贵州红黏土路用工程性能研究

2011-06-09董洁霜

长春工程学院学报（自然科学版） 2011年4期

梁毅，董洁霜

（上海理工大学管理学院，上海200093）

0 前言

关于红黏土的定义，JTG D 30—2004《公路路基设计规范》[1]中明确规定：红黏土是指碳酸盐岩出露的岩石，经红土化作用形成的棕红色、褐黄色等的高塑性黏土，其液限一般大于50%。经再搬运后仍保留红黏土基本特征，其液限大于45%的土称为次生红黏土。红黏土在贵州省分布十分广泛，发育相对完好，具有的特殊物理力学性质和特征都具有一定的代表性。贵州是国内研究红黏土最早的地区之一，很多学者进行了研究并取得了成果，但是都局限在红黏土的定义、分类、成因等问题上。对于红黏土作为道路路基填料方面的研究仍存在很大的空间，因此为了提高工程建设中设计和施工的科学性与合理性，对红黏土的路用性质的系统研究显得极其重要。

1 红黏土的成因

在贵州，红黏土作为与道路工程建设关系密切的土类，自身所具有的特殊性在长期的实践中被人们所逐步认识。土的特殊性是由它的物质成分和组成结构所决定的，而成分与结构跟土体本身的成因有关[2]。

1.1 地形地貌与气候条件

贵州位于中国西南部——云贵高原的东斜坡，地理位置为东经106°36′～ 106°35′，北纬24°37′～29°13′，东与湖南交界，西与云南接壤，南与广西毗邻，北与四川和重庆相连。主要是以高原、山地地形地貌为主要特征，平原山地很少。山地多为溶蚀型喀斯特地貌，在喀斯特作用的影响下，红黏土下伏的基岩面为起伏不定的溶蚀面，这就成为母岩溶蚀残余物堆积起来的保存地。

气候方面，贵州属于典型的亚热带季风湿润气候区，由于地处低纬山区，地势高差悬殊，所以垂直方向气候差异较大，立体气候明显。就全省大部分地区而言，气温最低值出现在1月份，最高值出现在7月份，平均气温为15℃，常年雨量充沛，时空分布不均。全省各地多年平均年降水量在1 100～1 300mm之间，最多值接近1 600mm，最少值约为850mm。光照条件较差，降雨日数较多，相对湿度较大，年平均值在80%左右。这种湿热交替的特殊气候条件造就了红土化作用，影响并决定了红黏土的成因。

1.2 红黏土形成过程

红黏土形成主要有2个阶段：第1阶段为岩溶作用阶段，即母岩（碳酸盐岩系地层），通过化学溶蚀为主的岩溶作用，流水的溶蚀冲刷作用把可溶矿物溶解并带走，剩余的不可溶矿物则残留并堆积，这就形成了红黏土最初的物质来源。在物质组成上，母岩中占优势的可溶矿物在流水的作用下溶解带走，剩余的少量不可溶物质成为红黏土的主要成分，溶蚀残余物不再具有母岩结构的骨架，多为疏松多孔的砂状物，母岩结构被彻底破坏[3]。

第2阶段为红土化阶段，溶蚀后的残余堆积物还必须经过红土化作用后才能形成完全意义上的红黏土。残余堆积物在潮湿温暖的特殊气候条件下开始进行红土化作用，即堆积物在地下水的进一步作用下，发生淀积、淋滤、水化、水解等复杂地质变化并最终形成新的黏土矿物。在黏土化过程的同时，红土化作用又使其中的氧化物逐渐游离出来，形成新的矿物成分。随着红土化的进程，新的矿物与剩余的物质重新组成了红黏土的微观结构，并最终形成红黏土。

2 红黏土的物质组成与结构特性

红黏土之所以拥有其他土类不具备的物理力学等工程特性，是由红黏土的特殊成分和结构所决定的。如果说物质成分的组成是基础，那么结构的排列组合则是必不可少的存在方式。下面我们对红黏土的物质组成与特殊结构进行分析。

2.1 物质组成

我们按红黏土的成因和性质不同，将红黏土中的这些矿物分为3类：黏土矿物、游离氧化物和残余岩屑[4]。

（1）红黏土中的黏土矿物

红黏土的主要矿物成分为黏土矿物，对土样进行X线衍射、差热分析及离子交换实验的测试分析，并对结果进行半定量分析估算，其含量约占固态物质总量的50%～80%，测得土样中的物质成分如表1所示。

