（岩土工程专业论文）红粘土的工程力学性质研究.pdf

中山大学硕士学位论文 摘要 红土是岩石在温暖潮湿的气候下风化而成，在我国南方分布面积很广，达2 0 0 万k 砰， 具有重要的研究意义。 红粘土是红土的一种，是由碳酸盐岩经过红土化作用而形成的，具有特殊的工程力 学性质。人们首先对红粘土风化过程、物质组分及其性质研究，认为物质成分是红粘土 力学性质的基础，并且发现了红粘土中游离氧化铁的重要胶结作用，这些可以归属为岩 土化学力学的范畴。然后，人们对红粘土微观结构进行研究，从而全面揭示了红粘土特 殊工程力学性质的机理。 然而，过去人们总是以原状土为研究对象，在国内几乎没有人对扰动红粘土的力学 性质进行研究。本论文以扰动后的红粘土为研究对象，采用土样一水溶液反应试验，将 击实重塑后的土样与去铁溶液反应，研究土体力学性质变化规律。 试验表明土样随着浸泡时间的增加，土体的抗剪强度不断减小，但是土体粘聚力与 内摩擦角的变化规律不一样；在压缩试验中，土体在常规压力作用下( 5 0 k p a 与3 0 0 k p a ) ， 压缩量呈现先增大后减小的变化规律，而在大的荷载压力下( 8 0 0 k p a ) ，土体的压缩量 呈始终增大的趋势；同时，土体经过化学反应之后，液限和塑限不呈规律变化。本论文 应用岩土化学力学观点，结合微结构理论，对试验结果进行了分析解释。并且对试验中 一个不成功的试验，分析了其失败的原因。 最后，文章论文论述了软粘土地基加固处理的工程应用。 关键词：红粘土化学力学微结构力学性质 中山大学硕士学位论文 r e s e a r c h0 nt h ee n g i n e e r i n gm e c h a n i c sp r o p e r e s 0 f t h e r e dc l a y m a j o r ：s o i lm e c h a n i c sa n de n g i n e e r i n g n a m e ：y a n b o s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rt a n gl i a n - s h e n g a b s t r a c t l a t e r i t ei sa w e a t h e r i n ga n dl e a c h i n gr e s i d u a ls o i li nt h ew a i m a n dm o i s te n v i r o n m e n t a l 1 t d i s t r i b u t e si nt h es o u t hi no u rc o u n t r y , t h ea r e ar e a c h2m i l l i o n sk m 2 t h el a t e r i t eh a ss i g n i f i c a n t r e s e a r c hs e n s e r e dc l a yi so n ek i n do fl a t e r i t e s ，i sl a t e r i t e db yc a r b o n a t er o c k s ，a n di th a ss p e c i a l e n g i n e e r i n gm e c h a n i c sp r o p e r t i e s a tf i r s t ，p e o p l eh a sr e s e a r c ht h ew e a t h e r i n gp r o c e s s ， m a t e r i a lc o m p o s i t i o na n di t sp r o p e r t y , c o n s i d e rt h a tt h em a t e r i a lc o m p o s i t i o ni st h eb a s i c r e a s o no ft h er e dc l a ys p e c i a lm e c h a n i c s ，f o rt h em o r e ，p e o p l ef o u n dt h ef r e ef e r r i co x i d ei st h e d e t e r m i n a t ec e m e n tf u n c t i o n ，t h e s eb e l o n gt oc h e m i c a l - m e c h a n i c sf i e l d n e x tp e o p l er e s e a r c h t h em i c r o s t r u c t u r eo fr e dc l a y , t h e r e b y , p e o p l ed i s c l o s et h ea c t i o na n dm e c h a n i s mo ft h es p e c i a l m e c h a n i c s p r o p e r t yo fr e dc l a y h o w e v e r , i nt h ep a s tp e o p l ea l w