水力作用下貴州紅黏土基本物理力學特性試驗研究★

段 嵐

(貴州鼎源匯城項目管理有限公司,貴州 畢節 551700)

0 引言

紅黏土是由碳酸鹽巖在熱帶、亞熱帶氣候條件下經過物理、化學風化和紅土化作用而形成的一種呈褐色、棕紅等顏色的高塑性黏土[1],紅黏土是一種特殊土類,這種土吸水膨脹、失水收縮,這種特點對紅黏土邊坡、路基的穩定性造成重大影響。我國對紅黏土系統的研究起始于《貴州紅黏土的建筑性能》一文的發表[2]。在土木工程領域,紅黏土作為一種特殊的土質,因其特殊的工程性質,給基坑支護結構設計帶來了諸多挑戰。紅黏土具有高孔隙比、高液限、低滲透性等特點,這使得它在工程中表現出較強的可塑性和流動性。在基坑開挖過程中,紅黏土的這些特性可能會引發邊坡滑移、變形等問題,因此,如何對紅黏土基坑進行有效的支護成為了工程實踐中亟待解決的問題。鄧智中[3]以貴陽六廣門地下污水處理廠工程為研究背景,在室內巖石試驗及現場監測數據的基礎上,對下穿隧道截斷樁錨支護結構的穩定性進行研究,總結深基坑樁錨支護結構局部截斷的研究現狀及內力計算方法,通過理論計算和數值模擬這一特殊工況下,周圍土體、鄰近建筑物以及樁錨結構應力及位移場的變化規律并提出了相應加固措施。針對紅黏土邊坡穩定性及破壞問題,劉俊紅[4]結合某緩坡地形隧道邊仰坡滑塌的工程實例,采用工程地質調查、鉆探以及鉆孔深層水平位移監測等勘探方法查明滑坡特征及性質,對隧道邊仰坡滑塌原因進行分析,提出處治方案和建議。郭彪[5]對上甘坪隧道左線出口滑坡體特征及滑動機理分析,闡述了滑坡的地質條件及滑坡體特征,研究了滑坡體的滑動機理,并對隧道出口處滑坡原因進行具體分析。陳鵬等[6]以京山市孫橋鎮虎爪山林場紅黏土滑坡為研究對象,通過勘查工程中獲得的豐富資料,闡述滑坡基本特征,根據滑坡基本特征與成因機理進行穩定性分析并設計治理工程方案。蔣洪等[7]針對紅黏土邊坡病害現象,采用現場調查、觀測與統計的方法,對江西省10條高速公路,6條國道公路總共294處邊坡的破壞形式、特點和邊坡防護類型、坡高、坡率、穩定性等方面進行調查分析。駱雷[8]分析了晉西部紅黏土的物理力學特性及邊坡變形特征。吳紅剛等[9]對山區機場高填方邊坡工程進行了研究,從變形機理和控制技術兩方面對機場高填方邊坡工程問題進行了深入研究。本文旨在針對某紅黏土基坑支護結構進行優化設計分析,提出切實可行的優化方案,確?；臃€定、安全。本文將遵循工程實踐與理論分析相結合的原則,綜合運用多種研究方法,力求為解決紅黏土基坑支護問題提供有價值的參考。

1 貴州紅黏土的特性

1.1 紅黏土起源

紅黏土主要來自于碳酸鹽巖和花崗巖的殘積成土作用而成,紅黏土的起源主要是由于碳酸鹽巖出露地表后的各種風化作用、淋濾作用和紅土化成土作用等多重因素影響下而形成的一種具有高塑性、高壓縮性、高含水率和低強度的特殊土類。紅黏土通常覆蓋于碳酸鹽巖和花崗巖基巖上,以碳酸鹽巖紅黏土分部較廣,土體中鐵鋁元素相對集中而外觀上呈現紅色。 紅黏土強度狀態一般具有反剖面特性,從上往下由硬變軟,在與基巖接觸部位甚至表現為流塑狀態。在成巖過程中,由于巖石風化顆粒具有較大的比表面積,后期成土作用主要以化學風化為主,在特殊的溫暖濕潤氣候特征作用下,溫暖濕潤外部環境加速了化學風化作用,經過紅土化作用而形成紅黏土。

1)飽和硅鋁階段。在這一階段,土壤中硅鋁元素被氧化物和鹽類物質飽和或固定,形成硅酸鹽、鋁酸鹽和其他硅鋁化合物的過程。這個階段通常發生在土壤形成的中期和后期,是土壤礦物質形成的重要階段之一。土壤中的硅鋁元素逐漸被氧化和固定,形成穩定的礦物相,如石英、長石、云母等,這些礦物相構成了土壤的骨架,對土壤的理化性質和肥力狀況有重要影響。同時,這個階段也是土壤有機質積累和分解的重要時期,對土壤的碳、氮、磷等元素的循環也有重要影響。

2)酸性硅鋁階段。酸性硅鋁階段是土壤形成過程中的第二個階段,其特點是硅和鋁元素被大量分解和淋溶,形成酸性環境,并在風化殼中相對富集。酸性硅鋁階段通常在濕熱多雨地區更容易發生,如中溫帶、暖溫帶和北亞熱帶。在酸性硅鋁階段,碳酸鹽巖風化殼中的大量鹽類由于受到降雨入滲及地下水位上升等的影響,硅酸鹽和鋁硅酸鹽分解形成的硅酸和鋁酸也很快被淋失。因此,風化殼中的陽離子顯著減少,而殘留在風化殼中的主要是高嶺石、伊利石等次生黏土礦物。隨著時間的推移,風化殼中的鹽基大量淋失,相對地堆積了硅、鋁、鐵等元素組成的次生黏土礦物。由于氫離子的存在,這個階段逐漸變為酸性環境。隨著這個階段的進行,土壤的理化性質和肥力狀況也會發生相應的變化。

