广西红粘土和膨胀土热力学特性的比较研究

1、第26 卷第7 期岩 土 力 学 Vol.26 No.72005 年7 月 Rock and Soil Mechanics Jul. 2005收稿日期：2004-03-01 修改稿收到日期：2004-11-08基金项目：广西科学基金资助项目(No. 桂科青0447002)。文章编号：10007598(2005) 07106805广西红粘土和膨胀土热力学特性的比较研究欧孝夺，吴 恒，周 东（广西大学土木建筑工程学院，南宁 530004）摘 要：基于广西膨胀土和红粘土的成因类型、物质成分和结构特征，研究常温(-4 60 )下膨胀土与红粘土的热力学特性，探讨了红粘土与膨胀土的抗剪强度指标与温度之间的

2、相关关系。试验结果表明，两种土在10 ，40 与室温（28 ）时，主应力差1- 3 峰值变化不大，而60 时有明显增大；在相同条件下，红粘土的主应力差峰值变化更大；红粘土与膨胀土的抗剪强度指标（c, ）随热状况不同而发生变化，而且红粘土的粘聚力c 和膨胀土的内摩擦角 在室温，环境有较小值。分析结果认为，两种土的热效应影响趋势相似，但红粘土的热力学特性较为敏感，这与红粘土的成因类型及胶结特征密切相关。研究结果为红粘土与膨胀土地区工程建设及减灾防灾提供参考。 关 键 词：红粘土；膨胀土；热力学中图分类号：TU 441 文献标识码：A广西地处低纬地带，属亚热带季风气候，夏长冬短，雨量充足，在这样的气

3、候条件下，形成了各种特殊土，其中以膨胀土和红粘土尤为典型。众所周知，膨胀土主要是由强亲水性粘土矿物蒙脱石和伊利石组成，具有吸水膨胀软化和失水收缩干裂的特性。广西是我国最典型的膨胀土分布地区之一，膨胀土种类多，分布广。其中宁明、平果、百色和南宁盆地一带的膨胀土主要由第三系湖相沉积泥岩、粉质砂岩及其风化残积物形成，也有部分是上述岩土风化物经流水搬运冲积成因形成。一般顶部为坡积粘土，呈棕红色加灰白、灰黄色；往下是残积粘土，呈灰白、黄色、浅灰色，间夹棕红及褐黄色；再往下是母岩半胶结的粘土岩，呈灰、灰绿、灰褐色，残积层和母岩是逐渐过渡的，无明显界限，第7 期欧孝夺等：广西红粘土和膨胀土热力学特性的比较研

4、究坡、残积层厚度因地而异。其上覆盖有第四系冲积层的地区，没有坡积层，残积层也较薄（一般为1 2 m）。膨胀土裸露区，坡积土一般厚0.51.0 m， 残积层厚约3 m 左右，半胶结的粘土岩（泥岩、页 岩）厚度可达数百米。坡、残积层中铁质较多，母 岩中铁量较少，铁质在坡积层中呈结核状和块状， 分布无规律。红粘土具有高含水量、高孔隙比和高塑性，是 碳酸盐类岩石在潮湿温暖气候条件下经化学风化（溶蚀）及红土化作用形成的。红粘土主要是残积、 坡积类型，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 体是边缘薄，向中间逐渐增厚

5、；分布在基岩或风化 面上则取决于基岩起伏和风化厚度，当下伏基岩中 溶沟、溶槽、石芽发育时，上覆红粘土的厚度变化 极大，常见咫尺之隔竟相差10 余米。实际上，粘性土的力学特性一直是土力学中一个极其复杂的重要研究课题。本文从环境温度变异 入手，对广西红粘土和膨胀土进行热效应试验研究， 探讨这两种粘性土热力学特性的差异，尝试从热力 学试验角度进行土体力学特性的研究。2 土样及其物理化学性质2.1 取样地点及物性指标膨胀土试验取样点位于南宁市快速环道邕武立交桥附近，其处在“垄岗低丘泥岩胀缩土区”，基岩 是第三纪北湖组( ) 3b E 湖相沉积泥岩、粉砂质泥岩， 以强风化或风化残积形态出露于地表，为层状

6、结 构， 具有浅灰色、灰绿色、灰色的中 厚层 粉砂质泥岩和泥岩夹粉砂岩互层的特点， 这就是南宁市知名的“强膨胀土”，其物理性质指标如 表1 所示。红粘土取样点位于南宁市东南部的大沙 田附近，地处高程为8090 m 的低丘地带，垄岗 起伏，属溶蚀谷地地貌。按南宁市工程地质分区， 其处在“东南部岩溶残丘谷地工程地质区，溶蚀谷 地红粘土亚区”，呈东西展布，面积约23 km2，为 典型灰岩风化产物，属残坡积成因。其物理指标如 表2 所示。区域地质资料显示，该亚区部分红粘土 是胀缩性红粘土。在地质调查中观察了场地四周及 料场多个开挖断面，发现土层上部均有阶地圆砾分 布，不少地方还有铁锰质角砾分布1。2.

