土骨架的新概念与红粘土的结构

2020-11-05蒙理明

建材世界 2020年5期

蒙理明，张凤

(海南科技职业大学，海口 571126)

我国学者一直在探讨红土的结构。如1985年，高国瑞[1]系统地分析了我国各类红土的物理力学性质,物质成分和微结构特征。1987年，薛守义[2]等研究认为，物理性指标不好，但力学性指标较好，这就是所谓的红土“异常现象”。2002年，李景阳[3]等做了碳酸盐岩残积红粘土微观结构的扫描电镜研究。2013年，卓丽春[4]等做了网纹红土微观结构特征的分形研究。

笔者在2013年，提出了“有效应力是土体中提供抗剪强度的点的集合所对应的应力[5]”的新概念；2016年，李广信[6]提出了土骨架的新概念。2017年，笔者用土力学的新概念改善和细化了土骨架理论[7]：“土骨架的3要素有：土颗粒，包括其结合水；接触(点或面)；联接(收缩膜，公共结合水膜)”。笔者还用土骨架的新概念分析了土的动力特性[8]、黄土的微结构[9]、膨胀土的结构[10]。

高国瑞[1]在1985年，把我国红土分为三类。指出红土颗粒有碎屑矿物、集粒、絮状体、迭聚体4种。还指出：红土颗粒之间的连接可分为粘土胶结和胶体氧化物胶结两类。

1994年，廖义玲等[11]提出了红粘土的微结构模型。指出红粘土的微结构单元是片状粘土矿物组成的粒团，是多孔的和饱水的，粒团内部有静电引力、范德华力和游离氧化物(铁)胶结连结产生的牢固的、水稳性的连结。所述红粘土微结构单元之间是由多水的微晶态或非晶态的游离氧化物和粘土物质等复杂物质组成的链式连结,是半刚性或非刚性的，这种红粘土具有一定的膨胀性和明显的收缩性。这与主要由固化的游离氧化物“包膜”形成凝块状微结构的其它红粘土的微结构单元连结特征有本质的区别。后者是刚性的，刚性结构连结的红粘土没有明显胀缩性。

关于宏观结构，2005年，刘振波等[12]指出，从地表至基岩面，红粘土具有典型的“上硬下软”特征。表现为坚硬-硬塑-可塑-软塑-流塑状态。2014年，何荷等[13]指出，红粘土具有“吸水软化，失水开裂”的水敏性及裂隙性特征，受降水蒸发等气候影响强烈。裂隙埋深小于1 m 时对边坡稳定性影响不明显，而裂隙埋深达到2 m 以上时影响十分显著。

1 再论广义结合水膜

(1)

可以这样定义，土中粘粒(包括胶粒)之间，由化学键(离子键及共价键)、氢键、分子键形成的联接统称为广义结合水膜，不包括收缩膜。

2 用土骨架的新概念论述红粘土的微结构

2.1 红粘土的微结构单元

在文献[10]中，将膨胀土中主要由粘土矿物组成的叠片(粘土畴)、叠聚体、聚集体、复合体统称为粘聚体。红土中的絮状体、迭聚体也可以称为(铁胶)粘聚体。粘聚体可以按其胀缩性和胶结性能进行区别。

红粘土中的游离氧化铁有胶态(羟铁矿)、微晶态(针铁矿)、晶态(赤铁矿)[10]，其与粘土矿物颗粒之间是化学键联接(在红土化[14]初期在强烈水热作用下形成)，胶结和水稳性强；同类之间主要是双电层结合水膜联接，胶结和水稳性相对要差；游离氧化铁的颗粒越大，越容易封堵粘聚体的微、小孔隙[10]；而颗粒大小由胶态、微晶态、晶态从小到大排列，所以，其对粘聚体的胶结和水稳性也从小到大排列。

