我国红黏土物理力学性能研究现状及展望

邓绍云

(北部湾大学建筑工程学院，广西钦州 535011)

0 引言

红黏土是指碳酸盐类岩石(石灰岩、白云岩、泥质灰岩等)，在亚热带温湿气候条件下，经风化而成的残积、坡积或残—坡积的褐红色、棕红色或黄褐色的高塑性黏土[1]。

我国红黏土主要分布在贵州、云南和广西，其次为川南、川东、鄂南、鄂西、湘西、湘南、粤北、皖南和浙西等地；而北方红黏土零星分布在一些较为温湿的岩溶盆地，如陕南、鲁南和辽东等地，其多为受到后期营力的侵蚀和其他沉积物覆盖的早期红黏土。

1 红黏土的成分分析研究

红黏土的成分与其形成过程密切相关，人们普遍认为红土化作用过程是红黏土成因的关键和决定过程，其机理非常复杂，可概括为：湿热下，富含铁质硅酸盐类母岩风化为次生矿物、胶质，这些次生矿物在酸性环境中叠聚为微体，且因被游历铁铝质包裹成团粒，并因胶质作用和结晶作用，体积渐增，最终形成高分散呈整体胶结状态的块状红土。尔后经漫长地质年代，因环境变化，胶质淋溶流失，胶结减弱或破坏，红土散粒化，然后又经压密固结及胶质胶结，反复多次最终形成现代红黏土[2]。

红黏土的成因与其物理化学性质及工程特性有密切关系，不同地区的红黏土成因大致相似，但有所差异，该差异导致各地的红黏土性质和性能上的差异性。

王秀丽等[3]探究北京地区非碳酸盐母质上发育的2个红黏土剖面，认为该红黏土形成于古时湿热气候条件下，其碱性是由现代黄土降尘所带来的碳酸盐参与到成土过程中造成的。熊平生[4]野外调查发现赣州盆地第四纪红黏土中含有少量棱角分明的石砾,呈断续条带状分布,坡积、洪积特征明显。章明奎等[5]研究认为贵州省第四纪红黏土不完全是由碳酸盐岩直接风化形成，而是由周边山体提供物质来源经漫长的地质年代堆积而形成。裴云鹏等[6]采用古生物化学分析方法研究认为甘肃西峰赵家川晚第三纪红黏土与黄土的形成背景相同，且是陆相风尘沉积而成。黄 雷等[7]对甘肃临夏盆地新近纪红黏土粒度取样测试结果推断其成因为风成。曾召田等[8]分析了广西岩溶地区的典型四种红黏土的成因，并指出广西典型的湿热气候、广泛发育的岩溶环境有利于红黏土的形成。

2 红黏土矿物成分及含量研究

矿物是具有一定化学组成的天然化合物，它具有稳定的相界面和结晶习性。矿物成分的不同决定土的不同，红黏土之所以区别于其他土，是因为它具有独特的矿物成分，而矿物成分的含量的不同又会使红黏土表现出不同的工程特性。对于红黏土的基本矿物成分，廖义玲等[9]研究认为，主要包括黏土矿物、游离氧化物及残余碎屑，碎屑矿物主要是石英和少量末风化长石；黏粒含量较多，黏土矿物以高岭石类为主，伊利石含量较少；含一定量的针铁矿和赤铁矿，部分含有三水铝石。红黏土的产地不一样，则矿物成分有细微的差别，但矿物含量的差别可能表现得更大，这些差异将引起工程特性的差异表现，也引发科研工作者的关注。李光耀等[10]研究认为，贵州红黏土组成成分差异较大在于红土化作用程度的不同。吕海波等[11]测得武鸣红黏土的矿物成分及其含量依次为：高岭石(74．0%)、三水铝石(12．53%)、针铁矿(<2 mm,2．22%)、针铁矿(>2 mm,8．37%)；桂林红黏土的矿物成分及其含量依次为:高岭石(56．59%)、三水铝石(11．44%)、针铁矿(15．61%)、石英(12．45%)。蒋文宇博士论文[12]报道了武鸣红黏土和桂林红黏土矿物成分同文献[11]所述，还鉴定柳州、铁北、来良红黏土的矿物成分为高岭石、针铁矿、伊利石、石英等4种矿物，且通过扫描电镜(SEM)与能谱分析(EDS)相结合发现,由于所经历的红土化过程不同,同一种矿物在不同地点的红黏土中的微观形态是有差异的。刘振波等研究表明，云南红黏土矿物组成以高岭石为主，伊俐石、蒙脱石、石英、绿泥石比重不大[13]。

