（地质工程专业论文）贵州红粘土工程分类及土质研究.pdf

贵州大学2 0 0 8 届硕士研究生论文贵州红粘土工程分类及土质研究 摘要 贵州省是中国典型的喀斯特地貌分布区，碳酸盐类岩石出露面积占全省面积的7 0 以上； 由碳酸盐岩风化形成的红粘土是贵州主要的地基土类，是重要的建筑地基土类和建筑材料， 冈此，对红粘士进行研究，具有工程实用意义。 红粘土已经具有5 0 多年的研究历史，对这种特殊土的各方面研究都有了较大的进展。贵 州红粘土具有高液限，高塑性，高孔隙性，然而大部分红粘土却具有较高的力学强度，中一 低压缩性。但是，红粘土的工程性质及其指标变化范围很大，还有一部分红粘土具有对工程 产生危害的胀缩性，部分红粘土具有低强度，高压缩性的软弱特性，还有一部分具有混合土 的特点。本文通过野外调查和各种分析研究红粘土中与大部分红粘土性质不同的特征，对贵 州红枯土进行工程分类。 论文提出贵州红粘土的主要成土阶段是岩溶作用一残余堆积物和红土化作用一红粘土 形成的两个阶段；在红土分类研究成果的基础上，把红粘土分为：一般红粘土、次生红粘土、 胀缩性红粘土、软弱红枯土、混合型红粘十；对贵州红粘十丁程分类体系进行探讨，讨论一 些特征指标在红粘土工程分类上的应用，初步确定了红粘士t 程分类标准以及土性特征；针 对性的介绍不同类别的红粘土t 程性质所引发的工程问题及处理方法；对红粘土工程分类提 出了进一步研究的建议。 关键词：红粘土，红十，_ r ：程分类，土质研究，工程特性 a b s t r a c t g u i z h o up r o v i n c ei sc h i n e s et y p i c a lk a r s td i s t r i b u t i o nr e g i o n ，t h ea c r e a g et h a t c a r b o n a t er o c ke m e r g e da c c o u n tf o r7 0 o fg u i z h o up r o v i n c ea r e a ；r e dc l a y t h a t f b n n a t i o n e df o r mc a r b o n a t er o c ki st h em o s ts o i l o fg u z i h o u ，w h i c hi si m p o r t a n t f o u n d a t i o nr e s o u r c ea n dc o n s t r u c t i o nm a t e r i a l s o ，r e dc l a yc l a s s i f i c a t i o nr e s e a r c h i n g c o u l db eu s e dt oe n g i n e e r i n ga p p l i e dp u r p o s e i no u rc o u n t r y , i ti sm o r et h a n5 0y e a r ss t u d yo nr e dc l a y , a n dh a sm u c h u n d e r s t a n da b o u tt h i ss p e c i a lc l a y t h o u g hg u i z h o ur e dc l a yh a sh i g hl i q u i dl i m i t ，h i g h p l a s t i c i t y ，b i gv o i dr a t i o ，i th a s b e t t e rm e c h a n i c ss t r e n g t h ，m e d i u m l o wc o m p r e s s i b i l i t y h o w e v e r , p a r t i a lr e dc l a yh a ss w e l l s h r i n kc h a r a c t e r i s t i c st h a td oh a r m t oe n g i n e e r i n g ， s o m ep a r t i a lh a ss o f tc h a r a c t e r i s t i ca sl o ws t r e n g t h ，h i g hc o m p r e s s i b i l i t y , a n ds o m e p a r t i a lh a ss i z ef r a c t i o nl i k em i x e ds o i l i nt h ep a p e r , c l a s s i f y i n gt h er e dc l a yt h a t e n g i n e e rc h a r a c t e r i s t i ca r ed i f f e r e n tf r o mt h em o s tr e dc l a yt h r o u g hf i e l di n v e s t i g a t i o n a n d a n a l y s i so n t h a t