典型紅粘土與膨脹土的對(duì)比試驗(yàn)研究

1、典型紅粘土與膨脹土的對(duì)比試 驗(yàn)研究典型紅粘土與膨脹土的對(duì)比試驗(yàn)研究摘要 通過室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)廣西貴港紅粘土、 湖北荊門弱膨脹 土與中膨脹土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)、原狀樣脫濕過程中的強(qiáng) 度變化、擊實(shí)樣泡水前后強(qiáng)度變化以及脫濕吸濕性能等方面 進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn) 研究 。結(jié)果表明： 3 種土原狀樣脫濕過程 中的強(qiáng)度指標(biāo)在土體裂隙性與基質(zhì)吸力雙重因素的作用下表 現(xiàn)出完全不同的變化 規(guī)律 ；由于紅粘土與膨脹土膨脹性能 上的差異，不同含水量的擊實(shí)樣泡水后的干密度峰值與加州 承載比 (CBR) 峰值所對(duì)應(yīng)的原擊實(shí)樣含水量比最優(yōu)含水量有 不同程度的增大；土體因礦物成分的差異而表現(xiàn)出明顯不同 的脫濕、吸濕速率。廣西貴港紅粘土

2、與荊門膨脹土雖然在一 些物理力學(xué)指標(biāo)上具有相似之處，但其力學(xué)特性與水敏性特 征具有明顯的差異，在實(shí)際工程中應(yīng)給予充分重視。關(guān)鍵詞 土力學(xué)，紅粘土，膨脹土，強(qiáng)度，裂隙性，脹縮性1 引言紅粘土在物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)、 礦物成分與工程力學(xué)特性 等多方面與膨脹土有相似之處， 對(duì)于這兩類特殊土關(guān)系 問題 的研究，至今尚未形成統(tǒng)一的觀點(diǎn)。 目前 ，紅粘土在一些 地區(qū)被完全按照膨脹土處理，而在另一些地區(qū)則被單獨(dú)研究 1 。我國(guó)南方廣泛分布的紅粘土風(fēng)化殼主要是由于第四紀(jì) 季風(fēng)環(huán)流形成以來， 在熱帶 - 亞熱帶高溫濕條件下經(jīng)歷了復(fù)雜 的紅土化過程而形成的， 具有獨(dú)特的游離氧化鐵的膠結(jié)結(jié)構(gòu)； 而膨脹土則是一類具有明顯

3、吸水膨脹失水收縮的特殊土。以 往對(duì)于紅粘土與膨脹土的比較研究主要集中在 歷史 成因、 礦物組成與脹縮性能等方面。從礦物學(xué)角度講，膨脹土一般 含有較多的諸如蒙脫石的親水礦物，而紅粘土礦物成分以伊 利石與高嶺石為主，含少量或不含蒙脫石。紅粘土與膨脹土 均具有較高的粘粒含量、天然含水量、孔隙比與液塑限，而 紅粘土的這些指標(biāo)較膨脹土更高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出一般粘性土，但 同時(shí)紅粘土卻具有明顯優(yōu)于膨脹土的力學(xué)特性。在實(shí)際工程中， 由于外界 自然 條件變化而引發(fā)的有關(guān) 紅粘土與膨脹土類似于邊坡失穩(wěn)、地基不均勻變形、道路開 裂的工程病害時(shí)有發(fā)生 2 。但目前對(duì)于這兩類特殊土因含水 量變化所引起的脹縮性與裂隙性的耦合作

4、用以及這一耦合作 用對(duì)土體工程力學(xué)特性 影響 的研究卻并不多見。 筆者認(rèn)為， 深入開展紅粘土與膨脹土裂隙性、脹縮性以及超固結(jié)性等水 穩(wěn)性特征的對(duì)比研究是非常必要的。總體來說：膨脹土具有 較為明顯的裂隙性，而紅粘土的裂隙性由于成因的不同而具 有明顯的地域差異，即一些地區(qū)的紅粘土裂隙極為發(fā)育，而 另一些地區(qū)的紅粘土裂隙并不發(fā)育。膨脹土普遍地具有明顯 的脹縮性，而我國(guó)紅粘土的脹縮性地域差異性很大，且主要 表現(xiàn)為以縮為主的脹縮特性；另外，一些地區(qū)的膨脹土由于 較大的先期固結(jié)壓力而具有超固結(jié)性，而紅粘土的超固結(jié)性 則主要是由其獨(dú)特的游離氧化鐵的膠結(jié)結(jié)構(gòu)所引起的 3 。本文針對(duì)研究中的不足與實(shí)際工程的需要

