（地质工程专业论文）红粘土固结变形特征及其形成机制的研究——以黔中地区为例.pdf

摘要 摘要 红粘土为碳酸盐岩系岩石经历红土化作用而形成的高塑性粘土，是中国南方 广泛发育的区域性特殊土，具有较特殊的工程性质。依据土质学及土性分析原理， 红粘土工程性质的特殊性决定于土体特殊的成分和结构。从地质、地理学的角度 来看，目前的红粘土是古环境动态演化至今的结果，土体所具有的一切性质，特 别是工程性质，是在土的形成过程中产生、土的发展过程中演变的。 贵州是中国红粘土的主要分布区域，同时也是世界上典型的岩溶发育区。论 文以贵州红粘土的固结变形特征为切入点，结合贵州区域地质特征及地质、地理 发展史，系统地研究了成因、成分、结构对土体固结变形的控制机理。 经试验研究发现，红粘土具有较一般粘土或其它红土特殊的固结变形特征： 、具有高孔隙性的同时却具有中压缩性；、红粘土是超固结性的，但同时又 是高孔隙性的；、红粘土的超固结性主要是由非重力因素引起的；、土体剖 面上部固结程度好，下部固结程度差。这几个固结变形特征均与传统土力学理论 相悖。经进一步研究认为，红粘土中主要的矿物为片状粘土矿物，形成了大量粘 土矿物团粒，团粒内部粘土矿物间连结力很强，具有网性，使得团内的众多孔隙 在一般工程力范围下成为惰性孔隙，因而形成了高孔隙特征，但团垃内部牢固的 连结及团粒问的游离氧化物胶结使红粘土具有较高的结构强度，故而土性又表现 为超固结性及中压缩性。同时，红粘土经历了岩溶作用与红土化作用，最终形成 了特殊的固结反剖面特征。 关键词：红粘土，固结变形，成分结构，成因，先期固结压力 a b s t r a c t a b s t r a c t r e dc l a yi st h eh i 曲p l a s t i cl i m i tc l a ys o i lt h a ti so r i g i nf r o mt h ec a r b o r n a t er o c k w h i c hu n d e r w e n tt h el a t e r i z a t i o n i ti sr e g i o n a ls p e c i a ls o i la n dd i s t r i b u t e di nt h es o u t h o fc h i n a i t se n g i n e e f i n gp r o p e r t yi sv e r yp e c u l i a r b a s e do nt h et h e o r yo fs o i l b e h a v i o lt h ep e c u l i a rc h a r a c t e ro fe n g i n e e r i n gp r o p e r t yo fr e dc l a yi sd e t e r m i n e db y t h es p e c i a lc o m p o n e n ta n ds t r u c t u r eo fs o i lm a s s a c t u a lr e dc l a yi st h er e s u l to ft h e d y n a m i ce v o l v e m e n to f a n c i e n tc i r c u m s t a n c ef r o mt h e a l l 【百e o fg e o l o g ya n d g e o g r a p h y a l lp r o p e r t yo fs o i lm a s si sp r o d u c e df r o mt h es o i lf o r m i n ga n di se v o l v e d i ns o i lp r o c e e d i n g g u i z h o up r o v i n c ei st h em a i nr e dc l a yd i s t r i b u t i n gr e g i o ni nc h i n aa n di st h et y p i c a l k a r s td i s t r i b u t i n gr e g i o ni nw o r l d t h i sd i s s e r t a t i o ni sb e g u nf r o mt h ec h a r a c t e r i s t i co f t h ec o n s o l i d a t i o na n dd e f o r m a t i o no fr e dc l a y c o m b i n e dw i t ht h ep h y l o g e n yo f g u i z h o ug e o l o g ya n dg e o g r a p h ya n dg u i z h o ur e g i o n a lg e o l o g i e a lc h a r a c t e r i s t i c , t h e r e a s o nt h a tt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ec