（岩土工程专业论文）武广客运专线原状红粘土强度和变形特性试验研究.pdf

摘要 随着我国经济的飞速发展，我国中西部地区的工程建设速度明显 加快，这些地区分布着大量红粘土。而至今对于红粘土的研究主要集 中在其成因、分布、结构构造等方面，对于红粘土的强度和变形特性 的研究较少。因此，研究红粘土的物理力学特性、强度特性以及变形 特性，对今后红粘土地区的铁路公路建设、路基病害防治处理、边坡 工程设计等具有重要意义。 本文依托国家自然科学基金项目：“客运专线无碴轨道红粘土地基 变形特性与动力稳定性研究 ( 5 0 7 7 8 1 8 0 ) 和铁道部科技研究开发项目： “武广客运专线灰岩残积层红粘土路基变形特性及路基边坡稳定性试 验研究 ( 2 0 0 5 k 0 0 2 - b - 2 - 1 ) 。通过室内试验、现场原位试验、数值分 析等手段分别对红粘土的强度特性和变形特性进行了一系列的研究。 取得了几点成果，归纳如下： 1 通过室内试验和理论分析，研究了武广客运专线沿线红粘土的 物理力学特性、工程特性以及物理力学指标之间的相关性。 2 分析了红粘土的强度特性，以及影响红粘土强度的因素。研究 武广红粘土强度指标的变化情况，充分认识了红粘土的峰值强度、残 余强度随各种条件( 裂隙、初始含水率、上覆压力) 的变化特性，建 立了粘聚力、内摩擦角与初始含水率的定量关系。并对不同试验方法 下红粘土的强度参数进行了对比分析。 3 通过室内试验和大量的理论分析，研究了武广红粘土的应力一应 变变形特性、固结变形特性以及胀缩变形特性。分析了红粘土轴向应 变和体积应变的变形特性以及红粘土固结变形特性的原因。探讨了如 何处理红粘土的胀缩性问题。 4 对红粘土路基在旋工过程中的变形特性进行数值模拟分析，研 究红粘土路基竖向沉降和侧向位移随路基填土高度的变化情况，找出 变形规律，用于指导今后红粘土地段的路基施工。 关键词红粘土，物理力学特性，强度特性，变形特性，有限元模拟 a bs t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ee c o n o m yi nc h i n a , t h ec o n s t r u c t i o n i nm i d w e s tr e g i o n si sq u i c k e n i n ge v i d e n t l y ，r e dc l a y si sd i s t r i b u t i n ga b o a r d i nt h e s er e g i o n s r e c e n t l y ，m a n yr e s e a r c h e r sm a i n l yr e p o r t e dt h ec a u s e s ， d i s t r i b u t i o na n ds t r u c t u r eo ft h er e dc l a y ，r e s e a r c h e r so ns t r e n g t ha n dt h e d e f o r m a t i o np r o p e r t i e sr e p o r t e dl i t t l e i ti si m p o r t a n tf o ru st os t u d yt h e p h y s i c a l a n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s ，c h a r a c t e r i s t i c s o fs t r e n g t ha n d d e f o r m a t i o no ft h er e dc l a ys o a st oh e l pt h ec o n s t r u c t i o no fr o a d sa n d r a i l w a y s ，t oi m p r o v ee x p a n s i v es o i lf o u n d a t i o na n dt od e s i g nt h er e dc l a y s l o p e b a s e do nt h ep r o g r a mo f ”s t u d yo nt h e d y n a m i cs t a b i l i t y a n d d e f o r m a t i o np r o p e r t i e so ft h er e dc l a yf o u n d a t i o nf o r mb a l l a s t l e s st r a c k p a s s e n g e rt r a f f i cr a i l w a y ，h u n a n ，c h i n a ( 5 0 7 7 8 18 0 ) f o u n d e db yt h e n a t i o n a ls c i e n c ef o u n d a t i o na n do nt h ep r o g r a mo f e x p e r i m e n t a ls t u d yo n t h es u b g r a d