3 红黏土的结构特征研究

红黏土的结构特征将影响红黏土的工程特征，而结构差别来自于土体中矿物成分与含量及土体颗粒形状粒径、形成历史、土体颗粒之间胶结力之间关系的综合结果。

红黏土的结构研究分为微观结构和宏观结构两方面，微观结构的研究成果取决于一定的科技方法和先进的设备和仪器。

红黏土的微观结构特征是由基本单元组合而成，宋 宇[14]归纳前人研究成果总结认为红黏土微结构的基本结构单元可分为两类：一类是占绝对优势的复合多孔性单元，另一类是占少量的由铁质胶结或残余碎屑颗粒组成的刚性单元。无论哪种微观结构，红黏土的颗粒和粒团都是由最小单元聚集而成，这些颗粒和粒团的排列对红黏土的力学性质具有重要影响。此外，红黏土的微观结构不是一成不变的，在一定条件和环境下是可以发生转变的，如在应力的作用下可以改变红黏土的微观结构，红黏土微观结构的变化又将进一步改变红黏土的力学特性。

红黏土的宏观结构特性人眼可见，裂隙发育是红黏土的重要特性，在地表处，红黏土裂隙多呈竖向开口的龟裂状，往下逐渐闭合成网状；裂隙面光滑，有的有擦痕，裂隙壁常有铁锰物质浸染。在天然状态下，红黏土孔隙比大，多处于饱和状态，天然含水量接近塑限，多呈坚硬、硬塑状态。故强度比较高、压缩性比较低。红黏土具有两种特殊性质：一是厚度变化很大，而且因为发育较多的网状裂隙，破坏了土体结构的完整性，促使地下水在土层中活动,降低了土体强度；一般愈往深处土体愈易变软，因此红黏土的结构和强度在水平方向和垂直方向都有很大的不均匀性。红黏土裂隙发展的原因在于红黏土失水收缩，土体水分丧失过程中，表面与内部的不均匀性，导致基质吸力存在差值，具体表现在体表收缩大，而内部收缩小，从而引起的过大拉应力使土体产生张拉主裂缝，裂缝不断延展与加深形成主裂纹网络后次级分叉发展直至最终割裂成各个区块。

学者们对于红黏土裂隙的研究主要关注于红黏土的裂缝长度、宽度、深度、节点个数、分块数、裂隙率、发生原因、影响因素及规律性等[15-17]，研究发现裂缝网络具备良好的统计自相似分形特征，采用分维数可以较好地表征裂隙的复杂性与不规则性。红黏土的裂隙特性大大影响红黏土的工程力学特性，裂隙的形状及尺寸大小将严重影响红黏土的工程力学特征指标，如强度、塑性和弹性及极限承载能力等物理力学性质。

4 红黏土的物理性质研究

红黏土的基本物理性质比一般黏土的性质差，其天然含水率高、孔隙比大、液塑限高，但压缩性小、强度偏高；土体颗粒细小、比表面积大、交换容量低，因土体中形成水膜的封闭作用而透水性弱，因胶结能力较强使土体团聚作用较大，从而崩解性小。

由文献[1-14]分析归纳总结我国红黏土基本物理性能指标统计如表1所示。

表1 红黏土基本物理性质统计表

由于红黏土的取样存在随机性，同时取样时存在扰动性，加之设备仪器的精确度的限制、测试者操作技术和耐心及责任心等限制，所测试的指标数据都具有一定的局限性和误差性。故红黏土的基本物理性质指标的具体数据应该在一个宽泛的范围内，且各个省份各个地方红黏土的基本物理性质表现出一定的差异。

