贵阳不同母岩风化红黏土物理力学性质差异研究

谢延江，王中美，孙乾征，杨洲，付海

(贵州大学 资源与环境工程学院，贵州 贵阳 550025)

0 引 言

贵州红黏土是碳酸盐岩在亚热带湿润气候条件下风化形成的褐红、棕红、棕黄色的黏性土，为高塑性、高含水、高孔隙比、较高强度、中低压缩性的一类特殊土[1-2]。由前人的研究可知[3-7]，母岩和气候是红黏土形成最重要的条件。贵州红黏土形成的母岩主要有石灰岩、白云岩以及两者的过渡岩。近年来，对红黏土的研究已经取得了较多成果。在物质组成方面，刘振波等[8]、李光耀等[9]、吕海波等[10]、龚琰等[11]做了大量试验，测得红黏土中矿物相对含量和化学元素含量，发现红土化作用程度不同，红黏土组成成分呈现较大差异性；物理力学性质方面，沈珠江[12]、谭罗荣等[13]、黄质宏等[14]、余敦猛[15]、刘小文等[16]、史文兵等[17]、张彦召等[18]通过大量试验和理论分析，得出应力路径、含水量均对红黏土的力学特性具有较大影响，并存在一定规律；关于红黏土微观结构研究，廖义玲等[19]采用扫描电镜观察贵阳红黏土微观结构，对其物质组成和微结构特征开展论述，并进行了模型构建和分类；谭罗荣等[20]提出胶结作用模型，母岩经溶蚀交代作用后生成大小不等的片状次生黏土矿物，通过边-面接触形成凝絮结构；周训华等[21]指出，游离氧化铁相互聚集以包膜形态覆于黏土矿物粒团表面，相互间静电引力作用较大；周远忠等[22]提出“集粒”结构模型，认为“集粒”模型相对于“粒团”模型可以更好地解释红黏土特殊的水理性质、力学性质和工程性质。从以上研究可知，前人对红黏土的研究主要集中在某一种母岩风化后的红黏土的物理力学性质方面，没有将不同母岩风化形成的红黏土的物质组成、微观结构、物理力学性质等多方面结合起来进行研究和相关分析。鉴于此，本文以贵阳市两种不同母岩风化形成的红黏土为研究对象，通过野外调查、取样和室内试验，研究两种不同母岩风化后的红黏土在物质组成、物理力学性质和微观结构等方面存在的差异，以期为今后红黏土碱液改性[23]、微生物加固[24]以及新型环保生态的改性加固方法研究和工程建设方面提供参考依据。

1 室内试验

1.1 试样准备

本文以贵阳市百花山某建筑工地内二叠系茅口组质纯的灰岩风化形成的红黏土和贵州大学校区内某建筑边坡的三叠系安顺组一段质纯的白云岩风化形成的红黏土作为研究对象，分别取土样3份。鉴于两取样点间距约20 km，本次研究不同母岩风化红黏土的物理力学性质及微观结构差异，不考虑气候条件和地质作用对贵阳红黏土成土时的影响。图1为灰岩风化形成的红黏土取样剖面，土体呈褐红色，图2为白云岩风化形成的红黏土取样剖面，土体呈棕黄色，两种土样的取样深度均在3～5 m，土质均匀无碎石等杂质，具有一定代表性。

图1 灰岩风化形成的红黏土取样点

图2 白云岩风化形成的红黏土取样点

1.2 试验内容

按照土工试验规程[25]，本文对采集的两种土样分别进行密度、含水率、相对体积质量、液限、塑限测定，并根据相关公式求出孔隙比、饱和度。考虑两种土样的天然含水率(51%，70%)和红黏土天然含水率常见范围(20%～50%)，故对采集的两种土样分别制备含水率为35%，45%，55%，65%的试样，进行无侧限抗压强度(QU)试验和围压为50，100，150，200 kPa的固结不排水剪(CU)试验，并用原状土进行固结压缩试验。同时，对两种土样进行X射线衍射矿物定量(XRD)、X射线荧光光谱化合物定量(XRF)、电子扫描显微镜(SEM)、能谱扫描(EDS)和颗粒分析试验。

2 结果与分析

2.1 物质组成对比

红黏土的粒度成分、矿物成分和化学成分，游离氧化物的类型、含量、存在形式、水的类型和含量等，都将对红黏土的物理力学性质产生重要的影响，不同性质、不同成分的母岩风化形成的红黏土在土质方面有所差异[26]，因此，对不同母岩风化红黏土的差异机理进行研究时，必须重视其物质组成。