ed e f o r m a t i o na n ds t a b i l i t yo fs u b g r a d es l o p ef o r ml i m e s t o n e e l u v i u mr e dc l a yo fw u g u a n ge x p r e s sr a i l w a y ”( 2 0 0 5 k 0 0 2 b21 ) f o u n d e d b y t h en a t i o n a l d e p a r t m e n t o ft h e r a i l w a ym i n i s t r y t h e c h a r a c t e r i s t i c so fs t r e n g t ha n dd e f o r m a t i o no ft h er e dc l a ya r es t u d i e d ， a c c o r d i n gt oas e r i e so fe x p e r i m e n t a t i o n si nr o o m ，i n s i t ut e s t n u m e r i c a l a n a l y s i s t h em a i na c h i e v e m e n t si nt h i st h e s i sc a nb eo b t a i n e da sf o l l o w s 1 p h y s i c a la n dm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，p r o j e c tc h a r a c t e r i s t i c sa n d t h er e l a t i o no f p h y s i c a l m e c h a n i c s p r o p e r t i e s o fr e d c l a y f o r m w u h a n - g u a n g z h o us p e c i a lp a s s e n g e rt r a n s p o r tr a i l w a y w e r es t u d i e d t h r o u g he x p e r i m e n t a t i o n si nr o o ma n dt h e o r e t i c a lr e s e a r c h 2 t h es t r e n g t hc h a r a c t e r i s t i c sa n di n f l u e n c ef a c t o r so fr e dc l a yw e r e a n a l y s e d t h et r a n s f o r m a t i o no fs t r e n g t hi n d e xo fw u ( h a n ) 一g u a n g ( z h o u ) r e dc l a yi ss t u d i e d t h ef e a t u r eo ft h ep e a kv a l u es t r e n g t ha n dr e s i d u a l s t r e n g t ho f r e dc l a yu n d e rd i f f e r e n ts t a t i o n s ( o “g i n a lw a t e rc o n t e n t ，c r a n n y a n da b o v ea c t i n gp r e s s u r e ) i sr e c o g n i z e d t h eq u a n t i t a t i v er u l e so ft h e c o h e s i o na n ds o i l sa n g l eo fi n t e r n a lf r i c t i o nt oo r i g i n a lw a t e rc o n t e n ti s d e v e l o p e d a n dt h es t r e n g t hi n d e xp e r f o r m e df o rd i f f e r e n tm e t h o d so fr e d c l a yi sc o m p a r i n ga n a l y s e d i i 3 t h r o u g he x p e r i m e n t a t i o n s i nr o o ma n dt h e o r e t i c a lr e s e a r c h ，t h e s t r e s s s t r a i nr e l a t i o n ，c o n s o l i d a t ed e f o r m a t i o na n ds h r i n k s w e l ld e f o r m a t i o n c h a r a c t e r i s t i c si ss t u d i e d t h ec a u s eo ft h ea x i a ls t r