5、， 通過貴港紅 粘土、荊門弱膨脹土與中膨脹土的室內(nèi)試驗(yàn)研究，對(duì)紅粘土 與膨脹土的物理性質(zhì)指標(biāo)、力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)、原狀樣與擊實(shí)樣 強(qiáng)度的水敏性特征以及礦物成分影響下的土體脫濕、吸濕速 率的異同點(diǎn)進(jìn)行了初步的探討，為進(jìn)一步掌握紅粘土與膨脹 土的相互關(guān)系以及這 2 種特殊土各自的工程力學(xué)特性提供 了幫助。2 基本物理力學(xué)性質(zhì)本試驗(yàn)的紅粘土樣取自廣西貴港三零七單位西側(cè)場(chǎng)地 的網(wǎng)紋紅土層。貴港屬炎熱潮濕的亞熱帶氣候，碳酸鹽巖經(jīng) 風(fēng)化殘坡積與紅土化作用而形成的紅粘土風(fēng)化殼發(fā)育良好， 具有明顯的垂直分帶性 4 。所取土樣呈紅褐色，含有大量黃 色斑塊，土質(zhì)細(xì)膩光滑，無砂感，無殘余巖塊，天然網(wǎng)狀裂 隙非常發(fā)育。弱膨

6、脹土與中膨脹土取自湖北省襄荊高速公路 沿線荊門段。其中，弱膨脹土為灰褐色，硬塑狀態(tài)，裂隙較 為發(fā)育，含較多鐵錳結(jié)核，局部見灰白色填充物；中膨脹土 呈褐黃色， 硬塑狀態(tài)， 含鐵錳結(jié)核， 局部見灰色填充物。 3 種 土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)、力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)、顆粒與礦物組成分 別見表13。本文所選紅粘土與膨脹土的土樣是具有代表性的。 從脹 縮性指標(biāo)來看， 貴港紅粘土的自由膨脹率為 49% ，收縮系數(shù) 為 0.22 ，體縮率為 6.3% ，與荊門弱膨脹土指標(biāo)相接近。但 顯然紅粘土與膨脹土在另一些指標(biāo)上具有明顯的差異性。例 如：荊門膨脹土具有比較高的天然含水量、孔隙比、液限、 塑限與塑性指數(shù)， 但貴港紅粘土的

7、這些指標(biāo)較膨脹土更高 （ 表 1） 。同時(shí)，貴港紅粘土又表現(xiàn)出較高的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、直 剪強(qiáng)度和較低的壓縮系數(shù)等良好的力學(xué)特性 （表 2） ，這一矛 盾現(xiàn)象是紅粘土區(qū)別于膨脹土的重要特性之一。一些研究已 證實(shí)紅粘土這一特性是由紅土化過程中形成的游離氧化鐵的膠結(jié)結(jié)構(gòu)所引起的58表 3 為貴港紅粘土、荊門弱膨脹土與中膨脹土的顆粒 組成以及礦物組成。表中同時(shí)列出貴陽(yáng)紅粘土相應(yīng)指標(biāo)以作 對(duì)比?？梢娂t粘土與膨脹土的顆粒組成與礦物組成具有明顯 差異： (1) 紅粘土粘粒含量很高，并以高嶺石為主，極少或 不含有碎屑礦物； 而膨脹土中粘土礦物含量明顯低于紅粘土， 并且含有大量石英與一定量的長(zhǎng)石?？梢酝茢噘F陽(yáng)、

