（地质工程专业论文）岩溶残余粘土土粒与水作用及其效应的研究.pdf

岩溶残余粘土土粒与水作用厦其效应的研究 摘要 土是由固相土粒、孔隙中的水与气体组成的三相体系。自然界的土按土粒间有无连结分为无 粘性土和粘性土两大类。无粘性土是散粒结构，士力学中将其称为散体介质。散体介质属单粒结 构类型，土粒间无连结力，仅靠粒间的摩擦力与咬台力来抵抗外力，保持自身的稳定。而粘性土 土粒间存在大小不等的连结力，这些连结力不仅是决定粘性土物理力学性质的主要因素，而且它 的产生原因较复杂，连结物的成分及连结的类型也是多种多样的。更重要的是本来就复杂的粒问 连结还常常随环境的变化而改变连结状态和强度。土粒与水的相互作用及其随环境变化( 含水条 件不同) 而产生的不同效应就是影响粘性土的粒问连结力和相关物理力学性质指标的一个主要和 重要冈素。 i 州分讥i f 内主要十类岩溶残余粘土( 由碳酸盐类母岩形成的高塑性粘土) 是一种土粒与水作 j 【 强烈、性质特殊的十类。士粒与水作用的主要原因是岩溶残余粘土具有特殊成分和结构：成分 特征是以片状粘土矿物为主要矿物，针铁矿、褐铁矿、褐锰矿、石英氧化物类矿物为次要矿物， 还有一些胶态的铁、砖、铝的游离氧化物；结构特征为颗粒细小( 土中粘粒成分占6 0 9 6 以上) ， 土中细小孔隙发育使得含水丰富，水距土粒表面的距离近受粒表面能的吸引力强。这样的成分 结构特征决定了岩溶残余粘土的土粒具有较大的比表面积和较大的表面能。具备了与水产生作用 的能力；孔隙细小使得土中水距土粒表面很近，其极性水分子易被土粒吸引而产生强烈的作用； 游离氧化物的性质则随与水作用条件的变化而在胶态和固态间发生状态的转换，通过改变土的结 构连结和状态而产生一系列的特殊效应，从而影响土的一些物理性质指标和水理性质指标的测定 和换算。如对土的液限、- i - i 约自由膨胀率、土粒密度、土粒粒度分析等指标测定的影响；对土的 饱和度换算值的影响。 本文从引起土粒与水作用的内因( 土中固相矿物的基本特征及表面能) 的研究和分析入手， 了解土粒与水的相互作用在岩溶残余粘土中的作用程度，通过相应的试验成果分析认识岩溶残 余粘土中土粒与水作用对相关的物理性质、水理性质指标的影响，找出其规律性，并分析岩溶残 余粘土中土粒与水作用对这些指标影响的原因。 最后，本文为岩溶残余粘土一些物理性质指标、水理性质指标的测定和换算提了几点 建议。 关键词：岩溶残余粘土、土粒与水作用、结构连结、物理性质指标、水理性质指标 贵州大学硕士学位论文 岩溶残余粘土土粒与水作用及其效应的研究 a b s t r a c t t h es o i li sm a d eu po fs o l i ds o i l ，w a t e ra n dg a si nt h eh o l e i ti sc l a s s i f i e dc l a y - s o i la n d u n c l a y - s o i la c c o r d i n gt ol i n k i n gs t r e n g t ha m o n gt h e s o i l t h es t r u c t u r eo fu n c l a y - s o i l i s d i s t r i b u t i n ga n dt h ed i s t r i b u t i n gm e d i u mb e l o n g st os i n g l e p a r t i c l e so fs t r u c t u r et y p ei n s o i l m e c h a n i c s i t sp a r t i c l eh a s n ts t r e n g t hl i n k i n g i tl i s p ss t r e n g t ho f t h eb i t i n ga n dt h ef r i c t i o n a lo f t h ep a r t i c l et or e s i s tt h ee x t e r n a lf o r c eo n l 3 , t ok e 印o n e so w ns t a b i l i t y t h es t r e n g t ho fl i n k i n g e x i s t sa m o n gp a r t i c l eo f t h ec l a ys o i l t h e s el i n k i n gs t r e n g t hn o to n l yd e t e r o i i n et h em a i np h y s i c s c h a r a c t e r i s t i co ft h ei t , b u ti t sp r o d u c t i o nr e a s o ni sr e l a t i v e l yc o m p l i c a t e d t h ec o m p o s i t i o na n d t h et y p eo f t h el i n k i n gt h i n g sa r ed i