典型紅粘土與膨脹土的對(duì)比試驗(yàn)研究

1、典型紅粘土與膨脹土的對(duì)比試驗(yàn)研究摘要 通過室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)廣西貴港紅粘土、湖北荊門弱膨脹土與中膨脹土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)、原狀樣脫濕過程中的強(qiáng)度變化、擊實(shí)樣泡水前后強(qiáng)度變化以及脫濕吸濕性能等方面進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：3 種土原狀樣脫濕過程中的強(qiáng)度指標(biāo)在土體裂隙性與基質(zhì)吸力雙重因素的作用下表現(xiàn)出完全不同的變化規(guī)律；由于紅粘土與膨脹土膨脹性能上的差異，不同含水量的擊實(shí)樣泡水后的干密度峰值與加州承載比(CBR)峰值所對(duì)應(yīng)的原擊實(shí)樣含水量比最優(yōu)含水量有不同程度的增大；土體因礦物成分的差異而表現(xiàn)出明顯不同的脫濕、吸濕速率。廣西貴港紅粘土與荊門膨脹土雖然在一些物理力學(xué)指標(biāo)上具有相似之處，但其力學(xué)特性與水敏

2、性特征具有明顯的差異，在實(shí)際工程中應(yīng)給予充分重視。關(guān)鍵詞 土力學(xué)，紅粘土，膨脹土，強(qiáng)度，裂隙性，脹縮性1 引 言 紅粘土在物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)、礦物成分與工程力學(xué)特性等多方面與膨脹土有相似之處，對(duì)于這兩類特殊土關(guān)系問題的研究，至今尚未形成統(tǒng)一的觀點(diǎn)。目前，紅粘土在一些地區(qū)被完全按照膨脹土處理，而在另一些地區(qū)則被單獨(dú)研究1。 我國(guó)南方廣泛分布的紅粘土風(fēng)化殼主要是由于第四紀(jì)季風(fēng)環(huán)流形成以來(lái)，在熱帶-亞熱帶高溫濕條件下經(jīng)歷了復(fù)雜的紅土化過程而形成的，具有獨(dú)特的游離氧化鐵的膠結(jié)結(jié)構(gòu)；而膨脹土則是一類具有明顯吸水膨脹失水收縮的特殊土。以往對(duì)于紅粘土與膨脹土的比較研究主要集中在歷史成因、礦物組成與脹縮性能等方

3、面。從礦物學(xué)角度講，膨脹土一般含有較多的諸如蒙脫石的親水礦物，而紅粘土礦物成分以伊利石與高嶺石為主，含少量或不含蒙脫石。紅粘土與膨脹土均具有較高的粘粒含量、天然含水量、孔隙比與液塑限，而紅粘土的這些指標(biāo)較膨脹土更高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出一般粘性土，但同時(shí)紅粘土卻具有明顯優(yōu)于膨脹土的力學(xué)特性。 在實(shí)際工程中，由于外界自然條件變化而引發(fā)的有關(guān)紅粘土與膨脹土類似于邊坡失穩(wěn)地基不均勻變形、道路開裂的工程病害時(shí)有發(fā)生2。但目前對(duì)于這兩類特殊土因含水量變化所引起的脹縮性與裂隙性的耦合作用以及這一耦合作用對(duì)土體工程力學(xué)特性影響的研究卻并不多見。筆者認(rèn)為，深入開展紅粘土與膨脹土裂隙性、脹縮性以及超固結(jié)性等水穩(wěn)性特征的對(duì)比