i nt h ep a p e r , t h es t a n d p o i n tt h a tt h em a i ng u i z h o ur e dc l a yf o r m e ds t a g ei s k a r s t m r e s i d u a ls e d i m e n t a t i o na n dl a t e r r i z a t i o n m r e dc l a yf o r m e dt w os t a g e s ；b a s e do nt h e s t u d yp r o d u c t i o no ft h er e ds o i l ，g u i z h o ur e dc l a yi sc l a s s i f y e di n t of i v es t y l ei n t h e p a p e r , t h e ya r en o r m a lr e dc l a y , s e c o n d a r yr e dc l a y , s w e l l i n gr e dc l a y , s o f tr e dc l a y , a n d m i x e dr e dc l a v t od i s c u s sg u i z h o ur e dc l a yc l a s s i f i c a t i o ns y s t e ma n da p p l i e do fs o m ei n d e x i nc l a s s i f i c a t i o n ，t oc o n f i r mg u i z h o ur e dc l a ys t a n d e ra n ds o i lp r o p e r t i e si n i t i a l l y ；i n t h ep a p e r , t od i s c u s sd i f f e r e n te n g i n e e rp r o b l e ma n dp r o c e s s i n gm e t h o d t h a ta r eb r o u g t b vd i f f e r e n te n g i n e e rp r o p e r t i e s ；a tl a s to ft h ep a p e r , t ot a b l eaf a r t h e rs t u d yp r o p o s a l o ng u i z h o ur e dc l a yc l a s s i f i c a t i o n k e y w o r d ：r e dc l a y ，r e ds o i l ，e n g i n e e r i n gc l a s s i f i c a t i o n ，e a r t h i n e s sr e s e a r c h i n g ， e n g i n e e r i n gc h a r a c t e r i s t i c 贵州大学2 0 0 8 届硕士研究生论文贵州红粘土工程分类及质研究 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究在做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 塞里建 日 期： 21q 墨生j 旦 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解贵州i 大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权贵州大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论丈在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：趣导师签名：论文作者签名：微 导师签名： 贵州大学2 0 0 8 届硕士研究生论文贵州红粘土工程分类及土质研究 第一章绪论 1 1 红粘土的研究现状及选题依据 1 1 1 红粘土研究现状 关于红粘土的提出，在过去第四纪地质研究的有关文献中已有论及。1 9 5 9 年前后，有 关单位在贵州贵阳、遵义、安顺、平坝、普定、中坝和云南昆明，个旧以及广西境内进行工 程地质勘察时都遇到了这种地基土。经过试验，发现这种土的性质很特殊，含水量一般高达 4 0 一6 0 ，孔隙比高达1 4 - 1 8 ，一般都大于1 1 ，粘粒含量高达7 0 8 0 ：然而其内摩擦角高 可达2 0 。- 3 6 。，凝聚力可达2 8 6 5 k p a ，具有中、低压缩性。在具有高含水量、高孔隙比、 高塑性的同时却具有较高强度，中、低压缩性的特点。按我国当时使用的苏联f i u r n y 一1 2 7 5 5 规范无法解决这种土地基强度和评价问题，甚至会得出错误的判断和结论。 红粘土是于1 9 5 8 年在我国云贵高原上发现并命名的。