v e r s t h em o r ei m p o r t a n tt h i n gi st h a tt h ec o m p l i c a t e dl i n k i n g p a i nc h a n g et h el i n k i n gs t r u c t u r ea n di n t e m ；i t yw i t hc h a n g eo ft h ee n v i r o n m e n to r i g i n a l l y t h e d i f f e r e n te f f e c ti st h em a i nf a c t o r i n f l u e n c i n gt h el i n k i n gs t r e n g t ha n dr e l e v a n tp h y s i c s m e c h a n i c si n d e x m a i ns o i lo fg u i z h o ui sk a r s tc l a y ( i ti sah i g hp l a s t i c i t yc l a ym a d eu po fc a r b o n i ca c i d s a l i n e ) i ti sas p e c i a lc l a yt h a th a ss t r o n gc h e m i c a l i n t e r a c t i o nb e t w e e np a r t i c l ea n dw a t e r t h e r e a s o no ft h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nc l a yp a r t i c l ea n dw a t e ri st h a tk a r s tc l a yh a v es p e c i a l c o m p o s i t i o na n ds t r u c t u r e ：t h ec o m p o s i t i o no f c l a y - s o i la mc o n s i s to f s l i c ec l a y - m i n e r a la st h e m a i nm i n e r a l ，a n dn e e d l e - i r o no r e ，b r o w n - i r o no r e ，b r a a n i t e ，q u n g zo x i d em i n e r a la st h e s e c o n d a r ym i n e r a l ，a n dt h eo x i d em i n e r a lo fs o m ec o l i n i d a ii r o n , s i l i c o n ，a l u m i n i u m s t r u c t u r e c h a r a c t e r i s t i ca r et h ep a r t i c l et i n y ( c l a y - p a r t i c l ec o m p o s i t i o na c c o u n tf o r6 0 m o r et h a n ) a n dt h e d e v e l o p m e n to ft h et i n yh o l ei ns o l lm a k ea b u n d a n tw a t e r , a n dt h ed i s t a n c eb e t w e e nw a t e ra n d p a r t i c l ei st e e n y s ot h ew a t e rc a nb ea l l u r e di n t e n s i v e l yb yt h ee n e r g yo ft h ep a r t i c l e s u c h e o m p o n e n t i a la n ds t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i cd e t e r m i n et h ep a r t i c l eo ft h ec l a y - s o i lh a v eal a r g eo f s u r f a c ea r e a , s oi th a st h ea b i l i t yt of u n c t i o nw i t hw a t t t h ew a t e ri nt h es o i li sn e a rt h es u r f a c e o f t h ep a r t i c l eb e c a u s eo f t h et i n yh o l e ，a n dt h ep o l a r i t ym o l e c u l eo f t h ew a t e rc a l lb ea b s o r b e db y t h ep a