a i n ，v o l u m es t r a i na n d c o n s o l i d a t ed e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c si sa n a l y s e d a n dg i v e t h e s u g g e s t i o n st od e a lw i t ht h es h r i n k s w e l lp r o p e r t i e so f r e dc l a y 4 t h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o na b o u tt h ed e f o r m a t i o no ft h er e dc l a yi n c o n s t r u c t i o ni sg i v e n t h ed e f o r m a t i o nb e h a v i o ro ft h es e t t l e m e n ta n d l a t e r a ld i s p l a c e m e n td u r i n gt h ec o u r s eo ft h ec o n s t r u c t i o n si sr e s e a r c h e d a l lt h e s ep r o v i d em o r ed a t af o rt h ee n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o ni nt h e s er e d c l a ya r e ai nf u t u r e k e yw o r d s r e dc l a y ，p h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，s t r e n g t h p r o p e r t i e s ，d e f o r m a t i o np r o p e r t i e s ， f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：二艘日期：二! 壹年互月生日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容， 可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技 术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通 过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：角缈导师签名迹日期：2 尘年月兰日 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究的目的和意义 第一章绪论 路基设计是在高速铁路的使用期限内，考虑路基土的特性以及交通荷载的能 力，寻找一个最经济合理的地基层厚以及选择合适的材料的过程。由于高速铁路 对路基土的强度和变形要求较高( 工后沉降仅为1 5 m m ) ，所以普通铁路路基设计理 论是不能满足要求的。高速铁路在我国刚起步，至今只修了秦沈客运专线一条高 速铁路，路基土在许多方面的研究仍较缺乏，且不系统。 红粘土是碳酸盐系岩石风化残坡积并经过复杂的红土化地质作用而形成的棕 红、褐黄等色的高塑性粘土。其性质非常特殊，主要表现在：红土化过程中所形 成的游离氧化铁的胶结结构使得红粘土在高孔隙比、高含水量、高液塑限与塑性 指标等不良的物理特性条件下，具有高强度、低压缩性等良好力学特性。以往的 专家学者对于红粘土的研究主要集中在西南地区的贵州、广西等地，对于武广客 运专线沿线湖北和湖南两地红粘土的研究非常少。通过研究，人们普遍认为红粘 土是比较好的天然地基( 高速公路路基) 和良好的建筑材料，同时因胀缩性、裂隙 性与分布不均匀性( 主要是上硬下软) 等工程地质特性而存在很大的工程隐患。由 于高速铁路路基持力层较厚，要求路基土强度高、变形非常小，作为良好高速公 路路基土的红粘土就不能满足要求。 综上所述，对于高速铁路路基土的红粘土强度和变形等特性的研究是必需的， 也是必要的。本文就是本着这一目的，结合导师课题国家自然科学基金项目：“客 运专线无碴轨道红粘土地基变形特性与动力稳定性研究”( 项目编号：5 0 7 7 8 1 8 0 ) 和铁道部科技研究开发项目：“武广客运专线灰岩残积层红粘土路基变形特性及路 基边坡稳定性试验研究”( 项目编号：2 0 0 5 k 0 0 2 一b 一2 1 ) 。在室内进行了一系列试 验和大量的理论分析，研究了红粘土的强度特性和变形特性。 1 2 红粘土研究的历史 自1 8 0 7 年布切纳( f b u c h a n a n ) 在印度的德干高原马拉巴尔( m a l a b a r ) 山区首 次发现红色致密的粘性土并称之为“红土”( 1 a t e r i t e ) 以来，这种特殊类型土的 发现至今已有两百年的历史了。