表1 红黏土中所含黏土矿物含量／%

通过上表分析可知，贵州红黏土的矿物成分中高岭石、绿泥石、伊利石所占比重大，部分含少量的蒙脱石。因而土的黏性大，塑性指数高，使得土体具有比较好的强度与压实性能。

（2）红黏土中的游离氧化物

母岩在成土过程中经历了强烈的溶蚀作用，原有的钙、镁碳酸盐在土中几乎被淋失殆尽，残留的难溶铝硅酸盐矿物除形成黏土矿物，部分铝硅酸盐矿物进一步分解，形成游离氧化物，其含量约为8%～20%，具体见红黏土游离氧化物分析成分表。

表2 红黏土中游离氧化物含量

通过上文红黏土成因分析我们知道，土体在经历了红土化作用后，富含了大量的游离氧化物，从表中得知，主要为硅、铝、铁的游离氧化物。这些游离氧化物改变了土的性质，充当红黏土物质结构组成中的胶结连结物，是红黏土形成特殊结构的重要原因，使红黏土具有失水再吸水后的不可逆性[5]。

（3）红黏土中的原生矿物及岩石碎屑

残余岩屑主要是指母岩在红黏土形成过程中未被溶解的稳定成分，如石英碎屑等矿物。通过显微镜下观察，残余岩屑约占矿物总重的2%～15%，主要是石英和结晶状的氧化矿物。

2.2 红黏土的结构特性

土的结构主要包括了2种不同层次的结构类型，分别为微观结构和宏观结构。宏观结构主要泛指土体在空间分布上的关系，即剖面特性、裂隙特征、岩土界面等。土的微观结构主要指土的颗粒大小、颗粒相互之间的排列、连结及孔隙等特征[6]。

2.2.1 宏观结构

（1）横向变化特征

岩溶溶蚀作用的不均匀使得红黏土所在的下伏基岩起伏面高差变化很大，造成了红黏土厚度在横向上的突变性：一般为3～5m，厚度大的甚至可达20多m。会经常发现，水平距离相差不到1m的红黏土厚度相差10m甚至更多。红黏土的厚度突变特性对路基十分不利，容易产生不均匀沉降等工程地质问题。

（2）纵向变化特征

红黏土在纵向上的变化特征与普通的土体截然相反，主要体现在物理力学性质上。我们选取具有代表性的路基挖方进行土工试验，数据见表3。

从表中数据反映，随着红黏土剖面深度的增加，土的天然含水量、液限、孔隙比逐渐增高，稠度状态则由坚硬变为硬塑状态、可塑状态、软塑态，在深达21m处甚至出现了流塑状态。地质学界把红黏土的此类特征称为“反剖面”特性[7]。

2.2.2 土的微观结构

红黏土的物理力学性质主要是由它的微观结构所决定的，因此要了解它的工程属性必须对其颗粒大小、连结形式及孔隙进行分析研究。

（1）粒度特征

对采集的红黏土土样进行颗粒筛分试验（密度计法），从表4数据可以看出：红黏土中以黏粒为主，约占47%；粉粒次之，约占45.8%，沙粒只有8.2%。总体粒度特征为细分散性。

表3 红黏土剖面性质变化

表4 颗粒筛分实验结果

（2）连结特性

红黏土的基本颗粒单元是黏土粒团，按结合方式可以分为：黏土团粒内部连结与粒团间的连结。团粒内部连结分布于粒团表面，为一种絮状连结；粒团间连结主要由游离氧化物胶结而成，通过胶结而形成整体的红黏土不但稳定而且具备了特殊的力学性质，即失水后其胶凝作用不可恢复[8]。

图1 红黏土粒团结构图

（3）孔隙特性

红黏土的孔隙特征完全由土体颗粒的连结形式所决定，粒团内部黏土矿物的连结通过面—面、边—边、边—面3种方式实现[9]，彼此的内部连结在黏土矿物间形成了微小的孔隙，约占总孔隙体积的70%，剩余30%左右的孔隙则由黏土粒团与粒团之间连结形成，孔隙较大。在路基的压实过程中，使颗粒重新压实排列的主要是这部分孔隙。

3 红黏土的物理力学性质

土的物理性质即土在自然状态下表现出来的性质，包括物理性质指标与物理状态指标；力学性质主要包括压缩系数、固结系数、抗剪强度，承载比（CBR）等[10]。通过土工试验分析红黏土的物理力学性质的变化范围及特征。