2.1.1 土的粒度成分

粒度分析采用NKT5200-H激光粒度仪。通过颗粒的衍射或散射光的空间分布(散射谱)分析颗粒大小，获得准确的测试结果。激光粒度试验结果如图3所示。由图3可知，不同母岩风化红黏土粒径分布存在以下差异：从粒径分布累积曲线看，两种土样的粒度成分差异主要在350～400 μm，但差异不明显；从粒径体积含量概率密度曲线(图3(b))看，白云岩风化红黏土粒径为180 μm时含量最多，且具有明显的峰值特征；灰岩风化红黏土粒径在100～200 μm内含量较多，且灰岩风化红黏土粒径大于250 μm含量明显高于白云岩风化红黏土的。总体而言，不同母岩风化红黏土在粒径体积含量概率密度上有明显差异，尤其在100～200 μm间。

图3 激光粒度仪试验结果曲线

2.1.2 土的矿物成分

黏土矿物直接影响红黏土的物理化学性质和环境质量特征，作为风化成土过程中的新生矿物，其含量、结构和形态等在一定程度上反映出岩溶环境碳酸盐岩风化成土的化学环境和过程。

X射线衍射矿物定量(XRD)是利用X射线通过矿物晶体时所产生的衍射效应来分析矿物结构、种类及相对含量。由X射线衍射矿物定量试验结果(图4)可知，两种红黏土均含有石英、针铁矿、高岭石和伊俐石；两种红黏土的主要差异在于，灰岩风化红黏土含有铁橄榄石矿物，质量分数为12%，不含绿泥石，而白云岩风化红黏土含有绿泥石矿物，质量分数为20.6%，不含铁橄榄石。

图4 两种红黏土矿物相对含量

2.1.3 土的化学成分

为了对红黏土进行化学成分定量分析，对两种土样分别做了两组能谱分析(EDS点扫)和X射线荧光光谱化合物定量测试。EDS是配合扫描电子显微镜与透射电子显微镜使用,对材料微区成分元素种类与含量分析；X射线荧光光谱化合物定量测试是被分析样品在X射线照射下会发出X射线，对发出的X射线荧光进行分析，确定被测样品中各组分含量。试验结果统计见图5和表1。

表1 不同母岩风化红黏土化合物相对含量表

图5 两种红黏土化学元素相对含量

从图5可以看出，白云岩风化红黏土较灰岩风化红黏土中O，Al含量略高，而Si，Fe，Ti含量略低，但元素含量差距不大，值得注意的是，灰岩风化红黏土中Si比Al含量高，而白云岩风化红黏土中恰好相反，Al比Si含量高，由此推测两种红黏土所经历的红土化脱硅富铝过程必定有所差异。

红黏土的化学成分以富含铁铝的氧化物和碱金属为主[20]，游离氧化物的大量存在是红黏土区别于其他土类的重要成分，它对红黏土的工程地质特性具有重大意义[27]。由于母岩不同，红黏土中的硅铝率的数值也有所不同，根据X射线荧光光谱化合物定量测试结果，灰岩风化红黏土的硅铝率为1.92，而白云岩风化红黏土的硅铝率为0.81，白云岩风化红黏土的脱硅富铝程度明显更强。结合Fe2O3与Al2O3质量分数和SiO2质量分数可判别红土化级别[27]，灰岩风化红黏土的Fe2O3与Al2O3质量分数为26.48%，SiO2质量分数为36.51%，白云岩风化红黏土的Fe2O3与Al2O3质量分数为47.46%，SiO2质量分数为14.65%。从Fe2O3与Al2O3质量分数看，白云岩风化红黏土高于灰岩风化红黏土，而白云岩风化红黏土SiO2质量分数远低于灰岩风化红黏土的，说明在同一红土化阶段，白云岩风化红黏土的红土化级别较高，而红土化程度越大，风化作用越强，强度则越低，因此，白云岩风化红黏土力学性质比灰岩风化红黏土的力学性质差。

2.2 微观结构对比

2.2.1 土微观结构类型

土微观结构对工程地质性质有着一定的影响。目前，采用扫描电镜观察红黏土微观结构体的研究较多[19]，扫描电镜是介于投射电镜和光学显微镜之间的一种微观形貌观察手段，可直接利用样品表面材料的物质性能进行微观成像，具有较高的放大倍数，可直接观察各种试样凹凸不平的细微结构。本文采用扫描电镜QUANTA FEG 250对两种红黏土微观结构进行分析。

两种红黏土在扫描电镜下(10 000，20 000，40 000，80 000倍)的SEM图像见图6。

图6 两种红黏土SEM图像

由图6可知，扫描电镜下，两种红黏土的微观形态具有明显差异，虽然两种红黏土试样中都存在大量片状黏土矿物和少部分其他形状分散矿物，但灰岩风化红黏土中片状黏土矿物大多以非定向排列为主，以边-面或边-边接触形成絮凝状集合体，而白云岩风化红黏土中片状黏土矿物则主要以面-面结合形成叠片状集合体，因此，两种红黏土的微观结构类型不同，这也是导致两种红黏土物理力学性质差异的原因之一。