红土的英文单词“l a t e r it e ”起源于拉丁文 “l a t e r ”，是砖的意思，b u c h a n a n 的定义就是强调红土可以作为建筑材料的性能。 所以马拉巴尔地区是世界红土工程性质研究的发源地，该地区6 0 的地表都被红土 中南人学硕十学位论文第一章绪论 覆盖，关于这个地区的红土的形成、性质及剖面特征已经研究了一个多世纪1 2 儿引。 红土这个概念己被地学、土壤学和工程地质学界广泛采用，各学界从红粘土的定 义、成因、分布、物质组成、物理化学特性与工程特性等多角度对其进行了大量 的研究，也取得了很多成果。3 0 年代以来，我国学者对红土也展丌了多学科的研究。 并在1 9 8 6 年及1 9 9 1 年分别召开了第一届和第二届红土工程地质研讨会，基本反 映了我国当时红土研究的最新动态和最高水平【4 j 。 对于红土的研究，国内外存在着很大差异。国外对于红土的研究非常广泛， 文章很多，但都集中在环境、土壤学、农林学、地质学等领域。例如，西非的尼 日利亚、加纳、拉丁美洲的波多黎各岛、美国、澳大利亚等国对红粘土进行了大 量研究【5 删，对红粘土的工程性质的研究相对较少。而我国对红土的研究主要集中 在地质和工程领域。2 0 世纪6 0 年代初，我国工程地质学者们根据云贵高原碳酸盐 类岩石上广泛分布的残坡积粘土所具有的特殊颗粒成分、物理力学性质、水平与 垂直方向的分布特征以及地基建筑性能，总结出高分散、高塑性、高地基强度的 地基土，称为红粘土；并在1 9 6 4 年发表了贵州红粘土的建筑性能i lo j 一文，标 志着“红粘土”一词的正式出现。之后历经十多年的研究，红粘土被作为地基土 的一种特殊类型而纳入地基基础设计规范( t j 一7 7 4 ) 及工程地质勘查规范 ( t j 一2 1 7 7 ) ，相关内容在建筑地基基础设计规范( g b 一7 8 9 ) 中得到进一步的修 订与完善。7 0 年代以来，红粘土的研究已从一些红粘土分布的区域扩展到全国各 地，有关红粘土的各类问题均有所接触，并取得了大量的成果，在建筑、水利、 道路、农业等各方面已取得明显效益。研究所涉及的范围主要包括红粘土的定义、 成因和工程分类；各地区不同类型的红粘土的物质成分、结构特征和工程特性； 红粘土边坡、地基、筑坝的相关问题和工程处理经验；红粘土的环境工程地质和 地质灾害问题及其分析测试技术和方法。 2 0 世纪8 0 年代以来，随着先进微观分析手段的应用，有关红粘土微观结构的 研究取得了较大的进展。红粘土不良物理性质与良好的力学特性之间的矛盾在很 大程度上是由红粘土中游离氧化物的胶接结构所引起的，其中赤铁矿与针铁矿在 红粘土中最为常见，而且经证实仅有部分氧化物在红粘土中起胶接作用，红粘土 的超固结性在很大程度上也是归因于游离氧化物的胶结结构，而并非先期固结压 力【1 1 2 7 1 。红粘土以其特殊的性质与工程问题引起了学术界与工程界更为广泛的关 注。 近年来，国内外许多学者对土的结构性问题给予了越来越高的重视。众所周 知，土体既是一种地质历史产物，残留着各种地质作用的痕迹，又明显受到现今 各种人类活动的强烈改造，因而具有非常复杂的非线性特征，这种特征在微观上 主要表现在土质结构的非连续性和不确定性，很难用传统的、基于线性分析为基 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 础的方法加以表达。但是土的宏观工程性状( 尤其是非饱和土) 却在很大程度上受到 微观结构的系统状态或整体行为的控制，任何一种基于适度均匀化处理的连续介 质模式都很难准确的表述其结构的复杂性。实际上，现有的各种土的本构模型( 计 算模型) 都是针对饱和扰动土或者砂土而发展起来的，不能真正的考虑实际土体的 结构性，而在实际的工程计算结果难以模拟土体的实际状态，往往会出现较大的 计算误差，致使在处理这类问题时多依赖于设计者的经验修正，理论依据尚不充 分，具有人为性，难以评估起可靠性。因此，要真正把握反映土的工程形状的固 有力学特性，关键在于结构性问题的解决1 2 引。红粘土作为一种典型的特殊土，具 有显著的结构效应，对其结构的研究将会受到工程界和学术界的重视。 1 3 红粘土研究的现状 1 3 1 红粘土的分布与成因 红粘土不仅在我国广泛分布，亚洲其他地区、欧洲、南美洲，特别是非洲都 有大面积的红粘土分布。我国的红粘土主要分部在南方，如广西、贵州、云南、 广东、湖南、湖北、四川、江西、浙江以及福建等省和自治区，在北方的山东、 山西、河北、河南、辽宁与内蒙古等省和自治区也有零星分布，近年来在西藏东 部河谷地带也发现有红粘土。据近十年的调查统计，我国红土分布面积约达2 0 0 万 平方公里，其中红粘土占1 0 8 万平方公里，褐红色或棕红色红粘土为7 4 万平方公里， 黄色或黄褐色红粘土占3 4 万平方公罩【2 9 1 。红粘土的厚度变化在区域上受地形、地 貌及构造岩性的控制。在云南的溶蚀高原一般厚6 1 2 米，在贵州山地中的洼地、 峰林谷地、溶丘坡地，一般厚4 - - - 8 米，在湖南、广西、湖北、江西、安徽、江苏 的丘陵与平原中的溶丘坡地与溶蚀平原，一般厚8 1 5 米，局部地区红粘土的厚薄 与下伏碳酸盐岩的岩性和岩溶发育的程度有密切的关系。