5 红黏土的工程力学性质研究

红黏土的结构等物理性质决定了红黏土的力学性能，且结构性质的影响极大，红黏土因其形成的地质过程使其具有特殊结构性，继而使其虽然具有高天然含水量、高孔隙比、高液塑限等特征，但力学性质却较好。从力学方面划分，红黏土的结构组成包括粒间吸附力、可恢复的氧化物胶结形成的结构和外力影响形成的结构；反之，这也是红黏土的力学表现。

红黏土作为一种工程地基土和工程材料，其工程力学性质指标主要有：①压密度；②击实性；③抗压强度；④抗剪强度；⑤地基承载能力；⑥塑性；⑦弹性；⑧流变特性等。

(1)压密度研究：红黏土的压密度表示红黏土的土体固体颗粒、固体团粒在自身压力和外在压力长期作用下的密实程度，压密度越高的红黏土在普遍情况下其力学性能要比压密度小的红黏土好。一般土体必须达到适当的含水率才能压密，红黏土作为一种特殊的黏土，它失水开裂，遇水泥化，具有水敏性，这一特性让红黏土的工程力学特性变得复杂。压密有人工方法和自然方法。影响红黏土的压密度因素主要有：①土体固体颗粒成分；②含水率；③微型结构形态；④试压方法及过程。人们对于红黏土的压密度研究主要在于红黏土地基的压密、红黏土固结及压密度与强度之间关系等方面。谈云志[18]以厦门至成都高速公路湖南郴州段的红黏土为研究对象,以环境因素作用下红黏土路基的变形特征与防护方法为研究目的,通过室内试验研究了不同压实度红黏土的持水性能、毛细上升、湿热耦合迁移及湿化变形等特征,证实了红黏土的密实度与其渗透性、固结度、收缩性及剪切强度等都有相应关系。红黏土的压密性试验研究结果具有一定的普遍规律，但同时具有一定的随机性，这种随机性表现在不同的红黏土样本和不同的试验方法、设备、措施和时刻等。可见红黏土地基的压密性研究须就地试验研究，而无法直接套用别人的具体研究成果和其他地区红黏土地基相关成果资料。

(2)击实性研究：击实红黏土是在短暂时间内通过击打红黏土土体，施加一个打击能量对土体做功，使土体固体颗粒的空间位置达到较为理想的状态从而达到密实的目的。工程实际中，如地基处理和路基处理等，因为无法长时间地等待土体在自重和其他荷载的作用下慢慢地压实，在此情况下，在一定的范围内采用击打工具和设备将红黏土击打密实。红黏土的击实也属于红黏土的性能改良方法之一，一般用于红黏土公路路基和地基的处理。吴福泉等[19]以击实试验研究了江西省某高速公路施工现场红黏土的击实特性,并采用承载比(CBR)试验和无侧限抗压强度试验研究了其强度特性。试验结果表明：湿法确定的最大干密度偏小、最佳含水率偏大；不同土样的击实特性存在差异；击实功越大，最大干密度越大、最佳含水率越小；含水率、压实度对红黏土强度影响较大，高于最佳含水率3%左右时红黏土强度达到最大值，强度随压实度增大而提高。

