（地质工程专业论文）桂林红粘土地区地基基础选型探讨.pdf

桂林理王大学硕士学位论文 摘要 广西桂林地区红粘土分布广泛，主要分布于孤峰平原、峰林平原之上和峰林、峰丛 谷地洼地之中，约占整个第四系分布面积的7 5 以上，是桂林地区主要的地基土，加之 特殊的岩溶地质环境，桂林红粘土地区的地质条件比较复杂，存在一系列不良地质因素。 随着桂林社会经济的快速发展，愈来愈多原来被认为是不良地质因素的红粘土地基上正进 行着大规模的开发建设。因此研究桂林红粘土的工程性质和应用，特别是对在红粘土地区 的地基基础实用性和可靠性方面的研究显得十分重要。 桂林红粘土主要是一种由更新世残积、坡残积、冲洪积及洪坡积组成并经后期湿热 化作用改造的富含铁铝氧化物的红色、近红色的粘性土。土中粘土矿物主要以高岭石、伊 利石、绿泥石为主，含少量蒙脱石、蛭石及混层次生粘土矿物。它在工程地质性质方面 最大的特点是天然含水量、孔隙比、液限及抗剪强度较高，容重、饱和度、比表面较 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等特点。 桂林红粘土地区，下伏碳酸岩层之上通常覆盖有一层相当厚度的红粘土层。地基基础 选型应遵循以下原则：多层建筑应尽可能采用天然地基浅基础，当天然地基承载力不能满 足要求时，可以采用局部地基加固处理或复合地基的地基形式，以最大限度的发挥和利用 场地中的红粘土层；对于部分建筑筑物刚度较大，如高层( 二十层余层以下) 民用建筑，可 采用复合地基+ 筏板基础；当对不均匀沉降较敏感或单柱承载力特别大时，采用钻( 冲) 桩 或人工挖孔桩等嵌岩端承桩；对于红粘土地区下伏岩层岩溶溶洞强烈发育时应避免使用桩 基础，因为场地岩溶发育，对溶洞的处理会相当复杂的和艰巨，不仅增加了施工进度和周 期，而且大大的提高工程造价。如果条件不允许而必须以下伏碳酸岩层作为持力层时，可 采用梁、板和拱等结构跨越的方法，尽量避免穿越大的溶洞。 关键词：桂林红粘土基本特征地基与基础方案比选 桂林理i 大学硕士学位论文 - a b s t r a c t r e dc l a yi sw i d e l yd i s t r i b u t e di ng u i l i n , g u a n g x ip r o v i n c e ；m a i n l yd i s t r i b u t e di nt h ep l a i n s o fp e a lp e a k sa n dp e a k sa b o v et h ep l a i n ，v a l l e y , d e p r e s s i o n so fp e a k c l u s t e r , a b o u to c c u p y m o r et h a n7 5 t h ed i s t r i b u t i o no ft h ew h o l ea r e ao ft h ef o u r t hl i n e ，w h i c hi st h em a j o r f o u n d a t i o ns o i li ng u i l i nr e g i o n i na d d i t i o n , t h ei n f l u e n c eo ft h e s p e c i a lg e o l o g i c a l e n v i r o n m e n to ft h ek a r s t ，t h eg e o l o g i c a lc o n d i t i o n so fr e dc l a yr e g i o ni ng u i l i ni sr a t h e r c o m p l i c a t e dt h a no t h e rr e g i o n , w h i c hc o n t a i n san u m b e ro fa d v e r s eg e o l o g i c a lf a c t o r s a st h e d e v e l o p m e n to ft h es o c i o - e c o n o m i ci ng u i l i n ，m o r ea n dm o r ef o u n d a t i o nt h a ta r ec o n s i d e r e d a d v e r s eg e o l o g i c a lf a c t o r so ft h er e dc l a yf o u n d a t i o ni sb e i n gd e v e l o p e da n dc o n s t r u c t e di n l a r g e s c a l e t h e r e f o r e ，t h es t u d yo ft h en a t u r ea n da p p l i