(xué)性質(zhì)特征[J]. 煤炭學(xué)報(bào)， 2004， 29（1）： 26-30.

（責(zé)任編輯：于慧梅）

Physical Properties of Laterite and Engineering Stability

Evaluation in an Engineering Area of Kunming

ZHU Xu1， TIAN Lin*2， LUO Junrao2

（1.Faculty of Land and Resources Engineering ，Kunming University of Science and Technology ，Kunming 650500， China; 2.Faculty of Civil Engineering， Kunming University of Science and Technology ，Kunming 650500， China）

Abstract：

With the development and construction of the western region， it has become a research topic for many researchers to study the characteristics of laterite so as to better apply it to practical engineering. In this paper， the undisturbed soil at different depths in an engineering area of Kunming， Yunnan Province， is studied. The basic physical parameters of laterite are measured through the basic indoor geotechnical tests， and the compression consolidation characteristics of laterite under different pressure grades are studied through the high pressure consolidation tests. The cohesion and internal friction angle of soil obtained from Shear test are used to study the strength of soil. The test results show that the red soil in Kunming of Yunnan Province has the physical characteristics of higher moisture content， larger porosity， lower compressibility and higher strength. On the basis of experiments， the physical and mechanical characteristics of laterite soils with different burial depths are systematically summarized.

Key words：

laterite; physical properties; engineering; geotechnical test