a y su s eo r i g i n a ls o i la sr e s e a r c ho b i e c t ，n oo n eh a s r e s e a r c ht h ed i s t u r b e ds o i la th o m e t h ep a p e ru s e st h ed i s t u r b e dr e dc l a ya sr e s e a r c ho b j e c t ， a d o p t i n gs o i l - a q u e o u ss o l u t i o nr e a c t i o ne x p e r i m e n t a t i o n ，p u t t i n gt h ec o m p a c t e ds o i ls a m p l e s i m m e r g ei n t ot h ee x t r a c t i o nf r e ef e r r i co x i d es o l u t i o n ，t h e nr e s e a r c h i n gt h ec h a n g ec h a r a c t e ro f t h em e c h a n i c sp r o p e r t i e s t h ee x p e r i m e n t a t i o ni n d i c a t e dt h a tt h es h e a rs t r e n g t hc o n t i n u o u s l yd e c r e a s e dw i t h i m m e r g et i m e ，b u tt h ev a r i e t yo fc o h e s i v ef o r c ei sd i f f e r e n tf r o mt h a to fi n n e rf r i c t i o na n g l e ，i n t h ec o m p a c t i n ge x p e r i m e n t a t i o n ，t h ec o m p r e s sq u a n t i t yi s i n c r e a s i n ga t f i r s ta n dt h e n d e c r e a s i n gu n d e rt h er e g u l a rp r e s s u r e ( 5 0 k p aa n d3 0 0 k p a ) ，f u r t h e r m o r et h ec o m p r e s sq u a n t i t y i sa l w a y si n c r e a s i n gu n d e ra ng r e a tp r e s s u r e ( 8 0 0 k p a ) ；m e a n w h i l e ，t h ec h a n g eo fl i q u i d - p l a s t i c l i m i to fs o i li sd i s o r d e r l y t h et h e s i sa n a l y s i sa n de x p l a i nt h er e s u l to fe x p e r i m e n t a t i o n sb a s e o nt h ec h e m i c a lm e c h a n i c sc o m b i n e dt h em i c r o s t r u c t u r et h e o r y , m o r e o v e rt h ep a p e ra n a l y z e s t h er e a s o no ft h ef a i le x p e r i m e n t a t i o n s a tl a s t ，t h ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o no ft h es o f tc l a yf o u n d a t i o nr e i n f o r c eh a sb e e n d i s c u s s e d k e yw o r d s ：r e dc l a y , m e c h a n i c sm i c m s t r u c t u r e ，c h e m i c a lm e c h a n i c s ，m e c h a n i c sp r o p e r t i e s l i 中山大学硕士学位论文 第1 章绪论 土力学中对土体力学性质研究历来都是最重要的研究课题，土力学的发展都是围绕 土体力学性质研究开展的，而且经过几十年的发展，由于人们对土体力学性质的不断认 识，以及研究手段的不断进步，传统的土体力学又出现了许多新的分支，例如，包括， 非饱和土力学、微结构土力学、弹塑性土力学、计算土力学、岩土损伤力学以及土体的 化学力学等等。 但土体不论是作为天然地基或是经过处理后作为人工地基，都是建筑的材料。作为一 种材料，要研究某种材料的力学性质首先必须充分认识这种材料的物质组成和物质成分。 