下面，用土骨架的新概念描述红粘土的微结构单元，有碎屑矿物、外包颗粒、絮状体、迭聚体4种：单个碎屑颗粒，即单个土颗粒(砂粒或粉粒)。外包碎屑颗粒，由单个碎屑颗粒和外包皮组成，外包皮是子土骨架；外包皮与碎屑颗粒之间，还可能有收缩膜联接。絮状体和迭聚体都是由粘土矿物靠游离氧化铁胶结而成。当含水量大于塑限，且微结构单元处于非饱和状态时，土颗粒之间可能还有收缩膜联接。

2.2 红粘土的微结构单元之间的连接

红粘土的微结构单元之间的连接有半刚性或刚性的链状连结，有粘土胶结或胶体氧化物胶结两类，也是子土骨架。从“链状连结”中取出两个粘土矿物颗粒及周围结构如图1所示。在红土化[14]初期，粘土矿物颗粒间有细小的胶态氧化铁(羟铁矿)，它们(带正电)与粘土矿物颗粒(带负电)间是化学键联接(强联接)，同类之间是水膜联接(较弱的分子键，最不利位置)。见图2，接着在干热条件和土自重压力下，两粘土矿物颗粒间距压缩，同时羟铁矿结晶为较大的微晶态的针铁矿；它们与粘土矿物颗粒的化学键联接加长，同类之间的竖向和水平向的水膜联接减少。见图3，再过一段干热的时期，间距继续压缩，针铁矿继续结晶为更大的晶态的赤铁矿；化学键联接更长，竖向的水膜联接减少，并且不少水平向的水膜消失，不少粘土矿物颗粒和赤铁矿竖向成为只有化学键联接的整体。由于化学键比水膜联接(分子键，最不利位置)的强度和水稳性大得多。所以，按水膜、羟铁矿、针铁矿、赤铁矿排列，粘土矿物颗粒之间的联接为：微胶结、弱胶结、中胶结、强胶结。另外，两粘土矿物之间的间距，其间的游离氧化铁含量也是须综合考虑的因素。细长且胶结差的链状连结为柔性或半刚性，而粗短且胶结好的链状连结为刚性。

3 红粘土的大气张力有效应力与抗剪强度

图4是按红粘土微结构模拟的滑坡示意图。由“链状连结”连接“微结构单元”形成理想的红粘土的结构之一。文献[10]指出，“设想土力学研究，第一层次为以微结构单元为基本单元的体系(总土体)”。图4所示，就是微结构单元-链状连结-相关的大孔隙(包括其间结合水、收缩膜、自由水、孔隙气)组成的总土体；阶梯型滑坡是一种常见的自然灾害。下面，用参条分法[5]计算其大气张力有效应力与水平方向的抗剪强度。见图4，简化的微结构单元为球形，链状连结为柱形。沿竖向取一水平长度为Ax的土条，其链状连结的水平直径为A0x；沿水平向取一竖向长度为Az的土条，其链状连结的竖向直径为A0z。由式(1)得

左边是接触、结合水膜(联接)、收缩膜(联接)提供的有效应力，令

(2)

总有效应力

(3)

在z方向加下标，注意到σz=Pa+q+∑rjhj。

由式(3)得z方向的有效应力

(4)

式中，∑rjhj为计算点i以上土的自重应力。在x方向加下标，由式(3)得x方向的有效应力

(5)

式(4)、式(5)中的Buz、Xz与A0x、Ax有关，Bux、Xx与A0z、Az有关，还与链状连结及大孔隙的微结构有关，还没有精确的计算方法。可由土工试验结果计算[16]，或参考电镜扫描结果。下面求水平方向的抗剪强度。

首先是z向链状连结的接触与联接的贡献。由式(2)加下标z和式(4)得

(6)

其次是x向链状连结的接触与联接的贡献。该连结在x方向是纵向拉伸，在接触最少的最不利位置破坏，内摩擦角α很小。膜的真粘聚力和膜捆绑土粒在接触处产生的摩擦力之和为

所以

τx=τx1+τx2=(q+∑rihi)tanφ+cx1+cx2+

令初始抗剪强度[17]

(7)

则

τx=C+(q+∑rihi)tanφ

(8)