2.2.2 排列方式

通常根据孔隙比的大小来判断红黏土排列的紧密程度，本次研究的两种红黏土孔隙比均大于1.0，判断其结构单元体的排列方式均为“松散排列”。从两种红黏土扫描电镜下80 000倍放大图像，即图7可知，灰岩风化红黏土主要以边-面方式排列，具有一定接触角度，聚合成片架式集合体，而白云岩风化红黏土则主要以面-面方式平行排列，聚合形成叠聚式集合体。

图7 两种红黏土颗粒排列方式

2.2.3 孔隙特征

红黏土孔隙特征是评价红黏土结构的重要指标之一，且直接影响红黏土的力学性质。红黏土的孔隙分布是极其复杂的，通常情况下不易观察，只有借助电子扫描显微镜(SEM)进行观察。本研究观察结果见图8～9。从图8～9可以看出,灰岩风化红黏土主要为架空孔隙、粒间孔隙和粒内孔隙，而白云岩风化红黏土仅有粒间孔隙和粒内孔隙。

图8 灰岩风化红黏土孔隙特征

图9 白云岩风化红黏土孔隙特征

2.3 物理性质指标对比

通过土工试验数据分析可知，两种土样物理性质指标除密度、相对体积质量、孔隙比基本接近外，其他指标皆有明显差异，其中天然含水率、饱和度、液限等差异较大，都是灰岩风化的红黏土大于白云岩风化的红黏土，出现差异的原因是由于其物质组成、结构不同导致，这些差异也必将导致其具有不同的力学性质。两种红黏土基本物理性质指标见表2。

表2 两种红黏土基本物理性质指标

2.4 力学性质对比

土的力学性质是指土在外力作用下所表现出来的性质，主要包括土的压缩性、抗剪性、渗透性。本文只讨论前面两种力学性质。

2.4.1 压缩性

固结压缩试验是用压缩试验仪测试出土样在侧限条件下的变形与时间-压力的关系，结合其他试验指标计算土的压缩系数、压缩模量，确定土压缩性的高低。通过两种土样的压缩试验，求得各级压力pi作用下，土样压缩稳定之后相应的孔隙比与压力关系曲线，即压缩曲线，并计算求出土的压缩系数和压缩模量。表3为两种红黏土压缩试验指标，图10为两种红黏土的压缩曲线。

图10 不同母岩风化红黏土压缩曲线

表3 不同母岩风化红黏土压缩指标

从压缩曲线可以看出，随着压力增大，两种土的孔隙比均减小，灰岩风化红黏土的压缩曲线较白云岩风化红黏土的压缩曲线更缓，说明灰岩风化红黏土的压缩性较小，经计算可得出，灰岩风化红黏土的压缩系数(a1-2)为0.2 MPa-1，白云岩风化红黏土的压缩系数(a1-2)为0.3 MPa-1，两种土均属中压缩性土。

2.4.2 抗剪性

查阅文献可知，含水率不同，严重影响红黏土的抗剪强度，本次共设计了4组不同含水率条件下，两种红黏土在不同围压条件下的CU试验，同时，考虑到两种红黏土均属于饱和黏性土，还设计了4组不同含水率条件下两种红黏土的QU试验。CU试验是土样在垂直压力下排水固结稳定后，迅速施加水平剪力，土样在破坏时来不及排水，又称固结快剪。QU试验是三轴剪切试验的一种特例，试验时，使圆柱型土样在侧向不受限制(径向应力σ3=0)的情况下，施加垂直压力，直至土样被剪坏，试样在无侧向压力压力条件下抵抗轴向压力的极限强度称无侧限抗压强度qu。两组试验所得数据和结果见表4、图11～13。

表4 两种红黏土CU试验不同含水率条件下抗剪强度指标

图11 两种红黏土CU试验内摩擦角与含水率关系曲线

由图11可知，两种红黏土内摩擦角都随含水率的增加而减小[28]，白云岩风化红黏土与灰岩风化红黏土在含水率43%～50%时内摩擦角基本相等，其他含水率范围内灰岩风化红黏土的内摩擦角较大；灰岩风化红黏土的内摩擦角与含水率的关系曲线呈平缓下降型，即其变化幅值随着含水率的增加逐渐减小，而白云岩风化红黏土，其内摩擦角变化幅值在含水率35%～45%和55%～65%时都很小，但在含水率45%～55%时较大。

图12 两种红黏土CU试验黏聚力与含水率关系曲线

在试验含水率范围内，两种红黏土的黏聚力都随着含水率增加而减小，在含水率35%～55%时，白云岩风化红黏土的黏聚力均比灰岩风化红黏土的黏聚力大，且两组红黏土黏聚力随着含水率增加的变化幅度都较小，但在含水率56%左右出现相交，白云岩风化红黏土的黏聚力急速减小，且一直低于灰岩风化红黏土的黏聚力。

