红粘土微结构特征与变形机理

2015-03-23宋宇高利陈学军李家成

地质灾害与环境保护 2015年3期

宋宇，高利，陈学军，李家成

（1.广西岩土力学与工程重点实验室，桂林 541004；2.桂林理工大学土木与建筑工程学院，桂林 541004）

1 引言

红粘土作为一类特殊土，是由碳酸盐岩在湿热环境中经风化作用而形成的，其广泛分布于我国的南方。红粘土性质非常特殊，不能用一般粘土物理指标和和力学参数间的规律去评价其工程性质。其特性主要表现在：孔隙比大，含水高，液限高，塑性高，密度低等特点，但同时又具有高强度、中低压缩性等良好力学特性。随着在红粘土地区工程项目的增多，工程灾害时有发生。同时在这些工程实例中有很多现象很难用宏观土力学理论进行很好的解释，如同等密实度情况下的重塑土的强度不如原状土，但是随着时间的增长其承载能力也在不断增加；红粘土本身液限高，孔隙比高，但是其承载力却较高等；高速公路路基上部荷载和沉降都稳定不变后，其孔隙水压力却一直下降，有效应力增加。上述情况和宏观土力学理论是有一定程度上的不相符，主要是由于宏观土力学理论是假设土是各向同性的材料，但事实上并不是如此。因此要了解这个问题，我们必须以“土是由颗粒组成”的这一事实为基础建立土力学理论。即要对红粘土的微观结构做一定的研究和了解。20世纪90年代著名的土力学专家沈珠江院士就曾提出过“本世纪土力学的发展核心将是粘土的微观结构［1]”。粘土微观结构概念始于20世纪，太沙基第一次提出“蜂窝状结构”以后。随着科学技术的发展，光学显微镜、偏光显微镜、X射线衍射、电镜扫描等技术手段在土微观结构研究中得到了广泛的应用。观察手段有了很大的提高，研究者们在红粘土微观结构方面也取得了大量的研究成果。谭罗荣［2]通过研究湛江的粘土得出了粘土是由很多单片堆叠而成的片堆颗粒、粒状碎屑物和少量的单片粘土矿物颗粒组成，试样的空隙中填充着许多规则的多面晶体。齐吉琳、谢定义［3]通过分析电镜扫描结果，得出了用孔隙分布区曲线定量描述粘土的微观结构特征的方法，通过孔隙分布曲线与颗粒大小分布曲线的比较，可以很好地揭示粘土的结构性。本文将以介绍红粘土的微观结构观测技术为切入点，来分析微观结构特征及其形成机理，最终用微观结构来解释红粘土的诸多宏观力学问题。通过对以上三个方面介绍来阐述红粘土微观结构的研究进展情况，以及对红粘土微观结构研究成果进行分析总结，为今后更好地开展相关的研究工作提供些许参考。

2 红粘土微观结构观测技术

红粘土微观结构无法用肉眼直接观察到，必须借助特殊的手段才能观测到。随着科学技术的发展，人们逐渐将光学显微镜、X射线衍射、电镜扫描等技术手段运用在了红粘土微观结构的研究上。光学显微镜是利用光学原理，把人眼所不能分辨的微小物体放大成像，以供人们提取微观结构信息的光学仪器。可以用来对红粘土的局部放大进行微观结构观察，但是其放大倍数不够，导致不能提供清楚的图像，有一定的局限性。X射线衍射是利用晶体形成的X射线衍射，对物质进行内部原子在空间分布状况的结构分析方法。利用此方法可以观察红粘土微观结构，而且精度较高，但是对红粘土X射线衍射后产生的干涉图像是二维图像，在利用图像对红粘土微观结构进行分析时也有不足之处。电镜扫描的工作原理是用一束极细的电子束扫描红粘土样品，在样品表面激发出次级电子，次级电子的多少与电子束入射角有关，也就是说与样品的表面结构有关，对次生电子接受处理后还原成粘土表面的放大图像，显示出与电子束同步的扫描图像。图像为立体形象，反映了标本的表面结构。为了使标本表面发射出次级电子，标本在固定、脱水后，要喷涂上一层重金属微粒，重金属在电子束的轰击下发出次级电子信号。目前用此方法观察红粘土微观结构比较常用，在精度等技术要求上都能基本满足要求。

在用电镜扫描等技术手段得到图像后，还需要对图像进行一定的处理才能提炼出有用的信息。目前对微观图像处理用得较多的辅助软件主要有Phot oshop、matlab和分形理论，此外还有一些自动处理图像的软件。以上都是在静止状态下观察的红粘土的微观结构，研究人员们为了观察和记录微观结构动态变化，将CT扫描技术、由河海大学研制的微观结构光学测试系统和吴义祥［4]等联合研制的提取土微观特征值的图像处理系统引入到微观结构动态变化观察研究中。