o n s o l i d a t i o na n dd c f o r m a t i o no fr e dc l a yi s c o n t r o l l e db yt h ep r o c e s so fs o i lf o r m i n ga n dc o m p o n e n ta n ds t r u c t u r ei sr e s e a r c h e d b yt h en u m b e r si nt h i sd i s s e r t a t i o n i ti sf o u n db ys o i lt e s tt h a tr e dc l a yh a ss e v e r a ls p e c i a lc o n s o l i d a t i o na n dd e f o r m a t i o n p r o p e r t y , t h a ti s ：1 ，r e dc l a yh a sh i g hv o i dr a t i ob u th a sm i d d l i n gc o m p r e s s i b i l i t y ；2 ， r e de l a yi sp r e - c o n s o l i d a t i o nb u th a sh i g hv o i dr a t i o ；3 t h ep r e c o n s o l i d a t i o ni sm a i n l y a r o u s e db yn o n g r a v i t a t i o n ；4 ，t h ed e g r e eo fc o n s o l i d a t i o ni nt h er e dc l a yp r o f i l ei s g o o di nt o pa n di sf e e b l e n e s si nb o t t o m t h e s es p e c i a lc o n s o l i d a t i o na n dd e f o r m a t i o n p r o p e r t ya r c ：i no p p o s i t i o nt ot h et r a d i t i o n a ls o i lm e c h a n i c a lt h e o r y a f t e ra d v a n c e d s t u d y i n g , i ti sr e c o g n i s e dt h a tt h em a i nm i n e r a li nr e dc l a yi ss h e e tc l a ym i n e r a iw h i c h f o r m e dl o t so fc l a ym i n e r a la g g l o m e r a t e t h ei n t e r l i n ka m o n gc l a ym i n e r a l si n a g g l o m e r a t ei sv e r ys t r o n ga n di sr i g i d i t y i tm a d e at h r o n go fv o i db e i n gi n e r t i av o i d s or e dc l a yh a st h ep r o p e r t yo fh i g hv o i dr a t i o b u tt h es t r o n gi n t e r l i n ki na g g l o m e r a t e a n dd i s s o c i a t e do x i d ec e m e n t a t i o na m o n ga g g l o m e r a t e sm a d er e dc l a yh a sh i g h s t r u c t u r e i n t e n s i t y , s o r e d c l a y i s p r e - c o n s o l i d a t i o n s o i la n dh a s m i d d l i n g c o m p r e s s i b i l i t y r e dc l a yc a m et h r o u g hk a r s ta n dl a t e r i z a t i o n ，a n d t h e s p e c i a l c o n s o l i d a t i o np r o f i l ew a sf o r m e di nk a r s ta n dl a t e r i z a t i o n k e yw o r d s ： r e dc l a y ,c o n s o l i d a t i o na n dd e f o r m a t i o n ， c o m p o n e n ta n ds t r u c t u r e ， t h ep r o c e s so fs o i lf o r m i n g ；p r e - c o n s o l i d a t i o np r e s s u r e i l 前言 前言 红粘土( 也有学者称之为碳酸盐岩红色风化壳) 记录着气候和环境的变化，同时具有较 突出的地球化学敏感性、生态环境脆弱性和特殊的工程地质性质。