武广客专红粘土变形特性及形成机理研究*

余敦猛 杨果林 方 薇

(中冶集团武汉勘察研究院有限公司1) 武汉 430080) (中南大学土木建筑学院2) 长沙 410075)1)

红粘土是碳酸盐岩在热带、亚热带湿热气候条件下经过物理、化学风化和红土化作用而形成的一种呈褐红、棕红及黄褐等颜色的高塑性粘土.由于红粘土的特殊性,红粘土地段常常发生诸如路基沉陷和边坡失稳等病害,给人民生命财产和社会经济造成巨大损失.武广客运专线武汉至韶关段分布有长达100 km的红粘土,在修筑路基和开挖边坡时常会遇到一系列红粘土变形方面的问题,因此,对武广客运专线沿线红粘土的变形特性进行研究也就显得十分迫切和必要.本文从红粘土的应力-应变关系、固结变形和胀缩变形3个方面来研究红粘土的变形特性,并讨论了红粘土变形特性的成因,对于如何减小红粘土的变形、确保相关工程的安全顺利进行提出了若干应对措施.

1 红粘土的应力-应变特性

1.1 红粘土应力-应变关系

由图1可知,红粘土的应力-应变关系呈非线性.红粘土的应力-应变曲线陡峭段的应变较小,而对应的应力增幅较大,但随后的平缓段对应的应变较大,而应力增长较小.这表明,在应力作用下,达到结构强度后产生的应变远大于土体挤密所产生的应变,即第二阶段变形远大于第一阶段的变形[1].

图1 红粘土固结排水剪应力-应变曲线

1.2 红粘土的体积应变-轴向应变关系

由图2可知,红粘土的体积应变-轴向应变关系呈非线性,均有明显的拐点,在起始阶段各围压下红粘土的体积应变-轴向应变曲线基本一致,这说明该红粘土具有相同的初始应力状态,初始变形状态相同.随着围压增大,体积变形也相应增大.各围压下,红粘土在剪切的初始阶段都是剪缩,但过了拐点以后体积变化出现了波动,出现剪胀现象,有的土体体积应变在达到某一固定值后便不再随轴向应变增加而发生变化.

在第一阶段变形中,由于红粘土的结构没有破坏,红粘土在剪切过程中不会发生土颗粒的旋转、错动等现象,所以是剪缩的,即图2中拐点之前陡峭段对应的体积应变.在第二阶段的变形中,由于土体结构已经破坏,在受到挤压后,一些土颗粒必须脱离原来的位置,绕过前面的颗粒产生错动滑移,这时土体便可能出现剪胀现象.

图2 红粘土的体积应变-轴向应变关系曲线

2 红粘土的固结变形特性

固结是土的工程性质的一个重要方面,与建筑的稳定和沉降有密切的关系.伴随着固结过程,土体内部的颗粒排列不断调整,粒间的应力不断改变,使土体强度增强.

固结变形指标主要是通过压缩曲线反映出来的.根据武广客运专线沿线咸宁和泉口两个工点的试样的固结试验结果,绘制红粘土的e-lg p压缩曲线如图3所示.由图3可知,在压缩的初始阶段,即固结压力小于先期固结压力pc时,e-lg p压缩曲线并没有像一般粘性土那样出现直线段.而当固结压力超过先期固结压力pc后,红粘土的压缩曲线(e-lg p)呈线性关系.利用双对数法[2],固结压缩曲线则可以很好地用两条直线表示,如图4所示.对应于2条直线交点的应力即为“先期固结压力pc”.武广客运专线红粘土固结变形的压缩系数及固结压力等指标分别见表1和2.此外,为了更完整地认识红粘土的剖面特性,表3给出了其含水量、孔隙比和液/塑限随深度的变化关系.

图3 红粘土试样e-lg p固结压缩曲线

图4 红粘土ln(1+e)-lg p双对数固结压缩曲线

表1 红粘土固结变形的主要指标

表2 红粘土先期固结压力及超固结比

表3 红粘土各指标的剖面分布特征

试验研究发现:(1)红粘土的先期固结压力大,原状土的pc值在262～370 kPa之间,且远大于上覆土层的自重压力.固结试验证实了红粘土是超固结性土;(2)固而不密和反剖面特征.固而不密特征是指红粘土是超固结性的,但其孔隙比又较大.2个工点试验的红粘土的先期固结压力pc及超固结比OCR随剖面向下有规律的递减,即“固结反剖面特征”,而且这种“反向”具有突变性.此外,表3表明孔隙比随着埋深的增加而增大,这也是与一般粘土相反的.反剖面特征有力地说明了红粘土“上硬下软”的工程特性.(3)由表1可知,红粘土的压缩系数平均值在0.22～0.26 MPa-1之间,为中等压缩性土.压缩指数平均值在0.137～0.141之间,高于老粘性土.单从红粘土的压缩变形参数来看,并不能表明他与其他土类有多大的不同,但若与其高孔隙性、高液限、高塑性等对应起来看,红粘土就具有自身特有的变形特征,即在很高的孔隙比下具有中压缩性特征.