c a t i o no ft h er e dc l a yi ng u i l i ni sv e r y i m p o r t a n t ，e s p e c i a l l yt h es t u d yo f t h ef o u n d a t i o no fp r a c t i c a l i t ya n d r e l i a b i l i t yi nr e dc l a ya r e a s t h er e dc l a yi no u i l i ni sar e s i d u a lf r o mt h ep l e i s t o c e n e ，t h es l o p er e s i d u a l ，a n dh u n g a l l u v i a ls l o p ep l o ta n db yt h el a t ec o m p o n e n to ft h er o l eo fh e a tt r a n s f o r m a t i o no ff e - a 1 o x i d e - r i c h ，i t sc o l o ri sr e do rl i g h tr e d t h ec l a ys o i lm a i n l yc o n t a i n sk a o l i n i t e ，i l l i t e ，c h l o r i t e ， a n dc o n t a i n sas m a l lq u a n t i t yo fm o n t m o r i l l o n i t e ，v e r m i c u l i t ea n dm i x e d - l e v e lh e a l t hc l a y m i n e r a l s i ti st h en a t u r eo fe n g i n e e r i n gg e o l o g yf e a t u r ei sc h a r a c t e r i z e db yt h el a r g e s tn a t u r a l w a t e rc o n t e n t ，v o i dr a t i o ，l i q u i dl i m i ta n dh i g hs h e a rs t r e n g t h ，b u l kd e n s i t y , s a t u r a t i o n ，al a r g e r s u r f a c ea r e a , c o m p r e s s i o n ，l o we x c h a n g ec a p a c i t y , w a t e rp e r m e a b i l i t y , t h ec o l l a p s eo fa n d s m a l l e r - s u c ha st h ew e a kc h a r a c t e r i s t i c so fe x p a n s i o na n dc o n t r a c t i o n i ng u i l i nr e dc l a yr e g i o n ，t h e r eu s u a l l yi sav e r yt h i c kl a y e ro fr e dc l a yc o v e r i n go nt o po f t h eu n d e r l y i n gc a r b o n a t er o c k s s e l e c t i o no ft h ef o u n d a t i o ns h o u l db eb a s e do nt h ef o l l o w i n g p r i n c i p l e s ：m u l t i - s t o r e yb u i l d i n gs h o u l db eb a s e do nt h eu s eo fn a t u r a ll i g h tf o u n d a t i o n , w h e n t h en a t u r a lf o u n d a t i o nb e a r i n gc a p a c i t yc a nn o tm e e tt h er e q u i r e m e n t s ，i tc a nb eu s e dt od e a l 埘t l lt h el o c a lf o u n d a t i o nr e i n f o r c e m e n to rc o m p o s i t ef o u n d a t i o nf o r m s ，i no r d e rt om a x i m i z e t h ep e r f o r m a n c ea n dt h