r t i c l ec mf u n c t i o ns t r o n g l y i tc a np r o d u c eas e r i e so f s p e c i a le f f e c t st h r o u g hc h a n g i n gt h e l i n k i n gs t r i c t u r ea n ds t a t eo f t h es o i l t h e s ei n f l u e n c eo f s u r v e ya n dc o n v e r s i o no f s o m ep h y s i c a l p m p e r t yi n d e x e sa n dw a t e rr a t i o n a lq u n l i t yi n d e x e so f t h es o i l f o ri n s t a n c e ，i tc a ni n f l u e n c et h e m a a s u r eo ft h el i q u i d i t y ，c o e f f i c i e n to ff r e es w e l l i n g ，t h ed e n s i t yo fp a r t i c l e s ，d e g r e eo f s a t u r a t i o n t h r o u g ht h er e s e a r c ha n dt h ea n a l y s i so ft h ei n t e r n a lc a o s ef f h ee s s e n t i a lf e a t u r ea n d s u r f a c ee n e r g yo f t h es o l i dm i n e r a li nt h es o i l ) o f t h er e c i p r o c i t yb e t w e e nw a t e ra n ds o i lp a r t i c l e ， u n d e r s t a n d i n gt h er o l eo f i n t e r a c t i o no fs o i lp a r t i c l ea n dw a t e ri nc l a y - s o i l ，u n d e r s t a n d i n go f t h e i m p a e t i o nt h a tt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nw a t e ra n ds o l lp a r t i c l e i nt h ek a r s tc l a yb r i n gt ot h e p h y s i c a l p r o p e r t i e sa n dw a t e rr a t i o n a lq u a i l t yi n d e x e sb ya n a l y s i so ft h ec o r r e s p o n d i n gt e s t a c h i e v e m e n t , f i n d i n go u tt h er e g u l a r i t yo ft h e s ea n de d u c et h er e a s o no ft h ei m p a e t i o nt h a tt h e i n t e r a c t i o nb e t w e e nw a t e r a n ds o i lp a r t i c l ei nt h ec l a y - s o i lb r i n gt ot h e s ei n d e x f i n a l l y , t h i sp a p e rg l v es o m es u g g e s t i o nf o rt h es u r v e ya n dc o n v e r s i o no f t h ei n d e xo f t h e p h y s i c a lp r o p e r t ya n dw a t e rr a t i o n a lq u a l i t yo f k a r s tc l a y k e yw o r d s ：t h e k a r s tc l a y ；i n t e r a c t i o nb e t w e e np a r t i c l ea n dw a t e r ； s t r u c t u r e - l i n k i n g ；p h y s i c a lp r o p e r t yi n d e x ；w a t e rr a t i o n a lq u a l i t yi n d e x 贵州大学硕士学位论文2 岩溶残余粘土土粒与水作用及其效应的研完 第一章概述 土是由固相土粒、孔隙中的水与气体组成的三相体系。自然界的土按土粒间有无连结分为无 粘性土和粘性土两大类。