多年来，诸多学者带着不 同的目的对这种土类进行过研究。地质、地理学家着重研究红粘士的地质历史、地球化学过 程以及环境动态演化；工程地质人员从工程实用的角度研究其1 二程地质性质，尤其是物理 力学性质；土质学家主要注重其物质成分和结构特征。 贵州地区是红粘土广泛分布的区域。随着此地区的经济发展和工程建设的日益壮大，对 红粘十工程性质的研究越来越多也越来越深不过，对红粘土工程性质的研究范围如同其 它土类的研究范围一样主要限于其物理力学性质。 其实，红粘土作为自然界的一种天然物质，是环境中各种因素综合的产物。现阶段的红 粘十是古环境各因素演化至今的表现。在研究其工程性质时，不应仅仅研究其物理力学性质。 随着土质土力学中对土的工程性质影响因素的研究和分析的深入，微观物质成分和结构决定 土体的宏观力学性质这一观点已逐渐被广大学者所接受。同时，在研究土体的力学性质、物 质成分和结构的同时，也不应与成土演化过程割断开来。正如沈珠江院士指出的那样，2 1 世纪的土力学是土体微观结构力学，也如高国瑞先生所讲的那样，土的成分和结构本身又不 是一成不变的，而是在土的形成过程中产生、土的发展过程中演变的。 因此，本论文从始至终都贯穿着这样的思路：、土力学与土质学相互结合；、土质 学与地质、地理学相互渗透；、土的力学性质处于开放动态系统之中，是受地质环境影响 并在一定的时空下所表现出来的特性。 论文从贵州红粘土固结变形特征入手，结合贵州的区域地质演化历史，系统地研究成土 过秸! 微观物质成分、结构宏观固结变形特征。具体章节安排如下： 第一章主要介绍选题的依据、研究内容、意义及国内外研究现状；第二章阐述了红粘土 的i 罨哦地质、地理背景是下文分析成分、结构以及成因的预备知识：第三章主要结合室内 固结试验研究了红粘土固结及变形特征，为论文的主要内容之一；第四章主要结合红粘土的 矿物成分分析、化学分析试验和粒度分析试验，探讨了红粘土的物质成分和结构特征及其对 宏观固结变形的控制作用，另外结合三轴试验分析了红粘土的结构强度及应力应变特征。第 五章主要从发展的观点，论证了红粘土的成土过程对其固结变形特征的影响。 论文得到了国家自然科学基金项目( n o 4 6 3 0 2 0 0 1 ) “贵州山区石质荒漠化与生态环境 重建机理的研究”的资助。此外，论文的选题、研究工作的开展和实掩，以及论文的撰写， 始终部得到了导师的悉心关怀、精心指导和严格要求，论文凝聚了导师辛勤的付出。谨以此 论文献给尊敬的导师廖义玲教授! 牟致 惫 扣毒、叶 了噬璩了成 第一章绪论 第一章绪论 红粘土在工程地质界被定义为【1 1 ：“红粘土为碳酸盐岩系的岩石经红土化作 用形成的高塑性粘土。其液限一般大于5 0 ，红粘土经再搬运后仍保存其基本特 征，其液限大于4 5 的土为次生红粘土。红粘土广泛分布在南方的碳酸盐岩系地层 上，其中贵州是主要的分布区。作为贵州建设和生活的主要土类，红粘土与人类、 环境有着密切的联系。” 为此。贵州省建设厅出台了地方标准1 2 ，规定：“颜色为棕红、褐黄，覆盖 于碳酸盐岩系之上，液限大于或等于5 0 的高塑性粘土判定为红粘土。红粘土具 有失水收缩、裂隙发育、上硬下软的特征。红粘土经搬运、沉积后仍保留其特征， 且液限大于4 5 的土，判定为次生红粘土。” 1 1 研究现状及选题依据 从1 8 0 0 年在印度德干高原发现红土以来，红土研究在世界上已有2 0 0 多年 的历史【3 】。虽然是这样，但红粘土一词作为红土中的一类正式出现则是在2 0 世 纪6 0 年代初期，并且是从我国工程地质界提出的。红粘土这个土类名称的正式 出现是与贵州红粘土的建筑性能【4 】一文的发表联系在一起的1 5 】。 红粘土是区域性特殊土，是碳酸盐岩在湿热气候下形成的红土，与其它红土 相比，既有红土的共性，又有自身特性，属于红土中的一个亚类。 四十多年来，红粘土的研究取得了令人瞩目的成就。研究的领域不断拓宽， 涉及到红粘土的基本物理性质，水理性质，物质成分，结构特征，地质成因，特 殊工程地质问题及环境工程地质问题等方面。一致认为红粘土具有高粘粒含量、 高孔隙性、高含水性，共同认识到红粘土具有物理性质差，但力学性质较好的特 殊性。 其中，关于红粘土的成因是较新的研究内容，也是争议较多的课题。屈儒敏 ( 1 9 8 7 ) 1 6 】等认为是“岩溶堆积”成因，而张庆云( 1 9 9 1 ) 【7 】，李景阳( 1 9 9 8 ) 【8 1 等则持交代作用的观点。王世杰( 2 0 0 2 ) 1 9 】【1 0 】，冯志刚( 2 0 0 4 ) 1 t 喀人认为红 粘土的物质来源是碳酸盐岩的酸不溶物质，而符必昌( 2 0 0 3 ) 【1 2 】则更倾向于碳酸 盐岩上覆红土是由非碳酸盐岩母岩风化而成。另外，红粘土的微观研究和工程性 质研究得比较多，具代表性的有袁玩( 1 9 8 3 ) 1 1 3 l 等人的观点。 