4、研究是非常必要的。總體來(lái)說：膨脹土具有較為明顯的裂隙性，而紅粘土的裂隙性由于成因的不同而具有明顯的地域差異，即一些地區(qū)的紅粘土裂隙極為發(fā)育，而另一些地區(qū)的紅粘土裂隙并不發(fā)育。膨脹土普遍地具有明顯的脹縮性，而我國(guó)紅粘土的脹縮性地域差異性很大，且主要表現(xiàn)為以縮為主的脹縮特性；另外，一些地區(qū)的膨脹土由于較大的先期固結(jié)壓力而具有超固結(jié)性，而紅粘土的超固結(jié)性則主要是由其獨(dú)特的游離氧化鐵的膠結(jié)結(jié)構(gòu)所引起的3。 本文針對(duì)研究中的不足與實(shí)際工程的需要，通過貴港紅粘土、荊門弱膨脹土與中膨脹土的室內(nèi)試驗(yàn)研究，對(duì)紅粘土與膨脹土的物理性質(zhì)指標(biāo)、力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)、原狀樣與擊實(shí)樣強(qiáng)度的水敏性特征以及礦物成分影響下的土體脫濕、

5、吸濕速率的異同點(diǎn)進(jìn)行了初步的探討，為進(jìn)一步掌握紅粘土與膨脹土的相互關(guān)系以及這 2 種特殊土各自的工程力學(xué)特性提供了幫助。2 基本物理力學(xué)性質(zhì) 本試驗(yàn)的紅粘土樣取自廣西貴港三零七單位西側(cè)場(chǎng)地的網(wǎng)紋紅土層。貴港屬炎熱潮濕的亞熱帶氣候，碳酸鹽巖經(jīng)風(fēng)化殘坡積與紅土化作用而形成的紅粘土風(fēng)化殼發(fā)育良好，具有明顯的垂直分帶性4。所取土樣呈紅褐色，含有大量黃色斑塊，土質(zhì)細(xì)膩光滑，無(wú)砂感，無(wú)殘余巖塊，天然網(wǎng)狀裂隙非常發(fā)育。弱膨脹土與中膨脹土取自湖北省襄荊高速公路沿線荊門段。其中，弱膨脹土為灰褐色，硬塑狀態(tài)，裂隙較為發(fā)育，含較多鐵錳結(jié)核，局部見灰白色填充物；中膨脹土呈褐黃色，硬塑狀態(tài)，含鐵錳結(jié)核，局部見灰色填充物

6、。3 種土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)、力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)、顆粒與礦物組成分別見表 13。 本文所選紅粘土與膨脹土的土樣是具有代表性的。從脹縮性指標(biāo)來(lái)看，貴港紅粘土的自由膨脹率為 49%，收縮系數(shù)為 0.22，體縮率為 6.3%，與荊門弱膨脹土指標(biāo)相接近。但顯然紅粘土與膨脹土在另一些指標(biāo)上具有明顯的差異性。例如：荊門膨脹土具有比較高的天然含水量、孔隙比、液限、塑限與塑性指數(shù)，但貴港紅粘土的這些指標(biāo)較膨脹土更高(表 1)。同時(shí)，貴港紅粘土又表現(xiàn)出較高的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、直剪強(qiáng)度和較低的壓縮系數(shù)等良好的力學(xué)特性(表 2)，這一矛盾現(xiàn)象是紅粘土區(qū)別于膨脹土的重要特性之一。一些研究已證實(shí)紅粘土這一特性是由紅土化過程中形

7、成的游離氧化鐵的膠結(jié)結(jié)構(gòu)所引起的58。 表 3 為貴港紅粘土、荊門弱膨脹土與中膨脹土的顆粒組成以及礦物組成。表中同時(shí)列出貴陽(yáng)紅粘土相應(yīng)指標(biāo)以作對(duì)比。可見紅粘土與膨脹土的顆粒組成與礦物組成具有明顯差異：(1) 紅粘土粘粒含量很高，并以高嶺石為主，極少或不含有碎屑礦物；而膨脹土中粘土礦物含量明顯低于紅粘土，并且含有大量石英與一定量的長(zhǎng)石。可以推斷貴陽(yáng)、貴港紅粘土的風(fēng)化程度要明顯高于荊門膨脹土；(2) 紅粘土含有一定量的針鐵礦與三水鋁石，這是紅土化過程中脫硅富鋁鐵所致，是荊門膨脹土所不具有的；(3) 從礦物學(xué)角度來(lái)看，膨脹土的脹縮性主要?dú)w因于蒙脫石和蛭石等親水礦物的作用。荊門膨脹土中蛭-蒙混層與蛭石