8、貴港紅 粘土的風(fēng)化程度要明顯高于荊門膨脹土； (2) 紅粘土含有一 定量的針鐵礦與三水鋁石，這是紅土化過程中脫硅富鋁鐵所 致，是荊門膨脹土所不具有的； (3) 從礦物學(xué)角度來看，膨 脹土的脹縮性主要?dú)w因于蒙脫石和蛭石等親水礦物的作用。 荊門膨脹土中蛭 - 蒙混層與蛭石含量較高；而貴陽(yáng)、貴港紅粘 土含有一定量的蛭石，卻未發(fā)現(xiàn)蒙脫石或蛭石與蒙脫石的混3 原狀樣脫濕過程的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度貴港紅粘土、 荊門弱膨脹土與中膨脹土的原狀樣在室溫 條件下(平均溫度與相對(duì)濕度分別為20 C和65%)緩慢脫濕，當(dāng)含水量降至 6 個(gè)不同階段時(shí)分別進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度 試驗(yàn)。結(jié)果表明， 3 種土樣在相同條件下脫濕，而無側(cè)

9、限抗 壓強(qiáng)度隨含水量變化的規(guī)律完全不同 (圖 1) 。土體在脫濕過 程中含水量降低，土團(tuán)粒產(chǎn)生收縮，基質(zhì)吸力的提高使得土 體強(qiáng)度呈增強(qiáng)趨勢(shì) 9 。但與此同時(shí)，不均勻分布的應(yīng)力會(huì)促 成土體天然裂隙進(jìn)一步發(fā)育，形成土體強(qiáng)度下降的趨勢(shì)。本 文中的荊門弱膨脹土的裂隙比較發(fā)育，在高含水量范圍內(nèi)無 側(cè)限抗壓強(qiáng)度主要由基質(zhì)吸力控制，隨含水量降低而增大， 當(dāng)含水量降低到一定程度時(shí)，裂隙對(duì)于土體強(qiáng)度的降低作用 超過了基質(zhì)吸力對(duì)強(qiáng)度的影響，于是土體的強(qiáng)度則隨之減小 ( 圖 1(a) ；荊門中膨脹土天然裂隙相對(duì)較少，在含水量下降 的過程中，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度由于基質(zhì)吸力的增大而不斷提高 ( 圖 1(b) ；而貴港紅粘土

10、網(wǎng)狀裂隙十分發(fā)育，無側(cè)限抗壓強(qiáng) 度試驗(yàn)圍壓為零，因而強(qiáng)裂隙性對(duì)土體的影響明顯地體現(xiàn)在 紅粘土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度指標(biāo)上， 當(dāng)含水量降至較低的程度， 土樣沿原有裂隙面裂成碎塊，以至強(qiáng)度為零，但仍可以看出 在高含水量與低含水量范圍內(nèi)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的降低幅度不 同 (圖 1(c) 。因而可以肯定，在脫濕過程中，土體的強(qiáng)度指 標(biāo)在不同含水量范圍內(nèi)的變化規(guī)律不盡相同，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果 可初步認(rèn)為：脫濕過程中土體的強(qiáng)度在高含水量范圍內(nèi)主要 受控于土體的基質(zhì)吸力，而在低含水量范圍內(nèi)主要受控于裂 隙性。4 擊實(shí)樣泡水前后指標(biāo)的比較CBR 值并非最大。另外，本 研究 對(duì)貴港紅粘土、 荊門弱膨脹土與中膨脹土進(jìn)行 重型擊實(shí)

11、與泡水 CBR 試驗(yàn)，其結(jié)果見表 4 。圖 2 為重型 擊實(shí)樣泡水前后的干密度 - 含水量曲線圖?？梢钥闯?，泡水后 3 種土重型擊實(shí)樣的干密度均有所降低，干密度峰值對(duì)應(yīng)的 含水量提高，泡水 CBR 最大值所對(duì)應(yīng)的含水量同樣高于泡 水前的最優(yōu)含水量，具體指標(biāo)見表 5 。以紅粘土為例，其重 型擊實(shí)樣最優(yōu)含水量為 34.5% ，泡水后干密度的峰值對(duì)應(yīng)含 水 量 增 至 39.8% ， 泡 水 后 CBR 峰 值 對(duì) 應(yīng) 含 水 量 也 為 39.8% ，明顯高于最優(yōu)含水量。 出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因在于土 體泡水過程中所產(chǎn)生的吸水膨脹。根據(jù)土工試驗(yàn)規(guī)范，以擊 實(shí)樣泡水后的高度變化占原擊實(shí)試樣高度的百分比作

