贵州红粘土塑性图分布特性及机理分析*

2022-01-11伍廷亮张贝贝

贵州科学 2021年6期

关键词：粉粒液限粘土

唐薇，伍廷亮，邵元，张贝贝

(贵阳学院，贵州贵阳 550005)

红粘土在贵州省内广泛分布，发育完好，是与工程建设关系最为密切的土类。在规范中塑性图是对土分类的一种方法，同时塑性图对粘性土的水理性质也有指向作用。研究贵州红粘土的塑性图位置特征更能帮助理解它的特殊性，具有实际意义。

1 塑性图

在直角坐标系中，以土的液限值ωL作为横坐标，以土的塑性指数Ip作为纵坐标，在这个坐标体系中，通过液限和塑性指数的关系对粘性土分类定名，同时根据粘性土在图中的不同位置认识分析和判断它的特殊水理性质[1]。

规范中，在塑性图中根据液限的大小可将粘性土划分为低液限土(L)、中液限土(M)和高液限土(H)，再根据液限所对应的塑性指数将粘性土划分为粘质土(C)和粉质土(M)。这样在塑性图的区域内有六个部分，分别是低液限粉质土(ML)、中液限粉质土(MM)、高液限粉质土(MH)、低液限粘质土(CL)、中液限粘质土(CM)、高液限粘质土(CH)。其中液限是通过B线和C线来划分的，塑性指数是以A线来划分的，如图1，它们的线性方程是：

图1 塑性图Fig.1 Plastic diagram

A线的线性方程：Ip=0.62×(ωL-20)

B线的线性方程：ωL=40%

C线的线性方程：ωL=28%

贵州红粘土是广泛分布的工程土类，经过长时间的工程实践发现，贵州红粘土属于高液限粘质土，它在塑性图上的位置理论上应落在CH区域[2]。但笔者利用大量的红粘土相关数据，发现红粘土在塑性图上的位置与理论分析有所出入，不全落在CH区，因此分析红粘土在塑性图上的位置是很有必要的。

2 贵州红粘土塑性图特征

2.1 数据来源

笔者通过大量数据统计和分析发现，贵州红粘土在塑性图上的分布有自己的特点。针对研究内容，收集贵州省内六个城市红粘土水理性质数据进行统计，在前期研究基础上，用SPSS分析软件排除奇异点，选取分布在六盘水、毕节、安顺、遵义、贵阳、黔南、铜仁七个地区的红粘土进行分析，共计1399组数据，其中六盘水地区114组，毕节地区129组，安顺地区151组，遵义地区94组，贵阳地区734组，黔南地区86组，铜仁地区91组。它们的水理性质均值如表1。

表1 贵州红粘土含水性数据Tab.1 Water content data of Guizhou red clay

2.2 贵州红粘土塑性图特征

根据贵州省1399组数据和土工试验规程以及土质分类的塑性图标准，为更准确地分析红粘土塑性图分布特点，对ωL>40%高液限区增加分析区域，分别增加液限值为40%≤ωL<70%、70%≤ωL<85%、85%≤ωL<100%、ωL≥100%四个区域进行研究，绘制出贵州省红粘土在塑性图上的位置(以稠度状态为画板)，如图2。

图2 贵州红粘土散点塑性图(以稠度状态为画板)Fig.2 Scatter plasticity diagram of Guizhou red clay(consistency as draw board)

从图2分析出：

特征一：统计的1399组数据塑性图中，散点绝大多数落在了B线的右侧，只有10组数据的液限值小于40%，仅占了0.715%，故贵州红粘土的液限一般大于40%，是高液限土。散点在塑性图上的位置密集在高液限区的A线附近，其分布带与A线的展布方向一致。