(3)力学性质及其影响研究：红黏土作为一种地基土具有一定的力学性质，据相关文献[20-22]得知红黏土承载力较高、压缩性低、抗压强度和抗剪强度较高，但红黏土具有水敏性的特征，含水率要控制在较好的范围内，一旦低于这一范围，红黏土易于开裂，而高于该范围则出现泥化，工程性能骤降，往往表现于因为分布地区和环境的不同，液限越高则工程力学性能越差，具有较大的特异性。红黏土的压缩系数比软土低1至数倍，无侧限抗压强度是软土的数倍，抗剪强度和抗压强度明显高于软土[23]。红黏土在自然和人工环境中存在一个干湿循环而影响其力学性质，这种影响是负面的，将降低红黏土的力学性质。胡大为[24]通过非饱和三轴试验,研究剪切过程中红黏土经历不同干湿循环作用下的强度变化规律和体积变化规律，发现红黏土的破坏形式属于应变硬化，干湿循环降低红黏土的抗剪强度并增大土体体变。在应力的作用下，红黏土的微细结构将发生变化，土体中的水分状态和含水率也将发生改变，从而影响红黏土的力学性能，且这种影响性质和程度与红黏土的特性有密切关系。陈 筠等[25]研究认为红黏土的水敏性和应力路径敏感性都与自身的结构性有密切关系，这种影响主要表现在对黏聚力的影响上。酸碱物质的污染都将对红黏土的力学性能有一定的影响，赵 莎等[26]研究表明，与未被污染红黏土相比,碱污染红黏土的质量、含水率增高,比重降低;碱液浓度相同时,随养护时间的增加呈现出孔隙比先降低后增加、液塑限先增加后降低、压缩系数先减小后增大、压缩模量先增加后减小、抗剪强度先增加后减小的变化规律。黄 伟等[27]研究也表明，受污染红黏土随碱浓度的增加,其比重增大,液限、塑限均增大,抗剪强度减小,压缩系数增大,压缩模量减小。有机物污染也将改变红黏土的微观结构状态及含水状态，在一定程度上将改变红黏土的物理力学性质，刘宝臣等[28]研究表明红黏土的液限、塑限、塑性指数随有机物含量的增多而增长。由于青藏高原也有红黏土的分布，从而冻融循环对红黏土的物理力学性质的影响也成为人们的研究话题，房建宏等[29]研究发现冻融循环作用对红黏土粉粒和黏粒组质量含量影响较大。细菌微生物对红黏土的物理力学性能也有影响，施鹏超等[30]研究发现细菌能提高红黏土的抗剪强度和压缩模量,并呈先增后减趋势；且增加红黏土中粉粒含量，降低黏粒含量。分析原因认为细菌的掺入使红黏土生成了大量胶结物,胶结物填充在土体孔隙中加固土壤颗粒间的连接,使土体结构更为稳定。

6 红黏土应用与性能改良研究

红黏土作为一种材料，广泛用于建筑等土木工程实体材料，此外因具有独特的特性，人们将其加以一定的配方用于仿制宜兴紫砂陶，文献[31]已报道。

红黏土作为建筑与公路及铁路地基承载持力层、边坡土体及其他工程材料，在工程中得到广泛应用，但其物理和力学性能不能满足工程需求，如郭培玺等[32]认为含有红黏土的地基土多具上硬下软的特点，故有必要对其进行改良，这种改良研究是红黏土的研究重点和前沿。人们思考各种办法加固红黏土，如水泥外加粉煤灰加固法[33]。吴 超曾研究提议以收缩开裂宽度、液塑限为指标确定最佳掺砂砾配率来改良高液限红黏土[34]；文献[35]报道过采用红黏土物理力学性能离子土固化剂(ISS)改善法；随着加筋土力学发展，人们意识到可通过添加纤维来抗击和减缓红黏土失水开裂的现象，赵宁雨等[36]研究发现加筋纤维配合比越高，效果越好；石灰对红黏土的强度有加强作用，谈云志等[37]试验验证了这种效果来自于碳化作用；刘宝臣等[38]试验研究发现高效减水剂能明显提高水泥对高塑性有机质红黏土的加固效果；颜椿钊等[39]试验研究发现废弃轮胎橡胶颗粒能改良红黏土的抗剪强度，并分析认为其原因在于增大了红黏土的内摩擦角；白汉民等[44]试验发现纳米石墨粉可显著增强红黏土的抗剪强度，并认为纳米石墨粉改善了红黏土孔隙结构和矿物颗粒黏附胶结能力。

7 思考与展望

红黏土的性能改良是今后研究的重点，其困难在于红黏土的水敏性、热敏性及微观结构的特异性，改良的关键在于控制红黏土的含水率和改善红黏土的微观结构。

对于红黏土，人们热衷于其地方特性的取样分析测试研究，而没能做到普遍性概化性研究，在理论研究方面有待进一步加强。需构建适合于各地红黏土的本构方程，也应整理归纳出适用于各地红黏土的较为宽泛物理力学性能指标数值以供工程实际参考。同时，针对于红黏土的普遍性原理和知识体系应该加强研究和构建。此外，最为重要和紧迫的是红黏土的性能改良研究应该得到大幅度加强。