土体本身具有复杂的多相性，土体的物性组成，是土力学不同于其他的固体力学的根本 原因。土体中的物质成分对土体的力学性质起到了决定作用，而且土体中的每一种物质 成分对土体宏观的力学性质影响是不一样的。因此，要充分认识研究土体的力学性质首 先必须认识土体的物质组成，回归到土体物性本身来研究。 其次，我们要注意到，土体由固、液、气组成，是一个复杂的物理化学体系，在土体 内部，这些物质相互作用并与所处的环境形成一个稳定的动态系统，使得土体表现为相 对稳定的力学性质。但是在外部环境改变时，或是当土体内部物质性质由于化学作用发 生变化时，土体的宏观力学性质也必然发生改变。因此可以说，土体的物质基础是土体 力学性质的内因，外界环境作用是诱发土体力学性质改变的外因，但是这种外界作用过 去总是局限的认为是外力机械作用，而忽视了外界环境的化学作用。 这两个方面都可以归纳为土体化学力学研究。在我国，相对于计算土力学等其他土 力学分支，土体化学力学的研究还比较薄弱。 红土是我国南方非常常见的土层，分布面积达2 0 0 万k 2 ，对其研究具有重要的工程 意义。红粘土是红土的一种，是我国规范规定的特殊的土类，其具有高含水率、高孔隙 比和高塑性，但却有较高的承载力和低压缩性等较好的工程力学性质，是较好的建筑物 地基。在云南、贵州等地，即使在某些孔隙l t 1 6 、含水率高达6 0 左右的红粘土地基 上修建高达6 7 层民用建筑楼房也不会有安全问题“1 。从红粘土的广泛分布和力学性质 来讲，深入研究红粘土的力学特性及其原因机理，具有重要意义。鉴于此，本论文以红 土中红粘土为研究对象，主要从化学力学理论深入研究红粘土的力学性质。 中山大学硕士学位论文 红粘土是红土中的一种，在风化过程，形成条件等方面，红粘土与红土具有很多共 性，所以这里详细论述有关红土形成的基本背景知识。 1 1红土的定义 红土是指母岩在温暖潮湿的气候下，经过复杂的物理化学风化作用而形成的土体。 随着人们对红土认识和研究的不断深入，特别是对红土风化过程的深入研究，学界对红 土的定义也不断修正。现在红土的定义更加广义化了，认为不论母岩为何种岩石，只要 经过“红土化作用”的形成的土，都可称之为红土，也称之为红色风化壳。1 。红土化作用， 是一系列物理化学风化作用的总称，关于红土化作用及红土的形成将在1 2 节中详细论 述。 红土广泛分布于在我国南方，包括西南，华南，华中，特别是在西南的云南贵州等 地，据初步统计，分布面积达2 0 0 万k m 2 。此外，由于古气候的变迁，在我国华北、东北 地区也见有大面积红土的分布。 1 2 红土化作用机理 关于红土化作用，有两种描述观点，一种是定量研究，一种是定性描述。谭罗荣。1 注意到在红土化过程中，物质成分变化最显著的是硅和铝元素含量的变化，他认为红土 化是一个“脱硅富铝铁”的过程，并提出了“脱硅率”，“富铝率”等定量指标，并且 用这些指标定量衡量母岩红土化程度，即硅铝比越小，红土化作用越强烈，且建议可采 用这三个指标对红土分类。 他将红土的硅元素的减小称为脱硅率，铝元素含量的增加称为富铝率。计算方法为， 脱硅率： r 。；塑! ! 型些垫尘掣丝! 竺盘兰x l o 慨( 1 ) 比。啊砑面矶了一” 富铝率： 取一唑气蚓铲枷咖 谭罗荣提出的这两个定量评价公式把母岩和成土两者的关系紧密地联系起来了，从 这个方面来说是很有意义的，而且谭罗荣根据实例得出了一些数据，如玄武岩的脱硅率 和富铝率分别为4 5 6 8 和8 3 一2 1 0 ，花岗岩的为4 4 4 7 和8 0 8 8 ，而碳 中山大学硕士学位论文 酸盐岩脱硅率高达7 8 8 5 ，富铝率为3 5 0 5 8 0 ，从数据上来看，碳酸盐岩的脱 硅富铝率最高，所以可以认为碳酸盐岩红土化作用最彻底，这与事实也是一致的。 但是由于母岩和成土的物质成分千差万别，而且，不同地方，不同年代的岩土体所 受外界环境干扰不一样。例如贵州某些地区发育的红土就受到岩溶作用的影响“1 ，所以这 种定量研究计算出来的是比较宽泛的范围值，计算结果仍然只能反映大致趋势。 笔者认为红土化作用研究最重要的是指明母岩在特定环境下的风化方向，定性的风 化规律研究更加重要，这也即是黄英等人同的定性分析方法。她们认为红土的形成可以分 为风化作用、团粒化作用以及成土三个步骤，具体分析如下： 1 2 1 风化作用 这是红土化的第一个阶段，母岩在潮湿温暖的气候条件下，将发生一系列复杂的风 化作用，在这种环境下母岩遭受异常强烈的物理风化作用，使得母岩及母岩中的矿物成 分发生机械破坏而产生裂隙，这些裂隙为母岩进一步发生化学风化提供了良好的空间。 在三大类岩石中较为常见的矿物可分暗色矿物( 黑云母、角闪石、辉石、橄榄石等) 、 浅色矿物( 石英、长石、白云母等) ，其他的成分还有含铁的硫化物( 黄铁矿、黄铜矿) 、 氧化物( 赤铁矿、磁铁矿) 和碳酸盐( 菱铁矿) 。在风化过程中，风化作用的产物由母 岩中的物质成分所决定。 岩石中暗色矿物最不稳定，容易氧化和分解，例如，黑云母在湿热气候条件下，因 其颜色较深，吸热性较强，所以容易产生机械破碎。另外，由于黑云母的解理缝与包裹 体矿物的接触面是抵抗化学风化的薄弱地带，尤其是丰富的f e ”含量，在气温高、降水量 丰沛的气候条件下，使黑云母较易风化成蛭石、埃洛石等次生硅酸盐矿物及游离氧化铁。 