楊 鑫,陳學(xué)軍,宋 宇,李 輝

桂林理工大學(xué) a. 土木與建筑工程學(xué)院、b. 廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣西 桂林 541004

0 引言

紅黏土是碳酸鹽類巖石經(jīng)過風(fēng)化作用而形成的殘積、坡積或殘—坡積的棕紅色或黃褐色的黏性土,在中國主要分布于廣西、貴州、云南等省份。紅黏土具有抗剪強(qiáng)度較高,壓縮性、交換容量較低,透水性、崩解性較小及中—弱脹縮性[1,2]等特性,由于這些特性,往往會認(rèn)為是一種良好的地基土。然而,紅黏土作為區(qū)域性的特殊土,具有高天然含水率、孔隙比、液限及 “遇水軟化,失水收縮干裂”的獨(dú)特工程地質(zhì)性質(zhì),容易造成邊坡失穩(wěn),地基不均勻沉降,路基下陷等一系列工程問題。

1 紅黏土成因及礦物研究現(xiàn)狀

“紅土”一詞被英國學(xué)者Buchanan在1807年率先提出,同時Buchanan認(rèn)為紅土是一種局限于低水平的沉積礦床,并將其描述為塊狀、非層狀富鐵黏土材料,充滿空洞和孔隙,而后廣泛應(yīng)用于各種土壤、沉積物和巖石,為制定一個可接受的術(shù)語來描述紅土形成的形式和過程提供了相關(guān)問題[3]。中國從二十世紀(jì)五六十年代將紅黏土作為一種特殊性土,而后引起了眾多學(xué)者對此類特殊性土產(chǎn)生了濃厚的興趣,對于紅土形成的機(jī)理受到很多關(guān)注,提出眾多假說,但同時也存在爭議,到目前也未能達(dá)成一個統(tǒng)一的共識。目前,中國學(xué)者用于解釋紅土形成的機(jī)理分為三種:“溶蝕—?dú)埛e說”、“溶蝕—交代成因說”、“外來沉積說”[4]。

張咸恭等[5]提出了“溶蝕—?dú)埛e說”,認(rèn)為紅土是碳酸鹽巖及與其同時產(chǎn)出的其他沉積巖經(jīng)風(fēng)化作用形成的風(fēng)化殼經(jīng)過淋失作用后都可為紅土的形成提供物源,同時眾多學(xué)者從不同角度論證了“溶蝕—?dú)埛e說” 的可靠性。隨后李景陽等[6,7]提出“溶蝕—交代成因”說,根據(jù)碳酸鹽巖風(fēng)化殼主要特征和喀斯特成土作用,認(rèn)為紅土形成是碳酸鹽巖溶蝕殘余和等體積等厚度溶蝕交代的產(chǎn)物。紅土的形成過程主要為兩個階段,第一階段是順方解石和白云石結(jié)晶顆粒連接處或晶體的解理面溶蝕形成孔洞及砂粒狀的溶濾層;第二階段主要是地下水中的Si、Al、Fe等物質(zhì)在溶蝕的礦物表面形成黏土礦物。關(guān)于“外來沉積說”,符必昌[8]認(rèn)為是由碳酸鹽巖經(jīng)過特殊的地理氣候條件形成古巖溶,再經(jīng)過地殼運(yùn)動形成沉積床,當(dāng)非可溶巖紅土化作用后在沉積床上沉積最終成為紅黏土。

測量紅黏土的礦物成分方法有很多種,韋復(fù)才[1]、朱立軍等[9]通過差熱、X衍射、掃描電鏡鑒定和化學(xué)成分測試以及大量的土工試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)紅黏土主要由高嶺石、伊利石、綠泥石等次生黏土礦物組成,含有少量的蒙脫石、蛭石及綠蒙混層礦物。呂海波等[10]通過X射線衍射試驗(yàn)、全化學(xué)元素分析試驗(yàn)以及鮑格(R. H. Bogue)法、K值法對桂林、武鳴兩地紅黏土進(jìn)行礦物分析確定主要礦物為高嶺石、三水鋁石、針鐵礦,但桂林紅黏土含有一定的石英;同時求出桂林紅黏土的礦物成分和含量為:高嶺石(56.59%)、三水鋁石(11.44%)、針鐵礦(15.61%)、石英(12.45%);而武鳴紅黏土則為:高嶺石(74.0%)、三水鋁石(12.53%)、針鐵礦(8.37%)。