无粘性土是散粒结构，土力学中将其称为散体介质。散体介质属单粒结 构类型，土粒间无连结力，仅靠粒间的摩擦力与咬合力来抵抗外力，保持自身的稳定。而粘性土 土粒问存在大小不等的连结力，这些连结力不仅是决定粘性土物理力学性质的主要因素，而且它 的产生原因较复杂，连结物的成分及连结的类型也是多种多样的。更重要的是本来就复杂的粒间 连结还常常随环境的变化而改变连结状态和强度。土粒与水的相互作用及其随环境变化( 含水条 仆不同) 而产生的不同效应就是影响粘性土的粒问连结力和相关物理力学性质指标的一个主要和 爪婴川素。在十用作工程目的时，常需要获得它的物理、水理性质指标，用于对土的工程性质进 ”计价币预测，并为十的工程设计提供依据。因此，了解土粒与水的相互作用效应对粘性土的一 些于灭物理、水理性质指标的影响和原因是非常重要的。 1 1 研究意义 土粒与水作用在粘性土中是普遍存在的，并对一些物理、水理性质指标的测试或换算产生较 大的影响。在目前的土质土力学学科的理论中，将士的物理性质指标定义为土的三相间的比例关 系，考虑了土中三相性质的各不相同。所以当三相比例不同时土的物理性质必然不同，从而用这 些比例关系定量计算和评价土的物理性质。但土的三相存在于一个共同体中时，彼此间是相互作 用的。不同的土类，土粒与水的程度不相同，因而对它的物理性质及其指标的影响程度就各不相 同；按照实验规范步骤在实验室测定其某些物理性质指标时产生的误差大小也不相同。粘性土中 当土粒细小时，表面能就很大，在粘粒与水溶液界面上容易发生吸附离解或离子交换作用而带电， 即具有胶体性质和强的亲水性。粘土矿物颗粒与水相互作用时，就会产生强结合水。弱结合水， 而土中结合水的存在是控制形成粘性土的稠度，塑性，膨胀，收缩等水理性质及强度，变形等力 学性质的重要因素。由此可见士粒与水的相互作用直接影响到粘性土的工程地质性质的形成与变 化。贵州分布的主要土类岩溶残余粘土( 由碳酸盐类母岩经过岩溶作用及其各种风化作用后形成 的高塑性粘土，成土时期为q i q 2 ) 恰好是一种土粒与水作用强烈、性质特殊的土类，在工程实 践中又被广泛应用；它往往构成各类工程建筑物的地基持力层和边坡，以及用作公路路基、路面、 土坝建材等。其物理性质指标、水理性质指标测定或换算的准确性决定着对这种土工程性质的正 确评价。因此，本文选用这种在我国西南地区有代表性的特殊土类，进行土粒与水作用效应的研 究，通过在测定相关指标的过程中了解岩溶残余粘土中土粒与水作用的程度，了解土粒与水作用 贵州大学硕士学往论文j 岩溶残奈粘土土粒与水作用及其效应的研究 对其物理、水理指标的影响，找出规律性，并分析产生的原因。 1 2 研究内容 贵州是典型的岩溶山区，独特的地质、地理和气候条件使它处于特殊的脆弱生态环境中，石 多土少，水土流失严重。鉴于对岩溶残余粘土已进行过物质成分、成因、结构及特殊性的研究， 已经取得了不少资料，在此基础上重点以贵州地区发育良好的岩溶残余粘为研究对象，从引起 土粒与水作用的内因( 土中固相矿物的基本特征及表面能) 的研究和分析入手，了解土粒与水作 用在这一类土中的作用程度，分析岩溶残余粘土中土粒与水作用对相关的物理性质，水理性质指 标的影响。十中游离氧化物的胶结连结性质抑制着土粒与水作用，则影响到土粒粒度分析的测定、 r 1i l tj 膨j l i 牢的测定、液限值的测定。岩溶残余粘土土粒与水作用强烈，土粒与水作用形成结合永， ，。龠爪j 密度人丁1 o g c m 3 使得它的性质不同于普通水，土中结合水的存在将影响到土的一些 物川! 、水删批胍指t = i i 的测定或换算。在测定土粒密度时，测定方法的原则是在土粒与水问不相互 f l ! j ij 的条仆r 测定的，而对丁i 岩溶残余粘土这种土粒与水作用强烈的土类，土粒与水闻会相互作 删产生结合承，结台水的存在对测定出的土粒密度有一定的误差。在饱和度指标的换算过程中， 土中水的密度是按普通水的密度来计算，而岩溶残余粘土中由于土粒与水作用形成结合水，土中 的水就不仅仅是普通水，还有结合水的存在，所以土中水的密度如果按普通水的密度计算，那么 换算出的饱和度指标就有误差。由此可见，对于岩溶残余粘土这种土粒与水作用强烈的土类，土 粒与水作用效应将会对它的一些物理、水理性质指标的测定和换算有一定的影响。本文主要研究 岩溶残余粘土土粒与水效应对这些相关指标的影响并分析土粒与水作用对相关的物理性质，水理 性质指标影响的原因。 1 3 研究现状 汪民( 1 9 8 7 年) 提出通过了解粘性土土粒与水阅的相互作用可以从本质上理解与把握粘性 土的某些水文地质工程地质性质“1 。高国瑞( 1 9 8 9 年) 提出从土一水一电解质系统中，土粒与 水问的相互作用和粘粒表面净势能对水理性质的机制，是理解土的结构和性质的由来“1 。郑黎 明( 1 9 9 4 年) 研究了铁路基床的环境工程地质效应，认为基床岩土的被动振动与水之间的物理 化学风化的耦合作用是使基床岩土质变差是基床损害的根本原因。吴恒( 2 0 0 0 年) 提出土粒 与水作用将影响土体的细观结构“1 。王思敬( 2 0 0 0 年) 提出在绝大多数情况下地质环境的恶化 及地质灾害的发生过程中，起决定作用都是由于岩士与水反应而造成的。