其中蛭石可以迸步风化，直接往高岭石和三水铝石的脱硅方向发展。其他的暗色矿物 也发生与上述相同或相似的风化作用而形成高岭石、埃洛石、绿泥石、游离铁、铝、硅 胶及大量的盐基、少量的针铁矿、磁铁矿、三水铝石等。 与此同时，岩石中的浅色矿物也因风化作用形成了相应的风化产物。譬如，正长石 在水解或碳酸化作用下将产生下列化学反应： 4 k ( a 1 s i 。0 。) + 6 h 。o = a 1 4 ( s i 。0 。) ( o h ) 。+ 8 s i o 。+ 4 k o h ( 3 ) 4 k ( a 1 s i a 魄) + 2 c 仉+ 4 h 2 0 = a 1 ；( s i 。0 。) ( o h ) 。+ 8 s i o 。+ 2 k 。c 仉( 4 ) 其他的一些浅色矿物( 斜长石、白云母等) 也将因风化作用形成高岭石、埃洛石、 伊利石、蒙脱石、三水铝石、呈胶态的s i o ：及盐基。 中山大学硕士学位论文 在上述风化作用的过程中，大量的盐基、部分的硅胶、少量的铁铝倍半氧化物产生 淋失，从而形成以高岭石矿物为主，含大量铁铝质、硅质的酸性水胶体。 以上分析的只是般意义上的风化作用机理，而影响红土形成的另外一个很重要的 作用也在同时进行，这种作用即是胶体的重组和凝聚。 1 2 2 微团粒化作用 在酸性水介质中，游离铁、铝胶质带正电，高岭石、伊利石、绿泥石等片状矿物的 基面带负电，其边角因缺损或同晶置换带正电，在静电力作用下，硅酸盐片状矿物面一面 首先以氢键( 伊利石、蒙脱石则以o 键) 叠聚成直径几十微米，厚几微米的微叠聚体( 李 景阳，1 9 9 5 ) ，再以面一铁( 铝) 质一面及边一面一边、面一边一面连接成多孔含水并为铁( 铝) 质包裹、表面粗糙不平、呈不规则形状的集合体，其直径一般为0 0 5 0 0 0 5 m m 。这种由 较强静电力作用形成的集合体( 也包括蛭石、埃洛石与游离铁铝质的包裹) 构成了红土 的基本团粒单元一结构单元体。此外，在酸性水溶液中，带正电的游离铁、铝质与带负电 的硅胶会吸附在一起，并各自又将因静电或离子交换作用而形成的双电层，通过结合水 连接形成胶团，这种胶团，便将结构单元胶结成较大的集合体“1 。另外，一些结晶矿物如 针铁矿、赤铁矿、三水铝石也可能因结晶作用而使结构单元体之间出现结晶连结。由此 便可逐级形成更大的集合体，从而形成高分散呈整体胶结状态的块状红土。 1 2 3 成土作用 由红土微团粒化作用形成的微细团粒，在固结压力作用下，将产生压密固结，由地 下水淋溶产生的游离铁、铝、硅等凝聚将产生胶结连接，从而形成现代意义上的具有不 同密实程度和胶结情况的红土，同时由于不断的淋蚀作用，基本团粒单元体的粒径可能 减小至0 0 0 5 m m 以下。 因此黄英等人根据上述三个步骤，定义典型的红土为：富含铁质的母岩在湿热气候 条件下经历了风化作用、微团粒化作用、成土作用三个完整的作用过程之后形成的以红 色为基色的土体。 1 3 红土的形成条件吲 红土是在特定的环境条件下形成的，但是国内关于红土形成的地质环境条件总结得 还不多，没有人专门对此研究过，勘察大师林宗元以丰富的勘察经验对红土形成的地质 环境条件作了简要的总结。 4 中山大学硕士学位论文 1 3 1 历史气候条件 红土是岩土( 或原土体) 在炎热湿润的气候条件下，经过长期缓慢而充分的物理、 化学风化作用，是经过红土化作用而形成的。随着化学风化分解淋滤作用过程的进展， 不稳定的各种氧化物被大量的淋失掉，而较稳定的铁、铝等化合物却显著的富集，这是 相对于淋滤作用的，可称为“淋积”作用。 在红土化过程中，虽然有的母岩( 或原土) 在化学成分和矿物成分极不相同，但由 于红土化作用的类同，它们化学风化分解的产物，特别是碳酸岩风化红粘土和玄武岩风 化的红粘土的化学成分和矿物成分，较为相似。所以虽然母岩成分不同，但说明在同样 的炎热潮湿的历史气候下，不同的母岩是可以形成物质成分类似的红土。 所以炎热潮湿的气候环境是形成红土的重要条件。 1 3 2地貌条件 红土主要分布于丘陵、盆地和河谷阶地以及缓坡的低山地区。这些地貌条件也反映 了上述气候区的影响。因为红土要经历比较强烈的风化作用，所以在地形平缓的台地、 阶地、低丘能够发育一定厚度的红土，而在陡峭的地形条件下，由于剥蚀作用的强烈， 不利于红土的发育，就算有发育，厚度也很小。 1 3 3 历史地质环境条件 从第四纪古气候的变迁来看，在中国的几个问冰期中，以大姑一庐山冰期的湿热化程 度最高，对红土化作用条件最为有利，因而这期间在我国南方地区促成不同母岩( 或原 土) 的中更新世( q 2 ) 红土的广泛分布。此外，我国华南热带地区，从晚第三纪以来，气 候条件也以温暖潮湿为主，所以还分布有晚第三纪和第四纪不同时期的红土。 1 4 红土的分类及其基本力学性质 尽管如前所述，不管母岩为何种岩石，经过红土化作用都能形成红土，但是由于不 同母岩的物质成分不一样，它们所发育形成红土的物质成分和含量也是有很大差别的， 红土的性质也就有很大的差别。目前，根据母岩种类不同来对红土进行分类是最为普遍 的一种方法，被人们广泛接受。 