eu s eo ft h er e dc l a yl a y e r ；f o rs o m eo ft h eb u i l d i n gc o n s t r u c t i o nh a v e t h el a r g e rl o a d ，s u c ha ss o m ec i v i lc o n s t r u c t i o n sw h i c ha r eh i g h l e v e l ( m o r et h a n2 0f l o o r sa n d b e l o w ) ，c a nu s et h ec o m p o s i t ef o u n d a t i o na n dr a f tf o u n d a t i o n i fi t s m o r es e n s i t i v et o d i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n to rs i n g l e c o l u m nl o a dp o w e rp a r t i c u l a r l yh i g h ，t h ed r i l l i n gp i l e 、 h a n d - d u gp i l ea n do t h e rb e a r i n gr o c k - s o c k e t e dp i l ec a nb eu s e d ；i ft h ek a r s tc a v ed e v e l o p s s t r o n g l yo nt h eu n d e r l y i n gr o c ki nt h er e dc l a yr e g i o n ，i ts h o u l db ea v o i d e dt h eu s et h ep i l e f o u n d a t i o n i ti s v e r yc o m p l e xa n dd i f f i c u l t t oh a n d l eo nt h ec a v e ，b e c a u s et h ek a r s t d e v e l o p s ，w h i c hn o to n l yi n c r e a s et h ec o n s t r u c t i o np r o g r e s sa n dc y c l e ，b u ta l s og r e a t l yi n c r e a s e t h ep r o j e c tc o s t i ft h ec o n d i t i o n sa r en o tp e r m i t t e da n dm u s tp u tt h ek a r s tf o u d a t i o na st h e b e a r i n gl a y e r ，c a l lu s eb e a m s ，p a n e l sa n da r c hs t r u c t u r ea c r o s st h e t h eu n d e r l y i n gc a r b o n a t e r o c k s ，a n dt r yt oa v o i dc r o s s i n gt h eb i gc a v e k e yw o r d s ：g u i l i nr e dc l a y ，e s s e n t i a lf e a t u r e ，s u b g r a d e a n df o u n d a t i o n ，s c h e m es e l e c t i o n i i 研究生学位论文独创性声明和版权使用授权书 独创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在陈先华副教授指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得其它教育机构的学位或证 书而使用过的材料。对论文的完成提供过帮助的有关人员已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 学位论文作者( 签字) ：二邕韭 签字日期：扫“乒每删 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解桂林理工大学有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的印刷本和电子版本，允许论文被查阅 和借阅。本人授权桂林理工大学可以将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、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。