7、2 比表面积、阳离子容量、成分分析对广西膨胀土、红粘土进行化学分析与比表面 积测定，其试验结果见表3 和表4 所示。表 1 膨胀土物性指标与粒度组成Table 1 The physical parameters and particle- size distribution of expansive soil 粒度组成/%土样重度 /kN·m-3干重度 d /kN·m-3液限L /%塑限P /%塑性指数I P自由膨胀率ef /% <5 m <2 m膨胀土 20.5 18.7 38.6 16.7 21.9 53 52 36表2 红粘土物性指标与粒度组成Table

8、2 The physical parameters and particle- size distribution of red clay 粒度组成/%土样含水量 /%重度 / kN·m-3孔隙比e液限L /%塑限P /%塑性指数IP自由膨胀率ef /% <5m <2m红粘土 14.0 17.2 1.06 26.9 14.2 12.7 32 63 58表 3 膨胀土与红粘土的矿物组成及物化指标Table 3 The mineral composition and physico-chemical parameters of expansive soil and red c

9、lay矿物组成 /%土样蒙脱石 伊利石 高岭石 绿泥石 其它易溶盐总量/ %阳离子交换量/me·(100 g)-1比表面积/m2·g-1膨胀土 12 51 23 8 6 0.173 32.2 110红粘土 0 11 40 21 28 0.117 26.4 196表 4 游离氧化物含量(单位：%)Table 4 The contents of free oxides(unit: / %)游离氧化物含量土样Fe Si Al膨胀土 3.8 6.2 2.9红粘土 12.5 4.1 03 试验方法与过程（1）将膨胀土运至实验室后自然风干，碾碎后 将土样过2 mm 筛，均匀喷洒水后静置

10、于密闭容器 内24 h 以上，使含水量均匀；1069岩土 力 学 2005 年(2) 当含水量 =15.4%（与塑限相当）时，制 作三轴试样（d =39.1 mm，h =80 mm），试样分5层制作，每层36 g，10 击，每层击实后将表面刨毛， 然后再加第2 层土料。如此继续进行，直至击完最 后一层，将击样筒中的试样两端整平，取出称其质 量，控制在171172 g 之间，满足密度差值小于0.02 g/cm3 的要求；(3) 将橡皮膜套在试样外，分别在室温(28 )， 10 ，40 和60 的环境中静置168 h 后，在相 应的水温条件下完成三轴（UU）试验，剪切速率为 0.828 mm/s，

11、围压分别为100，200 ，300 ，400 kPa， 每一级围压进行4 次试验，共完成64个土样的试验。 红粘土的制样与试验方法与膨胀土相似。不同之处是当含水量 =14.0% （与塑限相当）时，制 作三轴试样，分5 层制作，每层37 g，10 击，共完 成64 个土样的试验。4 试验结果与讨论从主应力差( 1 3 )与应变1 的关系、抗剪强 度指标（c， ）随温度t 的变化以及c-t 和 -t 拟 合曲线的斜率等方面，对膨胀土和红粘土热力学特 性的差异性进行分析。4.1 主应力差与应变的关系将膨胀土和红粘土分别在含水量 与塑限p相等的情况下制备三轴试样，其它条件相同，前面 已介绍。接着分别在

12、10 ，40 ，60 的温度环境中静置168 h 后进行三轴试验。试验结果如下：(1) 温度对膨胀土主应力差峰值的影响见图1。(2) 温度对红粘土主应力差峰值的影响见图2。 从图1、图2 可以看出，土体经过热作用后，膨胀土和红粘土的主应力差峰值有以下特点： 两种土的主应力差的峰值随温度t 升高而增大； 两种土分别在4 种温度环境中试验，10 ，40 与室温28 时1 3 的峰值相近，而60 时1 3 的峰值明显增大； 在相同条件下，红粘土的1 3 峰值比膨 胀土的主应力差峰值变化大。4.2 抗剪强度指标土的抗剪强度指标包括粘聚力 c 和内摩擦角 。本研究根据具体特点，采用UU 三轴试验，确 定