它被我国工程地质学家发现以后， 在工程实践及土质研究中逐步认识到其高塑性、高含水量、高孔隙比、较高强度、中低压缩 性的主要特性，在掌握主要工程特性之后，于1 9 7 4 年开始作为一种特殊的地基士纳入了我 国t 业与民用建筑地基基础设计规范( t j 7 - 7 4 ) 比1 和t 程地质勘察规范( t j 2 1 7 7 ) 哺1 ，成 为中国特殊土中的一类。 在岩土工程勘察规范( g b 5 0 0 0 2 卜2 0 0 1 ) 中定义：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 的高塑性粘十判定为红粘土，红粘土经过搬运、沉积后仍保 留其特征，且液限大于4 5 的十，判定为次生红粘土h 1 。 二十世纪六十年代，贵州工作站( 贵州省建筑设计院t 程地质队) 等有关勘察单位加强了 测试t 作，其中包括野外载荷试验平i j 建筑物变形观测。测试资料进一步证明，作为地基持力 层的硬塑和可塑状红粘土具有较高强度，中、低压缩性是客观规律，完全可以置信。这样， 在当时没有规范可循的情况下，根据数千个土样分析资料，进行了相关分析，导出了物理指 标和力学指标问的同门方程，编制了红粘土指标表，应用于一般中小型工程。在1 9 6 2 年大 滓召开的地基基础十力学会议上，高岱、袁玩和余培j 字等第一次公开发表了“贵州残坡积枯 十的建筑性能”的学术沦文。该论文汇集了1 9 5 8 年以米贵州各地的勘察资料，进行了较全 面的分析和评价。其内容包括红粘十( 残坡积粘十) 的成冈、成分及分布规律：物理力学性质： 建筑条 i ，l ：与地基评价。但文章中有些问题和后来的研究成果有些出入，例如里面谈剑矿物成 分以f i 英为主，当时没有可靠的依据。 进入七十年代，为了总结经验，在贵州省内进行了地基基础处理经验调查。通过调奄， 建往红粘十地基上的建筑物尚朱发现冈地基强度不够或沉降过人而出现房裂曩故。道义某矿 一建筑物，地荩承载力曾j j 剑2 8 0 k p a ，建成历安然无恙。七十年代f ：程界取得比较重人的 科技成果之一足编制了我凼红料十地荜的勘察和殴汁舰范。七十钉i 代未，鉴丁建在红料十地 基上的低层【心川建筑物仃坊裂现象，圆家建委组织了全旧性的膨胀十系统渊介和与题研究， 贵州大学2 0 0 8 届硕士研究生论文 贵州红粘土工程分类及土质研究 红粘士是研究对象之一。通过调研，发现红粘土具有高收缩性和低膨胀性。在天然状态下， 线缩率一般为2 5 - 8 0 ，最人达1 4 9 ，膨胀率一般都小于i 0 ，膨胀力一般都在5 0 k p a 以 内。广西部分地区的红粘土情况比较特殊，主要原因是蒙脱石的含量较高( 1 3 1 8 ) 。 七十年代内部交流和公开发表的文章很多，这些文章是从生产实践和科研中总结出来 的，都有一定的参考和使用价值。 进入八十年代，加强了国内外交流，并重新修改地基和勘察规范，在1 9 8 4 年成都召开 的全国第二届工程地质大会上，交流了四篇有关广两红粘土的成因和广西、云南红粘土的工 程特性的文章。在1 9 8 6 年k 春召开的第一届全国红土学术讨论会上，交流了来自南方各省 区提交的更多的学术论文。此外，在有关杂志上也公开发表了不少文章。这些文章反映出我 国研究红粘士有了新的起色，主要表现在下列几个方面： 1 红粘十的分布，不仅南方有，北方也有。例如大连新港和北京的西山及房山地区； 2 在成因问题上，提出了岩溶堆积的新见解，山西省电力勘察设计院阎忠立、刘淑春在 关于广西红粘十的成因问题一文中，明确指出，石灰岩表面是个古侵蚀面，不是风化壳， 因而红粘土不是残积型土： 3 在成分问题上，6 0 年代认为红粘土的矿物成以石英为主，7 0 年代末，由中国科学院 贵阡1 地球化学研究所综合分析结果，是以高岭石、伊利石或绿泥石为主，含多水高岭石、三 水钒矿、蛭石、云母、蒙脱石、游离f o ：0 s 及少莓针铁矿等。后面这一成果和南京人学1 9 8 4 年提出的成果基本一致哺1 ； 4 关于红粘十的微观结构特征过去研究较少，8 0 年代南京大学等对广西红粘十作了扫 描电镜观察，表明是铁质氧化物胶结的团聚结构，集聚体排列无序，集聚体间形成许多大小 不一的孔隙。这一成果被后来的研究者( 高国瑞等) 所证实| 6 1 。 1 9 9 1 年，在原贵州上学院召开了第一二届全国红士t 程地质研讨会，交流1 9 8 6 年以来红 土工程地质研究的成果，红粘士方面的成果主要涉及到以下几个方面： ( 1 ) 红粘土的成因和分类 在此次红土t 程地质研讨会上，李景刚等提出了碳酸岩红粘十是在开放体系条件卜，与 外界进行强烈的物质和能量交换的过程中，经过筹异溶蚀、选择交代等地球化学作，f j 、生物 地球化学作川下形成的m 1 ；张庆云也提出了粘粒交代的观点| 9 】；r 于毓华提出红粘十是红士的 一部分，阐述了红粘十的物理力。学特征，野外特征及分布范闸，并从母岩及成卜过科、成十 地质作用等方面做了论述，指出了成十过程中的两个阶段成七环境的筹异性，造成红十化程 度有所蓐别，形成的红粘十也略有差异“o 。本次红十。：祥地质研讨会，对红粘十的成冈捉山 了“喀斯特成十说”和“碳酸盐岩粕十化”两种红粘叶：成冈新观点。 ( 2 ) 红料十的i ：样地质特性和测试方法 第二届红十l ：程地质研讨会所捉的红粘十l ：样地质特性和测试方法，开始从红粘f ：的 微观结构特i l e 干物质组成分析红粘f ：所具仃的特殊物理力学特性，其中原贵州i ：学院的廖义 玲、余培j 宁、郭沛等人对i jl i 南红卡 十的研究最为系统、完整，通过对宝l 半占十物质细成利结构 贵州大学2 0 0 8 届硕士研究生论文贵州红粘土工程分类及土质研究 特征对其物理力学性质进行阐述，包括胀缩特征与胀缩机理，压缩特征和前期固结压力，抗 剪强度特征，强度破坏模式，不同应力状态下的力学特征等，指出了红粘士特殊的物质成分 和结构，使得其工程地质特征表现为高孔隙性和高饱和度却具有较好力学特性一2 3 1 。 ( 3 ) 红粘土的工程应用及承载力 本次研讨会，交流了在城市建筑物地基、水利工程、建筑填料、铁路隧道和路堑、边坡 稳定等方面的红粘土研究成果。其中王毓华1 10 j 提出以液塑比及含水比作为红枯土状态分类指 标；建筑地基基础设计规范( g b j 7 8 9 ) n 4 1 根据红粘土的液塑比和含水比规定其承载力基本 值；贵州省建筑设计院屈儒敏详细论述了土洞和地表坍陷，环境及 坡稳定性等环境地质问题，针对高重建筑和红粘土地基的特点，对地基承载力、均匀 性和胀缩性进行了较为全面的岩土工程性能评价引。 从第二届红粘土大会至今，红粘土的研究方法更加多样化以及微观化，微观结构的研究 也有了许多新的理论观点。李景阳等在红粘- 十的成土条件方面，否定了“母岩论”，提出了 环境气候决定论n 6 j7 1 ；朱立军、徐玉芳、冯金良等运用地球化学研究方法，在红粘七成土 作用强度和条件方面引入了氧化系数、淋溶系数、残积系数、水化系数和红土化指数及红土 氧化还原比值等指标，提出了残积红粘土剖面至少存在有反映不同成土环境化学条件的水铝 英石一埃洛石一高岭石一三水铝石、伊利石一蛭石一绿泥石、蛭石混层矿物一绿泥石一三水 铝有和伊利石一高岭石一三水铝石三个粘士矿物演化序列【1 乳1 9 2 0 1 。 在红粘土物质组成和微观结构方面，研究表明，贵州碳酸盐岩残积红粘士中，al z o 。、 f e ：o 。的含量分别为1 3 3 5 3 1 8 7 和7 6 3 - 3 1 1 3 ，c a o 和m9 0 的含量只有0 1 0 - - 一0 3 0 平1 1 0 4 0 - - - 0 9 0 ，红粘土的a1 2 0 。、f e ：0 。的含量是原岩的1 0 0 多倍，而c a o 军l l m g o 的含量则不及原岩的7 1 0 0 0 ；近年来，李景阳引、廖义玲【2 1 一引、周训华1 2 31 等通过 电镜扫描、x 射线能谱分析对云南、贵州红粘十的微结构进行研究，结果发现，红粘十多具 有颗粒、团粒、团粒集合体三个级序的微结构特征，并构建了相虑的红粘土微结构概化模型， 将红粘十的团粒结构分为平片垂直叠聚式、平片平行叠聚式、平片片架式、平片辐射式和曲 片叠聚一辐射式等5 种基本类型，且他们的研究成果表明，红粘土的团粒通常是由几十个乃 至几百个粘十矿物片聚集形成，其中的粘十矿物问多以边一面、边边和面一面的方式通过 静电引力、范德华引力和游离氧化物胶结组合在一起，具有较强的结构力，在电流，= 7 5 l a ， 电压v ：2 5 k e y 的x 射线束轰击下，尽管团粒整体发生明显移动，但团粒内部结构仍完好无 损。通过研究，他们还发现，团粒内部微孔隙十分发育，约l i 总孔隙体积的7 5 9 0 ，警 封闭、卜封朗j 式，孔隙、卜释多在0 0 0 3 7 0 0 1 3 7um 之间，并由“隋性”结合水充填，人多 数的情况卜，这种“隋性”结合水对十的力学性质影响不人。而团粒与团粒之问，则以多水 的1 卜品态或微品态的游离氧化物雨i 料十矿物组成的絮状物所连结，结构力较弱，而且团粒问 的孔隙较人，、l ，径多为1 5um ，充填的主要足口由水，住外力的作用下较容易变形。 在红粘十的环境地质办i n i ，近2 0 多年来，岩十i ：作者对岩；容塌陷进行了j 泛的研究， 并发表了人鼙的研究论文：捉了塌阶形成的_ 三个基本条什和潜蚀、吸蚀、压强等效麻等多 8 贵州大学2 0 0 8 届硕士研究生论文贵州红粘土工程分类及土质研究 达近1 0 种的塌陷形成机制引。并且在岩溶塌陷评价中引入了信息系统法，以及对岩溶管道 裂隙系统中的水( 气) 压力以及第四系孔隙水压力变化监测进行岩溶塌陷预报；另外，红粘 土与膨胀r 十的特性区别，物质成分、微观结构的差异性都进行了研究，红粘土具有弱膨胀性， 较强的收缩性，应区别对待红粘土和膨胀土嵋5 矧。 红粘土的研究虽然已经取得了很多成果，但是在其形成年代和形成速率，以及红土化过 程、红土化程度的定量评价，微结构模型量化以及红粘土本构关系的研究，岩溶塌陷评价的 定量化以及士工测试发展技术等方面都存在很人的研究空间憎，另外，针对红粘土工程性质 及特性指标变换很大的特点，也很有必要对其进行工程分类。 1 1 2 选题依据 土的工程分类是属于土质研究的内容之一，土的工程地质分类研究包括对土的成冈、化 学成分及矿物成分、工程性能等各方面的研究。