目前研究普遍认为发育成红土的母岩主要有三种岩系，即碳酸盐系，如灰岩、白云 岩、泥灰岩等、玄武岩系和花岗岩系，其他的还包括砂岩、泥岩、碎屑沉积岩，冲洪积 粘土( 后面将详述) 等发育形成的红土。这里就这四种红土进行描述，并且结合他们的 中山大学硕士学位论文 物质成分简单的概述各种红土的力学性质。就三种岩石来讲，碳酸盐系和玄武岩很少含 有抗风化的石英，风化成土过程非常相似，而花岗岩系含有一定数量的石英，它所形成 的红土物质成分较前两者有较大差别。 1 4 。1碳酸岩的风化及其所成的红土 碳酸盐类岩石所成的红粘土广泛分布于我国西南和中南地区，尤以贵州、广西、云 南分布最广。 碳酸盐岩是三类岩石中红土化作用最强烈，风化最彻底的一类。降水先是将岩石中 的钙、镁、碳酸盐岩溶蚀淋走，相对难溶的硅酸盐和硅铁铝氧化物残留并富集。由于排 水条件好，碱和碱土金属迅速排走，使得残留物所处的环境朝有利于不含碱和碱土金属 的高岭石类矿物结晶形成的酸性环境方向发展，高岭石类矿物也就逐渐形成。随着时间 的推移，一方面次生矿物( 高岭石等) 和粘粒的不断形成，另一方面是被吸附和富集的 胶体在一定的条件下，将形成次生的赤铁矿、针铁矿等晶态及无定形态的氧化物。高价 铁的存在，使土体呈红色。3 。 碳酸盐所成的红土粒度细而较均匀，粘粒含量5 0 8 0 ，其中 2 微米的胶粒占 4 0 7 0 ，“团聚性”明显，外观视为粉性土。红粘土的粘土矿物占土体重量的一半 以上，以高岭石和伊利石为主，少量绿泥石，有时含少量蒙脱石和混层矿物。碎屑矿物 主要为石英和针铁矿，少量三水铝石和岩屑。游离氧化物较多，硅铝比小，盐基成分含 量少，这是长期风化滤淋的结果。由于胶粒和伊利石含量较多，故红粘土的亲水性较强， 液限和塑性指数都较大，孔隙比普遍很大，内聚力较大，内摩擦角较小。同时红粘土无 荷载膨胀率均小于2 ，膨胀势很低，体收缩率为5 2 8 ，收缩性明显。1 。 1 4 2 玄武岩的风化及其所成的红土【1 0 l 玄武岩残积红土主要分布与广东雷州半岛及海南岛北部( 即雷琼地区) ，母岩为中 下更新世期的橄榄玄武岩。 玄武岩的s i 0 2 含量约为5 0 ，a 1 。魄为1 5 左右，硅铝比为2 5 4 0 ，主要矿物有 橄榄石、辉石、长石、铁矿石等，有时也含有角闪石、云母、石英等。由于玄武岩富含 硅酸盐矿物，钾、钠、钙、镁也较多，风化时，硅酸盐强烈分解，钙镁等盐基淋失的同 时，将带走更多的硅，与碳酸盐岩不同的是，玄武岩含有较高含量的硅、铝和较少的钙、 镁等盐基，风化生成次生矿物( 高岭石等) 时移走的物质较碳酸盐岩少，特别是长石类 6 中山大学硕士学位论文 分解时，移走的物质更少，基本可以原地重新结晶生成次生高岭石，这些矿物的生成受 外界干扰较小。 玄武岩红土粘粒含量一般为4 0 7 0 ，与红粘土一样，含较多粉粒，这也是由于 粘粒的团聚作用形成的假相。矿物成分主要为高岭石或埃洛石，三水铝石和针铁矿，含 少量石英和伊利石，同样游离氧化物较多，土体的亲水性弱，孔隙比很大，内聚力稍大， 内摩擦角稍小，无荷载膨胀率都 1 ，体收缩率为2 4 5 5 ，可认为无膨胀性，但 同样有中等收缩性。 1 4 3 花岗岩的风化及其所成的红土【1 0 l 由于花岗岩在南方广泛分布，故花岗岩红土广泛分布于华南各地，在福建，广东等 地都较为常见。 花岗岩的化学成分中，s i o 。的含量在7 0 左右，其矿物成分主要为硅碳酸盐长石、 角闪石等，还有云母、铁矿石。由于花岗岩中的石英含量是最多的，在风化过程中，使 得抗风化的石英矿物比较富集，成为骨架颗粒。因此花岗岩红土中的粗颗粒明显高于前 两类红土，而且红土的比重和密实度也最大。 花岗岩红土的主要成分为石英和高岭石，含少量伊利石、绿泥石、针铁矿，个别长 石、三水铝石和蒙脱石，硅铝比一般很小，盐基成分大部分淋失，含量很少。土体的亲 水性很弱，故塑性很弱，孔隙较多，但孔隙比没有碳酸盐红粘土的孔隙大，内摩擦角较 之大，内聚力也不小，花岗岩的红土无荷载膨胀率 l - 1 ，体收缩率 3 6 ，收缩性也 很小，所以可以不考虑花岗岩的胀缩性。 1 4 4第四纪堆积土所形成的网纹红粘土 在南方，各类成因的第四纪堆积土在适当的湿热条件下经过红土化作用也能形成“红 土”，这种红土零星分布于长江中下游，在湖南出现较多，江西也有这种红土，这种红 土有鲜明的网纹结构故称之为“网纹红土”。“。网纹红土含以高岭石和伊利石为主，土 力物理化学性活性差，所以同样有很高的强度和很高的水稳性，结构紧密，孔隙比较小， 网纹红土无荷载膨胀率1 9 5 5 ，体收缩率平均为2 ，所以网纹红土不必考虑膨胀 性或收缩性o ”。 1 4 5 四大类红土物质成分及力学性质统计表 在前面描述了四大类红土的基本特征，下面引用两张统计表“”，将这四大类红土的 物质成分，以及工程力学性质作一归纳。 