8、含量較高；而貴陽(yáng)、貴港紅粘土含有一定量的蛭石，卻未發(fā)現(xiàn)蒙脫石或蛭石與蒙脫石的混層。3 原狀樣脫濕過程的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度 貴港紅粘土、荊門弱膨脹土與中膨脹土的原狀樣在室溫條件下(平均溫度與相對(duì)濕度分別為 20和 65%)緩慢脫濕，當(dāng)含水量降至 6 個(gè)不同階段時(shí)分別進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。結(jié)果表明，3 種土樣在相同條件下脫濕，而無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨含水量變化的規(guī)律完全不同(圖 1)。 土體在脫濕過程中含水量降低，土團(tuán)粒產(chǎn)生收縮，基質(zhì)吸力的提高使得土體強(qiáng)度呈增強(qiáng)趨勢(shì)9。但與此同時(shí)，不均勻分布的應(yīng)力會(huì)促成土體天然裂隙進(jìn)一步發(fā)育，形成土體強(qiáng)度下降的趨勢(shì)。本文中的荊門弱膨脹土的裂隙比較發(fā)育，在高含水量范圍內(nèi)無(wú)側(cè)

9、限抗壓強(qiáng)度主要由基質(zhì)吸力控制，隨含水量降低而增大，當(dāng)含水量降低到一定程度時(shí)，裂隙對(duì)于土體強(qiáng)度的降低作用超過了基質(zhì)吸力對(duì)強(qiáng)度的影響，于是土體的強(qiáng)度則隨之減小(圖 1(a)；荊門中膨脹土天然裂隙相對(duì)較少，在含水量下降的過程中，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度由于基質(zhì)吸力的增大而不斷提高(圖 1(b)；而貴港紅粘土網(wǎng)狀裂隙十分發(fā)育，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)圍壓為零，因而強(qiáng)裂隙性對(duì)土體的影響明顯地體現(xiàn)在紅粘土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度指標(biāo)上，當(dāng)含水量降至較低的程度，土樣沿原有裂隙面裂成碎塊，以至強(qiáng)度為零，但仍可以看出在高含水量與低含水量范圍內(nèi)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的降低幅度不同(圖 1(c)。因而可以肯定，在脫濕過程中，土體的強(qiáng)度指標(biāo)在不同含

10、水量范圍內(nèi)的變化規(guī)律不盡相同，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可初步認(rèn)為：脫濕過程中土體的強(qiáng)度在高含水量范圍內(nèi)主要受控于土體的基質(zhì)吸力，而在低含水量范圍內(nèi)主要受控于裂隙性。 4 擊實(shí)樣泡水前后指標(biāo)的比較 本研究對(duì)貴港紅粘土、荊門弱膨脹土與中膨脹土進(jìn)行重型擊實(shí)與泡水 CBR 試驗(yàn)，其結(jié)果見表 4。圖 2 為重型擊實(shí)樣泡水前后的干密度-含水量曲線圖。可以看出，泡水后 3 種土重型擊實(shí)樣的干密度均有所降低，干密度峰值對(duì)應(yīng)的含水量提高，泡水 CBR最大值所對(duì)應(yīng)的含水量同樣高于泡水前的最優(yōu)含水量，具體指標(biāo)見表 5。以紅粘土為例，其重型擊實(shí)樣最優(yōu)含水量為 34.5%，泡水后干密度的峰值對(duì)應(yīng)含水量增至 39.8%，泡水后 CB