但将宏观工程性质与微观特征及成因联系在一起作为一个整体来研究，将红 粘土的土质特殊性与土体特殊性结合起来研究，并用成因土质学的观点分析成土 贵州大学2 0 0 6 届工学硕士学位论文 全过程及其对微观物质成分、结构的影响，用近代土质学的观点分析微观成分结 构与力学性质之间的相互关系，并深刻地揭示红粘土诸多特殊性形成的本质，这 方面的报道还不多见。这是一种全新的思维和分析方法。 1 2 主要研究内容、思路及意义 基于论文的主要目的是以贵州红粘土的固结变形特征为切入点，结合贵州区 域地质特征及地质、地理发展史，系统地研究了成因、成分、结构对土体固结变 形的控制机理。故论文的主要内容有如下几点： 1 、通过室内固结试验，揭示红粘土固结特征和变形特征： 、 2 、对土样进行粒度试验分析、矿物光学显微镜观察、扫描电镜照片分析和 化学试验分析，探讨红粘土的微观物质成分、结构特征； 3 、对土样进行三轴压缩试验，分析红粘土的结构强度及应力应变关系； 4 、从微观成分、结构特征的角度，阐述红粘土的超固结性， 5 、从微观成分、结构特征的角度，解释红粘土具有低压缩性的同时却具有 高孔隙性的原因； 6 、根据贵州区域地质、地理历史以及红粘土地球化学演化特征，分析红粘 土特殊的成土过程。 7 、从红粘土成因的角度，研究红粘土微观物质成分和结构的形成； 8 、通过红粘土成因的研究，指出红粘土“上密下疏”的反剖面土体特征的 形成机制。 论文总的指导思想：红粘土的性质是一种开放体系，处于动态系统之中，现 阶段看到的红粘土是古环境演变至今的暂时的现象，其性质必将随着时间的推移 而发生改变，而且会永远的改变下去。研究红粘土的工程性质必须将土力学与土 质学相结合，土质学又必须在地质学、地理学中发展，土力学与土质学、地质学、 地理学紧密渗透是一种方向，也是一种必然。 论文具体的研究思路、路线见图1 - 1 。 本论文的研究不仅具有理论上的意义，而且具有实际应用价值。通过对红粘 土固结变形的微观研究及成因机制的分析，揭示微观成分结构、成土过程对红粘 土宏观力学性能的控制作用，从本质上解决红粘土固结变形特殊性的形成机理， 从而促进对红粘土的认识，更进一步了解红粘土工程性质，更好地掌握、利用红 粘土。另外，对于贵州脆弱的岩溶生态环境保护及建设也有一定的参考价值。 2 第一章绪论 殛宜星路。星邀 1 3 文献综述 图1 - 1 论文研究思路、路线图 f i g 1 - 1t h er o u t e a n dt h i n k i n go fd i s s e r t a t i o n 虽然红粘土在中国南方有着广泛的分布，但关于红粘土的研究主要集中在贵 州、云南和广西三个省份的科研院所、高校和工理单位，以及武汉的中科院岩土 所等。 红粘土的研究历史中较有代表性的事件主要有：1 9 6 4 年贵州红粘土的 建筑性能一文发表，标志着红粘土一词的正式出现；1 9 7 4 年、1 9 7 7 年将红 粘土作为一种特殊土分别列入“工业与民用建筑地基基础设计规范”( t j 7 - 7 4 ) 和“工业与民用建筑工程地质勘察规范”( t j 2 1 7 7 ) ；1 9 8 6 年、1 9 9 1 年分别在 长春、贵阳召开了首届全国红土工程地质研究座谈会和第二届全国红土工程地质 研讨会；2 0 0 4 年贵州人民出版社出版了专著贵州碳酸盐岩红土。 根据以上四个标志性事件，可以将红粘土的研究历程划分为三个阶段：第一 阶段( 6 0 年代末至7 0 年代末) ，为红粘土工程性质研究的初始阶段。此阶段的 研究主要集中在基本物理力学性质方面，解决工程上出现的基本问题。第二阶段 ( 7 0 年代末至8 0 年代末) ，为红粘土研究的发展阶段。此阶段的研究在深度上 和广度上均取得了很大进步。研究的范围涉及到红粘土的物质成分、微观结构、 3 贵州大学2 0 0 6 届工学硕士学位论文 成因以及特殊的工程特性。第三阶段( 9 0 年代初至今) ，为红粘土研究的继续发 展阶段。不过此阶段的发展很缓慢，发表的成果多是对成因的争论。 由于经济条件和研究设备等因素，理论研究特别是红粘土的物理数学描述没 能取得突破。另外，研究成果在转化为实际应用上也存在遗憾。 结合论文研究方向，综合叙述前人的研究成果，大致可以分属于工程地质性 质特性、物质成分结构和成因等方面。 1 3 1 工程地质性质 红粘土具有高含水量、高孔隙比、高分散性、高塑性等不良的物理特性，但 同时具有低一中压缩性、较高地基强度的良好力学性质和建筑性能。对红粘土的 这一特殊工程地质性质的认识，可以在很多文献中得到反映。其中，高岱、袁玩 ( 1 9 8 3 ) 的文章中国红粘土的岩土工程性能可以视为这一特性的完整总结。 1 3 2 物质成分和结构 对红粘土物质成分研究的文章很多，但结论都大体一致，在此仅列一二作为 代表。屈儒敏( 1 9 8 1 ) 等采用多种测试手段进行综合分析，得出红粘土的矿物成 分是以高岭石、伊利石和绿泥石为主，含多水高岭石、三水铝矿、云母、游离氧 化铁及少量的针铁矿等。廖义玲等( 1 9 9 1 ) 通过加分散剂对红粘土的粒度成分进 行研究，发现粘粒含量大于6 0 以上。