高液限紅黏土微觀結(jié)構(gòu)與工程特性

于榮喜

中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，上海 200070

截至2021年底，我國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程突破15萬(wàn)km，其中高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程超4萬(wàn)km［1］。隨著八縱八橫高速鐵路網(wǎng)加密成型，工程建設(shè)中不可避免地會(huì)遇到大量高液限土，如處置不當(dāng)，將會(huì)引發(fā)路基翻漿、不均勻沉降、邊坡滑坡等，影響鐵路安全運(yùn)營(yíng)［2］。

國(guó)內(nèi)外眾多專家圍繞高液限黏土展開了大量研究。鄭德平［3］以浙江高速公路沿線天然高液限土為研究對(duì)象，分析其路用性能及不同含水率下石灰、水泥摻量的改良效果，確定了摻加4%石灰改良效果最優(yōu)。張軍輝等［4］采用靜、動(dòng)三軸試驗(yàn)測(cè)定不同圍壓、含水率、應(yīng)力水平條件下土樣的破壞應(yīng)力與彈塑性力學(xué)行為，建立了高液限黏土臨界破壞應(yīng)力快速預(yù)估模型。趙潤(rùn)濤［5］針對(duì)高液限膨脹性黏土，提出了按照摻2%石灰+3%水泥的化學(xué)改良方案，建議改良土施工應(yīng)選擇在旱季進(jìn)行，并通過晾曬、灑水等控制含水率。王林峰等［6］采用標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)和CBR強(qiáng)度試驗(yàn)研究紅黏土的壓實(shí)特性，提出了互層式紅黏土土石分層填筑方式。董城等［7］利用動(dòng)三軸試驗(yàn)，研究了水泥改良高液限黏土動(dòng)態(tài)回彈模量的影響因素及其變化規(guī)律。綜上所述，目前圍繞高液限紅黏土的研究大多集中在改良技術(shù)與改良效果評(píng)價(jià)，鮮有圍繞高液限紅黏土微觀結(jié)構(gòu)的研究。

本文以廣東省梅州市某工點(diǎn)路塹高液限紅黏土邊坡為研究對(duì)象，采用掃描電鏡和壓汞試驗(yàn)等方法，從孔隙特征和結(jié)構(gòu)特征兩方面，研究紅黏土孔徑分布、孔隙分形等微觀結(jié)構(gòu)特征，建立與其對(duì)應(yīng)的高液限紅黏土宏觀力學(xué)性質(zhì)的聯(lián)系，在微觀尺度上揭示了高液限紅黏土邊坡失穩(wěn)機(jī)理，為高液限紅黏土邊坡設(shè)計(jì)與施工提供理論與技術(shù)支撐。

1 室內(nèi)試驗(yàn)

1.1 試樣制備

為更加準(zhǔn)確地分析紅黏土的微觀結(jié)構(gòu)與工程特性，在同一邊坡的不同位置各取三組原狀土樣，見圖1。

圖1 取土現(xiàn)場(chǎng)與土樣

為避免試樣制備過程中黏性土-水-氣界面表面張力使組構(gòu)發(fā)生變化，選用目前最適宜黏性土的低溫冷凍干燥法進(jìn)行試樣制備。具體步驟如下：①取原狀土，將土樣制成1 cm3左右的塊狀；②將土樣放入液氮中5 min，使土中的液體迅速結(jié)成玻璃態(tài)冰；③取出土樣并放入真空冷凍干燥機(jī)中24 h，使土樣中的冰晶在-52 ℃環(huán)境中緩慢升華，進(jìn)入干燥狀態(tài)。

1.2 掃描電鏡試驗(yàn)

采用Quanta 250型掃描電子顯微鏡對(duì)高液限紅黏土微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，該顯微鏡在高真空觀測(cè)模式下的分辨率可達(dá)3 nm。

1.3 壓汞試驗(yàn)

壓汞試驗(yàn)的基本原理是基于非浸潤(rùn)性液體（通常為汞）特有的表面張力，若外部不對(duì)測(cè)試體施加壓力，汞液就不會(huì)進(jìn)入多孔介質(zhì)微小的孔隙當(dāng)中。

本次壓汞試驗(yàn)采用美國(guó)Micromeritics 生產(chǎn)的AutoPoreⅣ9500型高性能全自動(dòng)壓汞儀進(jìn)行試驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 掃描電鏡結(jié)果分析