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。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 鬣亲瘀日 物叮年多月乡日 参3 去细 名 三 签尹糍中 文埘瑚刨锢 桂林理上大学硕士学位论文 1 1 选题依据及研究意义 第一章绪论 红粘土是几种特殊土类之一，主要分布在北纬3 0 。与南纬3 0 。之间的热带与亚热带 地区，亚洲、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 布在华南、西南、华东以及华中部分地区，如贵州、广西、云南、广东以及湖南等省份。 大量的工程都涉及到红粘土，红粘土的地质和工程灾害也不少见，因此很多学者和工程师 对这种红粘土进行了较多的研究。红粘土这个名词在过去第四纪地质研究中早有论及，但 从工程地质观点出发，红粘土是于1 9 5 8 年在我国云贵高原上发现并命名的，我国最早有关 的研究是在1 9 6 4 年全国第一届土力学及基础工程学术会议上发表由的高岱、袁阮、余培 厚撰写的论文贵州红粘土的建筑性能。2 0 世纪7 0 年代将它作为一种特殊土列入我国 工业与民用建筑地基基础设计规范( t j - 7 - 7 4 ) 和工程地质勘察规范 ( t j - 2 1 - 7 7 ) 妇，成为中国特殊土中的一类，并载入了有关的教育与科技书籍之中，为人们 所公认。岩土工程勘察规范( g b 5 0 0 0 2 1 2 0 0 1 ) 中对红粘土定义如下：颜色为棕红、褐 黄、覆盖子碳酸盐岩系之上，液限大于或等于5 0 的高塑性粘土判定为红粘土，红粘土经 过搬运、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d 1 。 经过近5 0 年的研究，对于这种特殊土的性质有了较为全面的认识，对红粘土的成因 与组成、物理化学特征、力学特性效应、水理性质、微结构特征、工程应用以及地质灾害 等方面的研究都有了较大的进展，突出了红粘土的胀缩性、裂隙性与超固结性及其引发的 工程病害的研究。红粘土的研究己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 1 o 胁) 、中孔隙( 1 0 - - , 0 1 m ) 、小孔隙( o 1 o o l l a n ) 和微孔隙( 7 0 土2 0 5 压缩系数 指标孔隙比e孔隙率r l液限吼塑限即压缩模量e s粘聚力c a i 红粘土 0 6 7 1 4 64 0 5 94 2 8 62 3 5 60 1 0 0 7 23 5 1 61 4 1 2 9 次生红粘 0 8 1 1 4 5 5 44 0 7 01 7 4 70 1 ，0 44 4 1 22 2 7 5 土 高孔隙比、高液限作为红粘土的一个重要特征，是与其土的矿物成分组成密切相关的。 土的孔隙比、液限等物理性质取决于土的矿物、粒度、及其组合排列方式。土中粘土矿物 含量越高，颗粒越细，土的孔隙比、含水量、液限及土粒比表面积等就越大，透水性就越 小。桂林红粘土主要为片状粘土矿物，粘粒平均含量多达5 2 6 。据分析，在偏光镜下， 粘土矿物无序叠集，粘粒主要为倍半氧化物胶结粘粒内部、集合体内部孔隙细小，数量 众多，所以土具有较高的孔隙比。同时，土中由于含有较多的铁铝氧化物，随着湿热化的 加深，孔隙增多，这也是造成桂林红粘土孔隙较大的一个主要原因。另外，由于红粘土分 散性高，伊利石、绿泥石等粘土矿物细小，土粒集合体内部微界面发育，土具有较大的比 表面积，天然状态下能够吸附大量的水分子，形成较厚大的强结合水膜，使得土即使在坚 硬、硬塑状态下仍然含有较多的水分和较高的饱和度同理，由于大比表面，高分散性， 在和水作用过程中强烈的吸附水分子以及孔隙溶液中的反离子而具有较高的液限含水量。 主要由残积、坡残积、冲洪积和坡洪积形成的桂林红粘土的物理力学性质指标如下表2 3 所示： 根据该表可以看出桂林市红粘土物理力学性质具有以下几个基本特征： ( 1 ) 土的孔隙比大，压缩性小，强度高。红粘土孔隙比通常大于1 o ，压缩系数一 般为0 3 6 m p a - 1 以下，最小可至0 0 6m p a - 1 ，属中低压缩性土；粘聚力和内摩擦角最高分 别可达l o o k p a 和3 2 0 。； ( 2 ) 高液限，高塑性。桂林市红粘土液限含水量大于6 0 占5 0 ，塑性指数大于 2 0 的为7 0 ； ( 3 ) 饱和度高，容重大，红色粘性土饱和度一般在9 0 以上，容重一般为1 8 6 2 o o g c m 3 ，较一般粘性土的容重大； 1 2 ： j 桂林鲤i 大学硕士学位论文 ( 4 ) 透水性和崩解性都较小：渗透系数一般为1 5x1 0 畸- - - 5 ox1 0 咱c m s ；崩解量 一般小于每小时1 。 