式(8)为i点土的水平方向的抗剪强度。

注意，真粘聚力指膜联接直接以拉力形式提供的抗剪强度贡献。

4 天然红粘土骨架的特性

4.1 天然红粘土骨架的模式

天然红粘土骨架可以按微结构单元+链状连结+大孔隙的总土体模式进行分析。其中，微结构单元是水稳性、刚性和基本饱和的(主要装结合水)，大孔隙是自由水进出的主要通道，链状连结有柔性、半刚性、刚性。

4.2 “上硬下软”的天然红粘土骨架

前面说到，红粘土具有典型的“上硬下软”特征。2016年，王跃飞等[18]指出，湖南残积红粘土具有明显的垂直分带性。其上带(厚约3 m)工程特性与一般粘性土相似; 中带具典型的红粘土特征(坚硬-硬塑); 下带为红粘土(可塑-软塑)靠近基岩。一般认为，液限时土中水除了结合水外，已有相当数量的自由水；塑限时土中水几乎仅有强结合水，无收缩膜；弱结合水能缓慢流动，因此与孔隙气接触处会有收缩膜。图5为一般天然土坡的示意图，结合上述的湖南残积红粘土[18](由碳酸盐类岩石风化残积坡积所形成)进行讨论。从上到下，上带为非饱和土的悬挂毛细水层，其厚度约3 m，在大气影响深度带的范围；含水率平均值30.9%，饱和度平均值85.1%；褐黄色，说明游离氧化铁含量较小；液限49.7%，塑限指数21.4，为次生红粘土[19],是经坡、洪积再搬运后，液限大于或等于45%但小于50%的红粘土；由于水流搬运和大气影响，“除铁”，颜色变黄。还除去部分细分散颗粒(粘粒)，无胀缩性；其物理力学特性与一般粘性土相似，主要是水膜联接，还存在收缩膜联接。中带为非饱和土的中间带，含水率平均值30.8%，饱和度平均值91.4%；褐红色，为红粘土；坚硬-硬塑，液限53.3%～62.3%，塑限指数22.7～32.4，为高液限土(液限大于50%，塑性指数大于26)；弱膨胀性和中强收缩性；其微结构为图4的形态，最不利位置在链状连结处；其统计的针铁矿含量占总矿物含量的平均百分比为8.5%，赤铁矿4.3%，三水铝石为6.2%，即在干热条件下，氧化铁浓缩、脱水、陈化转变为微晶态或晶态，其主要是针铁矿、赤铁矿强胶结的强广义结合水膜联接，粘粒之间没有收缩膜联接，但下部靠近支持毛细水带处为可塑，弱结合水膜与孔隙气接触处有收缩膜。下段褐红色红粘土软弱造成取样较困难；包括毛细网状水带、毛细饱和水带和饱和水带，再往下是基岩，微结构也是图4的形态；毛细网状水带为软塑，除了支持毛细水，还有角部毛细水[20]，有收缩膜。再往下为流塑，饱和，没有收缩膜。

4.3 天然红粘土骨架与含水量

图6是天然红粘土骨架在不同含水量下的存在状态示意图。从图4取出红粘土骨架的一个单元，由微结构单元(粘聚体)和链状连结组成。很显然，红粘土在不同含水量下的状态研究属于前述第一层次的研究。另外，应该注意的是，红粘土中粘粒含量多，结合水多，由于在土工试验时用的是自由水重量，造成实际饱和度和土工试验的饱和度相差较大[21]。例如文献[16]实例中，红粘土的计算实际饱和度小于土工试验饱和度：硬塑的红粘土1,为68.6%和95%；可塑的红粘土2,为76.5%和99%；软塑的红粘土3,为80.8%和100%。下面进行讨论:注意粘聚体的保水性。见图6(a),对应图5的饱和水带和毛细饱和水带；由链状连结、粘聚体、结合水膜形成土骨架，其他孔隙部分充满自由水，只有这部分自由水进行渗流，所以红粘土的渗透性很弱；土体与链状连结为流塑，而粘聚体内部为软塑。见图6(b),对应图5的毛细网状水带，由链状连结、粘聚体、结合水膜、收缩膜形成土骨架，其他孔隙部分有支持毛细水(未画出)、角部毛细水、孔隙气；土体与链状连结为软塑，而粘聚体内部为可塑。见图6(c),对应图5的中间带的底部，由链状连结、粘聚体、结合水膜、还有弱结合水膜角部的收缩膜形成土骨架，到塑限时只有强结合水膜，其他孔隙部分仅有孔隙气；土体和链状连结为可塑或硬塑，粘聚体也为可塑或硬塑。见图6(d),对应图5的中间带，由链状连结、粘聚体、强结合水膜形成土骨架，其他孔隙部分仅有孔隙气；由于干燥，强结合水膜不断减少，但一般到缩限不再变化；土体与链状连结为坚硬，粘聚体为硬塑。见图6(e),对应图5的中间带的干旱灾害的情况，由链状连结、粘聚体形成土骨架，其他孔隙部分仅有孔隙气；由于干旱，土体缩限后依然不断失去水分，使土骨架表面连强结合水膜也全部丧失，并延伸至内部，造成链状连结开裂甚至断开，粘聚体表面开裂(内部有一定水分)；土体开裂或出现坍塌。