不同放大倍數(shù)下紅黏土掃描電鏡分析結(jié)果見圖2?？芍杭t黏土一級(jí)單元體主要是以蜂窩狀排列的顆粒為主，二級(jí)單元體為某些未風(fēng)化的礦物；一級(jí)單元體尺寸在10 ～20 μm，二級(jí)單元體尺寸為1 ～5 μm。在3 000 ～6 000倍尺度上，土體主要以一級(jí)單元體形式存在，多數(shù)為片狀或球狀，形狀不規(guī)則，單元體間排列較疏松，粒間的架空孔隙較多，這些架空部分大多為溶蝕空洞，單元體間孔隙和單元體內(nèi)孔隙也較多，從整體上看一級(jí)單元體間結(jié)構(gòu)形式為蜂窩結(jié)構(gòu)。在6 000 ～12 000 倍尺度上，一級(jí)單元體被進(jìn)一步放大后，可發(fā)現(xiàn)呈不規(guī)則的多面體的片狀單粒結(jié)構(gòu)，大小不一，可判斷其為二級(jí)單元體。顆粒間的結(jié)構(gòu)形式可分為兩種情況。一種是非常規(guī)則的片狀層疊結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在6 000 倍視野下分布均勻，12 000倍下觀測(cè)其結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)層狀明顯，以面-面接觸為主，這些顆粒組成團(tuán)粒與其他顆粒連接。唐益群等［8］在上海淤泥土中也發(fā)現(xiàn)類似結(jié)構(gòu)，認(rèn)為其是生物殘骸或硅藻土；張抒［9］認(rèn)為該結(jié)構(gòu)是假六方片狀高嶺石，該點(diǎn)的能譜分析顯示，其鋁、硅含量高。本文認(rèn)為其為未被溶蝕破壞的原生高嶺石，其晶片厚0.5 ～1.0 μm。另一種為不規(guī)則分散狀顆粒，這種顆粒在風(fēng)化作用下原生結(jié)構(gòu)被破壞，在風(fēng)化過程中及降水作用下，表層土體迅速飽和。這些顆粒由于重力很小，能夠在水中懸浮，不因自重而下沉，形成次生疏松的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)以面-邊接觸或邊-邊接觸為主，屬絮狀結(jié)構(gòu)。

圖2 紅黏土掃描電鏡分析

如表1 所示，能譜分析顯示，紅黏土中含氧量在50%以上，風(fēng)化程度極高，鋁、硅元素含量之比約1∶1，判斷其以高嶺石為主；此外含有一定量的鐵離子，可以判斷其為碳酸鹽巖系出露巖石經(jīng)紅土化作用形成，殘留大量的鐵、鋁等金屬元素。

表1 紅黏土元素含量 %

2.2 壓汞試驗(yàn)結(jié)果分析

經(jīng)測(cè)試，紅黏土的液限為55% ～64%，塑限為18%～25%，黏聚力為8.5 kPa，內(nèi)摩擦角為30°。壓汞試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見表2?？芍?，不同位置紅黏土的主要參數(shù)基本一致，表明紅黏土在同一地層中孔隙特征基本相同。

表2 壓汞試驗(yàn)主要參數(shù)

2.2.1 進(jìn)出汞曲線特征

紅黏土孔隙體積與孔徑關(guān)系曲線見圖3?？芍杭t黏土的進(jìn)汞曲線兩端平緩，中間較陡峭，出汞曲線呈現(xiàn)近似線性減小趨勢(shì)；隨著孔徑變化，進(jìn)汞體積增量具有階段性變化。開始階段進(jìn)汞體積速率緩慢，達(dá)到某一壓力閾值時(shí)開始迅速增大并達(dá)到峰值。同時(shí)，在相同孔徑范圍內(nèi)，進(jìn)出汞曲線并不重合，出汞曲線與進(jìn)汞曲線的路徑并不完全一致，這說(shuō)明一些汞因某些原因無(wú)法退出，永久性地殘留在土孔隙中。表2中持汞系數(shù)（即滯留在土內(nèi)汞含量和總進(jìn)汞含量的比值）也證明了這一觀點(diǎn)。

