碳酸岩地区红粘土边坡变形机理分析

2016-09-19董智飞牟玲峰

地球 2016年2期

关键词：粘土含水量孔隙

■董智飞牟玲峰

（广西基础勘察工程有限责任公司广西南宁5300143）

碳酸岩地区红粘土边坡变形机理分析

■董智飞牟玲峰

（广西基础勘察工程有限责任公司广西南宁5300143）

碳酸岩也叫火成岩，主要物质是碳酸盐矿物，因碳酸岩地区的土质特点，形成了不同的红粘土变形特性，对碳酸岩地区的红粘土边坡变形对工程建筑和土地开发造成一定的影响。广西壮族自治区是典型的碳酸岩地区，本文将以广西区内碳酸岩地区为研究对象，通过对广西残积红粘土、残坡积红粘土以及冲洪积红粘土的形成分析，研究广西区内红粘土的基本物理性质以及收缩性能、微膨胀性能，得出碳酸岩地区红粘土边坡变形的原因。

碳酸岩广西红粘土边坡变形

1　前言

红粘土主要分为三种，花岗岩的出露区形成的红粘土、地质红层的出露区形成的红粘土以及碳酸岩的出露区形成的红粘土[1]。因红土化的土质影响，最终变成黄褐色、棕红色等色系的土质。因含有的粘粒十分高，粘粒之间都是以结合水联结和胶结联结为主要结合模式，使红粘土结构性强，是具有十分强的可塑性粘土。广西、云南、广东、湖南、贵州等地都属于热带与亚热带地区，是我国主要的红粘土分布地区，总露出的面积达到二十万平方公里左右，压缩性能低但具有高力学强度，因此在红粘土区域进行施工建设需要对红粘土有一定的探究。本文主要研究的是碳酸岩地区红粘土，红粘土是处在酸性地质环境中碳酸盐系典型的特殊土质，包括岩石风化残积、残坡积以及冲洪积，它含有丰富的铝氧化物和铁。广西红粘土的形成主要是碳酸岩类母岩溶余堆积，属于偏中弱级别的膨胀性红粘土。以广西区内靖西县、合山市、柳州、贵港、玉林市福绵区及其交界处等典型红粘土地区为研究对象，研究红粘土变形特性，含水量的多少影响其变形量等红粘土边坡变形机理。

2　碳酸岩地区红粘土的形成

2.1残坡积、残积红粘土的形成

残坡积和残积红粘土主要形成在山麓斜坡和溶蚀缓坡，其矿物成分包含大量的高岭石和伊利石，土体呈现红褐色和黄褐色。残坡积和残积红粘土一般呈以团状或是块状，团状结构特点使得其粘性很强。红粘土土体发育以垂直裂隙为主，碳酸盐岩经过了淋溶、分解结合、迁徙和团聚等一系列复杂红土化反应，让碳酸盐岩逐渐风化成残坡积和残积红粘土。碳酸盐岩中白云石、方解石的可溶性矿物质通过广西丰富的地下水溶出，同时携带了酸性粘土矿物中的硅、铝、铁物质。基于以上分析，残坡积、残积红粘土的形成原因主要为交代作用和溶蚀作用[2]。溶蚀作用也就是碳酸盐岩与水产生化学反应，所形成的溶蚀作用，也就是地下水对碳酸岩中可溶性物质的溶解迁移作用。由氧离子、二氧化碳、一氧化碳离子、氢氧离子、碳酸氢根离子等多种离子，通过在溶于二氧化碳的水在气态（空气）、液态（水溶液）、固态（碳酸盐）三种形态之间进行复杂的化学反应。交代作用分为渗透交代和扩散交代，两者都是在不改变成矿物质岩石的构造和结构的基础上，改变成矿物质岩石的矿物成分的化学作用。渗透作用是在溶液流动时，扩散作用和渗透作用相结合改变其矿物成分。扩散作用是溶液中的物质通过离子和分子的形式扩散到成矿物质岩石中，从而实现改变成矿物质岩石中的矿物成分。综上可知，碳酸岩地区的红粘土中的硅、铝、铁等矿物成分物质依靠地下水作为载体，经过扩散作用和渗透作用，碳酸盐岩在广西多雨高温的地理条件下形成红粘土。