红土广泛分布于我国南方，据初步统计n 引， 分布面积约2 0 0 万l ( i l l 2 ，在中国土质研究中占有重要的地位，中国红土的分类方案，都主要 考虑了土的工程性质差异，考虑了母岩性质和土的成因两个方面来进行的。本论文所研究的 红枯十属丁红土中的一个亚类，不仅与一般粘性土的性质人不相同，而且与其他母岩形成的 红土相比，也有特殊的岩土工程性质，就是红粘土这一亚类士中，因为沉积位置、粘士矿物 类型含量、水动力条件、自然化学环境条件不同，也表现出不同的工程性质，例如，具有胀 缩性的红粘土与不具有胀缩性的红粘土工程性质具有明显差异，如果把它们同等对待，将胀 缩性强的红粘土作为一般红粘十对待，就会忽视胀缩性的_ l 程性能，产生一明翌事故。所以， 运用十质学原理对贵州红粘十的工程分类进行研究，是对红士的分类体系的补充，也是对贵 州红粘士土质的进一步研究。红粘士的工程分类，无论是在贵州红粘土研究领域，还是在中 国红十界，对此展开的研究工作都不多1 2 ，通过对红粘土的工程分类研究也开拓了贵州红粘 土土质研究新的研究方向和方法。所以通过人量收集资料，阅渎有关文献资料，依托导师为 主要参与人的科研项目“贵州山区石质荒漠化演化与生态环境重建机理研究”，选择“贵州 红粘土工程分类及土质研究”作为硕士学位论文的命题。 1 2 课题研究意义 1 2 1 土质分类研究的意义 十质分类是以自然一卜为对象，以服务于1 ：程建设为目的的分类。十的分类是。 质。学、土 力学的基础理论之一，其任务是将白然十，根据本学科的认识水平，按其在实际应用中的共 性划分为类或组，以达剑“十以类聚”，十质分类的合理化程度在也反映了本国的十质。学、 土力学研究发展水平。冈此，十的分类研究足十质学、十力学研究的基本课题，具有重要的 理论意义：另一方面，通过分类，将1 ：科性质相似的f 二分为同类，便丁根据十类选择合适的 研究内容和研究方法，止确顶测不同十类产生的不同l ：科问题，具仃较人的现实意义。 合理的十质分类只有以卜实际h j 途： ( 1 ) 确j 芭 ：类名称，根据经验概略地鉴定各类寸：的i ￥性质，初步评价各类十作为地荩或 9 贵州大学2 0 0 8 届硕士研究生论文贵州红粘土工程分类及土质研究 建筑材料的适用性。 ( 2 ) 明确对各类土深入开展土质、土力学研究的重点内容、试验项目，选择有效的试验 方法和手段。 ( 3 ) 结合反映地基土体结构的指标和建筑经验，评定地基士的承载力，为基础工程的设 计服务。 ( 4 ) 反映对各类土进行土质改良的必要性和可能性，进而选定适宜的土质改良方法和措 施。 1 2 2 红粘土工程分类的研究意义 红粘土是碳酸盐岩地区分布的主要土类，而碳酸盐岩在贵州的分布面积达7 0 以上，大 量的工业民用建筑都建于这种土壤之上。在一定的地形特征上难以保存，易大量流失，形成 石漠化，更显示出红粘土作为建筑地基资源以及建筑材料资源的重要性。 随着建设事业的发展，建筑区域越来越广阔，涉及到的地形地貌也越来越多，所遇到的 作为工程对象之一的土类也逐渐多样化。就红粘土这类特殊土而言，其工程性质也并不全都 是如规范h 中概述的具有“高液限，高含水量，大孔隙比，较高强度，中一低压缩性”的工 程特性，它们有的具有较强的胀缩性，有的粗颗粒组成特征类似混合土，有的具有软土性质； 这些不同特性的形成，需要一定的地质环境和成土过程，所以，红粘土工程分类足土质研究 的内容之一，研究内容涉及到其地质成冈、微观结构特性、t 程性质、以及t 程应用类型， 进一步进行合理的分类，以便经济、安全的利用红粘十资源和更好的为= 程建设服务。 1 3 红粘土工程分类研究的主要内容 本课题研究的主要内容拟从以下几个方面进行： ( 1 ) 贵州红粘十基本特性及土质特征； ( 2 ) 熟悉掌握上科十的分类标准；掌握红粘土的分类方法及分类标准并讨论分类指标和 试验方法； ( 3 ) 根据贵州红粘土的十质特征及j t ：程特征，对贵州红粘土进行上程分类； ( 4 ) 贵州红粘士各类土的十质研究； ( 5 ) 红粘十t ：程分类的应州及主要地质i ：氍问题。 1 4研究方法及主要技术路线 1 4 1 研究方法 ( 1 ) 收集相关研究资料，了解和掌握土质学分析方法及十的f ：程分类方法： ( 2 ) 参加：科实践，总结f ：的分类标准对i ：程活动的影响及作川，住此基础i - 采集_ ：样 标本，进行室内相关j t ：i ：试验； ( 3 ) 币j j i t j 统汁学，剀解法譬数学j ：只以及近代 ：质。、成冈十质。等专业理论，分忻试 验成果，研究州讨论红料十的十质特征； 贵州大学2 0 0 8 届硕士研究生论文 贵州红粘土工程分类及土质研究 ( 4 ) 综合研究资料及试验成果，对贵州红粘土进行工程分类，并对其工程特性和分类标 准进行探讨； ( 5 ) 总结结论，撰写学位论文。 1 4 2 技术路线 课题研究的是贵州红粘土类型及分类，研究中的两个关键问题是红粘土不同的工程性质 及划分标准。主体内容是总结工程实践中贵州红粘士表现出的不同工程性质规律，对其进行 工程分类，并研究各类型的土性特征，确定合理的分类指标。 具体技术路线如下： 贵州 学2 0 0 8 属硕研究生论文 贵州红粘土工程分类土质研究 第二章红粘土的基本特征 2 1 红粘土的分布和形成时代 2 1 1 红粘土的分布 第四纪地质历史上+ j 显热气候韵变迁。