12、為膨脹 量來度量土體膨脹性， 由表 4 可知，重型擊實(shí)樣含水量愈高， 則膨脹量愈低。貴港紅粘土、荊門弱膨脹土與中膨脹土最優(yōu) 含水量處的重型擊實(shí)樣仍具有較大的膨脹量，分別為 3.72% ，2.83% 與 9.15% 。而含水量稍大于最優(yōu)含水量的擊 實(shí)樣飽和過程中膨脹量相對(duì)較小，飽和后的最大干密度與 CBR 對(duì)應(yīng)的初始含水量反而大于最優(yōu)含水量。 因而紅粘土與 膨脹土擊實(shí)樣飽和后的強(qiáng)度指標(biāo)由擊實(shí)后的干密度與膨脹量 雙重因素決定。由此可見，在實(shí)際工程中將膨脹性強(qiáng)的土在 最優(yōu)含水量下壓實(shí)，雖然可以獲得很高的壓實(shí)度，但卻存在 著膨脹量大的缺點(diǎn)，即飽和后的土體的膨脹性愈強(qiáng)，其擊實(shí)樣泡水前后的干密度與 CBR

13、 峰 值所對(duì)應(yīng)的泡水前含水量的變化幅度愈大。荊門中膨脹土的 膨脹性明顯強(qiáng)于紅粘土與弱膨脹土，因而其泡和前后指標(biāo)變 化幅度明顯大于貴港紅粘土與荊門弱膨脹土。 5 脫濕和吸濕 性能對(duì)貴陽(yáng)紅粘土、貴港紅粘土、 荊門弱膨脹土和中膨脹土4 種土樣依次在 35 C , 45 C, 50 C , 60 C, 75 C , 90 C, 105 C等7個(gè)溫度下脫濕相同時(shí)間后測(cè)定含水量(圖3(a)來模擬紅粘土和膨脹土的脫濕過程。將脫濕后的土樣置于相 同的室溫條件下，通過跟蹤測(cè)定含水量的變化得到紅粘土和 膨脹土吸水過程中含水量隨時(shí)間的變化 規(guī)律 (3(b) 。從圖 中可以看出，在脫濕、吸濕的特性方面，荊門中膨脹土與

14、貴 陽(yáng)紅粘土較為接近，即脫濕相對(duì)較慢，吸濕相對(duì)較快；而荊 門弱膨脹土與貴港紅粘土更為接近，即脫濕相對(duì)較快，吸濕 相對(duì)較慢。表 3 中已經(jīng)表明：紅粘土礦物成分以粘土礦物為主， 其中，貴港紅粘土以高嶺石為主，僅含有 6% 的蛭石，貴陽(yáng) 紅粘土的蛭石含量較高， 達(dá)到 32% ；而荊門膨脹土粘粒含量 比紅粘土低， 主要有伊利石、 蛭-蒙混層、 蛭石和少量高嶺石， 其中，中膨脹土含 32% 的蛭 - 蒙混層，弱膨脹土的伊利石含量較高，僅含少量蛭石與蛭 - 蒙混層。在蒙脫石、蛭石、高嶺 石與伊利石 4 種粘土礦物當(dāng)中，蒙脫石與蛭石屬于親水礦 物，而高嶺石與伊利石的親水性則相對(duì)較弱。 從圖 4 可以看 出：

15、蒙脫石與蛭石在晶體結(jié)構(gòu)上有相似之處， 這 2 種礦物晶 層之間均為水和陽(yáng)離子，層間距相對(duì)較大，晶層之間容易隨 著含水量的變化而脹縮；高嶺石和伊利石則與之相反，高嶺 石晶層之間以氫鍵連接，間距小，強(qiáng)度高，伊利石晶層之間 以鉀離子鍵為主，晶層間距同樣較小，強(qiáng)度高 10 ；與高嶺 石和伊利石相比，蒙脫石和蛭石具有相對(duì)更強(qiáng)的吸納或保持 水分能力，因而含蒙脫石和蛭石較多的荊門中膨脹土與貴陽(yáng) 紅粘土脫水過程較慢，吸水相對(duì)較快，而高嶺石和伊利石含 量較高的荊門弱膨脹土與貴港紅粘土則脫水相對(duì)較快，而吸 水相對(duì)較慢?？梢娂t粘土與膨脹土脫濕吸濕性能上的差異與 具體土體所含粘土礦物成份的種類及含量有直接的關(guān)系。 6