表2 3 桂林红粘土的物理力学性质 指标残 积坡残积冲洪积坡洪积 含水量w 3 0 0 一4 1 02 0 4 2 02 0 o 4 0 02 6 o 3 6 0 容重y k n i 31 7 8 l & 7 1 7 4 l9 61 7 6 2 0 11 7 2 1 9 4 比重g 2 7 2 2 2 7 3 2 7 72 7 2 2 2 7 2 2 8 0 孔隙比e o 8 0 1 1 0o 8 8 1 1 2日7 4 1 0 6o 8 0 1 0 0 孔隙度n 4 8 o 5 3 04 5 o 5 5 o4 1 o 5 4 04 3 o 5 4 0 饱和度s r 8 8 0 7 9 09 3 o l o o o9 1 o l o9 2 o 9 8 0 液限臀l 4 3 o 7 0 04 5 o 7 0 0 4 2 o 5 & 0 3 5 o 6 0 o 塑限w p 2 7 o 一哇o 02 4 0 , - - - 3 5 0 1 8 7 3 5 72 2 o 4 0 0 塑性指数i p 1 8 0 2 7 02 0 0 3 6 o1 9 d 3 1 o1 7 o 2 2 0 液性指数i l o o 2 5 0 - - - - 0 3 5 o 0 3 0 0 0 2 8 渗透系数i 【伽s 1 1 5 7 l o 7 2 9 x1 0 。 1 6 l o - 7 一1 3 4 x l 矿 3 8 x 1 0 1 5 6 1 0 1 崩解量a t o 5 4o 0 8 帕3 8o 田2 3o 0 8 9 压缩系数幽一。i m p a 0 0 7 o 1 7o 1 8 0 3 0o 1 0 o 3 6o 由3 0 粘聚力c k p a 5 0 l 4 0 3 9 8 44 7 7 5 摩擦角垂( ) 1 5 3 01 5 2 61 4 2 81 4 9 3 2 o 2 4 2 桂林红粘土空问变化特征 桂林红粘土是一种多成因的特殊土，且广泛分布在不同的岩溶地貌之上。红粘土的这 些条件形成了其工程地质性质的各向异性，主要表现在横向分布和垂直向分布的变化上。 ( 1 ) 横向变化 桂林市红粘土中坡残积、残积土天然含水量、孔隙比、液限较高，老冲洪积，坡洪积 土则较小；抗剪强度坡洪积、残积较大，老冲洪积、残坡积较小；压缩性坡残积大于老冲 洪积，残积最小；透水性以老冲洪积最大( 表2 3 ) 在同一成因类型的红粘土中，则以 坡洪积和老冲洪积变化较大。不同地貌单元的红粘土的物理力学性质差别明显。据资料统 计，峰林平原之上的红粘土的天然含水量、孔隙比、液限及压缩系数均较峰丛谷地、洼地 1 3 桂林理工天学硕士学位论文 大( 表2 4 ) 。 表2 4 桂林不同岩溶地貌单元红粘土物理力争毖贾 地貌 峰林平原峰丛谷地洼地 土层状态指标 坚硬 硬塑可塑软塑流塑 坚硬 硬塑可塑软塑流 塑 含水量w ( )3 3 23 4 o3 7 94 5 55 0 12 8 62 8 22 7 5 孔隙比e1 0 4o 9 81 0 41 1 61 3 0o 8 4o 8 80 8 2 液限- 1 ( ) 6 2 46 0 25 4 75 0 o4 5 65 6 15 0 34 0 8 压缩系数ah ( c i l l 2 k g ) 0 0 1 8 0 0 2o 0 3o “0 0 70 0 1 8 0 0 1 4 0 0 1 3 凝聚力c ( k g c m 2 ) 0 6 2o 7 0o 4 8使3 00 1 7 内摩擦角由( 度) 2 4 52 01 6 7l o 94 6 ( 2 ) 垂向变化 红粘土工程地质性质具有比较明显的垂向变化规律，含水量、压缩性随深度的增加而 增加，而塑性、力学强度则随深度的增加而减小，故在纵向上的变化是不均匀的。红粘土 在近地表3 - - 5 m 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 m 以下， 土体一般呈现软塑状态，物理力学性质较差；在溶沟、溶槽中，由于受地下水的补给或毛 细作用，使地下水易在深部贮存，故土的天然含水量往往大于液限，呈流塑状态，物理力 学性质极差，不宜作为地基持力层。 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份所决定的。在剖面上，由于上层红粘土中氧化铁 聚集和老化，使土的亲水性相对比下层弱，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。 次生红粘土在垂向上也具有类似的特征，随着深度的增加，稠度状态也经历坚硬、硬 塑、可塑、软塑和流塑的过渡，相应的物理力学性质也逐渐变差。一般次生红粘土并非直 接覆盖于基岩之上，而是覆盖于冲洪积形成的含卵砾石土层之上，与其一起形成次生红粘 土的二元结构。此二元结构的下覆才为基岩。 