罗平亚院士的博士生王 平全( 2 0 0 1 年) 在他的博士论文中研究了一定含水量粘土的水合效应和性质。由此可见。土 粒与水相互作用效应对土工程性质的改变引起了学者们的重视，是一个值得研究的新领域。 责州大学硕士学位论文 2 岩溶残余粘土土粒与水作用厦其效应的研究 岩溶残余粘土作为一种区域性特殊土存在，主要是具有特殊的形成机制和特殊的 ：程性质 “。岩溶残余粘土的特殊性主要是因为其具有特殊的物质组成和微结构特征以及特殊成士方 式，这成为众多从事这一学科研究的工作人员所共识。目前对土中三相问的相互作用的研究还未 深入开展，虽然已经认识到这种作用的存在，并在理论研究中指出了粘性土中普遍存在结合水， 结台水有不同于普通水的性质。及对土粒产生连结等，并指出结合水是土粒与永作用的结果。土 中结合水的存在对粘性土的物理、水理性质产生重要影响，这一观点也为从事这一学科的研究学 者所共识，但土粒与水作用对粘性土物理性质指标和水理性质指标的影响程度以及规律性未见有 具体的研究和实验的报道。 1 4 研究手段 收集荚丁贵州地区的地质基础、地貌、水文、气象等相关资料。 收讯前人对岩溶残余粘土物质成分、成因、结构、成土方式、物理性质、水理性质、力学性 胍及d 性质特征等相关资料以及参照本文所做试验资料：初步了解岩溶残余粘土的物质成分、 结构、组成及特殊的一i ：程性质( 物理性质差，力学性质好) 。其次，了解岩溶残余粘土中引起土 粒与水作用的内因( 土中固相矿物的基本特征及表面能特征) ；引起土粒与水作用的外因( 土中 孔隙特征、含水丰富、水距土粒表面的距离近、受土粒表面能的吸引力强) 。 野外采样：采集土样总共3 3 件。其中，取岩溶残余粘土( 指由碳酸盐岩系地层为成土母岩， 经过以溶蚀为主的风化作用和复杂的成土过程后形成的高塑性粘土，成土时期为q 1 q ) 土样 共2 3 件，取样地点：z k 5 5 取样地点为新天花园，z k l 8 2 、z k 3 5 取样地点为华颐春天住宅：风化前 期的岩溶残余粘土( 母岩为碳酸盐岩但风化作用和成土过程较岩溶残余粘土简单，成土时期为 q 4 ) 土样7 件，取样地点为黔中贵阳盆地黔灵公园及黔西和威宁；取砂岩风化红土( 母岩为石 英砂岩的砂岩风化红土) 土样共3 件，取样地点为黔灵公园。取三种不同土性的土样，是为了对 比三种土中土粒与水作用的强烈程度的不同。 试验： 1 、对所采集的土样进行化学成分测定，了解士中固体颗粒的化学成分； 2 、粒度分析试验( 测定不同分数剂剂量下土的粒度成分) ，土中颗粒粒径的大小对士粒与 水作用的强烈程度有很密切的关系： 3 、含水率的测定，土中含水率的大小影响到士粒与水的作用，同时土粒与水作用效应也影 响了含水率值的测定； 4 、液限值的测定，液限是反映土粒与水作用程度的一个重要指标，( 分别测定不同含水状态 贵州大学硕士学位论文3 岩溶残余粘土土粒与水作用及其效应的研究 土样的液限值，不同浸水时间时的液限值，不同分散剂剂景时的液限值) ，从而分析土粒与水作 用效应对液限值的影响程度， 5 、自由膨胀率( 不同分散剂及不同搅拌次数下的自由膨胀率) 的测定，自由膨胀率也是反 映土粒与水作用程度的一个指标，并分析土粒与水作用对该指标的影响。 6 、土粒密度的测定，并分析土粒与水作用效应对土粒密度测定的影响； 7 、饱和度的换算，并分析土粒与水作用效应对饱和度指标换算值的影响。 对试验数据资料进行合理的处理：绘制相应的表格及图表并找出岩溶残余粘土土粒与水作用 效应对物理性质和水理性质指标影响的规律性。评价岩溶残余粘土土粒与水作用的程度，分析土 粒与水作用效应对这些指标测定值的影响。此外，试图在此基础上能为准确测定岩溶残余粘土的 一些物理性质和水理性质指标提出一点自己的见解。 1 5 完成的工作量 参阅前人研究成果( 专刊及论文) 7 5 篇。 试验测试项目：化学成分、粒度分析( 分别测定不同分散剂剂量下的粒度成分) 、天然含水 率、土粒密度、液限( 分别测定不同含水状态下的液限值，不同浸水时间时的液限值，不同分散 剂剂量时的液限值) 、自由膨胀率( 不同分散剂及不同搅拌次数下的自由膨胀率) 等指标的测定 及饱和度的换算。 完成硕士论文岩溶残余粘土土粒与水作用及其效应的研究。 提供图件1 8 幅，试验数据表格1 8 张。 已公开发表学术论文3 篇，并参加了导师主持的科研项目两项( 见附录) ，完成其中的部分 实验并参与编写了科研报告的一章。 贵州太擘硕士学位论文4 岩溶残余粘土土粒与水作用及其效应的研究 第二章岩溶残余粘土的地质环境背景 2 1 基本地质特征 贵州省地处我国西南腹地云贵高原东部，是我国两大水系长江水系和珠江水系的分水岭 地带，介于东经1 0 3 0 1 3 ，1 0 9 0 3 0 ，北纬2 4 0 1 3 ，2 9 0 2 9 ，之间，总面积约1 7 万平方公里，素来以 自然景观秀丽，岩溶地貌发育而著称p ”。贵州省也是中国南方碳酸盐岩分布最为广泛( a m2 1 ) ， 岩溶地貌发育最为典型的区域之一。碳酸盐岩总厚度达6 2 0 0 一1 1 0 0 0 米，占全省沉积岩覆盖层总 厚度的7 0 ，出露面积达1 3 万平方公里，约占全省国土总面积7 0 。