李景阳等( 1 9 9 1 、1 9 9 5 、1 9 9 7 、1 9 9 8 ) 研 究了遵义和安顺两处的红粘土剖面后认为，s i 0 2 是红粘土中主要的化学成分，含 量为2 3 6 8 ，a 1 2 0 3 和f e 2 0 3 的含量分别为1 2 - 3 7 和3 3 - 1 2 ，c a o 、m g o 、 k 2 0 和n a 2 0 含量较小。 由于扫描电子显微镜、x 射线衍射、能谱分析、红外光谱分析、差热分析等 科技手段的引入，红粘土的微观成份结构研究取得了大量的成果。 廖义玲，余培厚等( 1 9 9 4 ) 经研究认为，红粘土微观结构可以划分为两个层 次：、主要由粘土矿物粒团组成的基本结构单元；、基本结构单元通过胶结 连接构成复杂的总体结构。粘土矿物粒团的排列形式主要有叠聚式、片架式、辐 射式等。忽略一些细节，将红粘土微结构加以概化，提出了红粘土微结构概化模 型。 李景阳等( 2 0 0 2 ) 根据扫描电子显微镜( s e m ) 和x 射线能谱( e d a x ) 分 析，认为残积红粘土具有叠片状、絮凝状、粒斑状、斑状、斑块状、球粒状等结 构。 高国瑞、冯金良等( 1 9 9 0 ，1 9 9 1 ，1 9 9 4 ) 较为详细地研究了红土中结构连接 物游离氧化铁的作用及其机理：孔令伟等( 1 9 9 3 ，1 9 9 5 ) 研究了不同形态的游离 4 第一章绪论 氧化铁对结构及工程性质的影响，并通过除铁试验指出游离氧化铁起胶结作用的 只是其中的一部分，其含量可以通过动态化学选择溶解法确定。 1 3 3 物质来源及成因 关于红粘土的物质来源及成因研究，存在着较大的争议，主要观点如下： 屈儒敏( 1 9 8 7 ) 提出，红粘土的成因是“岩溶堆积”成因，碳酸盐岩彻底溶 蚀，可溶盐被水流带走，不溶物质演化为粘土矿物。 张庆云等( 1 9 9 1 ) 认为，碳酸盐岩在岩溶作用下形成溶孔和溶洞，由水源携 带大量的粘粒及溶解物质进入溶孔和溶洞，经筛选和沉积作用而停留，最终代替 了碳酸盐岩，即碳酸盐岩粘土化，经红土化作用形成红粘土。 。 李景阳等( 2 0 0 2 ) 认为，残积红粘土是原地经地下水溶蚀一交代作用的产物， 地下水是碳酸盐岩中c a 、m g 等可溶性物质溶出和新生粘土矿物的化学组分s j 、 等携入的载体，交代过程是经由母岩一溶滤层一红粘土缓慢转化的地球化学 过程，由母岩到红粘土是等体积的转化，红粘土中保留了母岩的结构特征。 王世杰，孙承兴等( 1 9 9 9 、2 0 0 2 ) 经过对红粘土进行土壤物理学、矿物学和 地球化学系统研究，认为碳酸盐岩中酸不溶物质是红粘土的主要物质来源，碳酸 盐岩风化成士分为两个阶段，即以碳酸盐矿物大量淋失、酸不溶物质逐渐堆积或 残积为特征的早期阶段和残积物进一步风化成土的阶段，后一阶段的演化类似非 碳酸盐类岩石的风化过程。 符必昌，黄英( 2 0 0 3 ) 认为碳酸盐岩上覆红粘土并不是“碳酸盐岩风化壳”， 而是非可溶性岩石经复杂的地质作用在碳酸盐岩古岩溶面上形成的特殊土体，其 形成的模式主要有两种：、堆积在古岩溶面沉积基床上的非可溶性岩石，经红 土化作用后可全部或部分形成红粘土；、碳酸盐岩分布区以外的非可溶性岩石 经红土化作用形成红粘土物源，同时，可溶性碳酸盐岩在较弱的岩溶作用下形成 一些难溶物质，它们经搬运后在古岩溶面上形成红粘土堆积。 廖义玲( 2 0 0 4 ) 认为红粘土成土过程主要经历两个阶段的地球化学作用。第 一阶段是母岩碳酸盐岩系地层经历的岩溶作用，岩溶作用将碳酸盐岩的结构彻底 破坏，岩石中占绝对优势的可溶性成份流失，剩余的不溶物质堆积起来。在这个 阶段中，岩溶残余堆积物质可以是就地堆积的，也可以是经过搬运后在岩溶负地 形中堆积的。堆积物的特征是疏松、多孔的，类似于现在的红粘土剖面上岩土过 渡带的疏松多孔溶蚀残余物( 见图版ia 和图版i i a ) 。第二阶段是在溶蚀残余物 基础上的红土化作用，这一阶段是对溶蚀残余物的改造，是就地进行的，并且红 土化作用是从剖面上部逐渐向深部进行，剖面上部的作用强于下部。红土化作用 “建造”了红粘土的微观结构，并最终形成红粘土。 5 贵州大学2 0 0 6 届工学硕士学位论文 参考文献： 【1 】国家标准建筑地基基础设计规范g b 5 0 0 0 7 2 0 0 2 北京：中国建筑工业出版社，2 0 0 2 【2 】贵州省地方标准贵州建筑岩土工程技术规范) ) d b 2 2 4 6 - 2 0 0 4 贵阳：贵州省建设厅，2 0 0 4 【3 】廖叉玲，朱立军著贵州碳酸盐岩红土【m 】贵阳：贵州人民出版社2 0 0 4 ，7 【4 】高岱，袁玩，余培厚贵州红粘土的建筑性能 a 】第一届土力学及基础工程学术会议 论文集【c 】北京：中国工业出版社，1 9 6 4 。 