从表中数据可以知道，红黏土具有特殊的物理力学性质，主要表现在红黏土具有高含水量，土样中含水量大于65%的土样占所有试验土样的60%以上。饱和度也很高，有时候会出现大于100%的不合理现象。一般黏性土的天然孔隙比常见值范围在0.5～1.0之间，而贵州红黏土孔隙比e常见值在1.0～2.0（占土样的84.3%）之间，指标超出了一般黏性土的上限。贵州红黏土还具有高液塑性的特点，塑限多在25%～50%，液限高于60%的占土样的64.5%。

表5 红黏土物理性质试验数据

对一般黏性土而言，孔隙比大，含水量高，则土的力学性质相应地较差，因而工程上常根据黏性土的这些物理性质指标，间接的评价土的力学性质。红黏土不符合普通的规律，它在高孔隙性及高含水量的物理性质下，却具有相对较好的力学性质。见表6。

表6 红黏力学性质试验数据

贵州红黏土与淤泥质土相比，孔隙比及天然含水量都相近，内聚力却高出5～6倍，内摩擦角提高约1倍，地基容许承载力提高1～2倍；与新近沉积黏性土相比，孔隙比和天然含水量值都大得多，地基容许承载力却提高1倍左右；和一般黏性土相比，孔隙比与天然含水量几乎大了1倍，地基容许承载力却很接近。贵州红黏土的基本物理性质指标与力学性质指标的相关关系明显不同于其他土类，其物理性质较差，但其力学性质、建筑性能却较好[11]。

4 结语

本文仅针对贵州地区的红黏土进行了基本的物理力学性质的分析与研究，一方面天然含水率高、高液塑限、路基沉降变形较大、压实较困难；另一方面由于其独特的物质组成与结构特征，有着较高的力学强度和较低的压缩性，是一种较好的地基土。

根据《公路路基设计规范》规定：液限大于50%，塑限指数大于26的细粒土，不得直接用于路基填筑[1]。贵州省公路工程建设中经常遇到红黏土，由于缺少针对性的处理措施，路基填料的选择常采用弃土换填的办法。这种不得已的方法不仅产生大量的红黏土弃方，而且在征用大量土地进行堆置的同时还需要修建环保工程。这样一来，除工程施工进度得不到保障外，还大大增加了工程建设费用。研究和实践表明，只要措施得当，将红黏土用作路基填料是可行的。

使用红黏土作为路基填料应通过室内试验和试验路段论证可行后方可使用，针对红黏土物理性质与工程力学性质的特殊性，施工时需注意以下问题：

（1）控制含水量：红黏土填筑前应在取土场将红黏土挖松、摊凉、翻晒，使含水量减少一部分，施工时应注意控制红黏土含水量均匀性。施工前应准备好防雨塑料布，如下雨马上全面积覆盖，防雨水浸入。不定期用酒精法测定土料含水量，碾压前控制红黏土含水量达到施工要求[12]。

（2）保证压实度：红黏土填筑路基时，应根据实际情况通过试验路段确定施工压实工艺，确保压实度达到《公路路基施工技术规范》要求。

（3）减少裂缝数量，抑制开裂宽度：通过加快施工进度和工艺控制，对分层碾压后的路基需要尽快覆盖，以缩短表面曝露风干的时间。

（4）做好路基防排水：为防止水危害路基，红黏土填筑路段应做好路基防排水工程，除常规的防排水措施外，基底应设置排水隔离层，采用渗水性良好的砂砾或碎石填筑，具体厚度根据路基设计高度而定[13]。

（5）注意边坡防护：红黏土天然含水量较高且饱和，路基开挖后形成的边坡破坏了原有的稳定性，土体表面在大气环境的影响下含水量降低、失水后产生收缩裂缝，在降雨蒸发的反复作用下，红黏土边坡容易发生失稳坍塌下滑。在避免雨季施工的前提下，应采取快速施工并进行封闭措施，防止土体失水[14]。

[1]JTG D30—2004，公路路基设计规范[S].

[2]丁德明.贵州红粘土的物理力学性质及工程应用情况[A].唐大雄.第二界全国红土工程地质研讨会论文集[C].贵州：贵州科技出版社，1991：160－166.

[3]廖义玲，朱要强，赵坤，等.对红粘土成因的再探讨[J].贵州大学学报，2006，23（4）：361－365.

[4]廖义玲，余培厚.红粘土的微结构及其概化模型[J].工程地质学报，1994，2（1）：27－37.

[5]陶文平，南方红粘土公路路基设计与修筑技术研究[D].长沙：长沙理工大学，2010.10－15.

[6]高国瑞.中国红土的微观结构和工程性质[J].岩土工程学报，1985（5）：23－46.