2 5 桂林红粘土的裂隙性和胀缩性 红粘土的裂隙性：在坚硬和硬塑状态的红粘土层由于胀缩作用形成了大量的裂隙，裂 隙发育深度一般为3 - - 一，4 m ，己见最深者达6 m ，裂隙面光滑，有的带擦痕，有的被铁锰质侵 染；裂隙的发生和发展速度极快，在干旱气候条件下，新挖坡面数日内被收缩裂隙切割得 支离破碎，使地面水侵入，土的抗剪强度降低，常造成边坡变形和失稳。 桂林理工大学硕士学位论文 红粘土的胀缩性：有些地区的红粘土具有一定的胀缩性，如贵州的贵阳、遵义、铜仁， 广西的来宾、贵县、柳州、桂林等，这些地区由于红粘土地基的胀缩变形，致使一些单层 民用建筑物和少数热工建筑物出现开裂破坏，其中以广西地区较为严重，贵州较轻；有些 地区红粘土的胀缩量微小，可不考虑其膨胀性对工程建设的影响。 红粘土是一种区域性特殊土，有其明确的定义，虽然某些地区的红粘土，具有一定的 胀缩性，与膨胀土在工程性质上相似，但其与膨胀土还有较多差别。胀缩性红粘上在物质 成分、结构构造、物理化学性质、物理力学性质以及对工程的破坏作用等方面与膨胀土有 明显的区别。膨胀土地区建筑技术规范( g b j l l 2 8 7 ) 中对膨胀土定义为：膨胀土应是土 中粘粒成份主要由亲水性矿物组成，同时具有显著的吸水膨胀和失水收缩两种变形特性的 粘性土。廖世文对膨胀土定义为：膨胀土主要是由强亲水性粘土矿物成分一蒙脱石和伊利 石组成的，具有膨胀结构，以及多裂隙性、强胀缩性和强度衰减性的高塑性粘性土两种 定义都强调了对水十分敏感的、具活动性晶格的蒙脱石和伊利石，红粘土中这两者明显较 膨胀土少，虽然也含有活动性晶格的矿物蛙石，但其在自然环境中对水并不敏感。在胀 缩性这一点上，红粘土收缩变形的特性和造成收缩破坏的特点，与典型的膨胀土相比更有 显著的区别，许多的轻型建筑的破坏是因红粘土的失水收缩造成拉裂性破坏所致。 表2 5 桂林红粘土主要胀缩指标 指标 液限含水 液性指数自由膨0 5 k g 荷膨胀压力缩限含线缩率体缩翠收缩系数 成因量- l ( 呦 i l 胀率载下膨胀p p ( k g c m 2 )水量 e s l ( )v s ( )c s l ( ) f s ( ) 率e p o 5 ( 鼍) w s ( 薯) 坡残积 5 4 7 00 - 2 32 7 - 4 0o 1 吨70 0 7 - o 1 61 7 - 3 01 3 3 38 - 2 00 2 - 0 4 残积4 5 咱0 伊巾22 8 - 4 0( 0 o1 7 - 3 72 5 - 3 07 - 1 0o 1 - 0 3 i 坡洪积 5 2 6 5 4 0 的约为4 5 ，体缩率( v 。) 1 0 9 6 的约为6 3 ，线 缩率( 6 ，。) 5 的约为2 2 。其主要胀缩指标见表2 5 ，桂林红粘土膨胀特征主要有以下两 个方面： ( 1 ) 弱一中等胀缩性，以缩为主，缩大于胀。 总的来说，桂林红粘土受其矿物组成等方面的影响，存在胀缩性但并不十分强烈，其 自由膨胀率一般在3 0 - 4 0 ，在0 5 k g 荷载下，膨胀率有相当部分显示负值，膨胀压力通 常 o 2 k g e m 2 可见桂林红粘土膨胀性极弱；而体缩率和线缩率则较大，分别6 - - - 2 0 和 桂林理工大学硕士学位论文 =,n f m i ia i i,i ii i ipi,ii, i l l f,i_=j|号零 1 3 3 3 ，最大者体缩率可达2 8 ，线缩率可达7 1 ，具弱一中等收缩性。 ( 2 ) 土的胀缩变形下层大于上层 试验资料表明，在红粘土液性指数较小的条件下，土层的胀缩性具有下层大于上层的 变形特征。红粘土的这种胀缩特征主要由土层的含水量和物质成分所决定。剖面上上层红 粘性土由于氧化铁聚集和老化，土亲水性相对比下层弱，因而膨胀性差，而土的收缩变形 则主要因为下层含水量大于上层。 桂林红粘土的胀缩性导致地基变形及上部建筑物的破坏在桂林市内可见两处，分别位 于奇峰镇和广西第二安装公司桂林工区。其破坏的共同特征是地面开裂、山墙、门窗、墙 角等处产生裂缝，且裂缝随着天气的干湿变化而张开闭合。岩溶所在进行地下水道安装时 也曾发生因为水管接缝漏水，基坑土膨胀，以致管端拱起。从建筑物、构筑物破坏特征及 胀缩试验结果来看，桂林红粘土普遍具有不同程度的胀缩性，但在时间和空间分布上并非 单独存在一种所谓的“膨胀土体 。目前一般的观点认为，桂林红粘土胀缩的随机性主要 是由于红粘土在形成的当时或在后期改造演化过程中某些膨胀性较好的矿物如蒙脱石、蛙 石等局部集中所致。胀缩作用在坚硬和硬塑状态的红粘土层中形成了大量的裂隙。强烈的 失水收缩使红粘土表层裂隙很发育，破坏了土体的完整性，降低了土的强度，增强了透水 性，这对于浅埋基础或边坡的稳定性都有影响。在工程勘察实践中，从钻孔岩芯和开挖的 基坑壁上可看出，红粘土中经常可见有大量的裂隙。该种裂隙的特点是：裂隙发育程度从 地表向下逐渐减弱，接近地表处呈张口竖向裂隙，向下逐渐闭合成网状裂隙。裂隙发育深 度一般为3 - 4 m 。在裂隙中常见有褐红色、黑褐色铁、锰质成份浸染，个别形成条带状。 