表5 两种红黏土QU试验不同含水率条件下抗压强度指标

图13 两种红黏土QU试验抗压强度与含水率关系曲线

由两种红黏土的无侧限抗压强度试验可以得出，灰岩风化红黏土的抗压强度始终略大于白云岩风化红黏土的抗压强度，在含水率为35%和55%时最为明显。

3 差异分析

3.1 物质组成

红黏土是一种富含胶结作用物质的塑性黏土[29]，两种红黏土中主要的化学成分是SiO2、Al2O3和Fe2O3，这也是土体中最主要的胶结物质，其中，灰岩风化红黏土中三种胶结物质总含量占比约62.99%，白云岩风化红黏土中胶结物质含量占比约62.11%。两种土胶结物质总含量接近，但对物理性质起主要作用的是Fe2O3，白云岩风化红黏土Fe2O3的含量明显高于灰岩风化红黏土的，因此两种红黏土物理性质存在差异。据文献[26]可知，Fe2O3、Al2O3含量越高，红土化作用越强，风化作用越强，强度越低，因此白云岩风化红黏土的强度低于灰岩风化红黏土的。

3.2 微观结构

通过扫描电镜不同放大倍数下图像的观察，灰岩风化红黏土的排列比白云岩风化红黏土松散，使含水率更高，饱和度更大，故天然状态下灰岩风化红黏土的压缩性比白云岩风化红黏土低。同时，由于白云岩风化红黏土含有绿泥石(占比20.6%)，而白云岩风化红黏土中的Fe2O3部分是来自于绿泥石，所以其微观结构排列呈典型的叠片状，这是绿泥石矿物的微观表征，绿泥石矿物呈薄片，可弯曲，易折断破坏，力学性质较差；灰岩风化红黏土具有铁橄榄石(质量占比12%)，铁橄榄石矿物质地坚硬，且构成了红黏土颗粒骨架，起到了支撑作用，使力学性质较好。因此，灰岩风化红黏土的力学特性较白云岩风化红黏土的更强一些。

3.3 物理力学性质

从基本土工试验和力学试验结果可知，两种红黏土物理力学性质皆存在差异，物理性质指标中天然含水率、饱和度、液限差异较大，其余指标差异较小；力学性质指标压缩系数、黏聚力、内摩擦角、抗压强度差异较小，主要原因在于两种不同母岩风化红黏土的物质组成、结构类型、孔隙特征、排列方式等不同所致。

综上，笔者认为，不考虑外界影响的情况下，不同母岩风化红黏土的物质组成及其含量既决定了红黏土的微观结构形貌和物理性质，又影响着红黏土的力学性质大小。现有研究通过添加碱液、微生物等方式改变红黏土的微观结构，填充其孔隙，使红黏土的力学性质得到明显的提升即是很好的验证。同时，研究不同母岩风化红黏土的物理力学性质及微观结构差异，可为今后红黏土新型环保生态的改性加固方法研究及工程建设提供参考和指导。

4 结 论

(1)物质组成方面。白云岩风化红黏土粒径为180 μm时体积分数最大，且具有明显的峰值特征，灰岩风化红黏土粒径在100～200 μm内质量分数较大，且灰岩风化红黏土大于250 μm粒径的质量分数明显高于白云岩风化红黏土的；灰岩风化红黏土含有12%的铁橄榄石，不含绿泥石，白云岩风化红黏土含有20.6%的绿泥石，不含铁橄榄石；灰岩风化红黏土的硅铝率为1.92，而白云岩风化红黏土的硅铝率为0.81。组成矿物的类型、粒度成分、含量和性质较大程度上决定了两种土的物理力学性质。

(2)微观结构方面。灰岩风化红黏土具有单元粒团间的絮凝结构和粒团间的边-面接触架空结构，因此灰岩风化红黏土孔隙比大、含水量高；白云岩风化红黏土则具有粒团间的叠聚式集合体和面-面接触的叠片状结构，因此其孔隙比较小、含水量较低。

物理性质差异。两种土样物理性质指标除密度、相对体积质量、孔隙比基本接近外，其他指标皆有明显差异，其中天然含水率、饱和度、液限等差异较大，且都是灰岩风化红黏土大于白云岩风化灰岩风化红黏土的。

(3)力学性质差异。灰岩风化红黏土的抗压强度大于白云岩风化红黏土的，压缩性小于白云岩风化红黏土的，两种土均属中压缩性土；灰岩风化红黏土的抗剪强度大于白云岩风化红黏土的，且在含水率为35%和55%时最为明显。