在研究红粘土孔隙时常采用的方法是汞压法和电子显微镜图像分析法。根据各技术手段的特点，在研究红粘土微观结构特点时常采用电镜扫描所采集的图像进行提炼分析与汞压法对红粘土的微观结构孔隙进行定性和定量的分析相结合的综合方法比较常用。

3 红粘土微观结构特征及其形成机理

由前人的研究可以得出红粘土微观结构是由基本单元组合而成。张林锋、肖欣、李辉［5]根据对桂林红粘土电镜扫描观察，发现桂林红粘土微结构基本单元的组合主要有以下两个特点：①基本单元的排列是杂乱无章的，看不到粒团定向排列的趋势；②基本单元之间堆积不是十分紧凑，基本单元往往并不直接相互接触，且其位置也不符合紧密堆积的要求。廖义玲、余培厚［6]通过对红粘土的微结构及其概化模型的研究，得出红粘土微结构的基本结构单元可以分为两类：一是复合多孔性单元，由粘土矿物粒团组成的，在红粘土微观结构中占有绝对优势；二是由铁质胶结或残余碎屑颗粒组成的刚性单元。唐益群［7]研究认为：在显微镜下有明显的物理界限称为粘土微结构的基本单元体，又可分为一级单元体和二级单元体。白冰［8]则认为一级单元体指具有较强的原始内聚力而较难分离的微凝聚体；二级单元体则指由一级微凝聚体集合而成的片状、粒状等聚集体。从前人的研究可以得出：原状红粘土的微观结构的具有多样性特点。土颗粒的矿物成分、形成年代、沉积条件、孔隙条件以及空隙中水的化学成分等因素都会影响红粘土的结构的形成。在地层形成以后，物理、化学以及生物变化将会改变红粘土的微观结构，形成比较稳定的新结构。岩石风化的粘土矿物经过复杂的物理化学变化后形成次生粘土矿物和大量的游离状氧化物，这些游离氧化物往往形成了有粘性的胶结物填充在颗粒之间起到胶结作用。谭罗荣［9]通过对湛江红粘土的研究得出岩石风化后形成了形状和大小不一的片状高岭石等粘土矿物，片状高岭石主要是边面结合形成了絮状结构；由风化作用也形成了氧化铁，在水的作用下形成了一种溶胶胶体填充在絮状结构的空隙之中，而且这种胶结物将基本颗粒单元胶结在一起，形成大小不等较大的粒团，这些大小不等的粒团又通过胶结物构成了聚集体的架空结构。

4 红粘土变形的微观特征及其机理

从微观角度分析红粘土，红粘土的微观结构要素可以综合为颗粒形态及排列方式、孔隙的形态及排列方式和胶结形式。红粘土在受到荷载作用后发生变形，本质上是微观结构发生变化，主要体现在颗粒、孔隙和胶结方式的改变。根据前人对红粘土变形微观机理的研究，本文主要从基本单元变化、孔隙和胶结变化三个方面进行论述。

4.1 基本单元的变化

红粘土的基本结构单元是红粘土骨架最小结构单元，它可以独立参加力学活动。根据电镜扫描可知红粘土基本单元可以分为两种：多孔单元、刚性单元。红粘土的颗粒和粒团是由最小单元聚集而成，由此可知颗粒和粒团的排列对红粘土的力学性质有重要的影响。本节将从土颗粒受荷载作用后发生变形时的变化进行解释。

红粘土受荷载作用发生变形时在微观层次上的变化，主要是颗粒大小的改变，大致趋势是随压力增加变大，随剪力增大而变小。张敏江、阎婧［10]等人通过研究发现粘土结构单元的排列在低应力作用下发生变化较小，而在高应力作用下结构单元发生明显的变化。在应力较小时孔隙发生变化较小更不会导致颗粒内部孔隙发生变化；而当应力较大时颗粒间的孔隙发生急剧调整，导致结构单元发生变化。颗粒变化与宏观特性之间也存在着必然的联系。吴义详［4]通过对工程粘性土的微观结构的定量评价研究发现：随着压力的增大，粘性土从较无序向有序转化，这反映了土在压缩过程中土颗粒的旋转，而且压力越大颗粒会聚集成更大的集合体。此外红粘土中粘粒的含量对宏观力学特性也存在一定的影响。姚环通过对粘土微观结构与力学性质的研究得出：粘粒含量在小于40%或大于60%时，粘粒对力学性质的影响较小，而当粘粒含量在40%到60%之间时影响就较大。