2.2冲洪积红粘土的形成

冲洪积红粘土的形成主要在缓坡和阶地的低洼区域。低洼区域的矿物成分与山麓斜坡和溶蚀缓坡的矿物成分相同，主要成分为高岭石和伊利石。但因搬运物质所堆积的环境不同，红粘土在不同的沉淀环境里的形成的粘土具有明显的差异性，这就形成了冲洪积红粘土。冲洪积红粘土土体颜色分布不均，颜色自上而下的分层，呈现出黄白相间或红白相交的网纹状层次色彩。从广西柳州所形成的冲洪积红粘土可知，从宏观上看，其土体结构呈块状，结构十分紧凑，土颗粒具有较轻的连接性。以灰岩为主的下伏基岩，因受到不断起伏的基岩面影响，土层厚度不一致。对于冲洪积红粘土的网纹状形成，有学者认为，红粘土在最初受到风化作用的不断堆积，随着风化作用不断增加，原有的红粘土中的矿物经过还原分解，红粘土的氧化铁经过淋滤分解最终流失，从而形成了白色网纹，加上原来红粘土中的堆积，最终形成了红白交间的网纹状红粘土。

3　碳酸岩地区红粘土的性质

3.1基本物理性质分析

广西属于亚热带气候，风化作用较强，均属于过渡类型的广西平原石炭系白云质和灰质白云岩，以及边缘区域的泥盆系中统都是碳酸岩产生地带，红粘土风化作用良好，风化壳可达到5至10米，成熟度较稳定且都有垂直分带性。采集广西贵港红泥土，分析碳酸岩地区红泥土的物理性质可得出其相关物理性质数值。碳酸岩地区红粘土的矿物成分主要有四种，74%的高岭石，17%的针铁矿，6%的蛭石以及3%的是石英。其红粘土的物理学性质指标可见表1。由此可见，碳酸岩地区的红粘土的天然重，饱和度、液限、比重、干重等物理性质高于一般粘土，其红粘土还具有无侧限抗压高强度、压缩系数低和较高的直剪强度，这表明了红粘土较高的力学特征。

表1　碳酸岩地区红粘土物理性质数值（以广西贵港市为例）[3]

3.2微膨胀与收缩性能分析

针对广西不同地区的红粘土力学性质指标的分析，发现红粘土体缩量之间差异性不大，并且被烘干后的红粘土，有着网状似收缩的微裂隙现象，开环刀会按照裂隙纹路张开随后破碎。根据地质普查相关材料得知，干旱季节许多地方的土层会发生裂缝，比如在广西桂平富江口镇出现的地裂情况，富江口镇出现的地裂最长达到四十一点五米，最短的都有八米，宽度达到六至十五厘米。这表明了碳酸岩地区红粘土的体缩量十分大，收缩变形的程度十分强烈[4]。根据在广西区内采集的红泥土进行的实验可知，线缩率的变化因红粘土含水量的大小变化比膨胀率的变化要高得多，由此可知，在缩限性能和胀限性能间，红粘土主要变形以收缩为主，这是碳酸盐岩形成的红粘土的特点之一。

根据现有的红粘土资料显示，红粘土的液限都大于百分之五十，多数红粘土的液限在百分之五十到百分之七十之间，自由膨胀率大约在百分之二十七。参照广西相关的地质资料，根据其标准可以判定红粘土是膨胀性粘土。然而，广西区内的红粘土胀缩率较小，少数膨胀率超过百分之三点五，因此广西红粘土的膨胀性较弱，属于微膨胀性能。由此可知，碳酸岩地区的红粘土具有缩胀变形的特点，其中以收缩变形为主，膨胀变形呈中弱状态。