7 中山大学硕士学位论文 8 删 水 珀 豳 缸 s s 已 皋 8 噼 一 扫匣 热 d 一 丑 踞 垲 悼 熙 鬟 蝾 删 m 抽 翟 s 黼 奄 州 悼 撂藻v g 腿 爵 v悼 窖 恒 雩s s 要絮 凶陋捌长婚证超随 ； 证 般 证 嗣蛙骠l衄 i 捌l枢 1 博h 番 州刊 蚓翊 州 糕 聪 释刊 蛹 刊 鼹锻据 架昶翊 匿 揠僖 释 挂椒 是 髓磐nn6i辑k诞孵v瑁露u秣求镁蟋霉h鼎脉k哥hh秣 中山大学硕士学位论文 表1 - 2 四大类红土力学指标统计表( 平均值) ( 据唐大雄1 9 9 2 修改) 含水量粘聚力内摩擦角无荷膨胀率体缩率 土类地区孔隙比 ( )k p a( o )( )( ) 江西2 8 o 8 33 62 51 52 7 花岗岩残积红土 福建3 0o 9 32 72 71 4 广东 2 8o 8 32 53 21 o1 8 雷琼 3 11 2 53 22 0 1 04 3 玄武岩残积红土 云南1 3 03 52 3 江西 2 40 8 87 02 43 11 0 8 广西3 81 1 1 6 52 0 o 9 8 4 红粘土 贵州 4 71 0 55 82 00 5 z i 甯4 41 3 05 02 10 5 江西 2 3 o 7 0 6 22 53 01 8 冲积网纹红土 湖南2 3o 7 3 7 2 2 8 从上表可以看出，由于母岩遭受强烈的风化和淋滤作用，四类红土的孔隙比较大，但 红土仍然具有较大的粘聚力，由此土体的抗剪强度也比较大。特别是碳酸盐岩所成的红 粘土，孔隙比都在1 0 左右，但是土体的粘聚力很大，土体力学性质较好，这是红粘土 特殊力学性质表现之一，下面将重点叙述红粘土的特殊力学性质。 1 5 红粘土的特殊力学性质 6 0 年代初，建筑工作者根据云贵高原碳酸盐类岩石上广泛分布的残坡积粘土地基建 筑性能，把这种高塑性、具有较高地基强度的地基土称为红粘土“。此后，我国学者和 工程师对这种红粘土进行了深入了研究，发现该土的工程力学性质与该土含水量高，孔 隙比大等指标相矛盾的特殊性，最早1 9 7 4 年将其作为特殊土列入地基基础设计规范 ( t j 一7 7 4 ) 和工程地质勘察规范( t j 一2 1 7 7 ) 。在我国岩土工程勘察规范( g b 5 2 0 0 2 1 - - 9 4 ) 5 2 1 条定义为，红粘土为棕红色、褐黄、覆盖在碳酸盐系之上，其液限等于或大 于5 0 的高塑性粘土，应判定为红粘土。红粘土经过搬运，沉积后仍保留其特征，且液 限大于4 5 的土，应判定为红粘土。红粘土应具有表面收缩，上硬下软，裂隙发育的特 征。 9 中山大学硕上学位论文 关于红粘土特殊工程力学性质可以总结归纳妻n - f 1 5 1 1 1 6 1 ： ( 1 ) 红粘土的界限含水量很大，红粘土的液限很大，红粘土具有很强的可塑性，规 范中说明红粘土的液限指数要大于5 0 ，说明可以富含大量的结合水； ( 2 ) 天然状态的红粘土的饱和度很大，一般红粘土的饱和度可达到8 0 ，有时甚至 达到8 5 以上，说明天然状态的红粘土赋水能力强； ( 3 ) 红粘土的孔隙比很大，一般土体孔隙体积大于土颗粒的体积，占土体体积的一 半以上，所以红粘土的孔隙比一般都大于1 ； ( 4 ) 虽然红粘土的孔隙比很大，但是红粘土的压缩系数很小，按压缩性标准判断， 属于低压缩性的土体： ( 5 ) 天然状态的土体直剪试验表明红粘土具有较高的强度，土体颗粒之间具有较强 的凝聚力，说明红粘土具有较好的力学性质： ( 6 ) 红粘土无荷载膨胀率均小于2 ，膨胀势很低，体收缩率为5 2 8 ，说明红 粘土收缩性明显，而可以不考虑红粘土的膨胀性； ( 7 ) 红粘土的天然重度要比一般的粘性土大。 简言之，红粘土含水量大，孔隙比大，液塑限高；而土体比重大，压缩性小，强度 高，并且收缩性和膨胀性不对称等这些都是红粘土的工程力学性质的“特殊性”。 1 0 中山大学硕士学位论文 第2 章研究进展及存在的问题 自1 8 0 7 年布切纳( f b u c h a n a n ) 以印度的马拉巴尔( m a l a b a r ) 山区发现这种红色致 密的粘性土并称之为“红土”( 1 a t e r i t e r ) 以来，红土这个概念己被地学、土壤学( 红 壤) 和工程地质学界广泛采用，各学界对红土的成因、物质成分、性质特新展开了广泛 的研究和讨论。3 0 年代以来，我国也有学者对红土展开多学科的研究，在工程地质界， 于1 9 8 6 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，这两次会议代表了 我国红土研究的最热时期“”。 红粘土是红土的一种，在土体形成过程和研究方法上，红粘土与红土有许多共性， 当然红粘土也有自身的特性。在研究进展中，很难将红粘土与红土截然区分开来，这里 就主要讨论红粘土的研究进展。 2 1国外的红土研究 b u c h a n a n ( 1 8 0 7 ) 在印度西部马拉巴尔地区首次发现并定义了红土。红土的英文单词 “l a t e r i t 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 地表都被红土覆盖，关于这个地区的红土形成、性质及剖面特征已经研究了一个多世纪 1 7 1 1 8 o 对于红土的研究，国内外是存在很大差异的。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、农林业、地质学等领域，而对红土的工程性质的研究 相对较少，本人在此领域搜索到的外文文献非常少，而我们国家对红土的研究主要集中 在地质和工程地质领域。所以这里重点讨论我国的关于红粘土工程性质的研究。 