貴州紅粘土的孔隙特征及區(qū)域性分布規(guī)律

尤英鋒，張 洪

(1.貴州省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，貴州 貴陽(yáng) 550081，2.貴州地環(huán)工程有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081)

1 前言

紅粘土在我國(guó)南方分布廣泛，它的分布有很明顯的地域性。在貴州省內(nèi)，紅粘土主要分布在貴陽(yáng)市貴陽(yáng)盆地、遵義地區(qū)、六盤(pán)水巖溶盆地、安順、興義、銅仁及黔南地區(qū)等。文章通過(guò)對(duì)紅粘土微觀結(jié)構(gòu)的研究，并對(duì)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出孔隙指標(biāo)的區(qū)域性分布的規(guī)律，對(duì)進(jìn)一步研究紅粘土的物理性質(zhì)有著一定的意義。

2 貴州紅粘土的孔隙特征及其指標(biāo)

2.1 貴州紅粘土的孔隙特征

紅粘土的孔隙特征一是孔隙極發(fā)育，是高孔隙粘土，二是孔隙具有兩個(gè)層次。根據(jù)掃描電鏡資料的研究證實(shí)，紅粘土微結(jié)構(gòu)是一種復(fù)雜的二重空間結(jié)構(gòu)。這種二重空間結(jié)構(gòu)可以劃分為兩個(gè)微結(jié)構(gòu)的層次，即一種為粘土礦物粒團(tuán)組成的基本結(jié)構(gòu)單元，另一種是由這種結(jié)構(gòu)單元組合起來(lái)，再通過(guò)單元與單元之間的結(jié)構(gòu)連接，構(gòu)成復(fù)雜的總體結(jié)構(gòu)，而有粘土礦物粒團(tuán)組成的基本結(jié)構(gòu)占據(jù)二重空間結(jié)構(gòu)的主要地位(高國(guó)瑞，1985)。相對(duì)應(yīng)的，紅粘土存在兩種結(jié)構(gòu)連結(jié)：一種為粒團(tuán)內(nèi)粘土礦物顆粒之間的連結(jié)和粒團(tuán)之間的結(jié)構(gòu)連結(jié)。而紅粘土中的孔隙類型也可相對(duì)應(yīng)的分為兩種類型(圖1a、b所示)，即粒團(tuán)內(nèi)孔隙和粒團(tuán)間孔隙(粒團(tuán)即有的學(xué)者所稱的聚集體)(廖義玲等，2004)。

紅粘土粒團(tuán)內(nèi)的孔隙非常發(fā)育，約占孔隙總體積的四分之三以上，孔隙半徑非常小，呈封閉或是半封閉狀態(tài)，受到壓力之后，孔隙相對(duì)穩(wěn)定，是具有“惰性”的孔隙，這種“惰性”孔隙數(shù)量非常多，也是這種孔隙讓紅粘土具有與其它土類不同的物理力學(xué)性質(zhì)(李景陽(yáng)等，2002)。

紅粘土中的粒團(tuán)間的孔隙半徑則較大，體積在土中孔隙總體積中則不到四分之一，這類孔隙受到外力作用時(shí)容易發(fā)生變化，是活性孔隙，可影響土的變形性能(李景陽(yáng)等，1995)。

2.2 貴州紅粘土的孔隙性指標(biāo)

圖1 紅粘土的微觀結(jié)構(gòu)電鏡照片

圖2 貴州地區(qū)紅粘土孔隙比分布圖

圖3 貴州地區(qū)紅粘土孔隙率分布圖

表1、表2為根據(jù)SPSS統(tǒng)計(jì)軟件分析的貴州省七個(gè)地區(qū)孔隙比與孔隙率的結(jié)果。據(jù)表1所示，在貴州省的七個(gè)地區(qū)中，紅粘土的孔隙比均值均大于1.0，超出了一般土的天然孔隙比常見(jiàn)值范圍，紅粘土的孔隙比相對(duì)于其他土來(lái)說(shuō)具有特殊性。從整體來(lái)看，方差與標(biāo)準(zhǔn)差值都比較小，說(shuō)明各個(gè)地區(qū)的孔隙比的離散程度較低，較為集中；變化范圍對(duì)于該指標(biāo)來(lái)講較大，說(shuō)明孔隙比的值分布不穩(wěn)定；從偏度來(lái)看，畢節(jié)、銅仁及貴陽(yáng)的偏度值接近0，說(shuō)明這三個(gè)地區(qū)的孔隙比值更接近正態(tài)分布；從峰度值來(lái)講，只有畢節(jié)地區(qū)大于0，說(shuō)明其孔隙比值集中在平均數(shù)周?chē)识盖驼龖B(tài)分布，其他地區(qū)孔隙比則分布較分散，呈平緩正態(tài)分布。

表1 貴州地區(qū)紅粘土孔隙比的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

表2 貴州地區(qū)紅粘土孔隙率的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

3 貴州紅粘土孔隙性指標(biāo)的區(qū)域性差異

紅粘土形成的氣候、水文、母巖地層巖性、地質(zhì)環(huán)境等條件不同，其孔隙性指標(biāo)亦存在差異，表現(xiàn)在水平方向上和垂直深度方向上的區(qū)別。

3.1 水平方向?qū)Ρ确治鼋Y(jié)果

對(duì)貴州省七個(gè)地區(qū)的孔隙性指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)量為均值和95%置信區(qū)間，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。從表中可以看出，孔隙指標(biāo)值從大到小分別為六盤(pán)水，貴陽(yáng)，安順，遵義，銅仁，黔南州，畢節(jié)(尤英鋒，2016)。