圖3 紅黏土孔隙體積累計(jì)量-孔徑關(guān)系曲線

2.2.2 最可幾孔徑分布特征

最可幾孔徑曲線是孔徑分布微分得到的曲線，其峰值對(duì)應(yīng)的孔徑是出現(xiàn)可能性最大的孔徑，能將dV/d lgr隨著lgr的變化而變化的曲線關(guān)系反映出來(lái)。紅黏土最可幾孔徑的關(guān)系曲線見圖4?？芍t黏土具有較典型的峰值，最可幾孔徑為609.7 nm，且孔徑則集中分布在100 ～1 000 nm。

圖4 紅黏土最可幾孔徑分布曲線

2.2.3 孔喉比

孔隙的曲折性和連通性主要由3 個(gè)指標(biāo)控制：孔喉比、持汞系數(shù)、孔隙迂曲度［10］。孔喉比描述了孔腔直徑與喉道直徑的比值，其分布規(guī)律可以反映土體孔隙孔道與喉道匹配關(guān)系的復(fù)雜程度，定量描述孔隙的連通性和曲折性；持汞系數(shù)是指在壓汞儀的額定壓力范圍內(nèi)，從最大注入壓力降低到最小壓力時(shí)，土樣內(nèi)殘留的汞體積與壓力降落以前注入汞總體積的百分比。孔喉比是控制持汞系數(shù)大小的主要原因，持汞系數(shù)隨孔喉比的增加而增加；孔隙迂曲度是指土中孔隙兩端的實(shí)際距離與孔隙兩端的直線距離之比，即滲流流體穿越單位距離的介質(zhì)時(shí)，流體中質(zhì)點(diǎn)在孔道中運(yùn)動(dòng)的真實(shí)長(zhǎng)度，是描述滲流通道的一個(gè)重要參數(shù)。

紅黏土孔隙填充率與孔喉比關(guān)系曲線見圖5?？傮w來(lái)看，紅黏土孔隙分布較均勻，且其比值也較小，孔隙連通性好；孔喉比和持汞系數(shù)呈正相關(guān)。通常情況下，孔喉比大的土，由于水的表面張力的影響，水難以進(jìn)入也難以排出，鎖水能力強(qiáng)，在降雨或外部水頭作用下，水一旦進(jìn)入孔隙就很難排出，而在長(zhǎng)時(shí)間保持高含水率的情況下，土體強(qiáng)度中基于這些孔隙的毛細(xì)吸力將逐漸消散，導(dǎo)致土體表觀強(qiáng)度下降，從而易引發(fā)邊坡失穩(wěn)。

圖5 紅黏土孔喉比-孔隙填充率關(guān)系曲線

2.2.4 分形維數(shù)

基于多孔材料的壓汞試驗(yàn)分析，文獻(xiàn)［11］發(fā)現(xiàn)了孔隙表面能和進(jìn)汞增量存在分形特征，提出基于熱力學(xué)的分形模型。該模型認(rèn)為，在進(jìn)汞過程中，進(jìn)汞量隨著壓力增加而增加，這導(dǎo)致孔隙表面能不斷升高。進(jìn)汞增量Qn與孔隙表面能Wn的關(guān)系為

對(duì)式（1）進(jìn)行修正，得到

式中：Vn為孔隙體積；D為斜率，即孔表面分形維數(shù)。

圖6 紅黏土熱力學(xué)分形

分形特征表明了孔隙參數(shù)在不同尺度下的自相關(guān)性。使用熱力學(xué)分形模型對(duì)高液限土孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，高液限土孔隙具有明顯的分形特征，在不同尺度下的熱力學(xué)分形具有很好的線性相關(guān)性，且根據(jù)［12］的研究，對(duì)于土體來(lái)說(shuō)，土中孔隙越多分維越大；土中孔隙分形維數(shù)與土體滲透性呈負(fù)相關(guān)，這與孔喉比等指標(biāo)的結(jié)果相互印證。

2.2.5 比表面積

黏土礦物的表面積相對(duì)大小可以用單位質(zhì)量（或體積）顆粒的總表面積，即比表面積來(lái)表示。比表面積是表征黏性土水化或膨脹量的一項(xiàng)重要指標(biāo)，與膨脹特性、液限、礦物組成以及保水能力等性質(zhì)密切相關(guān)。比表面積越大的土，其脹縮性越強(qiáng)，液限越高［13］。研究表明，蒙脫石、伊利石、高嶺石的比表面積變化很大，蒙脫石比表面積約為800 m2/g，而高嶺石則約為15 m2/g。紅黏土的孔隙比表面積累計(jì)量與孔徑變化的關(guān)系曲線見圖7?？芍?，紅黏土的比表面積在孔徑1 000 nm左右有明顯增加，與孔徑的分布規(guī)律類似；紅黏土的總比表面積在17.5 ～27.5 m2/g?？傮w來(lái)看，黏土礦物主要以高嶺石為主，結(jié)合其孔隙率和孔徑分布，可以發(fā)現(xiàn)紅黏土的總比表面積大，表明其親水性強(qiáng)，脹縮性也強(qiáng)。