2 紅黏土的變形特性研究現(xiàn)狀

紅黏土具有“遇水軟化,失水收縮”的特性,導(dǎo)致其變形特性為非線性,且易引起地基不均勻沉降、基坑隆起和對道路開裂等一系列巖土體工程地質(zhì)災(zāi)害,所以眾多學(xué)者對紅黏土的變形特性方面做了許多研究,也將研究成果運(yùn)用于實(shí)際工程中,具有非常重要的指導(dǎo)的意義。

黃質(zhì)宏等[11]研究不同應(yīng)力路徑對紅黏土變形特性,發(fā)現(xiàn)不同應(yīng)力路徑對紅黏土的變形特性影響明顯。王英輝等[12]對原狀土樣和重塑土樣進(jìn)行脫濕或加濕后采用室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)原狀土樣和重塑土樣的應(yīng)力—應(yīng)變曲線分別呈應(yīng)變軟化型和應(yīng)變硬化型,表明紅黏土的黏滯性強(qiáng)。方薇等[13]、余敦猛[14]對武廣客運(yùn)專線進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)紅黏土的膨脹收縮變形主要為三個階段:線性遞增、外凸弧線、直線緩慢膨脹階段。羅婉[15]以湘南高液限紅黏土為研究對象研究其濕化變形,得出其濕化變形也是有基質(zhì)吸力喪失產(chǎn)生的,提高土體的壓實(shí)度也可減少濕化變形;干線、濕線和干裂濕化線的應(yīng)力—應(yīng)變曲線基本相似;劉云飛[16]對重慶紅黏土進(jìn)行流變特性試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)紅黏土的變形隨著時間的增長先增大后趨于穩(wěn)定,變形特性則為快速、平穩(wěn)、穩(wěn)定三種趨勢;流變量隨著豎向壓力的增加而增大,達(dá)到穩(wěn)定的時間也更長;肖桂元等[17]研究不同類型紅黏土的應(yīng)力—應(yīng)變曲線歸一化特性,結(jié)果表明:試驗(yàn)過程中出現(xiàn)了應(yīng)變?nèi)跛苄院蛻?yīng)變強(qiáng)塑性兩種曲線,且壓實(shí)度對其影響最為顯著,對應(yīng)力—應(yīng)變曲線特征采用雙曲線函數(shù)模型進(jìn)行擬合,利用主應(yīng)力差漸進(jìn)值作為歸一化因子,構(gòu)建了結(jié)構(gòu)性土的本構(gòu)模型。

3 紅黏土的強(qiáng)度特性研究現(xiàn)狀

紅黏土的力學(xué)強(qiáng)度對紅黏土的擋土墻、邊坡穩(wěn)定性以及地基承載力等一系列工程穩(wěn)定都有影響,在某些紅黏土地區(qū)工程往往因?yàn)榱W(xué)強(qiáng)度未能達(dá)到設(shè)計(jì)要求值,從而引發(fā)一些問題,因此對紅黏土的強(qiáng)度特性進(jìn)行研究對工程實(shí)踐具有一定的意義。