【5 】谭罗荣红土有关问题的讨论 a 余培厚等主编，第二届全国红土工程地质研讨会论文 集【c 】贵阳：贵州科技出版社1 9 9 2 f 6 l 屈儒敏，梅世龙红土与红粘土【j 】水文地质与工程地质，1 9 8 7 ( 3 ) 1 7 】张庆云，唐大雄，王朝富贵阳地区红粘土的成因机理及其特性 a 余培厚等主墒，第 = 届全国红土工程地质研讨会论文集【c 】贵阳：贵州科技出版社1 9 9 2 【8 j 李景阳，朱立军，陈筠贵州碳酸盐岩风化壳稀土元素分布特征【j 】中国岩溶，1 9 9 8 ，1 7 ( 1 ) 【9 】王世杰，孙承兴，等发育完整的灰岩风化壳及其矿物学与地球化学特征田矿物学报， 2 0 0 2 ，2 2 ( 1 ) 【1 0 】王世杰，季宏宾，等碳酸盐岩风化成土作用的初步研究【a 】中国科学d 辑【q 2 9 ( 5 ) 【1 1 】冯志刚，王世杰，等黔北新蒲红色风化壳剖面的粒度分布特征一兼论岩溶区上覆土层 的物质来源【j 】地质科学，2 0 0 4 ，3 9 ( 3 ) 【1 2 】符越昌，黄荚试论碳酸盐岩上覆红土的形成模式及演化趋势【j 】地质科学2 0 0 3 , 3 8 ( 1 ) 【1 3 】袁玩高岱申国红粘土的岩土工程性能m 土木工程学报，1 9 8 3 ，1 5 0 ) 【1 4 高国瑞著近代土质学【m 】南京：东南大学出版社，1 9 9 0 ，2 【1 5 】沈珠江土体结构性的数学模型- - 2 1 世纪土力学的核心问题【j 】岩土工程学，1 9 9 6 ，( 1 ) 【1 6 1 胡瑞林，王思敬，等2 1 世纪工程地质学生长点：土体微结构力学m 水文地质工程地 质1 9 9 9 ，2 6 ( 4 ) 【1 7 】国家标准工业与民用建筑地基基础设计规范t j 7 - 7 4 北京：中国建筑工业出版社 1 9 7 4 f 1 8 国家标准工业与民用建筑工程地质勘察规范t j 2 1 - 7 7 北京：中国建筑工业出版社， 1 9 7 7 【1 9 】屈儒敏红粘土的矿物成分【j 】工程勘察，1 9 8 1 ( 6 ) f 2 0 】李景阳等试论碳酸盐岩风化壳与喀斯特成土作用【j 】中国岩溶，1 9 9 1 ，1 0 ( 1 ) 【2 1 】李景阳等碳酸盐岩残积红土的结构、构造特征及成因研究【j 】中国岩溶，1 9 9 5 ，1 4 ( 1 ) 【2 2 1 廖义玲，余培厚红粘土的微结构及其概化模型【j 】工程地质学报，1 9 9 4 ( 1 ) 【2 3 】冯金良，赵泽三，高国瑞红土中游离氧化铁的作用及其机理探讨 j 】河北省科学院学报 1 9 9 4 ( 1 ) 【2 4 1 冯金良，游离氧化铁对红土工程地质性质影响的研究p 】成都地质学院硕士论文1 9 9 1 2 5 】孔令伟，罗鸿禧游离氧化铁形态转化对红粘土工程性质的影响 j 】岩土力学，1 9 9 3 ， 1 4 ( 4 ) 2 6 】孔令伟，罗鸿禧，袁建新红粘土有效胶结特征的初步研究【j 】岩土工程学报，1 9 9 5 ， 1 7 ( 5 ) 6 第二章红粘十的区域地质、地理背景 第二章红粘土的区域地质、地理背景 红粘土是碳酸盐岩在热带、亚热带环境条件下的风化产物，也称为碳酸盐岩 红色风化壳，岩土工程界也称之为碳酸盐岩红土或粘红土【1 1 ，属于红土中的一个 亚类。 在我国，红粘土主要分布在南方的碳酸盐岩系地层上，大面积分布区主要集 中在云贵高原、广西中、西部和湖南西部等地，其中湖北中南平原区也有较大面 积分布。此外，在四川东南部及浙江西部、江苏南部、江西北部等地也有零星分 布【2 】。 贵州是世界上典型岩溶区，是我国红粘土的主要分布区( 图2 - 1 ) 。本论文研 究的红粘土就是取自贵州碳酸盐岩系地层上发育的典型红粘土。 本章主要介绍贵州典型红粘土的区域地质、地理特征和地球化学特征以及红 粘土形成环境的演化过程。 q ! i ! 1 9 0 k 。杪注：南海舢表示女 图2 1 中国红粘土及红土分布图( 转自文献 2 ) f i g2 - 1t h ed i s t r i b u t i o no fr e dc l a ya n dl a t e r i t ei nc h i n a ( o r i g i nf r o mb i b l i o g r a p h y 2 】) 2 1 区域地质特征 贵州省位于我国西南部，：云贵高原东部，介于北纬2 5 。一2 9 。，东经1 0 3 。1 0 9 。 7 贵州大学2 0 0 6 届工学硕士学位论文 之间。隆起于四川盆地与广西盆地之间，处于我国地势的第二台阶。全境地貌以 西部为最高，中部稍低，逐渐向北、东、南倾斜。西部海拔2 0 0 0 米左右，中部 海拔1 0 0 0 1 2 0 0 米，北、东、南边缘河谷降至5 0 0 米以下，地形起伏不平，高差 较大。 贵州属于典型的亚热带季风湿润气候区。根据贵州省气象局资料【”，贵州现 阶段的气候特征主要表现为：、温度在一月份最低，七月份最高，平均气温 1 5 。c 左右；日温差变化较大( 平均在8 。c 左右，个别情况达到3 0 0 c ) ，温度 年较差小( 平均为1 8 。c 左右) ；、雨水大部分集中在夏秋两季的半年；夏季 多阵性降雨，强度大，冬季多间歇性的小雨及毛毛雨：多年平均降雨量为 1 1 0 0 - - 1 2 0 0 m m ；、区内较潮湿，相对湿度年平均值在8 0 左右；、平均年 蒸发量在1 0 0 0 1 2 0 0 r a m ，与降雨量持平；、云雾多，日照少。 红粘土现阶段所处的地质、地理及气候特征是地质变迁、古气候演化而成的。 本节主要介绍现阶段红粘土的区域地质特征。 2 1 1 红粘土下伏岩层( 碳酸盐岩系地层) 的地质特征 红粘土的下伏基岩的岩性是碳酸盐岩系地层。所谓“碳酸盐岩系地层”指的 是碳酸盐类岩石以及由碳酸盐类岩石为主夹有很少量的非碳酸盐岩夹层，非碳酸 盐岩夹层的厚度较小，主要是沉积岩中的泥岩和页岩。