3 红粘土的胀缩变形特性

3.1 红粘土胀缩特性

红粘土的胀缩参数指标平均值见表4所列.两个工点红粘土的无荷膨胀率均在2.5%以下,自由膨胀率也都小于40%,膨胀性不大.红粘土的膨胀力小于22 kPa,由于实际工程中路基土体承受的荷载一般都大于22 kPa,故其膨胀对工程破坏较小.此外,红粘土的体缩率大于18.40%,线缩率大于1.46%,收缩系数在0.28～0.35之间,缩限在16.90～17.00之间.

表4 红粘土的胀缩变形参数

如果按膨胀指标给红粘土分类(自由膨胀率小于40%为非膨胀土),那么2个工点的红粘土均不是膨胀土.但如果按收缩指标划分(体缩率在16%～23%属于中等膨胀土),那么又都属于中等膨胀土的范畴.因此红粘土具有特殊的胀缩特点,即:虽然其膨胀性微弱,但有着较强的收缩性.

3.2 红粘土胀缩变形的时程特性

如图5,红粘土的膨胀变形曲线可以分为3个阶段:(1)直线匀速膨胀阶段.这个阶段持续时间较短,但变形量较大,约占整个膨胀变形量的70%,实际工程中红粘土吸水变形也主要发生在这个时间段内;(2)外凸弧线减速膨胀阶段.这一阶段的膨胀变形中,外凸弧线的曲率明显增大,膨胀速率变缓,但这一阶段的膨胀持续时间明显增长.相比直线剧烈膨胀阶段,这一阶段的膨胀量比较小,约占整个膨胀变形量的25%左右;(3)直线缓慢膨胀阶段.这一阶段的膨胀曲线近似水平直线,膨胀变形量非常小,占整个膨胀变形量的5%以内,但这一阶段的持续时间非常长,占整个膨胀时间的一半以上.第一阶段膨胀变形发生在浸水表面,吸力较大,吸水较快,膨胀速率较高;随着水分由于毛细作用深入土体内部,土水交界面面积扩大,土体开始完全膨胀,进入第二阶段外凸弧线减速膨胀阶段;随着土体水分的增加,土体内吸力逐渐降低,吸水速度减小,土体的膨胀速率也降低;进入直线缓慢膨胀阶段,直至土体完全吸水饱和,土体膨胀变形达到稳定.需要说明的是,以上三个阶段间的界限不是绝对的,而是为了方便描述红粘土浸水条件下的膨胀变形时程特性而人为划分的.

图5 红粘土的胀缩时程曲线

红粘土的收缩变形同样分为3个阶段:(1)直线匀速收缩阶段.此阶段的长短与土样中粘粒含量多少、制备含水量大小以及水分蒸发散失条件有关,一般持续12 h左右;(2)外凸弧线减速收缩阶段,随着含水量的减少,土体收缩速度减缓;(3)直线缓慢收缩阶段,含水量继续减少,土体不再收缩或收缩甚微.各个阶段的收缩速度及收缩量不同,在直线等速收缩阶段和外凸弧线减速收缩阶段内所发生的收缩量占总收缩量的95%以上,而在直线缓慢收缩阶段收缩量很小,通常小于5%.

4 红粘土变形特性形成机理的讨论

4.1 关于红粘土的先期固结应力及其超固结性

传统观点认为先期固结压力是由土体的自重应力引起,也就是说,土的固结程度取决于土体历史上曾经有过的埋深.通常情况下,由于土体自重作用,随着埋深的增加,密度会增加、压缩性减小;先期固结压力增大,固结程度也会越好.绝大多数正常沉积的土体都遵循这一基本规律,尤其是粒间不存在联结的砂类土,先期固结压力来自上覆土体自重,其随埋深增加而增大,与压缩性和孔隙比减小等有着良好的对应关系.然而,室内试验表明红粘土却并非如此,而是呈现出随着埋深的增加,土的先期固结压力和超固结比减小、固结性变差的特征,即“反剖面”特性,它与红粘土的物理性质和状态指标随深度增加而变差、变软的规律相一致.