碳酸盐岩为泥质石灰岩、 泥质白云岩时，岩溶不发育，上覆红粘土厚度变化不大。碳酸盐岩为石灰岩、白 云质灰岩时，其溶蚀强烈，溶沟、溶槽、溶隙、石芽发育，上覆红粘土厚度变化 很大【3 0 1 。 总体来说，红土主要是在漫长的地质历史时期中，各种动力成因的堆积物及 露出地表的各种基岩残积层在特定的自然地理与地质环境下的产物。近年来，随 着先进测试年代方法的应用，一些学者提出了红粘土的主要形成时期，认为红粘 土的砾石层、网纹层和均质红粘土层分别形成于早更新世晚期、中更新世早期和 更新世晚期1 3 ，但是迄今为止，对我国红土层的形成时代的研究仍存在较大争议。 赵其国、杨浩f 3 2 j 认为第四纪红土是在湿热的环境条件下岩石经过温湿一千凉 交替的气候旋回作用下形成的。其中网纹状红土形成于中更新世早期，均质红土 中南人学硕士学位论文 第一章绪论 形成于中更新世晚期。 朱显谟1 3 3 j 认为我国第四纪红土在不同时期所获得的地球化学特性是由红土和 基岩红色风化壳继承而来，而红土和基岩红色风化壳是在第三纪以来干热与温湿 不断交替的气候条件下形成的。 席承藩【3 4 】认为我国长江以南的红土风化壳，主要是第四纪的形成物，这种富 含铁铝氧化物的红色风化壳是热带、亚热带高温高湿的气候条件下的红色风化产 物，主要经过了脱硅富铁铝风化与生物富集的作用。 黄镇国【3 5 】认为我国南方红土风化壳在上新世或更早便开始发育，但如今的红 土风化壳并非都是古风化壳，现代气候的地带性在红色风化壳的脱硅富铁铝过程 中留下深刻的烙印，其发育并未终止。另外，黄镇国1 3 6 3 7 1 根据不同类型红土的时 空分布，论述四个暖期的配置及气候变迁，红土期是气候周期性变化的反映，受 全球气候变化与青藏高原隆升的影响，与季风环流的形成和发展是分不开的，并 将整个红土期分为五个阶段：早第三纪e ( 无季风期) 、晚第三纪n ( 行星风系与季风 交替期，我国此时的红土分布偏北) 、早更新世q p 。( 季风环流始现期，南方红土开 始发育) 、从早更新世后期q p 。，到中更新世q p ：( 季风稳现期，南方网纹红土广泛 发育) 、晚更新世q p 。) ( 季风确定期，形成地表色调相对均匀的红土层) 。 刘良梧、龚子同【3 l 】认为表层红土保留了昔同古红土的红色，酸性和高度富铝 化作用的特征，又在今f i 自然条件以及人为活动作用下形成生物富积的、表面富 硅的、高度风化发育的特征。那些具有昔日红土与今日红土双重作用的红壤属古 红壤中的残余古红土类型。 2 0 世纪7 0 年代，在红粘土刚被作为地基土的一种特殊类型而纳入地基基础 设计规范( t j - 7 7 4 ) 时，是以一般的风化过程来描述红粘土的形成过程，而在建 筑地基基础设计规范( g b j 一7 8 9 ) 的修订中，鉴于红粘土形成过程的特殊性与复 杂性，将其改为“红土化地质作用 。碳酸盐类岩石首先在潮湿的气候条件下发 生一系列复杂的风化作用，化学风化与物理风化的耦合作用形成以次生矿物为主 的风化产物，同时伴随着倍半氧化物的“释放”与胶体的重组与凝聚。形成的风 化产物的整体胶结状态又在不断的干湿循环作用下遭到破坏，风化产物从聚合体 向基本结构单元发展，而团粒单元的干燥失水硬化是不可逆的，形成微细团粒与 结构单元体组成的松散状土体。由微团粒化作用形成的微细团粒再在重力等作用 下压密固结，降雨或地下水淋溶产生的游离氧化铁、铝等凝聚产生胶结连接，最 终形成现代意义上的红粘土。 刘前吲3 8 j 认为热带季风气候区的高温、多雨、潮湿是红粘土形成的必备条件， 红粘土经碎屑化以及红土化作用准备和红土化两个阶段形成。母岩类型不同其红 土化的程度和速度也不同，其快慢顺序为碳酸盐类岩、基性岩、中酸性岩、碎屑 4 中南人学硕士学位论文第一章绪论 岩和第四纪沉积物。 黄英、付必昌川认为红土化过程是红土在形成过程中依次经历风化作用、微团 粒作用，后期对微团粒进一步改造淋溶、胶结、固结压密的成土作用三个阶 段。当母岩经历了这一完整的红土化作用之后，现代意义上的典型红土便形成了， 并且具有特殊的工程地质性质。 姜红涛【2 2 】认为红土化过程整个基本上是一个化学、物理化学的变化或母岩中 矿物的迁移、过渡、交代、沉淀的过程。红粘土的形成包括最初风化、次生风化 和重新固结三个阶段。处在不同风化阶段的红粘土具有不同的工程性质，在第一 阶段，风化程度越高，其强度越低，而在第二和第三阶段，红粘土的强度随风化 程度的增强而增高。 李景阳【3 9 】1 4 0 1 提出残积红粘土结构特征的溶蚀一交代成因，称这一过程为喀斯 特成土作用。 谭罗荣【4 l 】根据矿物组成特性，将红土的母岩分为不含或很少含有抗风化的石 英的岩类( 如碳酸盐岩系和部分玄武岩等) 与含有一定量或相当量石英的岩类两大 类，并对几类典型岩石的风化情况与红土化的程度给予分析。 周芳【4 2 】根据贵港红粘土的垂直分带性与物质成分的研究，将贵港红土风化壳 的形成过程大体分为三个阶段：早期阶段：岩石在物理风化作用下，大气降水使 新鲜碳酸盐岩发生强烈的溶解和初步水解，开始热带、亚热带气候条件下的红土 化作用；中期阶段：c a o 与m g o 等组分在这个阶段已被溶解殆尽，水解作用进一步 加强，形成以高岭石为主，夹有伊利石矿物的网纹红土层；晚期阶段：地表出现 强烈的脱硅、氧化、水解、淀积、胶体作用与各种形式的表面现象。