11、R 峰值對(duì)應(yīng)含水量也為 39.8%，明顯高于最優(yōu)含水量。 出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因在于土體泡水過程中所產(chǎn)生的吸水膨脹。根據(jù)土工試驗(yàn)規(guī)范，以擊實(shí)樣泡水后的高度變化占原擊實(shí)試樣高度的百分比作為膨脹量來(lái)度量土體膨脹性，由表 4 可知，重型擊實(shí)樣含水量愈高，則膨脹量愈低。貴港紅粘土、荊門弱膨脹土與中膨脹土最優(yōu)含水量處的重型擊實(shí)樣仍具有較大的膨脹量，分別為 3.72%，2.83%與 9.15%。而含水量稍大于最優(yōu)含水量的擊實(shí)樣飽和過程中膨脹量相對(duì)較小，飽和后的最大干密度與 CBR 對(duì)應(yīng)的初始含水量反而大于最優(yōu)含水量。因而紅粘土與膨脹土擊實(shí)樣飽和后的強(qiáng)度指標(biāo)由擊實(shí)后的干密度與膨脹量雙重因素決定。由此可見，在實(shí)際

12、工程中將膨脹性強(qiáng)的土在最優(yōu)含水量下壓實(shí)，雖然可以獲得很高的壓實(shí)度，但卻存在著膨脹量大的缺點(diǎn)，即飽和后的 CBR 值并非最大。另外，土體的膨脹性愈強(qiáng)，其擊實(shí)樣泡水前后的干密度與 CBR 峰值所對(duì)應(yīng)的泡水前含水量的變化幅度愈大。荊門中膨脹土的膨脹性明顯強(qiáng)于紅粘土與弱膨脹土，因而其泡和前后指標(biāo)變化幅度明顯大于貴港紅粘土與荊門弱膨脹土。5 脫濕和吸濕性能 對(duì)貴陽(yáng)紅粘土、貴港紅粘土、荊門弱膨脹土和中膨脹土 4 種土樣依次在 35，45，50，60，75，90，105等 7 個(gè)溫度下脫濕相同時(shí)間后測(cè)定含水量(圖 3(a)來(lái)模擬紅粘土和膨脹土的脫濕過程。將脫濕后的土樣置于相同的室溫條件下，通過跟蹤測(cè)定含水量

13、的變化得到紅粘土和膨脹土吸水過程中含水量隨時(shí)間的變化規(guī)律(3(b)。從圖中可以看出，在脫濕、吸濕的特性方面，荊門中膨脹土與貴陽(yáng)紅粘土較為接近，即脫濕相對(duì)較慢，吸濕相對(duì)較快；而荊門弱膨脹土與貴港紅粘土更為接近，即脫濕相對(duì)較快，吸濕相對(duì)較慢。 表 3 中已經(jīng)表明：紅粘土礦物成分以粘土礦物為主，其中，貴港紅粘土以高嶺石為主，僅含有 6%的蛭石，貴陽(yáng)紅粘土的蛭石含量較高，達(dá)到 32%；而荊門膨脹土粘粒含量比紅粘土低，主要有伊利石、蛭-蒙混層、蛭石和少量高嶺石，其中，中膨脹土含32%的蛭-蒙混層，弱膨脹土的伊利石含量較高，僅含少量蛭石與蛭-蒙混層。在蒙脫石、蛭石、高嶺石與伊利石 4 種粘土礦物當(dāng)中，蒙脫

14、石與蛭石屬于親水礦物，而高嶺石與伊利石的親水性則相對(duì)較弱。從圖 4 可以看出：蒙脫石與蛭石在晶體結(jié)構(gòu)上有相似之處，這 2 種礦物晶層之間均為水和陽(yáng)離子，層間距相對(duì)較大，晶層之間容易隨著含水量的變化而脹縮；高嶺石和伊利石則與之相反，高嶺石晶層之間以氫鍵連接，間距小，強(qiáng)度高，伊利石晶層之間以鉀離子鍵為主，晶層間距同樣較小，強(qiáng)度高10；與高嶺石和伊利石相比，蒙脫石和蛭石具有相對(duì)更強(qiáng)的吸納或保持水分能力，因而含蒙脫石和蛭石較多的荊門中膨脹土與貴陽(yáng)紅粘土脫水過程較慢，吸水相對(duì)較快，而高嶺石和伊利石含量較高的荊門弱膨脹土與貴港紅粘土則脫水相對(duì)較快，而吸水相對(duì)較慢?？梢娂t粘土與膨脹土脫濕吸濕性能上的差異與具