表3 貴州各地區(qū)孔隙指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

對(duì)貴州省七個(gè)地區(qū)的孔隙比自西向東用箱型圖標(biāo)示在圖上，如圖4所示，圖中每個(gè)地區(qū)的箱型圖展現(xiàn)出孔隙比的主要分布范圍與集中趨勢(shì)，而圖5所示為貴州省各地區(qū)自西向東的孔隙比均值分布情況?？傮w來(lái)看，孔隙比的值從大到小分別為六盤(pán)水，貴陽(yáng)，安順，遵義，銅仁，黔南州，畢節(jié)，與表4的統(tǒng)計(jì)結(jié)果相對(duì)應(yīng)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，除了畢節(jié)地區(qū)以外，紅粘土孔隙性指標(biāo)的大小總的趨勢(shì)為由西向東逐漸減小。

圖4 貴州省各地區(qū)孔隙比分布箱型圖(自西向東)

圖5 貴州省各地區(qū)孔隙比均值分布圖(自西向東)

此外，將貴州省各地區(qū)的孔隙比指標(biāo)常見(jiàn)分布區(qū)間按照由北向南的順序用箱型圖表示在圖上，如圖6所示；同時(shí)，將孔隙比的均值也按照由北向南的順序標(biāo)示在圖上，如圖7?？梢钥闯?，孔隙比的分布以黔中一帶為界，北部由北向南孔隙比數(shù)值逐漸減小；南部由北向南孔隙比的數(shù)值亦逐步減小。

在貴州區(qū)域內(nèi)，東部地區(qū)紅粘土的紅土化作用強(qiáng)于西部地區(qū)，原因是東部山地丘陵地帶，西部為高原山地區(qū)，西部地區(qū)的海拔高于東部地區(qū)，氣溫則隨著海拔的高度增加而降低，紅土化作用隨著氣溫的升高而進(jìn)行的更徹底；而南部的紅土化作用強(qiáng)于北部地區(qū)，因?yàn)槟喜康貐^(qū)的溫度則高于北部地區(qū)(李景陽(yáng)等，1996)。紅土化作用過(guò)程可以將松散溶蝕殘余堆積物膠結(jié)形成土的結(jié)構(gòu)連結(jié)，使松散物變得密集，土體中孔隙體積減小，同時(shí)提高了土體的強(qiáng)度。在貴州中部的高原山地區(qū)域，氣溫相差不大，由于貴陽(yáng)與安順地區(qū)的巖性以白云巖為主(韓貴琳，1992)，而遵義地區(qū)的巖性以石灰?guī)r為主，巖性的差異是紅土化作用程度有差異的重要因素，所以紅粘土的孔隙比自北向南方向的變化規(guī)律并不十分明顯(廖義玲等，2001)。

圖6 貴州省各地區(qū)孔隙比分布箱型圖(自北向南)

圖7 貴州省各地區(qū)孔隙比均值分布圖(自北向南)

3.2 深度方向?qū)Ρ确治鼋Y(jié)果

紅粘土在不同深度上紅土化程度不同，一般來(lái)說(shuō)，在剖面上從地表往下由強(qiáng)到弱(秦剛等，1994)。此外，暴露于地表的紅粘土，溫度較高，土體中水分的蒸發(fā)作用也較強(qiáng)，土體失水收縮，孔隙減小，土體變得更加致密，因此其孔隙比應(yīng)該呈減小趨勢(shì)(廖義玲等，2004)。對(duì)貴州紅粘土具有有效深度的1641組數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以2 m的間距分別統(tǒng)計(jì)不同深度范圍的孔隙性指標(biāo)的均值和均值的95%置信區(qū)間，結(jié)果如表4所示。

表4 孔隙指標(biāo)在深度上的變化規(guī)律

由圖8的箱型圖與圖9的均值趨勢(shì)圖均可看出，紅粘土的孔隙指標(biāo)在深度方向上由上至下總體呈增大的趨勢(shì)。紅粘土的紅土化作用從地表開(kāi)始，并逐漸向下發(fā)展，在地質(zhì)剖面方向上表現(xiàn)為紅土化作用隨著土層深度的增加而逐步減弱，孔隙比逐漸增大。并且，隨著土層深度的增加，土體受到的蒸發(fā)作用就逐漸減弱，含水量逐漸增大，所以紅粘土的稠度狀態(tài)由硬塑狀態(tài)向可塑狀態(tài)(或軟塑狀態(tài))逐步過(guò)渡。

圖8 貴州省紅粘土不同深度孔隙比箱型圖

圖9 貴州省紅粘土不同深度孔隙比均值趨勢(shì)圖

4 結(jié)論

(1)貴州紅粘土是一種區(qū)域性特殊土，對(duì)貴州省內(nèi)七個(gè)地區(qū)的1858組紅粘土土工數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其孔隙有如下特征：孔隙性指標(biāo)較一般粘性土高，更接近于淤泥類土。

(2)經(jīng)過(guò)對(duì)貴州各地區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后，發(fā)現(xiàn)貴州紅粘土的孔隙具有兩個(gè)基本特征，一個(gè)是孔隙多(e值大)，另一個(gè)是土中存在大量的細(xì)小孔隙，且這些細(xì)小孔隙多數(shù)存在于膠結(jié)的粒團(tuán)當(dāng)中。

(3)在貴州地區(qū)，紅粘土的孔隙指標(biāo)在地域上存在差異，經(jīng)對(duì)大量紅粘土的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出貴州紅粘土孔隙性指標(biāo)在水平橫向的總趨勢(shì)為由西向東逐漸減??；水平縱向孔隙指標(biāo)分布以黔中一帶為界，北部由北向南孔隙指標(biāo)呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，南部由北向南孔隙指標(biāo)亦呈現(xiàn)減小趨勢(shì)；而在剖面深度方向孔隙性指標(biāo)由上至下呈增大的趨勢(shì)，即深度越深，孔隙指標(biāo)越大。