该类裂隙的成因，主要是由于红粘土的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。裂隙助存在不仅降低了土体的力学强度，而且由于 地表水沿裂隙渗人，加大了土的吸、脱水速度，这一循环作用，使红粘土的胀缩作用得以 加强，导致建筑物出现开裂破坏。典型的如奇峰镇某部队综合楼( 二层) 房屋建成还未验收， 即已开裂成为危房。 2 6 桂林红粘土中的地下水特征 红粘土及次生红粘土的透水性微弱，其中的地下水多为孔隙型潜水和上层滞 水，主要赋存于红粘土与石灰岩基岩面间的间隙处，局部赋存于红粘土层的裂隙中。正是 由于水的这一分布特征，使得红粘土深层靠近基岩处的溶沟溶槽内，其状态为软塑和流塑。 也正是由于红粘土的透水性微弱，在同一勘察场地范围内其稳定水位埋深不同，甚至仅在 部分地段揭露有地下水。即使如此红粘土中的地下水水位的变化仍对其构成严重影响， 形成红粘土地区比较独特的地质灾害类 型：土洞和塌陷。红粘土中地下水的补给来源主要是大气降水和地表水体，水量一般均很 小。在地势低洼的土层裂隙中或软一流塑状土层中可见土中水，水量不大，且不具统一水 1 6 桂林理上大学硕士学位论文 位。根据红粘土的成因及其赋存环境，红粘土层中的地下水水质属重碳酸钙、镁型水， 对混凝土一般不具腐蚀性。 2 7 红粘土的胶结物质及其作甩 2 7 1 红粘土中的胶结物质 研究表明红粘土中的胶结物一游离氧化铁、铝、硅等，是造成红粘土具有一系列特 殊性的根本原因，而其中最主要的是游离氧化铁。红粘土中的游离氧化铁主要是指以单独 组份存在的氧化铁及其水化物，常见的主要有针铁矿、赤铁矿( qf e 。0 3 ) 、磁赤铁矿( y f e 舷) 、钎铁矿( yf e ( 0 h ) 。) 和胶体铁( f e ( 0 h ) 。) 等，也是红粘土的矿物成分之一。其与红 粘土中的粘土矿物( 高岭石、伊利石、蛙石等) 相互作用而形成了红粘土的结构连结，它们 的作用机理主要是静电力的吸附作用。根据胶体化学的观念，当某种物质所处的介质p h 值大于它的等电p h 值时，该物质表面将带负电；相反，当介质p h 值小于它的等电p h 值 时，该物质表面将带正电红粘土中水( 溶液) 介质的p h 值大于其中粘土矿物的等电p h 值而又小游离氧化铁的等电p h 值。所以粘土矿物表面带负电，游离氧化铁表血带正电。 两种不同电荷的物质相遇，将促使它们产生相互吸引而紧密连在一起，这样的相互吸引形 成了红粘土中的胶结连结，这是一种牢固的水稳性的连结。程昌炳等崩1 认为，氧化铁和 粘上矿物再联结处生成了化学建。其过程可能会经过两个过程，首先是在适当的介质环境 下，带正电的胶体通过静电作用被吸附在粘土矿物等骨架颗粒带负电的表面上，然后再通 过氢键作用使它们之间的连接更强。孔令伟和谭罗荣等啪1 的研究发现游离氧化铁主要以针 铁矿的形式存在，其颗粒非常细小，以致在扫描电镜照片和放大4 0 0 0 0 倍的透射电镜照片 中也看不到针铁矿的典型针状形态。利用除去不同铁含量后，土的颗粒分布、无侧限抗压 强度、自由膨胀率等的变化规律发现游离氧化铁的有效胶结数量大约只占总量的1 0 左 右。 2 7 2 胶结物对红粘土物理性质的影响 由于游离氧化铁的存在，使红粘土具有较高的比重，在除铁后比重降低，并接近于一 般的粘土比重。去除氧化铁的胶结作用后，红粘土才的分散开，在去铁率约为3 0 时就己 达到9 0 9 6 以上，并且可以认为典型红粘土基本上是由小于1 帅的片状粘土矿物颗粒组成。 去除游离氧化物后，红粘土的液限和塑限明显降低；比表面积也明显降低，可以认为这些 氧化物有着独立的胶结特性，由于颗粒极细，可以有很大的表面积，一旦这些游离氧化物 被除去，它们失去的表面积不足以被粘土矿物的相对增加带来的表面积补偿，于是土样的 比表面积降低。在去除铁或硅铝后阳离子交换量有所提高，而且提高幅度超过了游离氧化 1 7 桂林理工大学硕士学位论文 物的含量范围，这表明粘土矿物的交换位置有部分带正电荷的游离氧化物覆盖，一旦它们 被除去，这部分位置被解放，因而提高了总的交换量。 游离氧化物对红粘土的孔隙结构的影响是巨大的，不除胶结物质时，即使对红粘土的 结构进行破坏，如将联通孔隙和架空孔隙破坏了，使其变成粒团问孔隙或更小的架空孔隙， 但所测总孔隙体积却基本未变，表明粒团颗粒的牢固性是很强的。但除去胶结物质后，不 仅孔隙结构受到破坏，粒团也受到破坏，所测孔隙体积减少，特别是除去游离氧化铁后， 孔隙量减少约3 0 - - , 4 0 。 2 7 3 胶结物对红粘土力学性质的影嗨 王继庄阱1 最早对红粘土除去游离氧化铁前后的工程力学特性进行了研究，研究表明： 去除游离铁后，液、塑限分别降低3 1 和4 7 ；最优含水量和最大干容重分别降低4 8 和 增加了3 2 ；渗透性则降低了两个数量级；土样c 值增加而少值减少，分别增加4 3 和减 少2 9 。