劉春等[18]利用常規(guī)三軸試驗(yàn)對貴州畢節(jié)紅黏土進(jìn)行研究得出隨著非飽和紅黏土飽和度的增大其吸力減小,兩者之間表現(xiàn)為非線性關(guān)系,且反映出強(qiáng)度變化與環(huán)境變化有關(guān)。歐孝奪等[19]研究常溫(-4℃～60℃)對紅黏土的力學(xué)特性,探討紅黏土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與溫度之間的關(guān)系,并得出紅黏土的主應(yīng)力差σ1—σ3峰值強(qiáng)度在10℃和40℃與室溫28℃的峰值強(qiáng)度基本相近,但在60℃時其主應(yīng)力差峰值明顯增大;且其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨熱狀況而變化,表明紅黏土熱力學(xué)特性敏感。張?zhí)礓h等[20]研究桂林紅黏土抗剪強(qiáng)度與含水率之間的關(guān)系,利用固結(jié)快剪試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著含水率的增大其峰值凝聚力和殘余黏聚力減小,隨含水率的增加其峰值內(nèi)摩擦角和殘余內(nèi)摩擦角先增大后減小。陳鴻賓等[21]利用三軸剪切試驗(yàn)研究桂林飽和、非飽和重塑土的抗剪強(qiáng)度特性,發(fā)現(xiàn)在相同最優(yōu)含水率下,兩者的黏聚力和內(nèi)摩擦角與干密度分別呈凹狀二次多項(xiàng)式擬合和凸?fàn)疃味囗?xiàng)式擬合。陳議城等[22]以桂林紅黏土為研究對象,研究其在不同含水率下無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和電阻率的關(guān)系,得到無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、初始電阻率、破壞電阻率與含水率呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系,都隨著含水率的增加先快速減小,隨后再逐漸趨于穩(wěn)定;在不同含水率下其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與初始電阻率和破壞電阻率呈正比例函數(shù)關(guān)系,可運(yùn)用此關(guān)系來評價(jià)紅黏土工程性質(zhì)的變化效果。

4 紅黏土微觀結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀

1925年,Terzaghi首次提出土微觀結(jié)構(gòu)概念之后,國內(nèi)外眾多學(xué)者對土體的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,提出土體的多種結(jié)構(gòu)模型和概念,隨著電子顯微鏡的發(fā)展,Tovey[23]首先對土壤結(jié)構(gòu)的電子顯微照片進(jìn)行了定量分析,獲得了黏土顆粒之間的微觀孔隙尺寸及孔隙含量,為研究土壤礦物學(xué)和微觀結(jié)構(gòu)開辟了新的思路。Gillott[24]利用掃描電鏡系統(tǒng)的研究細(xì)粒土的組構(gòu),隨著掃描電鏡、土樣制備技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)的不斷提高,加快了土體結(jié)構(gòu)的定量研究進(jìn)程;廖義玲[25]提出了紅黏土的微觀結(jié)構(gòu)概化模型,并用該模型分析了紅黏土的力學(xué)性質(zhì)及其弱膨脹性和強(qiáng)收縮性的原因。施斌[26]對黏性土微觀結(jié)構(gòu)的研究歷史進(jìn)行回顧,分析中國微觀結(jié)構(gòu)研究的現(xiàn)狀和存在的問題,并展望以后的發(fā)展趨勢;中國目前研究黏性土微觀結(jié)構(gòu)的研究方法主要有:掃描電鏡(SEM)分析處理高含水量的土樣冷凍刀切干燥法、定量評價(jià)黏性土微觀結(jié)構(gòu)的圖像處理技術(shù)、測定黏性土粒間膠結(jié)物化學(xué)成分的EDX技術(shù)以及無損傷探測土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的CT技術(shù)[27]。施斌等[28]提出了土顆粒形狀系數(shù)及其空間分布指標(biāo),在定義孔隙及顆粒平均性狀系數(shù)及定向度的基礎(chǔ)上,提出一種人工處理微觀電鏡圖像并定量評判土體微觀結(jié)構(gòu)的方法,即SQM法[29]。紅黏土獨(dú)特的工程性質(zhì)與其特殊的微觀結(jié)構(gòu)密不可分,國內(nèi)外眾多學(xué)者開展了很多紅黏土微觀結(jié)構(gòu)模型研究;譚羅榮等[30]并通過微觀結(jié)構(gòu)分析,提出了土體凝膠膠結(jié)結(jié)構(gòu)模型(圖1),初步印證了紅黏土矛盾現(xiàn)象的合理性。

圖1 紅黏土粒團(tuán)結(jié)構(gòu)模型[30]Fig.1 Structure model of red clay aggregates

李景陽等[31]

