朱旭 田林 羅軍堯

摘 要：隨著西部地區(qū)的開發(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。本文對云南省昆明市某工程區(qū)的不同深度下的原狀土進行了試驗研究。通過基本的室內(nèi)土工試驗測出紅土的基本物理參數(shù);不同壓力等級下的高壓固結(jié)試驗，研究各級壓力等級下土的壓縮固結(jié)特性;通過剪切試驗得出土的黏聚力與內(nèi)摩擦角來探究土體的強度。試驗研究表明：云南省昆明市紅土具有含水率較高、孔隙較大、壓縮性較低和強度較高的物理特性。在試驗基礎(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。

關(guān)鍵詞：紅土;物理特性;工程;土工試驗

中圖分類號：TU411.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

紅土具有壓縮性低、強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)取得了很多具有價值的成果[2]。

畢慶濤等[3]通過對紅土進行直接剪切試驗分析了紅土的強度與含水率的關(guān)系，結(jié)果表明，紅土的強度明顯受含水量的影響。王洋等[4]對殘積紅黏土的物理化學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特征進行了研究，通過試驗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c值的影響程度更顯著。柏巍等[5]對廈蓉高速段的紅土展開了試驗研究，試驗表明：紅土土層的力學(xué)特性與含水率及厚度相關(guān)。張瑞敏[6]通過對貴州地區(qū)紅土固結(jié)特性進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度高和壓實性較低的特性，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，會給工程的安全帶來隱患[7]。故而從紅黏土的物理特性出發(fā)，對昆明地區(qū)的紅黏土的物理特性展開研究，對工程實踐具有較大的指導(dǎo)意義。本文對昆明市某工程的不同深度的地下土進行物理特性研究，對不同深度下的原狀土的基本工程特性通過試驗進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?，F(xiàn)狀下場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、撈魚河、大河、盤龍江、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、紅坡等小型水庫以及松華壩大型水庫和寶象河、松茂、橫沖、大河、柴河等5座中型水庫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，該泄洪渠由場地西北方向往東南方向流經(jīng)場地并匯入距場地110 m遠(yuǎn)的盤龍江內(nèi)。勘察期間泄洪渠內(nèi)水量較小，流速較緩，勘察施工后期，該泄洪渠已被截斷改向后不流經(jīng)場地內(nèi)。

1.3 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

昆明盆地在大地構(gòu)造上位于揚子準(zhǔn)地臺康滇古隆起東緣。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;該斷層的東盤主要是古生界泥盆系至二疊系上統(tǒng)地層;斷層的西盤主要是侏羅系中統(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、西兩盤主要是元古界昆陽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，距離研究區(qū)2 km。

研究區(qū)區(qū)域地殼較不穩(wěn)定，區(qū)域主干斷裂及次級斷裂挽近期活動是影響區(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行研究。

分別取兩個鉆孔的不同深度的原狀土進行物理特性研究，根據(jù)《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GBT50123—2019）進行具體物理試驗[10]。表1介紹了ZK1和ZK2的取樣深度及基本物理特性試驗結(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。通過表1中的一些物理參數(shù)，能夠進一步證實紅黏土孔隙大、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態(tài)、塑性態(tài)、半固態(tài)和固態(tài)。在工程實際中，準(zhǔn)確測定土壤的液塑指標(biāo)對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，進一步證實研究區(qū)土壤為黏性土。

3 紅黏土的載荷試驗

3.1 固結(jié)試驗

固結(jié)試驗是測定樣品壓縮性的一個試驗，而壓縮性也是土的一個重要的指標(biāo)。將各個點的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)作為土體壓縮性評價指標(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，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

直接剪切試驗是測定土的抗剪強度的一種常用方法。根據(jù)直剪試驗結(jié)果和庫倫定律可以確定土的抗剪強度參數(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)土工試驗反映土體強度的重要指標(biāo)[13]。根據(jù)試驗結(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明顯規(guī)律。

4 穩(wěn)定性評價

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)計規(guī)范》（GB50011—2010）規(guī)定，研究區(qū)擬建建筑結(jié)構(gòu)地震動參數(shù)可不計入近場影響，可忽略發(fā)震斷裂錯動對地面建筑的影響。

4.2 穩(wěn)定性分析與評價

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)無全新世活動斷裂通過，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)場調(diào)查，研究區(qū)附近無滑坡、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)測繪、鉆探等手段的勘測和已有資料綜合分析判斷，研究區(qū)內(nèi)無活動斷裂通過，地層結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，但地層分布相對較為穩(wěn)定，地勢較為平緩，巖土體的工程特性較好。場地內(nèi)存在人工填土、紅黏土、軟弱土外，無滑坡、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

通過對研究區(qū)的地質(zhì)調(diào)查勘探以及對不同深度下的紅黏土進行系統(tǒng)的室內(nèi)試驗研究，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)域主干斷裂及次級斷裂挽近期活動，同時伴生有地震發(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，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）場地內(nèi)存在人工填土、紅黏土、軟弱土外，沒有滑坡、地面塌陷、泥石流等不良地質(zhì)作用。場地內(nèi)存在人工填土、紅黏土、軟弱土外，無滑坡、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)。

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（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