碳酸盐岩则包含了质纯的 白云岩、石灰岩以及含有数量不等的杂质的各类泥质白云岩、泥质灰岩、硅质灰 岩等等。 碳酸盐类岩石在贵州省分布很广泛，出露面积占全省岩石出露面积的7 0 以上。碳酸盐岩在贵州省内的分布特征见图2 2 。 2 1 2 红粘土土体的地质特征 作为野外自然环境中的地质体，红粘土有以下几个较明显的地质特征。 、与下伏基岩岩性的关系1 2 】 红粘土分布在碳酸盐岩系地层上，这个地质特征表明了两点，其一是说明碳 酸盐岩是红粘土的母岩，因为在相距不远的非碳酸盐岩系上就没有红粘土分布， 而是覆盖其它土类，红粘土的分布区与碳酸盐岩岩系的分布区域相一致；其二是 表明红粘土主要是由母岩风化后就地堆积的，或者确切地说是没有经过远距离搬 运的，才可能具有土与母岩分布范围相一致的特点，但在局部区域有较小距离的 移动，这主要是受贵州山区局部地形起伏特征的影响。 结合贵州碳酸盐岩分布区的山地地形来看，红粘土主要分布在岩溶盆地、岩 溶洼地以及盆地周边斜坡的坡脚等地带，这些地带地形相对平坦，有利于红粘土 8 第二章红粘土的区域地质、地理背景 保存下来。而在坡度较陡的山坡上却少有红粘土分布，这些斜坡上的风化溶蚀残 余堆积物易在重力下移动或被水流冲刷到坡脚下面，形成近距离的搬运，一旦到 达地形平坦、适宜保存的地方，就开始了就地演化成土的过程。 、土体剖面的基本地质特征 红粘土的天然剖面厚度不大，一般仅十余米厚，局部可达二十余米厚，也有 不少地段厚度小于十米，或缺失土层。这种厚度分布特征表明红粘土作为地质体 沿水平方向上厚度变化明显，而且有时变化很快，在土层缺失的地方和土层厚度 分布很薄的地方，基岩出露地表或埋藏在地表土层下很浅的位置。 红粘土剖面沿深度变化的特征表现为与众不同的特点i 就是土体的物理力学 特性沿深度的变化规律与正常土体剖面的变化规律正好相反，因此又可称其为 “反均衡剖面”或简称为“反剖面”。“反剖面”的特征【4 】为： a 、从地表往下，土的天然含水量逐渐增高： b 、从地表往下，土的稠度状态由硬逐渐变软，可以从坚硬状态逐渐变为硬 塑状态、可塑状态、软塑状态，有时再往下甚至可见到流塑状态。在一个土体的 天然剖面上，可能缺少坚硬状态或其它某些状态的土，但由硬变软的状态变化规 律在红粘土中是一致存在的。天然剖面上最常见的是上部为硬塑状态，下部为可 塑状态。 、与下伏碳酸盐岩系地层接触面的地质特征 红粘土与下伏基岩的接触面是特殊的岩溶地质界面( 见图版ib 和图版1 i b ) ， 这使得岩土接触面的特征完全不同于其它沉积岩上的岩土接触面，也不同于火成 岩形成的花岗岩红土和玄武岩红土的岩土接触面，主要表现在： 碳酸盐类岩石虽然具有沉积岩的层状特征，但岩石表面的岩溶形态常形成起 伏不定的特点，大量的溶沟、溶槽、石芽甚至有岩溶裂隙、漏斗等形态并存，岩 溶正、负地形相间分布，使得红粘土下伏的基岩面成为起伏不定的溶蚀面，岩面 产状变化大，高低不平。而且，当红粘土层覆盖在碳酸盐岩层之上，由于土壤中 侵蚀性的c o ：含量高于空气中c 0 2 含量数十倍，渗入土层中的地下水溶解土中 的c 0 2 后，具有了更强的侵蚀性，溶解土壤下面的基岩，使得覆盖型岩溶形态 甚至比裸露型的更为发育。 下伏基岩起伏不定的溶蚀岩层界面造成了土与岩层的特殊接触关系。分布在 岩溶正地形如石芽上面的土层相对较薄，而分布在岩溶负地形上的土层相对较 厚，这种变化经常是突然的，也没有确定的距离和模式，常常会在水平距离相差 仅仅不到1 米，而基岩起伏差可以达到数米甚至十几米，相应地，土层的厚度也 9 塞型盔兰! ! ! ! 堡三兰堡主兰垡堡苎 一一一 8!2厶oo茸胄=oi苦2 q苗口oqj8 jo口oilj声薯ip o暑n吐芘 田梏奄囊嵝献赳留；怄qn田 9 0 i 第二章红粘土的区域地质、地理背景 相差数米至十余米。也有岩面比较平缓j 土层厚度变化不大的情况。变化的规律 受地形、岩性、水文地质条件等多种因素的影响。 下伏碳酸盐岩中溶沟、溶槽等负地形的存在，特别是当溶沟、溶槽深度较大 和岩溶正地形间的跨度较小时，溶沟、溶槽边壁岩面产状较陡，容易在岩土接触 面处产生地下水的富集，这些水分的集中会导致溶沟、溶槽中的碳酸盐岩红土长 期处于富水条件中，当埋深超过几米的深度后，这些土中的水分又不易被大气蒸 发，使土的天然含水量增大，土的状态变软，形成软塑状态的粘土，有时在条件 适宜的时候，还会形成流态的软粘土。 2 1 3 红粘土土质的地质特征 红粘土的颜色多为褐黄色、黄褐色、色泽明亮，少部分呈褐红色或红褐色， 或棕红色，反映出氧化环境的特征。土质很粘重、细腻，外观紧密，天然状态下 含水量高，呈湿润状。仔细观察，色泽不甚均匀，黄、褐、红三种颜色可以在土 中不均匀分布，使土呈现出“花斑状”的色调。有时土层中有黑色锰质薄膜浸染， 尤其是沿着土中的闭合裂面分布，或者在剖面的一定深度处，褐色或褐红色的氧 化铁颗粒及团块、黑色氧化锰颗粒或团块带状分布在土体中1 2 1 。 在中国分布的红粘土中，贵州红粘土的主色调是以土质偏黄一些为特征，云 - 南红粘土则更红一些，这主要受气候条件影响，因为贵州高原受东南季风和西伯 利亚冷气团影响较大，相对于云南来说，年温差偏大，干湿季不甚明显，而云南 高原主要受西南季风的影响并以青藏高原为屏障，由西北而来的冷气团影响较 小，年温差小，干湿季极节极其明显1 5 】。 