2 2 国内的红粘土的研究 在我国学术界，一般认为红粘土的研究是由贵州红粘土的建筑性能1 1 4 1 这篇论文 引起的。1 9 6 4 年在天津召开了第一届土力学及基础工程学术会议，在这次会议上，高岱、 袁玩，余培厚的会议论文贵州红粘土的建筑性能引起了与会人员的兴趣，这篇文章 描述了贵州地区常见的一种粘土的特殊工程性质，并且第一次用红粘土这个名词给这种 中山大学硕士学位论文 土定名，文章描述了该土具有含水量高，孔隙比大，但具有较高的力学强度和较低的压 缩性这一特殊性。红粘土的这种特殊性质引起了广大科研和工程技术人员的兴趣，此后 人们对其成因、工程力学性质等方面进行了广泛的研究。 正是由于红粘土具有较为特殊的力学性质，所以所有有关红粘土的研究也是集中围 绕它的特殊性展开的，可以说红粘土的研究是种解释性的研究，人们试图通过各种研 究手段和方法找出红粘土力学特殊性的原因，分析其特殊性的机理。 2 2 1红粘土的物质成分与力学性质研究 像其他材料一样，材料的力学特性首先是由材料本身的物质成分决定的，土体的力 学性质首先也是由土体的物质组分决定的，研究红粘土的特殊力学性质首先要从红粘土 的物质成分入手，红粘土的物质成分是决定力学性质重要因素。 廖义玲啪1 通过双目镜、x 射线衍射、扫描电镜等分析等研究手段，首先系统的研究 了贵州红粘土的物质组分，发现红粘土是由矿物碎屑，粘土矿物和游离氧化物三部分组 成：( 1 ) 红粘土中的碎屑矿物主要是石英，岩屑不多；( 2 ) 粘土矿物主要是绿泥石、 伊利石和高岭石三类，少部分红粘土土中含有蒙托石类的矿物，但含量也极少。虽然红 粘土中矿物主要是这三种，但是要注意各地方的红粘土由于母岩成分和风化过程不一样， 这三种矿物的含量有一定的差别，贵州红粘土含绿泥石最多，其次是伊利石，高岭石较 少，云南红粘土含高岭石多，伊利石与绿泥石较少； ( 3 ) 红粘土中的不定形物质主要是 三水铝石，而游离氧化物为游离氧化物硅、游离氧化铁、游离氧化铝。三种游离氧化物 的含量很高，一般占到红粘土重量的1 0 1 8 左右。 由此可知，红粘土的在历经红土化作用之后，矿物成分逐渐向性质稳定的矿物转变， 红粘土中的矿物以高岭石，伊利石等性质稳定矿物为主，这些矿物具有一定的亲水性， 表面吸附能力较强，所以红粘土具有较强的赋水性，这使得天然的红粘土赋有一定量的 水，使土体具有较大的饱和度。但是在红粘土中，不含或仅含有少量的膨胀土矿物，所 以从物质成分上决定了红粘土膨胀量不大，不是膨胀性土。 红粘土良好的力学性质很大原因是由于红粘土普遍具有较大的粘聚力，因此人们一 直以来对红粘土的粘聚力进行了深入的研究。在红粘土中的物质成分当中，人们发现含 量不多的游离氧化铁对红粘土的力学性质影响非常大，下面详细说明该问题。 在土壤学中【2 1 1 ，土壤中非硅酸盐形式的铁的氧化物及其水化物称之为游离氧化铁。 非硅酸盐形式，可以简单理解为铁的氧化物及其水合物的形式的铁都是游离氧化铁。在 1 2 中山大学硕士学位论文 结构上的特征是仅含f e 一0 键，不含f e 0 s i 键。在土中主要的存在形式有：赤铁矿( f e 2 0 3 ) 磁铁矿。 游离氧化铁按照结晶程度和存在的形式可分为结晶态游离氧化铁和非晶态游离氧化 铁( 也称无定形态) ，无定形态是没有结晶成矿物，不能产生x 射线衍射图谱的铁的氧 化物。 昆明水电设计院研究所的王继庄。”设计了红粘土的去铁试验，王继庄分别用粘土分 散剂( 氨水) ，去铁处理和机械法分散红粘土样，然后做对土体做粒度试验，对比分析 研究红粘土分散前后的粒度变化。红粘土经机械碾压，煮沸，浸泡后粒度分析试验表明， 土体中粘粒( 土颗粒直径 0 0 0 5 m m 团粒，并 且在宏观上使得红粘土颗粒具有一定的“粉土”性，而且他还发现形成的这种团粒，胶 结力很大，红粘土经过机械碾压都得不到粘粒，所以一般的机械力无法破坏红粘土的团 粒联结。 其后河北省科学院冯金良硕士o ”设计了母质土加铁试验，他根据结晶化学原理，可 溶铁盐水解形成f e ( o h ) 。胶体，无定形态的f e ( o h ) 。胶体在一定条件下可以形成针铁矿和 赤铁矿。冯金良在普通的粘性母土中加入可溶性的铁盐，在一定条件下，使之在土体中 形成铁的矿物，然后做土体力学试验。发现，游离氧化铁对土体抗剪强度有很大的贡献， 而且，一般这种贡献随其含量的增加而增加。虽然土体的矿物成分没有改变，但游离氧 化铁含量的增加并使得土体的塑性提高o “。 这两个试验非常直观反映了游离氧化铁对红粘土力学性质的影响，红粘土中游离氧 化铁胶结是土体粘聚力很大的主要原因，游离氧化铁对土体的强度贡献非常大。 后来人们继续研究红粘土中游离氧化铁的存在形式，连接方式及其影响。 孔令伟。”用化学力学研究方法，采用去铁水溶液一土体浸泡反应，发现在红粘土中， 并非所有的游离氧化铁都发挥了胶结作用，而是仅有3 0 左右的游离氧化铁充当胶结物 质。 关于游离氧化铁的胶结机理，程昌炳等人啪“州进行了非常深入的研究，他们利用人 工制备的针铁矿与商品高岭土反应胶结，利用穆斯堡尔谱和电子能谱证明了针铁矿与高 中山大学硕士学位论文 岭土之间存在化学键连接，并且认为这种化学键是氢键啪1 。他们的研究揭开了游离氧化 铁的胶结机理。 