直接控制着红土的分布范隔而湿热气候及碳酸 盐岩系的分布又控制着红粘土的分稚而积。中下更新世的间冰期当中北方几乎都具备红十 化作j 的湿热气候条件，而上更新世及其以后时期，红十化作用的湿热气候条件范围t 向南 退缩到匠江以南，北方甲期形成的红土被侵蚀或覆盖，所见不多，只见零星分布。南方才有 太面积的红，【：及红粘土分巾。统计表明，红十分布面积约达2 0 0 万k m 2 ，红粘十约为1 0 8 万 k m i 其中褐红色棕红色红粘士为7 4 万酣，黄色、黄褐色红粘土为3 d 万酣。“”中国红 粘土及红士分布见图2i 。 删 黼 咳 幽21 中国红粘十及红十分布幽“” f i g2 1 t h ed i s t r i b u t i o no f m dc l a ya n d l a t e r i t e i n c h i n a 贵州红枯十主要有两个分布医其分布在黔两高原面的j _ 大地区，该区红枯十以褐“ 也、棕红乜为土颜色以红色为基凋。物质组成及i 的结构表现为游离氧化物含量高游离 的f e o ，音蚺94 0 1 25 0 ，游离 l 。o ，含姑49 3 1 02 4 ，s i 、a i ，f e 的游离氧化 物总蚰为1 8i2 2 92 0 ；其中铁的游离度为7 0o 7 2z ，在令蝌再地的红枯十中处 丁茸位。 由丁游离轧化铁及游离氧化物总量古苗高对+ 的染色作川强设医红料土的颜色较其 它眄域的害1 _ 粘十颜色深以鲜红及情红色为基涮：同时u i 丁游离氧化物对红粘十彤成的艘 褂忖_ 腔结作j i j ，本r 红社l ：的“假粉性”十性特征较显扎 “红柑f 的犬然地质削岍上，该x 红枯十上部硬塑l 层r 一积聚的褐铁矿世揭锰矿一元结 蓐 贵州大学2 0 0 8 届硕士研究生论文贵州红粘土工程分类及土质研究 构层较常见，褐铁矿层质硬，褐红色，呈硬壳状( 俗称“铁盘”) ，其下为褐锰矿层，质较软， 呈松散堆积状。褐铁矿及褐锰矿层常分布在距地表2 - - 4 米范围内。 贵州红粘土第二个主要分布区是黔中高原区，该分布区域以黔中为中心向四面展开，包 括黔中地区以及贵州镇宁黄果树瀑布以东，遵义以南，都匀以北的黔中地区，以黄色为基调， 多呈黄色，黄褐色，部分剖面的上部为分布不厚的褐红色红粘土层，但色调较滇东高原区红 粘土的颜色浅。 黔中高原区的红粘土土质细腻，粘性重，含水量高，液限及其它界限含水量高。 2 1 2红粘土的成土时代 红粘土的地层学研究尚不充分。根据刘敏厚等人昭刎的研究，黔中地区有两个时期的红粘 土风化壳。较老的红粘土风化壳堆积于相对高度8 0 1 2 0 m 的台地上，如凯里的宝塔山红土 和贵阳的长岭岗红土等。其中以福泉的蚂蚁坟发育最为完好，保存了长约3 k m ，宽2 0 0 m 的 红粘土台地，红粘土厚十余米。这一期残积红粘土红土化作用较深，颜色较红，铁盘较发育。 据分析n ，本期红粘土形成于早更新晚期( e l q 。2 ) 的第一间冰期( 火姑燔阳间冰期) 。较新 的一期红粘土堆积于相对高度3 0 5 0 m 的台地上，广泛分布于山盆期的溶盆，溶洼或溶谷中， 如贵阳盆地的照擘山红士等。这一期残积红粘土的红土化程度稍浅，土呈黄褐、红黄等色， 铁盘少见。据分析n0 。，本期红粘土风化壳形成丁中更新世晚期( e l q 2 2 ) 的第二间冰期( 庐山 大姑问冰期) 。 由于红粘土中缺乏生物证据，又缺少可靠的地层接触关系方面的资料，两期红粘士的划 分尚有待进一步研究。 2 2 红粘土与母岩的关系 红粘土的细分散性与其矿物成分有关。粘土矿物是红粘土的主要矿物成分，颗粒细小， 片状为主：还有部分极细的粘粒尺寸的游离氧化物。这种矿物足强烈化学风化_ 并红土化的产 物，是由成十母岩的可溶蚀性及成土区域内湿热的气候条件决定的。 在湿热的气候条件下，有助于岩石的化学风化剧烈地、彻底地进行。母岩中占绝对优势 的方解缸、白云石笛可溶性矿物在岩石风化作用的初期开始，就会被含有侵蚀性c 0 z 的地下 水溶解，其溶解的成分随地f 水的流动而被带出母岩，随水流走。这种作用在潮湿温暖的气 候条件下，在含有裂隙允许水流进入的碳酸盐类岩石中，在水流可以流动循环这儿个冈素的 共同作用下，随着岩溶作用而不断地进行着，直至岩干i 中可溶解的成分被溶蚀殆尽，只有在 上述岩溶作川的条件受到限制停i | ：，这个过程才会停止。 在漫k 的地质历史中，我国现在红粘士分布的这些区域内，岩溶作川都在持续地进行着。 随着岩彳i 的溶解及可溶成分溶入地卜水并被带出母岩的过程，最终使碳酸盐类岩彳i 中不溶解 的物质相对富集，成为结构松散的粒状堆积物，这些物质类似。现在某些红枯士剖面底部岩 十界面上的疏松粒状物质。 地表岩溶作川强烈进行留卜的残余疏松粒状堆积物l 可以认为是红粘一十：成十甲期的物质 1 3 贵州大学2 0 0 8 届硕士研究生论文贵州红粘土工程分类及土质研究 组成。其特征是以母岩中残留的原生矿物、不溶解的矿物、较粗颗粒的矿物为主。 当岩溶作用使残余堆积物形成并堆积后，在潮湿温暖气候条件下进行的岩溶作用就逐渐 转化为堆积物的枯士化红土化作用。