特征二：从图中变化情况可以看出，随着液限值的增加，土样中坚硬状态的比例逐渐增加，硬塑状态的比例逐渐增加，而可塑状态和软塑状态的比例是逐渐减小的，但同时土样的天然含水率是增加的。如表2，液限在40%～70%的范围内，坚硬态的占1.58%，硬塑态占31.12%，可塑态占56.56%，软塑态的占9.95%，红粘土主要以可塑状态为主，天然含水率平均值是44.44%；液限值为70%～85%的范围内，坚硬态占1.12%，硬塑态的比例是48.66%，可塑态的比例是48.88%，软塑态占1.34%，红粘土硬塑和可塑状态比例相当，天然含水率平均值是53.91%；液限值为85%～100%的这部分土样中，坚硬状态占4.72%，硬塑状态占了68.24%，可塑状态占了26.73%，软塑态仅占0.31%，红粘土主要以硬塑状态为主，天然含水率平均值是61.43%；液限值大于100%的范围内时，主要以硬塑和坚硬状态为主，天然含水率平均值是65.71%。

特征三：贵州红粘土是一种典型的高塑性、高液限粘土，粘粒含量一般在55%～70%，按照划分理论应该在A线的上方，但是在展布过程中，随着液限值的增大，散点的分布从A线的上方逐渐过度到A线下方，表明既有粉土的性质，也有粘土的性质，土性并不单一。如表2。

表2 不同液限范围稠度状态比例表Tab.2 Consistency state proportion table of differentliquid limit range

2.3 贵州红粘土稠度状态及含水性

以往的研究认为，土呈现出的软硬程度与含水量有密切的关系，含水越大，稠度越软，含水越小，稠度越硬[4-5]。而贵州红粘土的稠度状态比较特殊，在工程应用上，通过大量工程实践统计发现，用含水比aw(天然含水率和液限含水率的比值)来划分贵州红粘土的稠度状态更符合实际情况，更能表明贵州红粘土在自然状态下的稠度情况。说明红粘土不仅仅从含水率来判断它的状态，需要重视液限值对它的影响，于是，绘制出塑性图中天然含水率的变化情况如图3。与塑性图中稠度状态的变化情况做对比分析。

图3 贵州红粘土散点塑性图(以天然含水率为画板)Fig.3 Scatter plasticity diagram of Guizhou red clay(natural moisture content as draw board)

从图3中看出，在贵州红粘土的塑性图(以天然含水率为画板)中，液限值大的土样塑性指数高，同时它的天然含水率也高。将图2和图3对比来看，在塑性图中，液限值高的土体，天然含水率高，但是却表现出坚硬硬塑的稠度状态，而液限值低的土体，天然含水率低，较多表现出可塑、软塑的稠度状态，尤其是在液限值大于100%的范围内这种现象最为明显，土样有较高的天然含水率，表现出坚硬硬塑的状态。这一点与常规认为的，含水率越高其稠度状态越软的观点相背。印证红粘土的稠度状态不单单是从其含水率来认识，液限值的大小对其稠度状态的影响是明显存在的，且其影响程度比含水率大。

3 指标相关性分析和实验

3.1 液限与塑性指数的相关性

红粘土的液限和塑性指数的值直接决定他们在塑性图上的位置，因此有必要研究它们两者的关系。

塑性指数IP是计算指标，IP=ωL-ωP，通过SPSS统计软件分析它们的相关性，发现，塑性指数与液限为正相关关系，相关系数为0.839，而与塑限的相关系数为0.505。说明红粘土的塑性指数与液限的相关关系更强。通过回归验算，液限与塑性指数的关系曲线是：

当自变量为液限时：

(1)

通过公式(1)，液限的变化可以控制塑性指数的变化，塑性指数的变化也可以说明液限值的变化，因此影响液限值的因素也会影响到塑性指数，这种关系的存在说明红粘土的水理性质间的相互影响关系，也是贵州红粘土塑性图散点展布方向与A线一致的原因(特征一)。

与此同时由于塑限含水率wP表示从塑态转变为坚硬状态时的含水率，在该状态下土中主要是以强结合水为主，其密度比普通水密度大得多，那么与相同体积一般粘性土相比，wP的值会偏大。同理，液限含水率wL表示为从塑态转变为流态时的含水率，在该状态下，土中水虽然含有少部分结合水，但主要还是以自由水为主，与相同体积一般粘性土相比，wL的值相差不大。因为这个原因，使得塑性指数IP=wL-wP与一般土相比会偏小(这也是塑性图上红粘土位于A线下方的原因之一)。