以上是从红粘土的物质组成来分析红粘土的力学性质，稳定的粘土矿物使得红粘土 具有稳定的水理性质，少量的膨胀矿物，使得红粘土表现为微弱的膨胀性；游离氧化铁 的胶结使得红粘土具有很大的粘聚力，使得红粘土具有较高的强度，较低的压缩性，表 现为土体宏观力学性质较好；游离氧化铁的胶结使得土体具有一定的结构强度；同时， 游离氧化铁的存在也使得红粘土的比重较大，而且铁质矿物还具有一定的着色，使得红 粘土呈现红色。 v a 上仅是从土体的物质成分来分析红粘土力学性质，但红粘土是典型的结构性粘土， 要深入研究红粘土的力学性质，还必须研究红粘土的微观结构，只有深入研究红粘土的 微观结构才能全面的解释红粘土的“特殊性”。 2 2 2红粘土的微结构与力学性质研究 土体的微结构概念最早由土力学鼻祖t e r z a g h i ( 1 9 2 5 ) 使用，w l k u b i e n a ( 1 9 3 8 ) 在论文中给土体微结构下了定义，他用组构一词来描述土体的基质和骨架的排列及其相 互关系，后来人们发现了土颗粒间存在着多种联结形式，于是r a y m o n d ，t u n c e r 和k u t a y 等( 1 9 7 5 年) 将土颗粒的连接归纳为土体微结构范畴。 在我国，陈宗基( 1 9 5 7 ) 应用x 射线衍射仪和偏光显微镜对矿物的定向排列进行了 测试工作，提出了粘性土三维网络模型，标志着我国土体微结构研究的开始。到了8 0 年 代中期随着两次土体结构学术会议的召开，土体微结构研究在我国达到高潮。其后，我 国学者结合我国特殊土，利用微结构理论解释特殊土的工程力学性质方面取得了很大的 进展。9 0 年代末，沈珠江m 1 ，胡瑞林。，施斌。”等人又将土体微结构的研究提到了 新的高度，不仅认为微结构土力学是土力学新的分支，而且认为土体微结构研究是土体 学在2 1 世纪发展的新的动力。就微结构定义上讲，现在国内一般采用高国瑞的定义1 ， 认为土体微结构内容包括，土体基质( 即岩屑，矿物等骨架物质) ，胶结物质( 即在土 颗粒连接中起到胶结作用的各种物质) ，和土体孑l 隙特征三个方面( 包括土体中的孔隙 大小，形态，连通状态等) 。为了直观表达微结构特征，引用石水玉等人。”的扫描电镜 照片作说明。 1 4 中山大学硕士学位论文 图2 - 1 土体微观结构与扫描照片( 石水玉等。2 0 0 3 ) 高国瑞。”首先分析了我国红土的微观结构，分析了红土普遍的微观结构。廖义玲等” 采用扫描电镜，微区能谱分析比较详细全面的分析了红粘土的微观结构，并且用微结构 理论很好的解释了红粘土的特殊工程力学性质。 1 、红粘土的基本结构单元 基本结构单元构成土体骨架一部分，它作为一个整体独立的参与力学活动。在红粘 土中，基本结构单元有两类：一是由粘土矿物组成的矿物团粒，另外是由残余的岩石碎 屑如石英等。其中，在红粘土中粘土矿物团粒占主要部分，对土体的骨架及红粘土的力 学性质起决定性影响。 2 、粘土矿物团粒及其性质 红粘土的矿物团粒由几十至几百个粘土矿物片集聚而成，外形为球形、椭球形、或 不规则形状。团粒直径为1 b u m ，有的可达到l o u m 以上。由于粘土矿物是扁平状的， 所以团粒中矿物的连接方式有四种类型，粘土矿物面一面连接方式，边一面连接，或是 面一面与边一面连接的组合方式以及少量不稳定的边一边连接方式。团粒内部的连结由 静电引力、范德华力、及少量的游离氧化物胶结将许多的矿物片集合成一个整体，这种 连结是稳定的1 。 矿物团粒由许多粘土矿物集合而成的多孔隙微结构基本单元，与母岩残余碎屑或石 英矿物，共同组成红粘土的基本骨架。红粘土的团粒是非常稳定的，一般的机械碾压， 中山大学硕士学位论文 或是浸泡、煮沸，仍然不能破坏这种团粒结构，得不到到粘粒粒径的土颗粒锄1 。高国瑞恤1 对夯实前后的红粘土进行扫描电镜观察，发现团粒在夯实前后并没有发生破坏或明显的 变形，其后廖义玲等人嘲采用x 射线束轰击团粒，结果使得团粒发生整体的位移，但团 粒本身完好无损。这三个试验结果说明了红粘土的团粒内部的连结是十分牢固的，团粒 本身强度很高，一般的工程荷载或机械力( 3 0 0 5 0 0 k p a ) 无法破坏，因此矿物团粒作为 一个整体参与土体力学活动，土体的剪切破坏，是由于团粒之间的结构连结的破坏，而 不是团粒本身的破坏，因此土体的强度也就是团粒之间的连结强度口9 1 。 3 、团粒问的连结及其性质特征 团粒结构是红粘土的基本骨架，而团粒间的连结作用将这些团粒连接起来，使得土 体具有一定的强度，否则如果没有团粒间的连结，那么土颗粒则变为盘散砂。 据扫描电镜观察，红粘土团粒间的连结( 或胶结物) 是一种浅色的絮状物，它分布 于团粒表面，并在团粒表面生长，这种在团粒表面的生长，形成了游离氧化铁的“包膜” 特征，游离氧化铁的“包膜”对红粘土的许多力学性质具有重要影响1 。 红粘土具有膨胀性小，收缩量较大的胀缩不平衡性，这是正因为游离氧化铁的存在 形式决定的，由于游离氧化铁在团粒表面是以“包膜”形式存在的，所以。游离氧化铁 的包膜形式，很大程度上抑制了红粘土的膨胀性。 红粘土的团粒之间这种游离氧化物的胶结连结，比传统的散体结构连结，或依靠其 他粘土粘结物质、水化膜连结的土体强度明显增大，在上一节中已经论述了游离氧化铁 的胶结作用。 4 、红粘土孔