16、 結(jié)論本文對(duì)貴港紅粘土、 荊門弱膨脹土與中膨脹土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)、原狀樣與擊實(shí)樣的水理性特征以及脫濕吸濕速 率的異同點(diǎn)進(jìn)行了比較研究。初步得到如下結(jié)論：(1) 貴港紅粘土雖具有與荊門弱膨脹土相近的脹縮性指標(biāo)，但紅粘土與膨脹土在其他一些物理力學(xué)指標(biāo)上具有明顯的差異，例如：貴港紅粘土的天然含水量、孔隙比、液限、 塑限與塑性指數(shù)等指標(biāo)雖然明顯高于荊門膨脹土，但卻表現(xiàn) 出較高的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、直剪強(qiáng)度和較低的壓縮系數(shù)等更 為良好的力學(xué)特性。(2) 在脫濕過程中原狀樣的力學(xué)特性受基質(zhì)吸力與裂 隙性雙重因素控制， 3 種土因其天然裂隙發(fā)育程度的差異而 呈現(xiàn)出完全不同的變化規(guī)律。(3) 由于 3 種土較強(qiáng)

17、的吸水膨脹特性，擊實(shí)樣泡水后 的干密度與 CBR 峰值所對(duì)應(yīng)含水量均增大，且高于最優(yōu)含 水量，擊實(shí)樣飽和后的力學(xué)特性由干密度與膨脹量雙重因素 決定。廣西貴港紅粘土與荊門膨脹土飽和前后指標(biāo)變化幅度 因膨脹性強(qiáng)弱而不同。(4) 在脫濕、吸濕特性方面，荊門中膨脹土與貴陽(yáng)紅粘 土脫濕相對(duì)較慢，吸濕相對(duì)較快；而荊門弱膨脹土與貴港紅 粘土脫濕相對(duì)較快，吸濕相對(duì)較慢。紅粘土與膨脹土脫濕、 吸濕性能上的差異與具體土體所含粘土礦物成份的種類及含 量有直接關(guān)系?？傊?，貴港紅粘土與荊門膨脹土雖然在一些物理力學(xué)指 標(biāo)上具有相似之處，但其原狀樣與擊實(shí)樣的力學(xué)特性與水敏 性特征均具有明顯的差異，在實(shí)際工程中，對(duì)于紅粘土與

18、膨 脹土工程力學(xué)性能的差異應(yīng)該給予充分的認(rèn)識(shí)， 應(yīng)將這 2 種 特殊土區(qū)別處理。參考文獻(xiàn)1 唐大雄 . 第二界全國(guó)紅土工程地質(zhì)研討會(huì)論文綜述A. 見：第二界全國(guó)紅土工程地質(zhì)研討會(huì)論文集 C. 貴州：貴州科技出版社，1991 , 152 徐榴勝 . 紅粘土在環(huán)境地質(zhì)中的隱患 J. 水文地質(zhì)工 程地質(zhì)， 1995 ， (5) ：40433 姜其巖，余培厚，郭 沛等 . 紅粘土力學(xué)強(qiáng)度特征的形成及 分析J.貴州工學(xué)院學(xué)報(bào)，1991 , 20(2) : 22284 周 芳，陳世益. 廣西貴港紅粘土風(fēng)化殼的地球化學(xué)特性J.中南礦冶學(xué)院學(xué)報(bào)，1994 , 25(2) : 1511555 孔令偉，郭愛國(guó)，呂海波等 . 典型紅粘土的基本特性 與微觀結(jié)構(gòu)特征 J. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2001 ，20（ 增 ）：973 9776 MaduR M. An investigationinto thegeotechnicaland engineering propertiesof somelaterites of eastern NigeriaJ. Engineering Geo