4.碳酸岩地区红粘土边坡变形机理

4.1红粘土成分导致变形

红粘土具有特殊的固结变形特点，不仅具有超固结性还具有明显的孔隙性。这些特性影响着红粘土的变形。岩溶化学反应改变了母岩的结构和物质，经过溶蚀作用形成大量的空隙和土粒矿物。风化作用将红粘土中的游离氧化物聚集起来并产生胶结联结。红粘土土粒之间的主要联结是游离氧化物因胶结联结作用，他影响着红粘土的固结程度，同时也决定了反剖面的超固结比以及先期固结压力的特征[5]。红粘土剖面部游离氧化物的含量高，则化学作用高，反之化学作用力低，致使红粘土结构强度减弱。

除此之外，游离氧化物的含量及其存在形式也影响红粘土的胶结作用。因大气作用影响胶体，这使得原来结构与成分均衡的堆积物的固结程度产生变化。越靠近地面，红粘土的固结程度越好，力学性质越明显。另外，溶液的PH值也影响游离氧化物的胶结作用，当溶液呈碱性时，会阻碍氧化物氧化，导致胶结程度降低。反之，酸性环境下，促进氧化物产生氧化反应，红粘土的胶结作用增大。红粘土的土质大多呈碱性或中性，但也有小部分呈酸性，此外，红粘土中也存在一些酸性物质，而这些作为研究对象的地区降水量普遍较多，雨水渗入土壤，致使一些可溶的酸性物质溶解，使土壤的酸碱度失衡，呈现偏酸性的状态，最终影响了红粘土的胶结作用。

4.2红粘土的结构与红粘土变形

从微观的角度研究红粘土的结构，可知红粘土的微观结构特点有两部分，因此红粘土的孔隙有对应的两个层次，其一是较小的孔隙，主要在粘土粒团的内部；其二是较大的孔隙，存在粘土团粒之间。我国著名的地质学廖义玲教授经过对红粘土进行压汞试验以及利用电镜扫描观察得知，第一层的孔隙以封闭或者半封闭的状态，占孔隙总体的多数，约达总数的四分之三。然而，孔隙的数量却不受压力作用的变化而变化，这些在受力后呈惰性的孔隙与第二层孔隙不同，第二层孔隙较大，形状不规则或是较狭长，而这些活性孔隙在受到压力作用后数量急剧减少。惰性孔隙团粒的联结作用较为牢固稳定，因此具有较强的刚性，因此不会受到压力变化的影响。而在作用力下，红粘土的变形主要因素是团粒间孔隙的减小，由于团粒之间的孔隙体积于总数较小，则红粘土的压缩变形较弱。因此，红粘土的微观结构决定了其低压缩高孔隙的特性，形成红粘土的变形原因。但是，尽管比较微弱，外界压力对红粘土的影响依然存在。红粘土的边坡遭到开挖之后，原本的截面方位、受力点以及内部应力等都发生了变化，并且土壤内部产生的内力将会试图恢复土壤的原貌；然而土壤受到的外力作用影响不仅仅来自挖掘时产生的作用力，还有空气湿度的变化等产生的影响，这些外力改变红粘土边坡的形状，并与土壤内部作用相结合，最终也会导致红粘土边坡的变形。比如当红粘土中的含水量产生变化，其粘聚力也将随之变化；在含水量达到25%~35%时，红粘土的粘聚力为50%~65%kPa，而如果含水量增加到40%~70%，粘聚力则下降到大约30%kPa。可见如果外部因素对红粘土的内部结构产生了影响，同样会使红粘土变形。