5 改良红粘土的土骨架

5.1 路基压实红粘土的土骨架

图7是一种理想的路基压实红粘土的土骨架模式。对照图6，经过压实，链状连结被压碎，孔隙气排出，粘聚体重新紧密排列，形成粘聚体之间填充(铁胶)粘土的新结构。与外包粘粒皮颗粒群骨架[9]相似，图6、图7可以统称为粘聚体群骨架，动力作用时群体运动。图7的土骨架，可以按粘聚体+(铁胶)粘土+大孔隙的总土体模式进行分析。其中，粘聚体是水稳性、刚性和基本饱和的(主要装结合水)，大孔隙是自由水进出的主要通道，主要存在于(铁胶)粘土中；(铁胶)粘土与粘聚体之间有结合水膜联接，或还有收缩膜联接，形成运动整体。由含水量决定的(铁胶)粘土的状态，是红粘土压实的主要因素。

尹利华等[22]提出了云南红粘土路基填筑碾压含水率、松铺厚度、碾压遍数等施工参数和施工工艺。由文中提供的塑限、塑限指数和填筑含水率计算，得到填筑土的液限指数在-0.2～-0.125之间，为坚硬状态。参图6(d)和图7，经过静压1遍，弱振1遍，强振6遍，土体压实度可以达到91%，CBR(加州承载比，评定路基土和路面材料强度的指标)满足规范要求，还获得较好的水稳性。

陈学军等[23]通过湿法击实制备最佳含水率下的桂林红粘土试样，进行试验，发现红粘土渗透系数在压实度<94%时渗透系数减小速率很快(作用阶段)，在压实度>94%之后减小速率明显变缓，并且随压实度的进一步提高，渗透系数降低程度趋于平稳(稳定阶段)；红粘土的抗剪强度指标，随着压实度增高，粘聚力呈指数函数关系增大，内摩擦角呈二次函数关系先增大后减小；综合分析建议路基施工中应控制压实度在94%以上。由文中提供的参数计算可得最佳含水量时的液性指数在-0.142～-0.236之间，为坚硬状态。压实度<94%时，由于自由水孔隙比[25]不断变小，渗透系数减小速率很快，压实度>94%后，自由水孔隙比=0，即(铁胶)粘土中的孔隙已经小到仅能容纳结合水，仅有少量的自由水蠕动，渗透系数降低程度趋于平稳，并且几乎为零(5.05×10-9cm/s)。其采用的室内不排水不固结的三轴剪切试验是不加水的试验。压实度越大，(铁胶)粘土填充结构越紧密，孔隙愈小，强结合水接触的面积越大，综合这些因素，得到式(7)的初始抗剪强度C越大，注意C(包含真粘聚力、膜捆绑土颗粒和水气不抵大气压强自重应力提供的抗剪强度贡献)就是经典土力学中的粘聚力。内摩擦角φ取决于土颗粒的接触。压实度<94%时，(铁胶)粘土颗粒接触越紧密，内摩擦角越大；压实度>94%时，越来越多的(铁胶)粘土的细颗粒碎裂成单个粘土矿物或更小的游离氧化铁及其他颗粒(也可以说是再粘土化)，接触变细，粘聚力增加，内摩擦角却减少。