15、體土體所含粘土礦物成份的種類及含量有直接的關(guān)系。6 結(jié) 論 本文對(duì)貴港紅粘土、荊門弱膨脹土與中膨脹土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)、原狀樣與擊實(shí)樣的水理性特征以及脫濕吸濕速率的異同點(diǎn)進(jìn)行了比較研究。初步得到如下結(jié)論： (1)貴港紅粘土雖具有與荊門弱膨脹土相近的脹縮性指標(biāo)，但紅粘土與膨脹土在其他一些物理力學(xué)指標(biāo)上具有明顯的差異，例如：貴港紅粘土的天然含水量、孔隙比、液限、塑限與塑性指數(shù)等指標(biāo)雖然明顯高于荊門膨脹土，但卻表現(xiàn)出較高的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、直剪強(qiáng)度和較低的壓縮系數(shù)等更為良好的力學(xué)特性。 (2) 在脫濕過程中原狀樣的力學(xué)特性受基質(zhì)吸力與裂隙性雙重因素控制，3 種土因其天然裂隙發(fā)育程度的差異而呈現(xiàn)出完全不

16、同的變化規(guī)律。 (3) 由于 3 種土較強(qiáng)的吸水膨脹特性，擊實(shí)樣泡水后的干密度與 CBR 峰值所對(duì)應(yīng)含水量均增大，且高于最優(yōu)含水量，擊實(shí)樣飽和后的力學(xué)特性由干密度與膨脹量雙重因素決定。廣西貴港紅粘土與荊門膨脹土飽和前后指標(biāo)變化幅度因膨脹性強(qiáng)弱而不同。 (4) 在脫濕、吸濕特性方面，荊門中膨脹土與貴陽(yáng)紅粘土脫濕相對(duì)較慢，吸濕相對(duì)較快；而荊門弱膨脹土與貴港紅粘土脫濕相對(duì)較快，吸濕相對(duì)較慢。紅粘土與膨脹土脫濕、吸濕性能上的差異與具體土體所含粘土礦物成份的種類及含量有直接關(guān)系。 總之，貴港紅粘土與荊門膨脹土雖然在一些物理力學(xué)指標(biāo)上具有相似之處，但其原狀樣與擊實(shí)樣的力學(xué)特性與水敏性特征均具有明顯的差異，在實(shí)際工程中，對(duì)于紅粘土與膨脹土工程力學(xué)性能的差異應(yīng)該給予充分的認(rèn)識(shí)，應(yīng)將這 2 種特殊土區(qū)別處理。參 考 文 獻(xiàn)1 唐大雄. 第二界全國(guó)紅土工程地質(zhì)研討會(huì)論文綜述A. 見：第二界全國(guó)紅土工程地質(zhì)研討會(huì)論文集C. 貴州：貴州科技出版社，1991，152 徐榴勝. 紅粘土在環(huán)境地質(zhì)中的隱患J. 水文地質(zhì)工程地質(zhì)，1995，(5)：40433 姜其巖，余培厚，郭 沛等. 紅粘土力學(xué)強(qiáng)度特征的形成及分析J.貴州工學(xué)院學(xué)報(bào)，1991，20(2)：22284 周 芳，陳世益. 廣西貴港紅粘土風(fēng)化殼的地球化學(xué)特性J. 中南礦冶學(xué)院學(xué)報(bào)，1994，25(2)：1511555 孔令偉，郭愛國(guó)，呂海波等. 典