堆积物中的矿物在地下水的作用下进一步发生淋滤、 淀积、水化、水解等复杂地质作用形成粘土矿物，然后在适宜的气候条件下，伴随着堆积物 的粘土化过程产生红土化作用，使其中的氧化物逐渐游离出来，并形成新的矿物和不定形物 质，含量不断增加，成为红粘土矿物的重要组成部分，并对红粘土的特殊性质作出了重要贡 献3 引。 2 3 红粘土的成因 关于红粘士的成因，一直是国内红土研究的热点，国内学者对其成因观点主要有以下几 种： ( 1 ) 喀斯特成土作用( 1 9 9 1 年) 说：以李景阳等为代表，认为碳酸盐岩风化变成残积 红粘土，主要包括溶蚀和交代两种作用。此成土观点，以母岩风化剖面、残留结构构造，渗 滤层及风化晕圈层的发现和论证为基础。红粘土中残留的母岩结构和构造的发现，说明残积 红粘土并不是由碳酸盐岩中非可溶物质残留下来而形成的，而是碳酸盐岩中所包含的少量陆 源物质，稳定的氧化物、少量的重矿物，因为已处于风化的最终阶段，根本没有参与粘土矿 物的形成，而是原封不动的保存下米。 ( 2 ) 1 9 8 2 年，屈儒敏基于碳酸盐岩红土的四点特征：( 1 ) 不依附于岩石发育、集中分 布在负岩面上；( 2 ) 岩土之间呈岩溶不整合接触；( 3 ) 高岭石晶体有缺损现象；( 4 ) 不具备 残积层的一般特征。提出了“岩溶堆积”成因的成土观点。 ( 3 ) 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，由水源携带人量 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。 ( 4 ) 王世杰，孙承兴等( ( 1 9 9 9 ，2 0 0 2 ) 经过对红粘十进行十壤物理学、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十的主要物质来源，碳酸盐岩风化成士分为 两个阶段，即以碳酸盐矿物人量淋失、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1 f 碳酸盐类岩石的风化过程。 ( 5 ) 符必吕，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1 e 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1 卜可溶性岩l 经红土化作用后可全部或部分形成红 粘士：碳酸盐岩分布区以外的1 卜可溶性岩彳i 经红十化作h j 形成红粘十物源，同时，可溶性 碳酸盐岩在较弱的岩溶作刚卜形成一些难溶物质，它们经搬运后在古岩溶面上形成红粘十堆 积。 ( 6 ) 廖义玲( 2 0 0 4 ) 认为红粘十成十过程主要经历两个阶段的地球化学作川。第一阶段 是母岩碳酸盐岩系地层经历的岩溶作用，岩溶作川将碳酸盐岩的结构彻底破期i ，岩= f i 中一i 。绝 1 4 贵州大学2 0 0 8 届硕士研究生论文 贵州红粘土工程分类及土质研究 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。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”了红枯土的 微观结构，并最终形成红粘土。 无论是残积成冈、残坡积成因，抑或“岩溶堆积”，在碳酸盐岩红土成土过程中的特殊 地质作用和地球化学作用是不可否认的，一个是碳酸盐岩作为成土母岩所经历的化学溶蚀作 用这一特殊地质作用，另一个岩溶残余物质所经受的红土化这一特殊地球化学作用。这两个 作用塑造出碳酸盐岩红土特殊的土质特征。 根据以上认识，红粘土成因中最主要的两个阶段，是可以明显的分开又互有影响的两个 成土环节，能够代表红粘土成因的特殊性。这两个阶段分别以母岩经受的岩溶作用和溶蚀残 余物经受的红土化作用为地质作用方式，以溶蚀残余堆积物和红粘土为各阶段地质作用的产 物。前阶段是后阶段的基础，岩溶作用及其产物的特殊性对后阶段的红土化作用产物有主要 的影响；后阶段的地质作用及效果与前阶段既有联系也有继承性，是红粘土的成囚分析和界 定中不能忽略的主要影响因素。岩溶作用特点是破坏过程，主要是将母岩结构破坏并移走了 可溶解的物质，使溶蚀残余物结构松散矿物含量百分比发生很大的变化。这个破坏和改变过 程进行的比较彻底，有别于物理风化作用。岩溶残余堆积物质无论在上部或下部，以及岩土 接触面都是比较相似的全风化产物一疏松多孔、砂粒大小，而不是像其它残积物那样，由母 岩至地表逐渐过渡，在剖面下部为粗人的块石、砾石，往地表粒度逐渐变细，风化程度逐渐 加深。 红十化作用虽然是一个很复杂的过程，但从对形成土的性质的角度来讲，总体上不是趋 向于破坏，而是形成土的结构连结的过程。用地质术语来讲，这对红粘- 十是一个“建造”的 过程，是将松散溶蚀残余堆积物由新生的氧化物逐渐胶结而形成十的结构连结的过程。结构 连结使松散物变成块状土，提高了松散溶蚀残余堆积物的强度，并由氧化铁的染色作用及土 中矿物的淋滤，分解重组合而形成红粘十。 红土化作j j 的程度受温度的影响，是从地表往下逐渐形成的，表现为剖面上部红土化程 度较高。此外，较高的温度蒸发水分而使十体收缩，密度增大，且地表的蒸发作用大丁地下。 