4.3红粘土固结力与红粘土的变形

红粘土变形以固结变形为主，包括化学固结和物理固结。其变形本质是因红粘土的结构强度，使其力学性能加强的过程及其结果。以往的研究中，有人认为土体的重力导致红粘土的先期固结压力，然而实验研究表明，固结力有“反剖面”性质，随深埋增加而减小，超固结比值也随之减小，最终导致红粘土固结性降低。红粘土的性质指标也随着深埋的程度进行有规律的变化。因此可以说，红土化作用决定固结压力随深埋的深度增加而减弱，并非是土体的重力影响。不过，红粘土的物理固结不止受重力影响；红粘土具有孔隙性，某些孔隙比在1.6以上的红粘土，含水量可达到60%。因此，如果红粘土中的活性孔隙被水渗入，也有可能会带来一些变化。活性孔隙中的水分如果受到荷载作用，将会被排出土壤之外，从而可能导致红粘土体积变小，出现固结现象，最终产生变形。粘土砖的制造比较能体现这一过程，粘土砖在取得原始泥料之后对泥料进行相应的处理，使之成型，最后对粘土砖采取干燥、焙烧的方法完成制作。虽然粘土砖在制作初期就已经改变了一些黏土原本具有的性质和结构，但是制作过程中的干燥、焙烧工序和红粘土经过水分充分渗出后固结的现象十分相似，同样是通过排出水分实现固结的过程。实验表明，对同一类红粘土进行不同程度的脱水处理，其压缩系数各不相同。如对保持原状的红粘土进行测试，发现它的压缩系数为60%；经过击实后的红粘土，压缩系数为50%~55%；而进行风干和烘干处理的红粘土压缩系数在40%~45%之间，数据显示红粘土的压缩系数是随着水分的减少而降低的，水分的缺失会影响红粘土的形状。红粘土作用是一个复杂的化学反应，要通过对不溶性氧化物进行一系列反应。在作用中，红粘土中的胶结物形成了强力学，高抗水性的土粒。地域的气候、深埋情况和时间推移都影响着红土化作用。由此可知深埋程度越深，红土作用越薄弱，因此红粘土的先期固结力越小，红粘土的变形也越小。

4.4胶结作用与红粘土变形

红粘土因风化作用，在颗粒结构上属于细粒土，以粘聚力为主，其次是内摩擦力的作用，使其抗剪强度较强。土粒间的物质发生的各种化学或物理性质的作用力，决定了红粘土的粘聚力，如胶结作用力和库仑静电力都是土粒间的作用。而胶结连结、毛细水连结、结合水连结的作用宏观地反映了红粘土中颗粒内部的连结反应。和一般性的粘土一样，红粘土的结合水连结作用的规律也是因含水量的变化而变化。广西大部分地区属于亚热带季风气候，处于这种气候下的地区全年降水量比较充足，我国的亚热带季风气候区的年降水量一般在800毫米到1600毫米之间；降水主要集中在夏季，尤其是最长可达一个月的梅雨期，冬季降水最少，具有比较明显的季节性。尽管红粘土较其他类型的土壤来说渗水性非常差，速度只有大概0.7毫米每分钟，重力水的渗透深度仅在50厘米左右，但是红粘土的亲水性较强，当液限达到50%~70%时，其塑限可达到30%~50%，塑性指数为20~40。因此长期处在这样水源充足的环境之下，仍然会导致红粘土自然含水量的大幅增加。此外和土质也有关联，例如在靖西县的红粘土中，胶粒含量超过了70%，这使得靖西县的红粘土容易吸收水分且受到水分的影响。红粘土自然含水量的增加，增厚了土粒表面扩散层弱结合水膜，致使土粒之间的距离增长，最终减弱了红粘土的连结力。红粘土粘聚力弱是红粘土变形的根本原因，胶结连结的形成因胶结物质（包括氧化铝、氧化铁、二氧化硅等物质）又决定了红粘土的粘聚力的强弱。胶结物质中的游离态氧化铁的胶结作用最为主要，当红粘土中的矿物与游离态的氧化铁相互作用，游离氧化铁以包膜形式吸附在粒团矿物周围，使得矿物粒团起到了坚固的胶结作用。根据实验数据显示，当红粘土含水量大于百分之四十，胶结作用会突然消失，粘聚力较低。当含水量小于百分之三十五，胶结作用没有明显变化。由此可知红粘土含水量变化对氧化铁的胶结具有突变性的影响。