13、土的抗剪强度指标，结果如图3 所示。从试验结果可以看出，土的强度指标有如下特点：(1) 土的强度参数c， 值是在不同的热状况下 的试验值，是变数；(2) 两种土的c 与t 之间的关系接近呈2 次抛物线关系，而红粘土的c 变化幅度更大些； 与t 之 间的关系也呈2 次抛物线关系，而膨胀土曲线下凹， 红粘土为上凸；200400600800100010 室温 40 60t/(1-3) /kPa(a) 3 =100 kPa200400600800100010 室温 40 60t/(1-3) /kPa(b) 3 =200 kPa200400600800100010 室温 40 60t/(1-3) /kP

14、a(c) 3 =300 kPa200400600800100010 室温 40 60t/(1-3) /kPa(d) 3 =400 kPa图 1 温度对膨胀土主应力差1-3 峰值的影响Fig.1 Influence of temperature on 1-3 peakvalue of the expansive soil1070第7 期欧孝夺等：广西红粘土和膨胀土热力学特性的比较研究 0200400600800100010 室温 40 60t/(1-3) /kPa(a) 3 =100 kPa200400600800100010 室温 40 60t/(1-3) /kPa(b) 3 =200 kPa

15、200400600800100010 室温 40 60t/(1-3) /kPa(c) 3 =300 kPa200400600800100010 室温 40 60t/(1-3) /kPa(d) 3 =400 kPa图2 温度对红粘土应力差 1-3 峰值的影响 Fig.2 Influence of temperature on 1-3 peak value of the red soil(3) 试样抗剪强度与环境温度具有明显的相关关系。红粘土和膨胀土的c 与t 及 与t 之间均具有 良好的二次抛物线关系，即 = + += + +22Dt Et Fc At Bt C(1)式中A，B，C，D，E，F

16、均为可由试验确定的系 数；(4) 图3（b）、图3（c）中红粘土的c 和膨胀土的 均在室温环境有较小值，其原因需要进一步 研究。(a) c-t(b) c-t(c)-t(d)-t图 3 重塑土抗剪强度指标c, 与温度t 拟合曲线 Fig.3 Fitting curves of shear strength indices c, of remolded soil vs. temperature5 原因分析5.1 从物理化学性质方面分析试验结果显而易见，不同的土类具有不同的热力学特性，并且与其化学成分、颗粒特征是分不开 的。大量的土工试验资料表明，碳酸盐岩红粘土的 矿物主要有三大类：粘土矿物、游离氧

17、化物和碎屑 物质，其中以粘土矿物为主，占60 %70 %。碳酸 盐岩红粘土的粘粒含量多在60 %以上，余者多为粉 c=0.012 7t2+0.343 9t+93.953R2=0.966601201800 20 40 60 80t/c/kPa膨胀土601201800 20 40 60 80c/kPat/c=0.040 7t2-1.936 3t+120.8R2=0.999 2红粘土=0.008 5t2-0.479 6t+20.866R2=0.988 51020300 20 40 60 80t/(°)膨胀土=-0.000 5t2+0.095 4t+20.144R2 =0.867 5红粘土1

18、020300 20 40 60 80t/(°)1071岩土 力 学 2005 年粒、砂粒大颗粒含量较少（见表 2）。碳酸盐岩红粘土比表面积比一般粘性土大得多，其物理化学活性较高，同时具有含量较多的游 离氧化物，其在蒸发过程中有脱水固结的趋势，从 而在土粒间形成水稳性较强的胶结连结。这与红粘 土的热力学特性较为敏感相吻合。5.2 从粘聚力和内摩擦角的本质分析膨胀土和红粘土受热作用后，粘聚力增大了，而红粘土的粘聚力c 变化幅度更大些，这与红粘土 的连结强度主要是游离氧化铁有密切联系。众所周知，粘性土颗粒间公共水化膜的连结力对粘聚力的产生具有重要作用，因而两种土的粘聚 力随着温度的不同而发生变化。温度愈高，水份蒸 发快，其含水量越小，公共水膜连结力越大，粘聚 力也越大，所以含水量低粘性土的抗剪强度相当高； 而土的内摩擦角则不同，其与土颗粒结构、大小、形 状及密实度密切相关，如砂土的内