冈此，红粘十剖面上便形成了“反均衡性”的特殊十体特征。 其它母岩形成的红十也经历了红十化作用，但不同的是红土化之前的风化作川产生的残 积物在剖面卜部较多保留了母岩的原始结构和强度，这种结构性和强度在红土化阶段仍被继 承下来，而且其影响程度人丁红土化作用新建造的。t 的结构强度，所以其它母岩形成的红十 总体上仍表现为上弱卜强的正常土体削面的士性特征。 此外，碳酸盐岩系地层在地表或十层卜- 的岩溶不整合面，造成了红粘十厚度变化人且受 卜伏基层面控制的特征。岩溶作川对母岩结构破助：，造成了红粘十岩十接触带缺乏碎块f i ， 贵州大学2 0 0 8 届硕士研究生论文贵州红粘土工程分类及质研究 基岩与强风化松散残余接触的岩土界面突变关系的特征。 因此，红粘土作为一种特殊红土，成囚中的重要地质作用可分为岩溶作用阶段和红土化 作用阶段。与一般性土不同的区别是它经历红土化作用而具有红土的特性；与其它类型红土 不同的个性则是由于岩溶作用。 屈儒敏1 9 8 2 将其成因定为“岩溶堆积”，但从红土化作用的特点来看，此阶段是在溶蚀 残余堆积剖面上原地红土化，在负地形中形成原生红粘土后不再被搬运，因此，原生红粘土 剖面中也留下了一些“残积”的依据，例如，红粘土中的m g o ，c a o 越接近母岩成分含量越 高：岩土过渡带有较多的白色或紫色母岩风化的粉末等。 通过以上分析，认为红粘土的成因与一般残积士区别较大，不宜简单定为残积物，而定 为岩溶堆积成因，也不能完全反映红土化过程中堆积物就地演化的特征，而且并不是像原定 义中认为的那样，都是经过搬运的。建议定为“岩溶残余红枯土”，且明确主要成土阶段是 岩溶作用一残余堆积物和红土化作用一红粘土形成的两个阶段；第一阶段可以是原地堆积， 也可以是经过搬运后再堆积的；而第二阶段是原地进行的，两个阶段相互联系，相互影响而 形成了具有特殊土性特征，特殊土体特征的红粘士旧。 2 4 红粘土的物质组成与结构特性 土的物质组成是形成土的工程属性的物质基础，土的结构是物质组成的存在形式，十的 物理力学性质是由成分和结构共同影响的。红粘土的上程属性，是由它具有的较特殊的物质 组成和结构特征决定的。 2 4 1 红粘土矿物颗粒的细分散性 在粒度分析试验中使用有效的方法将聚集成团的多个矿物颗粒( 常称为粒团或集聚体) 充分分散成单个颗粒，试验结果显示红粘土物质组成的基本特征是粒度成分具有高度细分散 性引。滇东高原区及黔中高原区红粘十的样品粘粒组的含量多在6 0 以上，属于重粘土； 湘两以及其它平原丘陵区红粘土的粘粒含量稍低些，多在2 5 - 5 0 之间，属粘土。其余 非粘粒组的颗粒也以粉粒、细砂粒居多，大于砂粒级的砾石颗粒只在具有冲积成囚搬运过的 红粘十中较易见到。颗粒的细分散性是红粘土粒度组成的基本特征，这种粒度通常称为土的 “真粒度”( 红粘土真粒度分析成果见表2 1 ) ，“真粒度”代表土中【司体矿物颗粒的大小， 因为它是在充分破坏了十粒问连结后测定出来的，不受十粒间连结的影响，反映的是土中i 州 相矿物颗粒的基本尺寸而不是粒团的尺寸。 1 6 贵州大学2 0 0 8 届硕士研究生论文贵州红粘土工程分类及土质研究 表2 1红粘土的真粒度分析成果表m 1 t a b l e2 1t h ep r o d u c t i o nt a b l ef o rr e a lg r a n u l a r i t yo fr e dc l a y 粒羟 ) 0 0 5 ( ) 备注 o 0 5 0 0 0 50 0 0 5 - 0 0 0 2 o 0 50 0 5 0 0 0 50 0 0 5 0 0 0 2 9 5l l ，l 76 0 1 1 03 悯历5 0- 0 1 n 4 含水比内摩i 麴由揪c无坝帜抗暖踱q i压揪a 。厅缩l 奠量b d u( o ) 乜哂曲时 豳k 国包嘻f 确 q 5 也7 5o v 3q 眦6z 4 0q o l n 0 46 0 q 印 变僦b自曲瓣6 。膨f 粹 嬲般幼a懈p 2 6 s 线纤本筝6 ，。 包哂曲 6 e s 岛) 嘛商 佛)饶) 1 0 。嘲 2 5 8 0 q l 2 lq 1 4 q 3 l7 忽25 一 8 首先，红粘土的胶凝性对形成土性特征的影响土要表现在对细粒矿物颗粒的胶结作用， 使红粘土成为结构性粘土，也是使红粘土物理性质指标较差，而同时具有较好的力学性质的 原因。其次，游离氧化物的胶结状态和性能随着土中的含水率增减以及胶体的固化作用不同， 不仅结构连结不同，而且可逆性也会发生根本的变化。 试验表明旧引，当红粘土中含水率减少至某一临界状态时，胶态游离氧化物形成的结构连 结从具有可逆性和弹性性状的含水胶体状态转变为不可逆的类似于固体胶结状态，这时胶体 的性质具有刚性和不可逆性，这种连结物状态的转变使红粘土的性质也发生相应的转变。 ( 2 ) 红粘土的超同结性 先期i 吲结压力p 是十体所承受过的最大有效压力。在天然十层中，当某土层的上覆有 效。压p 。力大于p 。时，该土层处于欠固结状态；p 。等于p 。时，该土层处于正常固结状态； p 。小于p ，时，则该七层处于超同结状态。为了描述士体的同结状态，土力学中定义了超i 司 结比概念，即超同结比o