红粘土的先期固结压力大,甚至超过了上覆土体自重的数倍;此外,随着深度的增加,红粘土先期固结压力反而有规律地减小,由此可推知造成红粘土先期固结压力的因素具有随深度增加而减弱的规律,这是由红土化作用决定的,而非重力因素所致.红土化作用是一个特殊而复杂的演变过程.简单来说,就是在干湿交替明显的气候条件下,土中难溶的氧化铁、铝、硅等物质连续不断溶滤、聚集、胶化、陈化,把松散的土粒胶结起来,并通过氧化铁对土进行染色作用的过程.在这一过程中逐渐形成抗水性好,力学强度较高的胶结物,使疏松多孔的土粒得以连接成整体,从而具有较好的力学性能.红土化作用的程度主要取决于气候、埋深和作用时间.离地表越深,越不易受大气干湿交替的影响,红土化作用也就越弱.因此,游离氧化铁的含量也是沿垂直剖面由上到下逐渐减少的.随着氧化铁的含量的减少,其对红粘土的胶结就越来越弱,红粘土的结构强度就越来越小,由此引起的先期固结压力也就越来越小.红粘土的固结的本质是其结构强度、力学性能加强的过程和结果,包括物理固结和化学固结[3-4].

由此可见,红粘土的先期固结压力与传统定义中的从应力历史角度出发的先期固结压力有着本质的区别.就像前苏联学者杰尼索夫指出的那样,压密只是土颗粒的间距及位置的改变,并没有涉及到质变.而固结作用是物理化学、化学、生物化学作用.当土颗粒在新的位置达到平衡状态后,压密作用就结束了,而固结作用远没有结速.固结作用直到土固化成岩石后才逐渐停止[5].由应力历史引起的固结仅仅是物理压密过程,而红粘土的先期固结压力是在特殊的成土过程中形成的,其真正的含义是红粘土微观结构强度的宏观反映,它表征着结构的屈服强度,而不是上覆压力历史的记录.

4.2 关于红粘土的微观结构

红粘土的微观结构特征分为2个层次,相对应的,也有两个层次的孔隙,一个是粒团内部的细小孔隙;另一个层次的孔隙是粒团之间的较大孔隙.贵州大学廖义玲教授曾根据扫描电镜观察和压汞试验认为,粒团内的孔隙极其发育,约占孔隙总体积的3/4以上,呈封闭或半封闭状,受压力作用后,孔隙的数量变化不大,属于受力后具有“惰性”的孔隙;粒团之间的孔隙多呈菱形、狭长型或不规则形,受力后这类孔隙数量大幅减少,是活性孔隙.

粒团内部连结是牢固的、水稳性的连结,具有一定的刚性,所以内部孔隙在常压下不会有很大变化.在外部荷载的作用下,红粘土体积变化的主要因素是粒团之间的孔隙减少,而粒团之间的孔隙仅占孔隙体积总体积的四分之一,故其压缩性小.所以,红粘土具有高孔隙性却是低压缩性土,其最根本原因是红粘土本身微观成分和结构所决定的.

5 结 论

1)红粘土的应力-应变关系呈非线性.曲线陡峭段的应变较小,而对应的应力增幅较大,但平缓段对应的应变较大,而应力增长较小.在应力作用下,先是土体挤密产生应变,接着是土体结构被破坏而产生变形,其中第二阶段变形远大于第一阶段的变形.在第一阶段变形中,红粘土是剪缩的;在第二阶段的变形中,可能出现剪胀现象.

2)武广客运专线红粘土具有超固结性、固而不密的特性.在孔隙比很高的同时具有中等压缩性.固结反剖面特征明显.剖面上部先期固结压力较大,超固结比较大,固结程度好;下部超固结比小,固结程度差,呈现出上硬下软的特性.红粘土虽然含水量高,孔隙比大,但承载力较好,是一种良好的天然地基土.

3)武广客运专线红粘土按膨胀性来划分,它不属于膨胀土;从收缩性来看则又属中等膨胀土,即以缩为主,缩大于胀.红粘土的膨胀、收缩曲线具有明显的相似性,膨胀、收缩过程都经历了从斜直线→弧线→平直线的变化过程,但两个过程的各阶段持续时间及所发生的变形量有很大差异,吸水膨胀明显要比失水收缩快得多.

[1]姜其岩,余培厚,郭 沛,等.红粘土力学强度特性的形成及分析[J].贵州工学院学报,1991,20(2):221-43.

[2]李广信.高等土力学[M].北京:清华大学出版社,2004.

[3]廖义玲,毕庆涛.关于红粘土先期固结压力的探讨[J].岩土力学,2006,27(11):1931-1934.

[4]韦时宏,廖义玲.黔中地区红粘土的超固结性及低密实度和变形特征[J].贵州工业大学学报:自然科学版,2006,35(4):9-12.

[5]杰尼索夫.粘性土的工程性质[M].盛崇文,译.北京:水利电力出版社,1960.