这些作用的 结果是a l 。o s 、f e ：0 。、t i o ：与m n o 等氧化条件下稳定的组分的残留，以及三水铝石、 针铁矿为主的最终水解带的形成。 1 3 2 红粘土的微观结构特征 结构是物质的存在形式。红粘土中的微小矿物颗粒在一定的胶结力作用下， 按一定的排列组合方式，组合在一起，就形成了红粘土的微观结构。红粘土微观 结构的基本单元有两种类型：一种是残余碎屑或铁质结核等刚性颗粒构成的单粒 单元；另一种是粘土矿物粒团构成的复合多孔单元，后者组成了红粘土的基本骨 架，前者的数量较少，零星分布于土中，对土的微观结构不起控制作用。结构的 连接包括了粒团内颗粒之问的连接与粒团之间的连接。其中颗粒问的连接来源于 静电引力与游离氧化物的胶结结构，粒团之问的连接是一种浅色的絮状物，主要 分布在粒团彼此靠近的部位，并沿垂直于粒团表面的方向生长。这种多层次的微 观结构造成了红粘土发育的孔隙，以d , _ ；j f l 隙与微孔隙为主，同时也形成了一定量 5 中南人学硕十学位论文第一章绪论 的大孔隙与中孔隙。根据不同的微观结构层次可以将红粘土的孔隙分为聚集体内 孔隙、聚集体之间的孔隙、被胶结物分割所形成的聚合体之间孔隙与溶蚀孔洞四 类。 早在1 8 8 3 年，m a l l e t 首次提出天然红土中的化学组成含有铁铝化合物，1 9 1 1 年f e r m o r 、1 9 1 3 年l a c r o i x 确定了红土的铁、铝、钛和锰的相对含量及其作用。1 9 5 1 年v a n o l p b e n s c h o f i e l d 及1 9 5 4 年s a m s e n 提出中酸性介质中的粘粒晶体与氧化物 之间的静电i 及引，形成了氧化物的胶结结构。6 0 年代初a l e x a n d e r 和c a d y 指出红土 强度较高的原因主要在于无定性氧化铁晶体与脱水。1 9 7 2 年萨卡洛夫在高岭石、 蒙脱石土样中加入磁赤铁矿的方法，证实土样接触点的连接强度。1 9 7 3 年 j k m i t c h e l l 指出游离氧化铁包膜可限制粘土集合体膨胀【4 3 - 4 引。我国自2 0 世纪7 0 年代以来，通过大量的宏观试验与微观分析手段的应用，对红粘土微观结构的研 究取得了重大进展。 张文敏1 2 3 j 通过对红粘土的渗透试验以及除去游离氧化铁以后的红粘土的物理 性质试验和三轴试验，得出游离氧化铁起着胶结作用，对红粘土的强度影响较大， 在其他成分相同的情况下，含铁量高强度就高，反之亦然。游离氧化铁对凝聚力 影响很大，而对内摩擦角影响甚微。 廖义玲、余培厚【4 6 j 通过对红粘土的扫描电镜分析、微区能谱分析和孔径分布 测定，得出红粘土的基本微观结构单元是片状粘土矿物组成的粒团。这种结构单 元本身是多孔的，饱水的。这是红粘土产生低密实度、高含水率等基本物理性质 的根本原因。红粘土的基本力学单元是与基本微观结构单元相对应的粒团，即粒 团本身有较好的力学属性，粒团内部粘土矿物之间有包括游离氧化物胶结连结力 在内的各种连结力产生的牢固的水稳性连结。这是与传统的高分散性粘土微观结 构的根本区别。因而红粘土虽然物理性质差，却都有较好的力学性质。 王幼麟【4 7 】【4 8 】在总结华中地区斑纹红土物理力学性质的基础上，从物理化学、 结构特征和游离氧化铁的胶结作用等角度分析了斑纹红土特殊力学性质的原因。 周训华、廖义玲1 4 9 j 通过x 射线对红粘土进行分析后，认为游离氧化铁在红粘 土中主要存在红粘土矿物粒团之间，呈包膜形式包裹粘土矿物粒团起着胶结作用， 并相互重叠形成结构强度。游离氧化铁的胶结作用也是形成红粘土特殊工程地质 性质的主要因素，它的变化将直接导致红粘土其他微观结构要素的变化及工程地 质性质的变化。 姜其岩1 2 6 l 认为红粘土作为超圃结土，其“先期固结压力”是土体较强的游离 氧化铁的胶结结构所形成的，而不是土层在历史上所受的最大固结压力的残留。 余培厚1 5 0 j 提出了一种红粘土微观结构的概化模型，并根据模型对红粘土工程 特性进行了探讨。 6 中南大学硕十学位论文 第一章绪论 程昌炳1 5 1 11 5 2 l 研究了针铁矿与高岭土“胶结”的宏观力学特性，用m o s s b a u e r 谱与电子能谱等微观手段对这种现象进行了研究，提出了“胶结”的微观本质是 生成化学建，通过z 7 a l 核磁共振谱的分析，认为氢生成是胶结的本质。 谭罗荣1 2 l j 通过对红粘土进行电镜扫描分析，提出了红粘土是灰岩经过风化富 硅，富铝和富铁形成高岭石等粘土矿物、氧化铁为主的片状颗粒，基本颗粒单元 再通过胶结物质形成较大的粒团，粒团胶结形成红粘土这样一种凝胶胶结结构模 型。解释了红粘土较差的物理性质与较好的力学强度之间矛盾的合理性。 孔令伟【5 3 5 5 】通过模拟环境中的有机质使游离氧化铁形态转化对红粘土工程性 质的影响试验，测试了游离氧化铁的形态分布与物理指标的关系，认为在渍水条 件下，游离氧化铁的形态转化对红粘土性质的影响不显著，但在渗水条件下，由 于氧化铁的流失使得胶结作用减弱，对红粘土工程性质的影响明显，潜在的危险 不容忽视。