在全省的8 7 个县( 市) 级行政区中，岩溶面积比重大于9 0 的有2 个县。7 0 一9 0 的有3 6 个，5 0 一7 0 的有3 1 个，3 0 一5 0 的有8 个，1 0 一3 0 的有3 个，1 0 以下的仅有7 个县( 市】。岩溶分布面积 之广，不仅在全国独一无二，就是在世界也是罕见的。例如号称“岩溶王国”的前南斯拉夫，岩 溶分布也仅8 万平方公里，仅占该国国土面积的3 3 ，远低于贵州。由于贵州可溶岩分布面积 大，便成为贵州土类形成的主要母岩类型，其风化形成的岩溶残余粘士，也成为贵州的主要土类。 2 1 1 地形地貌特征 贵州平均海拔高度1 1 0 0 米，地势西高东低，且起伏较大，地貌类型复杂。贵州地处云贵高原 的东部。隆起于四川盆地和广西盆地之间，东南两面以陡峻的坡度下降，海拔高程由西部的2 4 0 0 米到中部8 0 0 - 1 2 0 0 米之间下降到东部的3 0 0 米左右。高原面遭到强烈的切割已支离破碎( 仅西 部威宁、赫章一带尚有保存) ，东南面仅梵净山区为变质岩系形成的崇山峻岭，相对高差在5 0 0 米以上，其余广大面积则以碳酸盐类岩石为基底的高原山地形成岩溶地貌，般相对高差在2 0 0 米以内；广泛分布于其中的次一级垄岗、丘陵和残丘，相对高差仅数十米。贵州属于新构造运动 间歇性上升区，地表大范围自西向东倾斜抬升。高原和山地占了全省面积的8 9 ，丘陵及河谷盆 地仅占1 1 。西部威宁、赫章一带为乌蒙山区，中部从六枝经安顺、贵阳、丹寨到黎平一带抬升 较强烈，形成了大致沿纬度方向分布的南北水系分水岭高地苗岭。北部为大娄山和梵净山， 属长江水系；南部属珠江水系。由于地质地理条件的影响，全省地貌呈现显著的山地特征，类型 复杂，整个地形大势如一向东之马蹄，大范围的地貌结构为东西三级阶梯，南北两面为斜坡，绝 大部分地区属于典型的喀斯特地形地貌，岩溶地貌景观非常发育。1 。 2 1 2 水文及气候条件 贵州主要河流多发源于中、西部，向东、南、北方向呈扇形放射。由于贵州岩溶发育，约 6 0 的河流与地下岩溶相通，在河流的中游，常见明、暗流交替出现，地表水与地下水相互转化 贵州大学硕士学位论文 5 岩溶残余粘土土粒与水作用及其效应的研宄 补给。地下水主要有孔隙水、基岩裂隙水、岩溶水等类型，其中，岩溶水分布最厂，占地下水总 量的8 0 以上。据相关资料统计，贵州年平均蒸发量6 5 0 - - 1 3 0 0 ，多年平均降雨量为 1 1 0 0 1 2 0 0 m m ，降雨大多集中在5 - 7 月份。多年相对湿度7 7 ，年无霜期9 个月”。 贵州属于典型的亚热带季风湿润气候区。常年气候温和，平均气温1 5 c 左右，七、八月份 平均气温最高，可达3 4 ，极端最高气温为3 8 7 。一到三月份平均气温最低，最低气温为一 7 1 。根据气候条件，贵州下半年由北部入侵的冷空气，常由于高地阻滞而在黔中分水岭地带 形成静止峰，峰前气候晴朗，峰后阴雨连绵，且降雨的水汽主要来自孟加拉湾和南海，两股暖流 在贵阳一麻江一带汇合形成了丰富的降水，时空上的分布呈现不均匀性。贵州省为山区，地形坡 度起伏较大，降水以地表径流形式迅速排泄到低洼处，下渗土层的部分较少，对土层的补给仅是 局部和暂时的，这样就造成土中水在平面上分布的不均匀性，形成忽干忽湿的状态f 3 7 l 。 2 。l 。3 地质构造特征 贵州地处东亚中生代造山带与阿尔卑斯新生代造山带之间的上升地壳区。全省主要为中生代 地层，中部和西部海相三叠系发育齐全，北部除三叠系外，还有陆相的侏罗系发育。贵州的地壳 是由地质历史上两次不同时期的构造运动先后产生的两块陆壳，焊接时期为早古生代末的广西运 动。两块陆壳之间大致以铜仁一玉屏一凯里一山都一线分界3 。 扬子准地台占据了贵州的大部分，主要为浅水碳酸盐岩沉积。按岩性组合差异可分为黔两、 黔北和黔中三个分区，均以海相碳酸盐岩沉积为主。不少地层的层序连续完整，露头良好。受多 次构造运动的影响。特别是燕山运动的影响，区内中生代地层普遍受到强烈褶皱和断裂破坏。主 要为西北向压应力形成n e 向和近s n 向的褶皱，断裂一般为伴生在褶皱两翼及核部，大多为 n e 向的压扭性断裂。华南褶皱带占据了贵州的东南部，是以前泥盆系褶皱为基底的后志留纪准 地台。 2 1 4 成土母岩的岩性特征 由于贵州碳酸盐岩石分布面积大。便成为贵州土类形成的主要母岩类型。碳酸盐岩的可溶 蚀性使得它从岩石到形成土层的过程中，母岩中大量的可溶解成分被溶蚀并随溶解它的水而带走 流失导致岩溶残余牯土的物质来源相对不足。岩溶残余粘土的物质来源主要依靠的是碳酸盐岩 系地层中的少量非可溶岩夹层和碳酸盐岩中含量不等的非可溶性物质( 如：泥质、硅质、铁质等) ， 因而在贵州碳酸盐岩层虽然广泛分布，适宜的水文及气候条件也利于碳酸盐岩风化溶蚀，但其形 成的土层厚度不大，而且分布也不连续。 贵州大学硕士学位论文6 岩溶残余粘土土粒与水作用及其效应的研究 贵州太学硕士学位论文7 h 囤 圈始惫嗣哒杂锅甾誉舡系取 岩溶残余桔土土较与水作用及其效应的研究 2 2 岩溶残余粘土的成土过程及形成时代 贵州多雨、潮湿温暖的气候适宜于碳酸盐岩产生溶解，良好的地下水循环条件为岩石的淋滤、 水合、水解等化学作用提供了基础。