3.2 液限与天然含水率的相关性

天然含水率和液限值是土的含水性指标，且都是实测指标，液限值的大小由红粘土的物质成分决定，天然含水率的大小和含水条件有关。通过SPSS软件分析出的相关系数是0.814，属于正强相关的两个指标。根据曲线估计，它们的拟合方程是：

以液限为自变量，含水率与液限成对数关系。

(2)

式中，液限值的单位是%，天然含水率的单位是%。

公式(2)表明在相同含水环境条件下，液限值高的土它的天然含水率就高。说明液限增高，土中的物质成分有一定的变化，含有更多的粘土成分或亲水成分，有更强的吸引水分子的能力，表现出较高的天然含水率，因此红粘土的天然含水率会随着液限值的不同而发生变化，并且成正相关关系。但这个规律反过来就不成立了，在天然含水率一定的条件下，由于含水环境的差异和本身物质成分的差异，液限值也是有差异的。根据含水比的公式，即使红粘土有较高的含水率，但是其液限值变化范围大，液限值大，同样可使得计算得到的含水比值小，表现出坚硬硬塑状态，因而在塑性图上表现出随着液限的增大，软塑和可塑态的土减少，而硬塑和坚硬态的土增多(特征二)。这一点是贵州红粘土的特殊物质组成决定的。

3.3 粒度实验

贵州红粘土的塑性图中，红粘土在天然情况下有表现出粉土的性质，因此需要分析它们的粒度成分。红粘土中粘粒含量较高，石英等原生矿物含量就越少，红粘土的粒度成分分析采用化学分散的方法测定。但是在自然情况下，没有天然分散剂使红粘土分散，表现出高粘土的性质，于是设计了一组对比试验。

红粘土固体颗粒很细很均匀，在做粒度分析实验时，规范规定加入4%浓度的六偏磷酸钠10 mL作为分散剂，但在实验中发现对于贵州红粘土来说，需要加至20 mL才能得到稳定的悬液，与之前廖义玲教授的关于粒度的分析实验一致。另一组试样不加分散剂测它的粒度成分，发现悬液中颗粒仍以集合体的粉粒形式存在。结果如表3。

表3 贵州红粘土粒度成分分析结果Tab.3 Results of particle size composition analysis of Guizhou red clay

表3中，红粘土的实际粘粒含量(加分散剂)多在50%以上，属于重粘土，以<2 μm的细粘粒为主，其余多为粉粒和砂粒，大颗粒含量非常少。然而天然状态下(不加分散剂)红粘土不呈分散状态，红粘土的砂粒组含量在23%～36%，粉粒组含量为62%～74%，粘粒组含量非常少。

在不加分散剂的情况下，受土粒间连结的影响，测定的是没有破坏土粒间连结的情况下的粒径大小，红粘土形成粉粒大小的集合体，按照粒组分类标准，在这种情况下红粘土属于粉土，出现“假粉粒”特点。这种“假粉粒”代表红粘土中固体矿物颗粒胶结后粒团的大小，反映的是固相团粒的基本尺寸，这也是自然状态下的主要表现形式。随着液限值的增加，红粘土粘粒含量也增加，在自然状况下，“假粉粒”现象越突出，在塑性图上表现出散点分布从A线上方逐渐变化到A线下方的原因(特征三)。

4 原因分析

红粘土的成土过程中，红土化作用程度直接影响红粘土的特殊物质组成[3]。红土化作用越强烈，生成红粘土中的粘土矿物有更多的亲水矿物成分和氧化物的胶结连结成分，能够吸收更多的水分子，从而有更高的液限值[6-7]。因此在自然状态下，液限值高的土体比液限值低的土体有更强的吸附水分子的能力，故而其天然含水率较高。因而液限值可以间接分析红粘土的红土化作用程度。同时由于液限值对稠度状态有更强的控制作用，导致红粘土液限值越高，天然含水率也越高，但却表现出更坚硬的状态。天然情况下，红土化作用越强烈，粘土矿物成分更多，颗粒间相互作用越强烈，表现出的“假粉粒”现象越突出，因此液限值越高的土在塑性图上表现出更多的出现在A线下方。红粘土在塑性图上的特殊分布是它的特殊红土化作用程度和特殊物质成分所决定的。