4.2 孔隙变化

在土力学中，孔隙作为土体微观结构的重要组成要素之一，直接影响着土体的工程性质，孔隙的变化是土体变形的内在原因，是决定土体宏观性质的关键因素，无论是土体变形还是地基承载力都不同程度上受到孔隙变化的影响。目前研究孔隙最常用的方法有：汞压法和电镜扫描。廖义玲、朱立军、周训华［11]等人对粘土中孔隙与物理性质的影响研究得出：红粘土中有大量的惰性孔隙，在外荷载较小时惰性孔隙不发生变化，主要是因为红粘土团粒间有胶结物，在抵抗外界变形。同时红粘土中的孔隙还存在不同级别，有颗粒间的大孔隙，还有颗粒内部的小孔隙。前者比较容易在外力作用下发生变化，对宏观特性的影响较大；而后者很难发生变形，相对较稳定，对力学性质的影响可以忽略。龚士良［12]（上海软粘土微观特性及在土体变形中的作用）通过研究得出粘土的孔隙是由粘土片边面结合组成生成的层间孔隙，集合体组合成絮状体生成了集合体孔隙，絮状体还会产生絮状体间的孔隙。从分形角度分析红粘土孔隙特性也可以得出，孔隙越不规则，分形维数就越大。孔令伟［13]通过对红粘土孔隙分布分形特征的研究得出：孔隙分布的分形结构是客观存在的；而且分形数能够作为孔隙的级配参数，并且分形数受到母岩类型和矿物组分的影响。

4.3 胶结变化

土颗粒结构连接形成是由于土颗粒间的相互吸引力和排斥力的共同作用的结果。土颗粒间的斥力主要是静电斥力和楔力；而红粘土间的吸力除了范德华力、静电吸力和氢键，还有土颗粒间的“胶结力”。经研究表明红粘土之所以有很高的强度与土颗粒间的胶结物有密不可分的关系，而且这种胶结物主要是有游离的氧化铁形成的铁质连接结构。胶结物对红粘土的力学性质有非常重要的影响，通过前人们不懈的努力也研究出了很多重要的结果。孔令伟［14]等人通过对红粘土有效胶结特征的初步研究得出：红粘土间的有效铁质胶结物可以通过化学溶蚀去掉一部分，这也会改变红粘土的工程力学特性。吴义祥［4]通过研究发现矿物颗粒集合体是通过矿物颗粒彼此胶结、偶极力、双电层等相互结合成集合体；而矿物集合体则是由彼此孔隙间的胶结物连接起来的。颗粒间的胶结物在外力作用下是会发生变化的，同时也会对力学特性产生影响。朱寿增［15]等人通过柳州市酸雨对红粘土工程地质性质影响机理研究得出：酸雨对胶结物的溶蚀会破会土体原有结构，使土颗粒间的连接减弱甚至消失，以至于土体的抗剪强度降低，并且酸性越强作用越强烈。王继庄［16]经研究发现当去掉红粘土中的游离铁质胶结后红粘土的性质变化较大，其实验结果与一般正常粘土接近。这也进一步证明了游离氧化铁对红粘土集合体的胶结作用。

5 讨论与展望

根据上述前人的研究可以看出，大部分都是在研究应力作用下引起颗粒、孔隙和胶结物的变化，也没有把三者的变化联系起来研究，很少有研究颗粒间的相互作用。颗粒间的相互作用关系是微观结构研究的一个重要部分，而且微观结构特性对宏观力学物理量之间的关系对实际工程具有很重要的指导作用。为了更好的研究微观结构，可以从以下几个方面入手：

（1）研究红粘土的颗粒、孔隙和胶结物三者之间的相互影响，来充分揭示红粘土微观结构的变化特征和机理。

（2）研究红粘土在受荷载变形时微观结构特征与宏观物理量（E、v等）之间的内在联系。

（3）可以利用先进的微观研究技术对红粘土受力时微观结构变形特征进行动态研究。

［1]沈珠江.土体结构性的数学模型——21世纪土力学的核心问题［J].岩土工程学报，1996，18（1）：95－97.

［2]谭罗荣，张梅英.一种特殊土微观结构特性的研究［J].岩土工程学报，1982，4（2）：26－34.

［3]齐吉琳，谢定义.孔隙分布曲线及其在土的结构性分析中的应用［J].西安公路交通大学学报，2000，20（2）：6－9.

［4]吴义祥.工程粘性土的微观结构的定量评价［J].中国地质科学院院报，1991，（02）：143－150.

［5]张林锋，肖欣，李辉.桂林红黏土微结构特征分析［J].山西建筑，2008，34（31）：111－112.

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

［7]唐益群，杨坪，沈峰.上海暗绿色粉质粘土冻融前后的微观性状研究［J].同济大学学报，2007，35（1）：6－9.

［8]白冰，周健.扫描电子显微镜在岩土工程中的应用与进展［J].电子显微镜学报，2001，20（2）：154－160.

［9]谭罗荣，孔令伟.某类红粘土的基本特性与微观结构模型［J].岩土工程学报，2001，23（4）：458－462.