圖7 紅黏土比表面積-孔徑關(guān)系曲線

2.3 高液限黏土工程特性分析

紅黏土（碳酸鹽巖風(fēng)化物）孔隙率大，液限高。碳酸鹽巖較易風(fēng)化，宏觀上常發(fā)育溶洞，其全風(fēng)化殘積物中也常保留有較大的溶蝕孔隙，滲透性好，微觀圖像顯示其形態(tài)在微觀尺度下也呈現(xiàn)疏松多孔。電泳試驗(yàn)表明，黏土礦物顆粒表面帶負(fù)電荷［14］，吸引帶正電荷極性水分子，這部分以結(jié)合水形式存在于一級(jí)單元體內(nèi)部極不容易失去。對(duì)于一級(jí)單元體相互之間而言，由于單元體本身是一個(gè)相對(duì)較大的黏粒聚集體，對(duì)水具有較強(qiáng)吸附能力。因此，紅黏土具有較高天然含水率、孔隙比、液限、塑限和飽和度。

由于紅黏土天然含水率和孔隙比較高，土體失水后會(huì)產(chǎn)生固結(jié)收縮現(xiàn)象，土體產(chǎn)生收縮后體積減小，單元體之間的結(jié)合力相對(duì)增加，但土體的微觀結(jié)構(gòu)已受到損傷，再充水時(shí)基本無(wú)法恢復(fù)原狀，即紅黏土的脹縮性具有一定的不可逆性。因此，其反映的脹縮性特點(diǎn)是紅黏土具有一定脹縮性，且以收縮為主。收縮量大，膨脹量小，但收縮后浸水時(shí)可產(chǎn)生較大的膨脹量。

在宏觀上，紅黏土是一類特殊的黏性土，在干燥的時(shí)候強(qiáng)度非常高，泡水后強(qiáng)度顯著下降；其脹縮性明顯，且收縮性更為顯著。高液限紅黏土邊坡在南方多雨地區(qū)，泡水后土體間孔隙短時(shí)間內(nèi)被填充，這將在短時(shí)間內(nèi)增加單元體間的距離，降低單元體間黏聚力，土體裂隙逐漸產(chǎn)生并擴(kuò)張，經(jīng)多次干濕循環(huán)脹縮變形后，土體從微觀結(jié)構(gòu)損傷向宏觀整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性損傷發(fā)展，進(jìn)而發(fā)生土體整體失穩(wěn)破壞。

由于紅土化作用是一個(gè)脫硅富鋁鐵的風(fēng)化過程，紅土化的程度從地表向下逐漸減弱。上部鐵鋁富集程度較深，顏色較紅，且由于裸露在地表，含水率相對(duì)下部要小，因而體現(xiàn)出從上到下顏色逐漸變淺，含水率逐漸增加，強(qiáng)度逐漸減小的特征和“軟基座”特性。因此，紅黏土高液限土邊坡在宏觀上常易形成上硬下軟結(jié)構(gòu)，在破壞形式上也常因坡腳泡水軟化而失穩(wěn)。

3 結(jié)論

1）紅黏土孔隙率大多在50%以上，孔徑主要分布在100 ～1 000 nm，孔隙類型主要是顆粒間孔隙，孔隙結(jié)構(gòu)以蜂窩狀為主，殘留有片狀高嶺石粒團(tuán)，孔隙形態(tài)特征較規(guī)則。

2）紅黏土的總比表面積最大，表明其親水性最強(qiáng)，脹縮性也最強(qiáng)，因此紅黏土表層容易形成裂隙，而又有較高的液限。

3）自重荷載作用和含水率不斷變化對(duì)邊坡土體微觀結(jié)構(gòu)造成損傷產(chǎn)生不可逆、不均勻變形，這種變形的發(fā)生將會(huì)破壞土體的微觀結(jié)構(gòu)，降低土的強(qiáng)度，含水率的增加將加速土體變形破壞。