贵州的气候更湿润一些，土中的氧化铁矿物多分解形成针铁矿和褐铁矿，而 赤铁矿较少见。由于土的质地很细腻，土中极少见到粗砂粒级以上的大颗粒，使 得红粘土具有很强的可塑性。 2 2 红粘土的地球化学特征 据资料【2 】研究成果，红粘土的地球化学特征可以从常量元素地球化学特征 和微量元素地球化学特征两个方面叙述： 2 2 1 常量元素地球化学特征 红粘土各剖面元素地球化学特征具有一定的相似性，元素演化规律髓成土阶 段和发育程度沿剖面垂向上的变化趋势一致。 、s i 0 2 是碳酸盐岩中的次要元素，一般含量仅在3 左右，但却是红粘土 1 1 贵州大学2 0 0 6 届工学硕士学位论文 中的主要化学成分，含量变化范围在2 3 6 8 之间。在发育较好和风化强度较 大的风化壳剖面中，s i 0 2 含量沿剖面垂向上都存在由富集到淋失的演化特征。这 说明碳酸盐岩风化成土过程中，s i 0 2 富集是显著的，碳酸盐岩风化壳的成土作用 包含着富硅和脱硅两个不同的地球化学过程，与花岗岩、玄武岩等岩石发育风化 壳的成士作用一直处于脱硅过程是不同的。 、a 1 2 0 3 和f e 2 0 3 是红粘土的主要化学成分，含量分别为1 2 一3 7 和 3 3 一1 2 ，部分地段产出的铁壳其舢2 0 3 含量可达4 8 ，而基岩碳酸盐岩中 a 1 2 0 3 和f e 2 0 3 之和尚不足1 。因此，碳酸盐岩风化成土作用对a 1 2 0 3 和f e 2 0 3 的富集是明显的。在剖面上，a i i 0 3 和f e 2 0 3 含量沿剖面垂向上也都呈逐渐增加 的变化趋势，但由于地球化学性质的差异，在成土过程中两者的分异也是明显的。 分化壳形成和演化过程中a 1 2 0 3 和f e 2 0 3 具有不同的富集方式和演化途径，从而 造成分化壳形成的阶段性特征和剖面地球化学分带性特征。 、c a o 和m g o 作为碳酸盐岩的主要化学成分，伴随着碳酸盐岩风化成土 作用的进行，发生强烈淋溶，其淋失程度主要取决于风化成士作用的强度和时间。 因此，不同发育程度的红粘土剖面中c a o 和m g o 含量可有较大变化。对于经历 了较长时间风化，达到较高成土作用阶段的红粘土，c a o 和m g o 几乎淋失殆尽， 剖面中残留尚不足1 。而风化成土强度相对较弱，处于风化壳发育中期的红粘 土，在剖面中表现为由c a c 0 3 和m g c 0 3 组成的白色网纹和结核的零星分布。对 于一些尚处于风化成土初期或半风化层( 岩土过渡带) 的红粘土具有较高的c a o 和m g o 含量，常可残留一些碳酸盐岩碎块及方解石、白云石等原生矿物。 、k 2 0 和n a 2 0 在红粘土中含量分别为o 2 巧2 和0 1 4 加9 8 ，较之 碳酸盐岩都有不同程度的富集。k 2 0 主要富集于风化壳剖面的中下部，这主要与 伊利石矿物的形成和产出部位有关。n a 2 0 在剖面中变化较大，在风化程度较高 的红粘土剖面中主要富集于剖面中下部，而风化程度较低的红粘土剖面中相对富 集于剖面上部，且含量也比前者低，与剖面中a j 2 0 3 的分布具有一定的相似性。 2 2 2 微量元素地球化学特征 红粘土剖面中微量元素含量变化较大，分异明显。除s r 以外，其它微量元 素c u 、p b 、z n 、n i 、c o 、c r 、r b 、f 、b 和舡在成土过程中都有不同程度的 富集，平均含量均高于其克拉克值和全球土壤均值。c u 、n i 、a s 和b 在剖面中 的分异具有明显的阶段性特征，c r 和r b 在剖面中的分布随成土作用阶段的演 化和风化壳的发育趋于均一，其含量逐渐接近克拉克值。微量元素在红粘土剖面 上的富集与红土壳中的粘土矿物及氧化铁锰矿物的相应增加从而产生吸附及离 子交换作用密切相关。 1 2 ob盼p醢iti匪i 第二章红粘士的区域地质、地理背景 2 3 红粘土形成环境的演化 正如第一节所述，现在看到的红粘土是古环境动态演化至今的结果。为了更 好的认识红粘土，掌握其工程特性及其形成机制，有必要对其形成环境和演化进 行分析和研究。 2 3 1 红粘土的形成时代 关于红粘土的形成时代，多年来已有相当部分学者对此进行过相关研究。刘 敏厚( 1 9 6 4 ) 等在研究了黔东第四纪地层后，认为贵州红粘土主要形成在两个时 期，较老的红粘土形成于早更新世晚期( 饼) ，而较新的一期红粘土则形成于 中更新世晚期( q ；) ；席承藩( 1 9 6 2 ) 在研究我国南方不同母质上的风化壳后， 认为我国南方大部分富铝化红色风化壳是第四纪形成的古老风化壳；王毓华 ( 1 9 9 2 ) 则认为贵州的红粘土形成于第四纪不同时期，各个时期风化壳的分布面 积、连续性和地貌分布特征存在一定差异：早更新世的主要分布于最高的古夷平 面上，大部分已经剥蚀，仅局部残留；中更新世的分布于缓丘及垄岗位置，分布 面积较大；晚更新世的主要分布于岩溶洼地及丘陵坡脚，分布面积最大；朱显漠 ( 1 9 9 3 ) 的研究表明，中国南方红土大约是在第四纪前干热与温湿气候交替条件下 形成的；陆景冈( 1 9 9 9 ) 认为云贵高原红土形成