通過大量的電鏡掃描和X射線能譜分析,認(rèn)為殘積紅黏土疊片狀、斑狀、球粒狀等結(jié)構(gòu),與紅黏土的礦物形態(tài)和成因密切相關(guān)。周遠(yuǎn)忠等[32]提出了紅黏土微觀“集?！钡慕Y(jié)構(gòu)模型(圖2),利用該模型對含水率、含鐵量等因素下的物理力學(xué)性質(zhì)的理論分析、解釋和預(yù)測,并通過三軸試驗(yàn)、模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬驗(yàn)證其方法具有合理性和有效性。

圖2 紅黏土微觀“集?！苯Y(jié)構(gòu)模型[32]Fig.2 Microscopic granular structure model of red clay

宋宇等[33]通過壓汞實(shí)驗(yàn)和掃描電鏡對不同干密度條件下紅黏土在三軸剪切作用前后下的微觀特征,隨著干密度的增大微觀孔隙主要以小孔徑為主,且微觀結(jié)構(gòu)由粒斑狀結(jié)構(gòu)向疊片狀結(jié)構(gòu)發(fā)展,土顆粒由不規(guī)則排列向整齊排列發(fā)展且具有方向性。朱國平等[34]通過研制的CT-固結(jié)儀研究干濕循環(huán)對紅黏土細(xì)觀結(jié)構(gòu)的影響,試驗(yàn)結(jié)果表明干濕循環(huán)都能對其結(jié)構(gòu)造成損傷,并根據(jù)CT試驗(yàn)數(shù)據(jù)提出了可以定量描述其在干濕循環(huán)下土樣飽和度、干濕循環(huán)次數(shù)和上部荷載之間與細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化參數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

5 紅黏土性質(zhì)改良的研究現(xiàn)狀

中國南部紅黏土分布廣泛,且大多都為高液限紅黏土。在工程上常常會引發(fā)地基不均勻沉降、邊坡失穩(wěn)等一系列工程災(zāi)害,若將遇到的紅黏土進(jìn)行棄土換填,將很大程度上增加工程成本,且棄土因處置不當(dāng)或者堆放過高,還有可能引發(fā)二次災(zāi)害如滑坡等,同時也會對生態(tài)環(huán)境造成破壞。為能更好地利用工程性質(zhì)不良的紅黏土,工程中常利用物理和化學(xué)兩種方法對紅黏土進(jìn)行改良,物理方法主要是通過摻入碎石、纖維等,而化學(xué)方法主要是通過摻入水泥、石灰、粉煤灰等其他材料與紅黏土發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。因此眾多專家學(xué)者為改善紅黏土的特殊工程地質(zhì)性質(zhì)做了許多研究,且許多成果都在工程中得以運(yùn)用。

莫百金等[35]運(yùn)用不同摻入比砂礫改良高液限紅黏土,發(fā)現(xiàn)隨著摻配率的增加,能夠有效降低液塑限和收縮性和提高其強(qiáng)度。羅斌等[36]通過室內(nèi)外試驗(yàn)研究碎石改良高液限紅黏土性能,發(fā)現(xiàn)隨著碎石摻配率的增加,能夠有效降低收縮性能和提高其壓實(shí)度以及強(qiáng)度,并提出了碎石改良嘉良公路高液限紅黏土的最佳摻配率為70%。阮波等[37]研究聚丙烯纖維改良紅黏土的力學(xué)特性,通過室內(nèi)常規(guī)力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果表明,摻入聚丙烯纖維能顯著提高紅黏土的強(qiáng)度,且隨纖維含量和長度的增加而增大;雖黏聚力得到顯著增強(qiáng),但對內(nèi)摩擦角影響不顯著;2‰纖維摻量被認(rèn)為是其最優(yōu)摻量,這一成果可為紅黏土地區(qū)路基加固提供參考。朱瑩瑩等[38]運(yùn)用水泥粉煤灰固化紅黏土,通過單摻和復(fù)摻的方式研究對南方紅黏土的物理力學(xué)特性發(fā)現(xiàn)兩種摻入方式都對塑性指數(shù)能有明顯改變,抗剪強(qiáng)度顯著提高,在復(fù)摻10%(4%PC+6%FA),1∶200 CTD溶液比同比例單摻的強(qiáng)度更高。張曉帆[39]研究不同劑量石灰對高液限黏土的工程性質(zhì)發(fā)現(xiàn)摻入石灰能夠有效提高CBR值、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度等,但最優(yōu)摻入率在4%～8%;王賀等[40]研究氧化鈣、氧化鋁以及兩者混摻對紅黏土的影響,發(fā)現(xiàn)氧化鈣可以明顯提高其強(qiáng)度,但隨摻入率的增大而脆性指數(shù)IB減小,兩者混摻對紅黏土的脆性指數(shù)、延展性以及紅黏土的強(qiáng)度都能有效改善。董薇等[41]通過研究摻砂對紅黏土的物理力學(xué)性質(zhì)影響,發(fā)現(xiàn)摻砂能夠有效使紅黏土的液塑限、最大干密度、塑性指數(shù)、收縮系數(shù)和縮限都得到降低,同時在干濕循環(huán)下也能抑制裂隙發(fā)育。