通过对红粘土压汞试验结果的分析，结合分形理论，认为红粘土的孔 隙分布具有分形结构，孔隙指数可表征不同结构层次的分形特征，分形特征能反 映红粘土孔隙的缴配，且分形特征可表征红粘土母岩类型和矿物成分，尤其是受 高岭石和氧化铁含量的影响，此外，还对红粘土有效胶结铁含量确定方法进行了 讨论，得出游离氧化铁起胶结作用的只占总含量一部分的结论，在此基础上提出 了有效胶结的概念。 孔令伟【5 6 11 5 7 j 认为红粘土的脱水特性与其颗粒组成、物性指标以及胶结物相关 联，红粘土的特性在常温下是可逆的，在高温下是不可逆的，且可逆性受到胶结 物的影响，胶结物本身的吸水特性和含水量使得有效含水量比实测含水量低，而 计算孔隙比比真实孔隙比高得多。针对红粘土水理性以缩为主的特征，通过不同 各样法进行压汞试验测试孔隙结构分布，指出只有采用冷冻干燥备样法所获得结 构才能真实的反映红粘土得微观结构特征。 1 3 3 红粘土的物理力学特性 红粘土主要的物理力学特性表现为：具有高含水量、高塑性、高孔隙比、低 密度、压实性差等不良物理性质，却同时具有较高强度、中低压缩性的良好力学 特性，红粘土的这种特殊性主要是由红粘土复杂的成土过程中所形成的游离氧化 铁的胶结结构和颗粒间特殊的连接形式所引起的。 林世文、蔡秋景、林瑁1 5 8 j 通过对大连红粘土三种不同状态崩解试验得出大连 红粘土，无论以何种方式存在，其发育程度都不亚于南方。红粘土在无侧限条件 下，都具有不可恢复的崩解性。 韦复才- 1 5 9 1 通过对桂林红粘土的差热x 射线、扫描电镜曙定和化学成分分析得 出：桂林红粘土物理力学性质的最大特点是天然含水量、孔隙比、液限以及抗剪 7 中南人学硕士学位论文 第一章绪论 强度较高，容重、饱和度、比表面积较大、压缩性、交换容量较低、透水性、崩 解性较小及中一弱胀缩性。桂林红粘土的这些特殊的工程地质性质的形成都与其 特殊的物质组成有关，特别是与土中存在有较多的游离氧化铁有关。 雷谦荣、王国惠【6 0 】通过对重庆红粘土与粘性土对比研究得出：红粘土的比重、 重度、含水量、饱和度值与粘性土的相当，但是红粘土的孔隙比、液限、塑限和 塑性指数却比一般粘土大得多，但仍然具有相对较高的力学强度和较低得压缩性， 尤其是红粘土的内聚力达一般粘土的1 5 倍以上，压缩系数则是一般粘土的6 0 。 袁志英【6 1 】通过实际勘查资料的统计分析将红粘土指标分类，根据静载试验结 果建立回归方程，筛选出直接反映红粘土力学性质的三个指标：塑限、液限与压 缩系数。 秦刚、廖义玲【6 2 】通过对贵阳红粘土现场勘查统计和分析，认为红粘土从地表 向下，物理性质差( 含水量增加，密度降低) 、压缩性增大、抗剪强度降低，其规律 与正常剖面相反。另外，随着深度增加，红粘土的前期固结压力有规律地递减。 袁绚【6 3 】根据云南红粘土的试验资料，总结了云南红粘土的基本性状与工程特 性，认为云南红粘土虽然干密度、孔隙比、含水量、压实性、粘粒含量和塑性指 数等指标不符合防渗土料的技术要求，但具有足够的稳定性，强度高，压缩性低， 是较好的筑坝材料。 邓超文、杜赢中【6 4 j 通过对红粘土进行化学溶液试验，认为红粘土的力学性质 随着周围环境的变化而发生变异，其c 、巾值和p h 值呈良好的线性关系。物性变异 导致红粘土力学性质的变化是具有双向性的，可以使土体力学强度降低，也可以 使土体的力学强度变大。 王洋、汤连生【6 5 】通过对红粘土的不同水溶液试验，认为红粘土的力学性质随 着周围环境的变化而发生变异，其c 、巾值和p h 值之间呈良好的线性关系。物性变 异导致红粘土力学性质的变化具有双面性，是水一土一电解质之间的动态平衡过 程，可以使土体力学强度降低，也可以使土体的力学强度变大，酸性水溶液使含 铁离子物质的胶结作用增强，使红粘土强度提高，形成正方向的力学效应；而碱 性水溶液使含铁离子物质的胶结作用降低，形成负方向的力学效应。 朱丽东【6 6 j 通过野外实地勘察和观察，认为中亚热带红粘土质地均一，不具有 水作用痕迹，含有多层铁锰淀积层，结合以粉砂( 4 - - - 6 3l am ) 粒组为主，并在1 5 3 0 l am 处出现第一纵数特征，推测中亚热带地区红土母岩具有j x l 成特性，而且棕 黄色土、均质红土、网纹红土具有相对一致的沉积环境。其次，粘粒组分( o 2 5 m m 0 2 5 m m o 1 m m 0 0 5 m m 0 0 0 5 m m 0 0 0 2 m m 2 3 1 物理力学特征 本章仅讨论武广客运专线沿线的咸宁、泉口和末阳三个有代表性工点的原状 红粘土物理力学性质。通过对大量的室内土工试验资料的综合分析，武广客运专 线红粘土具有以下几个基本特征： ( 1 ) 高液限、高塑性和分散性。根据室内土工试验资料( 如表2 4 所示) 可 知，武广客运专线红粘土的液限都大于5 5 ，塑限都在2 5 以上。颗粒细而均匀， 1 8 中南人学硕+ 学位论文第二章红粘十的t 程地质特性 粒径小于0 0 0 2 m m 的颗粒最少占到总质量的4 2 9 7 以上，特别是泉口工点红粘土 的粘粒含量高达5 2 8 ，呈分散性，因而胶体化学作用强，固化凝聚力高，属于高 塑性土。 ( 2 ) 高含水量，饱和度高，天然重度大。