根据以往的研究资料( 廖义玲、李景阳、朱立军等) 表明岩 溶残余粘土的形成主要有以下三个阶段： 第一阶段为岩石破碎阶段：由于新构造运动的影响，使贵州地区碳酸盐岩地壳普遍抬升，产 生褶皱、断裂及裂隙。在贵州特殊的气候、地质条件中，碳酸盐母岩经过化学风化作用和物理的 风化作用岩石产生破碎，并由丰富的大气降水及地下水对可溶性碳酸盐岩进行溶蚀分解。 第二阶段为淋滤阶段：在第一阶段的基础上矿物继续大量分解，盐基成分基本淋失，硅、铝、 铁显著分离，出现大量硅、铝、铁酸体氧化物，形成一些粘土矿物，铁、铝有所积累，含一定量 易溶解的二价铁，其风化产物为岩溶残余粘土，呈灰、黄、白等杂色而不是红色。粘土矿物问发 生离子交换作用，使土的成分复杂化。 第三阶段为红土化阶段：此阶段随着大量碱金属元素的淋失和富含吼、c o ：等新鲜雨水的不 断加入，溶液处于酸性氧化环境，已生成的各种粘土矿物开始部分分解。从而使s i 0 2 不断溶出， a l 2 0 3 不断沉淀，呈现富铝脱硅现象；同时f e 、m n 低价矿物被氧化成高价的褐铁矿、褐锰矿等。 风化产物以棕红、褐黄色粘性土为主。其次，部分含水氧化物脱水，形成含铝质矿物、铁质矿物 和少量高岭石的铝土矿。 对岩溶残余粘土的形成时代。刘敏厚等人曾作过研究( 1 9 6 4 ) ，认为岩溶残余粘土主要形成于 两个时期。较老的岩溶残余粘土堆积于相对高度8 0 一1 2 0 米的台地上，典型的有贵州凯里宝塔山 红土剖面和贵阳市长岭岗红土剖面等。福泉的蚂蚁坟发育完好，保存了长约3 公里、宽约2 0 0 米的岩溶残余粘土台地，粘土土厚1 0 余米。这一时期形成的岩溶残余粘土受红土化作用较深， 颜色较红，铁盘比较发育，形成于早更新世晚期( q ) 。较新的一期堆积在相对高度3 0 一5 0 米的 台地上，广泛分布于山盆期的溶盆、溶洼或溶谷中，典型的有贵阳盆地的照壁山红土剖面等，这 一期岩溶残余粘土受红土化程度稍浅，土呈黄褐、红黄等颜色，铁盘比较少见，形成于中更新世 晚期( q 2 ) “。 2 。3 岩溶残余粘土的分布特征 贵州地处我国西南部，具有典型的亚热带季风湿润气候和内陆高原岩溶山区自然环境。岩溶 残余粘土较发育，一般厚度为5 _ 8 米，最厚可达2 0 余米。横向上，其分布主要受岩溶地貌、水 文及生态环境的控制。特别在岩溶台地、缓坡地带，因可长期滞留地表水，对下伏碳酸盐岩进行 充分的风化成土作用，使岩溶残余粘土堆积较厚。面在峰丛高地及陡坡地带，风化成土作用产生 贵州大学硕士学位论文8 的物质易于迁移流失，岩溶残余粘土层较薄，甚至没有岩溶残余粘土的分布，基岩裸露。此外， 地形、地貌和新构造运动对岩溶残余粘土的发育厚度影响很大。岩溶残余粘土一般分布在山坡、 山麓、盆地或洼地中，厚度变化很大，且与原始的地貌和下伏基岩的起伏变化密切相关。分布在 盆地或洼地时，厚度变化大体是边缘簿，向中间逐渐增厚，分布在基岩或风化面上则取决于基岩 起伏和风化深度，当下伏基岩中溶沟、溶槽、石芽发育时，上覆岩溶残余粘土厚度变化极大，常 见咫尺之隔竟相差1 0 余米”1 。 2 4 岩溶残余粘土的工程性质概述 岩溶残余粘土较发育，它的物理性质较差，但其力学性质、建筑性能却较好。根据在野外地 质剖面所取土样的物理力学性质指标的试验数据及众多工程实践中的试验资料分析，岩溶残余粘 土的工程性质可归纳总结如下。 表2 1岩溶残余粘土的物理性质和水理性质指标 样号 容重土粒密度液限塑限塑性含水天然含饱和稠度 ( g c m 3 )( g e r a 4 ) ( )( )指数比 水率( )度( )状态 z k i1 7 52 7 2 6 2 0 3 3 ，32 8 7 0 6 7 4 1 79 4 3硬塑 z k 21 6 82 7 46 0 13 5 42 4 70 6 94 1 78 7 1 硬塑 z k 3 1 6 72 7 79 0 o4 8 24 l - 80 6 25 6 29 7 9 硬塑 z k 4 1 6 6 2 7 3 6 1 53 5 82 5 70 9 15 5 99 7 6 软塑 z k 51 6 8 2 7 78 7 54 6 04 1 50 6 35 5 49 8 2 硬塑 z k 6 1 7 32 7 66 3 03 7 z2 5 80 6 5 4 1 29 0 8 硬塑 z k 7 1 7 32 7 25 6 52 9 9 2 6 6 o 6 7 3 8 18 8 5 硬塑 z k 81 6 72 7 58 2 54 1 ，54 1 00 6 45 3 29 6 1 硬塑 z k 91 6 52 7 81 0 65 0 55 5 50 5 45 7 19 6 4 坚硬 z k l 01 6 42 7 71 0 56 0 54 4 50 6 1 6 4 5 1 0 0 硬塑 z k l l1 8 22 7 54 9 52 6 22 3 30 8 34 l - 21 0 0 可塑 z k l 21 6 32 7 79 7 05 0 54 6 5o 6 36 0 79 7 1 硬塑 z k l 31 5 42 7 61 1 26 3 04 9 00 7 3 8 1 49 9 8可塑 z k l 41 6 12 7 81 1 35 5 0 5 8 0 0 5 7 6 4 89 7 6硬塑 z k l 5 1 5 92 7 99 0 55 2 0 3 50 7 87 0 69 8 8 可塑 贵州大学硕士学位论文 9 岩溶残余粘土土粒与水作用及其效应的研究 1 、物理性质及其指标的特征：物理性质较差，其指标具有三高的特征。