陳學(xué)軍等[42]、胡舒?zhèn)43]、李佳明等[44,45]探討納米碳酸鈣對紅黏土的性質(zhì)影響及機(jī)理,發(fā)現(xiàn)摻入納米碳酸鈣后改變紅黏土的氧化鐵膠結(jié),使黏聚力、內(nèi)摩擦角隨摻入率的增大表現(xiàn)出先減弱后增強(qiáng)的趨勢;陳李潔等[2,46]分析超細(xì)輕質(zhì)碳酸鈣對紅黏土的力學(xué)及微觀孔隙影響,隨著碳酸鈣摻量的增加其力學(xué)性能先減小后增大,黏度降低;加入碳酸鈣后其孔隙度與碳酸鈣含量呈正相關(guān)以及降低比重和密實(shí)度。CHEN等[47]研究氧化鈣對紅黏土的力學(xué)性能發(fā)現(xiàn)氧化鈣能夠顯著提高紅黏土強(qiáng)度,主要是由于氧化鈣與紅黏土發(fā)生水化反應(yīng)增加其黏聚力,使紅黏土粒狀、片狀結(jié)構(gòu)變?yōu)樾跄隣罱Y(jié)構(gòu);肖慶一等[48]研究分別加入聚丙烯纖維加固二灰和石灰對紅黏土改良的影響,發(fā)現(xiàn)兩者都能使紅黏土強(qiáng)度提高,抑制收縮開裂和提升抗變形能力;石灰摻量為8%改良紅黏土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和CBR值最大;隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加,聚丙烯纖維加固二灰紅黏的抗拉、抗彎拉強(qiáng)度明顯提升。陳學(xué)軍等[49]研究木質(zhì)素對紅黏土的影響,發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素能夠有效改良紅黏土的抗壓強(qiáng)度,且在摻量為0%～8%時,隨著摻量的增加,能夠有效的改良液塑限、pH值和抗壓強(qiáng)度。除此之外,還可通過換填法以及土工布和土工薄膜材料對紅黏土路基進(jìn)行封閉,防止水分?jǐn)U散和冷凝遷移也能有效防治路基濕化、泥化、軟化[50]。

6 結(jié)論與展望

(1)由于紅黏土存在明顯的區(qū)域性分布,其礦物組成成分、物理力學(xué)性質(zhì)、微觀結(jié)構(gòu)與一般黏性土存在差異。

(2)紅黏土在亞熱帶濕熱交替環(huán)境下易產(chǎn)生水分遷移會對工程特性造成影響,如邊坡不穩(wěn)定、地基不均勻沉降、收縮開裂和強(qiáng)度劣化等。

(3)由于物理力學(xué)性質(zhì)在各個區(qū)域存在差異,對紅黏土的改良方法也不相同。

(4)紅黏土屬于特殊性黏土,分布廣泛,對其性能改良仍然是以后研究的重點(diǎn),但困難在于其水敏性、熱敏性和微觀結(jié)構(gòu)存在差異,尋求既能改性紅黏土,又能減少環(huán)境危害和降低成本的復(fù)合技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用研究。