由表2 - 4 可知武广客运专线沿线红 粘土的含水量在3 3 - - - - 3 8 之间，而其饱和度高达9 5 以上，天然重度在1 8 8 1 9 4 y k n m _ 之间，这些值比一般的粘土都要高。 ( 3 ) 高强度，低压缩性。由表2 - 5 可知武广客运专线红粘土的快剪试验的粘 聚力达2 1 5 , - - , 3 7 2 k p a ，内摩擦角在6 6 - - 9 3 度，慢剪试验的粘聚力高达4 4 1 6 4 5k p a ，内摩擦角高达1 2 2 1 7 9 度。三个工点的压缩系数在0 1 2 一- - , 0 2 5 m p a 。1 之间，属于中一低压缩性土。而红粘土具有高含水量、高液限、高塑性的情况下， 同时又具有高强度和低压缩性的良好力学特性，这是红粘土与一般粘性土的最显 著区别。 ( 4 ) 收缩性明显但膨胀性轻微。失水后三个工点的原状红粘土的体缩率达 8 7 4 一j 1 8 4 0 ；浸水后多数膨胀性较弱，无荷膨胀率都小于2 5 。 ( 5 ) 孔隙比较大，三个工点的红粘土的孔隙比比一般的粘性土大，但是比我 国典型红粘土地区的贵州、广西等地方小，如表2 4 所示。这是由于红粘土的母 岩不同而造成的，武广客运专线红粘土属于石灰岩残积红粘土，所以它的孔隙比 在0 8 1 0 之间。 ( 6 ) 液塑比大，沿线红粘土的液塑比为1 8 2 5 如表2 4 所示，由于其值较 大，说明沿线红粘土具有失水后收缩再浸水膨胀的特点。而红粘土与其他膨胀土 不同，它遇水后膨胀量小，而失水后的收缩量大；特别是再失水而剧烈收缩后， 再浸水，则可产生较大的膨胀，甚至产生湿化和裂解等现象。红粘土的这种特性 对施工不利，如在气温高的季节，基槽或者边坡在开挖后，若不及时处理，则地 基表层干缩加剧而迅速龟裂，再加上红粘土具有竖向裂隙，水分能从深层蒸发出 来，使裂隙宽度加大，再遇雨水或者地表水入侵，地基反复湿胀、湿化，最后使 土的结构遭到破坏，承载力降低从而引起路基破坏【1 10 1 。 2 3 2 物理力学参数在空间分布上的特征l l l l l 武广客运专线红粘土是多成因的特殊土，这也就形成了其工程地质的各向异 性，主要表现在横向分布和垂直分布上。 ( 1 ) 横向分稚特征 受搬运、沉积过程的影响，残积红粘土的含水量、液限和抗剪强度都大于次 生红粘土，但是次生红粘土的透水性要大。反映在地貌单元上，不同地形地貌单 元上的红粘土的物理力学性质也有很大差异。平原上的红粘土的含水量、孔隙比、 1 9 中南大学硕士学位论文 第二章红粘土的t 程地质特性 液限和压缩系数要比谷地和洼地大。另外红粘土在平面上厚度变化较大，由于岩 溶发育区隐伏岩溶地貌的影响，使下伏基岩起伏大，导致上覆红粘土的厚度在水 平方向上变化大。根据武广客运专线现场勘测发现，有时水平方向相差1 米，厚 度却相差数米。 ( 2 ) 垂直分布特征 红粘土工程地质性质在垂直方向的变化比较鲜明，一般地说随深度的增加红 粘土的含水量随着增加，稠度状态逐渐从坚硬、硬塑、可塑过渡为软塑和流塑， 相应的含水率、孑l 隙比、压缩系数等也随着深度的增加而增大( 如表2 7 和表2 8 所示) ，地基强度随深度的增加由高到低，故红粘土在纵向上的变化是不均匀的。 根据武广客运专线地质勘测资料显示，在近地表3 6 米范围内，一般处于坚硬或 硬塑状态，其物理力学性质较好。在6 米以下，土体一般呈软塑状态，其物理力 学性质较差。 红粘土的裂隙沿垂直方向逐渐变小，通过现场勘测，从钻孔岩芯和开挖的基 坑壁上可以看出，红粘土中经常可见大量的裂隙。这种裂隙的特点是：上部裂隙 大往下逐渐变小。该类裂隙的成因，主要是由于红粘土的i 吸水作用使土层体积膨 胀，脱水作用使土体体积收缩这一往返过程反复作用所引起的。 表2 - 7 含水量随深度的变化 研究还表明，在液性指数较小的条件下，红粘土的胀缩性具有下层大于上层 的变化特点。这主要是由土层的含水量和物质成分所决定的。在剖面上，由于上 层红粘土中的氧化铁聚集和老化，使土的亲水性相比下层弱，因而膨胀性能较差， 而土的收缩性则主要是由于下层含水量大于上层之故。 2 0 中南大学硕士学位论文 第二章红枯土的工程地质特性 2 4 红粘土的工程性质 2 4 1 红粘土的压实性 虽然在上一节中，通过室内土工试验发现红粘土具有高液限、高塑性和孔隙 比大的物理性质，但是我们发现红粘土表现出了与上述物理性质相反的特点 低密实度，很难压实，表2 5 所示三个工点的压缩系数在0 1 2 0 2 5 之间属于低 压缩性土。造成红粘土低密实度，难压实的主要原因是红粘土的二级基本结构是 由小矿物组成的絮凝状团粒。这种团粒有其特殊性： ( 1 ) 它由较稳定的矿物组成，矿物本身的层问膨胀性不强，抗水性好。 ( 2 ) 组成粒团的矿物间结构连结力强，抗水、抗机械力性能好；水和一般的 机械力均不能将其破坏，必须加以定量浓度的化学分散剂才能使其分散。 ( 3 ) 粒团内有很多孔隙，造成了土的低密实度现象。然而，孔隙细小又因粒 团内连结力强而不变形，所以在一般工程力下其力学效应属“力学惰性孔隙”， 它只影响土的物理性质( 低密实度) ，而未影响其力学性质【1 1 2 】。 2 4 2 红粘土的胀缩性 遇水膨胀，失水收缩是武广客运专线沿线红粘土的一个重要特征。武广客运 专线沿线红粘土普遍具有不同程度的胀缩性，根据勘测资料和室