高含水量，天然含 水量一般为4 0 _ _ 8 0 ，最高可达到9 0 。高孔隙性，孔隙比很大，一般都超过l t0 ，常见值为1 2 一1 8 5 。高饱和度，饱和度一般都在9 0 以上，还有大于1 0 0 的情况。 2 、水理性质及其指标特征：高界限含水量，低液性指数特征。高塑性，塑限一般为4 0 6 0 ， 塑性指数一般为3 0 _ _ 6 0 ，为高塑性粘土。高界限含水量。液限一般为6 0 一1 1 0 ，最高达1 1 7 ， 液限指数较低，液限指数一般为0 0 6 5 。 3 、力学性质及其指标特征：强度较高、压缩性较低，固结快剪巾为8 0 1 8 0 ，c 值可达 4 0 9 0 k p a ，多属于中压缩性到低压缩性土，压缩模量3 - l o m p a 。 4 、此外，还具有特殊的胀缩特征：收缩性明显，失水后强烈收缩，原状土体收缩率可达2 5 。 扰动土可达4 0 - 5 0 ，浸水后多数膨胀轻微，无荷膨胀率 o 10 1 0 - 0 0 50 0 5 0 0 10 0 1 - 0 0 0 5 深度( m )0 0 0 5 0 0 0 2 o 1 m m 的砂粒。0 卜0 0 5 m m 的极细砂粒、0 0 5 0 0 0 5 i i i l 的粉粒和粒径 0 0 0 5 m m 粘粒的含量随加分散剂剂量的不同而不同。岩溶残余粘土的颗粒粒径主 要是以粉粒和粘粒为主，约为总量的7 0 左右，有的甚至达8 5 。而风化前期的岩溶残余粘土， 其颗粒粒径主要是以极细砂粒和粉粒为主，约为总量的6 0 9 6 左右粘粒含量不到4 0 9 6 。砂岩风化 红土，颗粒成分主要也是以极细砂粒和粉粒为主，但极细砂粒和粉粒含量约为总量的7 0 左右， 粘粒含量不到3 0 。 2 、) m , y f i 女剂前后各类土的粒度级配都发生显著性变化。加分散剂前，岩溶残余粘土中主要 是以粗粒为主，未测出粉粒和粘粒；而加分散剂后，粘粒含量最高达到8 5 5 ，其中 o 0 0 2 m m 的细粘粒就有7 8 。说明岩溶残余粘土具有很高的分散性，而在天然状态下具有较高的凝聚性， 贵州大学硕士学位论文1 7 岩溶残余粘土土粒与水作用及其效应的研究 则在天然状态下用水和机械力无法将凝聚体分散。加分散剂前，风化前期的岩溶残余粘土中主要 是以粗粒为主，粉粒约有4 0 ，粘粒则未测出：而加分散剂后，粘粒含量最高达到4 5 ，其中 1 六偏磷酸钠溶液i o m 5 8 1 1 9 5 l t7 5 54 0 6 4 35 7 2 7 62 - 6 4 1 六偏磷酸钠溶液1 5 m l4 1 0 1 13 6 。6 0 22 8 5 3 l5 4 6 3 1 六偏磷酸钠溶液l 14 5 9 3 03 8 5 9 42 7 6 4 66 7 0 l 4 号 l 铁偏磷酸钠溶液2 m 5 0 1 7 94 2 ，3 9 73 0 9 9 16 8 2 3 1 六偏磷酸钠溶液3 r a l 4 6 9 7 4 4 0 4 6 63 0 8 l l6 7 4 1 1 六偏磷酸钠溶液4 m l 4 5 1 0 73 7 7 5 72 6 3 3 16 4 3 3 1 六偏磷酸钠溶液5 m 5 9 4 5 l 5 2 4 3 94 1 1 6 96 2 2 2 ( z k l 8 2 ) 1 六偏磷酸钠溶液l o m l 4 6 6 9 74 0 6 0 5 3 0 2 8 45 9 0 3 1 5 1 _ 7 1 六偏磷酸钠溶液1 5 z l 5 8 4 6 35 1 9 9 8 4 0 8 2 65 7 8 7 1 六偏磷酸钠溶液2 0 m l 4 8 2 9 2 4 2 5 5 03 2 3 3 85 6 2 3 贵州大学硕士学位论文 岩溶残余粘土土粒与水作用及其效也的研究 续表4 9 1 六偏磷酸钠溶液l m l 5 8 4 5 45 1 4 6 04 1 0 5 56 7 ，2 2 1 六偏磷酸钠溶液2 m l 6 0 ，4 5 65 2 6 1 54 1 2 0 l6 8 6 9 5 号 1 上偏磷酸钠溶液3 r a l6 0 ，z 6 8 5 2 3 8 9 4 0 5 7 06 6 6 6 1 六偏磷酸钠溶液4 m 4 7 1 0 93 9 8 8 3 2 9 0 3 06 6 5 8 ( z k l 8 2 ) 1 六偏磷酸钠溶液5 m i 4 8 1 7 84 0 5 0 02 8 5 2 06 4 0 9 24 - 2 6 1 六偏磷酸钠溶液1 0 l n 4 7 3 l o4 0 9 9 53 0 9 7 76 3 0 4 1 六偏磷酸钠溶液1 5 m l5 2 4 1 94 4 9 4 03 2 3 7 45 95 2 1 六偏磷酸钠溶液l m