罗鸿禧啪1 也研究了渗水去除氧化铁后的红土强度变化，发现红粘土中的游离氧化 铁的流失造成了先期固结压力的降低。孔令伟、罗鸿禧呻，研究表明不同除铁率对无侧限抗 压强度有不同的影响，当除铁率为3 0 时，无侧限抗压强度几乎为零。由于游离氧化铁的 胶结作用，使红粘土的潜在胀缩能力受到压抑，降低了膨胀量。 第三章红粘地区的岩土工程问题 3 1 红粘土地区主要的环境及地质灾害问题 3 1 1 碳酸盐岩地区环境概况 中国红粘土分布区大部分为丘陵、低山、喀斯特地貌景观，粘土层厚度不大，岩石裸 露较多、森林植被贫乏、社会经济欠发达、少数民族分散居住，其环境要素主要为：喀斯 特地貌、生态系统、地质结构三方面。 ( 1 ) 喀斯特地貌 中国南方喀斯特地貌景观在全球占有重要位置，其特点是形态多样、景观奇特、差异 性显著。最典型的为云贵高原石林、峰林、波立谷及南岑山脉两侧的峰从洼地。红粘土喀 斯特环境特征可概括三方面： a 空间组合的多样性，上为红粘土下为喀斯特溶蚀沟槽，石芽的组合有全面覆盖封闭 型，填充嵌入型及多层洞体贯通型； b 不同地貌单元上岩体、洞体、土体、地下水在质及量上都有显著的差异性： 1 3 桂林理i 大学硕士学位论文 c 土体、岩体、洞体、水体在运动、变化、发展的多变性。 ( 2 ) 生态系统 红粘土分布区内，由于母岩的化学溶蚀作用十分强烈，母岩中绝大数物质被溶解后随 水流带走，能残留下来的成土物源很少，因此，碳酸盐岩的成土作用能力很弱，过程十分 缓慢，土层厚度不大，另外，贵州红粘土分布区地形为山地地形，坡面起伏，自然坡度较 人，土层容易在重力或水力作用下带走，产生水土流失问题，使本来就稀少的土壤更加匝 乏，以致水土流失，植物无法生存，形成严重的石漠化，恶化生态环境1 。因此，红粘土 生态系统较为脆弱，需要在保护的基础对其进行改良。人类居住密集地区及红枯十的特殊 地质成因，二者具有矛盾存在性，既给建筑带来利益，同时也带来了地质灾害以及环境地 质问题，损害环境及经济发展。 3 i 2 红粘地区主娄的环境地质灾害 红粘土分布区主要的地质灾害有四个方面：胀缩性红粘土引起房裂、人工降低地下水 位引起红粘土塌陷、历史原因形成的红粘土滑坡及人工边坡的失稳、石漠化等。 ( 1 ) 胀缩性红粘土胀缩性较强，天然状态下胀量小、缩量大，收缩引起低层、轻型、 砖混结构房屋开裂，据调查，在特定气候条件下，建在红粘土地基上4 层以下的低层、轻 型建筑确因红粘土胀缩作用导致开裂破坏，在胀缩性红粘土地区时有发生，而4 层以上的 多层建筑还没有这种先例。 ( 2 ) 土洞的形成有三个基本要素：下伏碳酸盐岩发育有岩溶洞隙、上部覆盖有裂隙性红 粘土、地下水位在岩土界面波动形成土洞内因是岩溶洞隙和红粘土中的裂隙有机组合， 外因是水的作用，包括地表水的侵蚀，地下水的季节、人工升降变化而引起的吸蚀作用以 及侵蚀作用。随着底部软弱且松散年的土颗粒被水流带走，土洞顶板抗剪强度及洞壁的支 撑强度小于土体重量时，土体下陷，形成地面塌陷。在进行农业或生产活动时，抽取地下 水的过程中，土洞及地面塌陷的出现，严重影响了工农业及建筑生产的顺利进行。 ( 3 ) 我国红粘土分布区多处于背斜，向斜构造中下部，斜坡坡度多在1 5 0 3 0 0 ，历史 形成的古滑坡及建筑活动引起的滑坡很多，经济损失十分严重啪1 。 ( 4 ) 碳酸盐类岩石因含有很多的可溶解成分碳酸钙、碳酸镁，这些母岩成分在成土过 程随水而流失，剩余的少量不溶物质造成土壤物质来源稀少，成土困难。据文献h ，形成 l m 的厚度的土约3 0 万年h ，因此红粘土资源贫乏，加之厚度较薄，分区区域的地形不利 于土壤保存，使得基岩裸露的石漠化山坡面积扩大，裸露的基岩经过风化，产生风化破坏， 在一定地形条件下，产生崩塌、落石等环境地质灾害。 1 9 桂林理i 大学硕士学位论文 3 1 3 红粘地区环境地质灾害防治 ( 1 ) 红粘土地基从上到下，湿度状态显示上硬下软，上部的硬塑红粘土具有较高强度， 中一低压缩性，所以建筑地基持力层尽量选择硬塑红粘土地基，另外需考虑胀缩性红粘土 存在时，因水量变化而引起的对建筑的胀缩破坏； ( 2 ) 红粘土不均匀地基应进行地基换土或结构加固处理。石芽外露地段应渐去石芽， 换以炉渣、砂、粘土混碎石的褥垫处理，厚度不小于0 ，5 1 0 倍基础宽度，局部浸水软 化地段应进行置换； ( 3 ) 土洞的防治应针对土洞产生的三个要素，预测土洞对工程活动的危害程度，采取相 应的工程措施，从内因和外因两个方面入手，进行土洞治理； ( 4 ) 进行红粘土生态系统的恢复和改良。 3 2 红粘土土体胀缩变形 有些地区的红粘土，如我国贵州的贵阳、遵义、铜仁，广西的来宾、贵县、柳州、桂 林等地的红粘土都有着不同程度的胀缩性，并在人类活动及工程实践中，因为产生土体胀 缩变形而引起危害。其危害主要表现在地基土胀缩变形引起的建筑物变形和破坏、基坑的 变形和破坏及边坡变形和失稳等几个方面的问题。 3 2 。1 地基土胀缩变形引起建筑物的变形和并裂 在自