综上所述，参文献[22]，路基压实红粘土，可以取填筑含水率稍大于湿法击实的最佳含水率(填筑土为坚硬状态),节约晾晒成本和获得较好的水稳性；通过静压、弱振、强振，使链状连结碎裂、孔隙气排出，形成(铁胶)粘土填充结构后，再进一步密实；在满足CBR等各项规范要求，即保证质量的前提下，可以适当地降低压实度，降低施工难度和得到较好的经济效益。

5.2 强夯作用下的土骨架

李庆宏[24]通过用3 000 kN·m冲击能夯击原状红粘土(硬塑至坚硬),以控制沉降试验表明:无论是在沉降量控制、压缩模量控制、沉降差异控制,还是影响效果的深度都能满足设计要求,并取得很好效果。曲兆军[25]等，以新建昆明国际机场红粘土地基为依托,研究了红粘土在强夯作用下的压实特性。试验研究结果表明:红粘土强夯压实效果并非随夯击次数的增加而增强,夯击到一定次数时,坑底土体(软塑)变成 “橡皮土”,产生较大的侧向移动。

强夯对原状红粘土的夯实作用可以探讨如下：粘聚体在夯实过程中基本是稳定的。见图6(a)，流塑，链状连结歪斜(不一定碎裂)，自由水流动，形成橡皮土；见图6(b),软塑，链状连结碎裂为(铁胶)粘土充填，继续压实，原有自由水加上部分弱结合水受挤压形成的自由水流动，也会形成橡皮土；见图6(c)，首先是可塑，链状连结碎裂为(铁胶)粘土充填，继续压实，部分弱结合水受挤压形成少量不连续的自由水蠕动，没有橡皮土现象，但夯实效果不好；其次是硬塑，很薄的弱结合水在土颗粒的强吸引力范围之内，基本不会受挤压形成自由水，(铁胶)粘土继续被压碎胶结压实；见图6(d)，坚硬，比硬塑更容易压实；见图6(e)，干土，仅在严重干旱时表层有此种土，没有结合水(胶)，类似干砂但比其颗粒细，可以夯实但受孔隙气干扰极不稳定。

5.3 水泥加固红粘土的土骨架

龚子龙[26]等，通过对不同水泥掺量和不同龄期的红粘土进行无侧限抗压强度试验和扫描电子显微镜(SEM)试验，分析了水泥对红粘土强度及微观结构的影响。结果表明：加入水泥后红粘土表面生成细微的颗粒和针状物，这些颗粒和针状物填充、连结、胶结土体，形成了水泥石骨架，提高了水泥土的强度。并且当水泥掺入量小于20%时，水泥土的强度会随龄期的增长不断提高。当水泥掺入量大于20%时，强度提高不大。很显然，水泥石主要填充大孔隙、胶结链状连结及粘聚体的表面，其他再增加水泥意义不大。

同理，水泥注浆法[27]可以用于天然红粘土的加固。如屈昌华[28]介绍了压力水泥灌浆法在贵阳某玻璃厂熔制车间红粘土(硬塑)地基中的应用。王彤标[29]进行了灌浆法处理软塑红粘土的可行性探讨。

另一种可以用于水泥加固红粘土的方法是高压旋喷桩[27]法，旋转的高压水泥浆使红粘土的粘聚体及链状连结裂解成单个土颗粒，水泥用量多，形成水泥石包裹单个土颗粒的土骨架，固结后强度高。但由于破坏了红粘土的原有结构，在水泥土液态的时候，几乎没有强度，必须考虑施工时的不利工况，尤其是既有建筑地基基础加固要慎重。

前面昆明国际机场红粘土地基的强夯工程，可以先用水泥注浆法或高压旋喷法加固坑底的土体(软塑)，再强夯。但强夯必须在水泥土固结后。