3)鋁鐵土階段。在鋁鐵土階段,鋁硅酸鹽黏土礦物進一步分解,形成硅氧化物、鋁氧化物、鐵氧化物及它們相應的水化物,其礦物成分主要為針鐵礦、赤鐵礦和水鋁礦。鋁鐵土階段是土壤形成過程中的一個階段,其特點是鋁和鐵元素被大量分解和淋溶,形成富含鋁、鐵元素的土壤。這個階段通常發生在熱帶和亞熱帶地區,氣候炎熱潮濕,植被茂盛。在這個階段,風化殼中的鹽類受到大量分解淋溶,硅酸鹽和鋁硅酸鹽分解形成的硅酸和鋁酸也很快被淋失。因此,風化殼中的陽離子顯著減少,而殘留在風化殼中的主要是高嶺石、伊利石等次生黏土礦物。

1.2 紅黏土分布特征

紅黏土是一種特殊的土質,主要分布在南方地區,特別是貴州、廣西和云南等地。紅黏土主要分布在南方濕潤氣候區的石灰巖地區,通常被認為是侵蝕和土壤化的結果。通常出現在低洼地區,如山谷、盆地和低丘陵地帶。紅黏土的形成與母質有關,通常由石灰巖等碳酸鹽類巖石經過長時間的風化和侵蝕作用形成。紅黏土的分布具有深度和厚度變化的特點。厚度可以從幾米到幾十米不等,具體取決于原始地形和下伏基巖面的起伏變化。紅黏土的顏色通常為紅色或黃色,這主要取決于含有的鐵氧化物或其他礦物成分的含量。紅黏土的紅土化作用及分布與地球地質歷史變化及區域環境變化密切相關,其形成與分布范圍的氣候條件為濕熱的熱帶、亞熱帶,降雨量應在1 000 mm以上,年平均氣溫為19 ℃～23 ℃。

1.3 貴州紅黏土剖面特征

1)紅黏土形成地貌條件。在紅黏土分布的云貴高原和山區,紅黏土分布通常顯示出不連續特征,平均厚度較淺,為3 m～8 m,屬于典型殘積土類型,在部分區域能達到15 m～30 m;紅黏土在平原和丘陵地區通常呈現連續分布,一般厚度在10 m～15 m,最厚可到達40 m。在地質垂直剖面上,坡頂和中部紅黏土土層一般較薄,在坡腳分布相對較厚;在丘陵間平原及巖溶洼地,紅黏土分布較厚。由于紅黏土垂直方向沉積原因,導致了紅黏土在水平方向上分布表現出嚴重的不均勻性,在部分區域可能相差數十米。在上部結構作用下更容易產生嚴重不均勻沉降。

2)母巖巖性及巖溶發育條件。紅黏土的母巖巖性主要是碳酸鹽類巖石,包括石灰巖、白云巖等。這些巖石經過風化和侵蝕作用后,形成紅黏土。在巖溶發育地區,碳酸鹽類巖石經過地下水溶蝕和侵蝕作用,形成巖溶地貌。這些巖溶地貌包括溶洞、地下河、石林等。紅黏土的母巖巖性和巖溶發育條件密切相關,碳酸鹽類巖石的分布和巖溶地貌的形成都受到氣候、地形、水文等多種因素的影響。石灰巖和白云巖在我國南方分布較廣,由于這兩種巖石成分微溶于水,導致這些地區巖溶不同強度發育,基巖表面由于發育不同呈現起伏狀態。同時也導致了紅黏土地層起伏變化較大,厚度分布不均勻。在垂直剖面上,由于巖溶溶槽溶溝的存在,底部基巖透水性弱等因素,紅黏土在垂直剖面上呈現上硬下軟的反剖面特征,這是紅黏土區別其他特殊土類的重要特征。

2 貴州紅黏土基本力學特性分析

2.1 試驗研究方案

根據試驗分析及后面參數運用需要,本研究擬進行無側限抗壓試驗、土樣來自于畢節市各個工地。試驗方案見表1,取土現場見圖1。

表1 試驗方案

2.2 基本物性試驗及結果分析

2.2.1 密度試驗

密度試驗的測試有多種方法,本文采用高壓固結試樣所用的小環刀來進行取樣,這樣就是在制樣的過程中可以直接測試土樣的密度,具有簡單易操作等優點。

通過環刀法測定試樣的密度,由于土樣所處的地理位置及水分的不均勻分布,所以至少應取3組試樣來進行試驗,以保證試樣的準確性。相對于其他黏性土來講,紅黏土的天然密度較大。

2.2.2 含水量試驗

土樣含水量的測試一般采用烘干法,土木建筑工程學院巖土工程實驗中心配備了相當完善的試驗設備(見圖2),完全能夠滿足我們項目所要進行的實驗工作的要求。

通過烘干法測定試樣的含水量,同樣由于土樣所處的地理位置及水分的不均勻分布,所以至少應取3組試樣來進行平行試驗,以保證試驗的準確性。經過我們的測試,得出了兩種紅黏土天然含水量(質量分數)分別為:56.7%～62.4%,飽和度從94%變化到107%。相對于其他黏性土來講,紅黏土的天然含水量較大,紅黏土的這一特性與軟土相類似,與黃土有著本質的區別。紅黏土的基本物理性質指標見表2。

表2 紅黏土的基本物理性質指標

通過以上土性指標可以看出,紅黏土作為一種特殊土類,其基本物理性質與其他土類有著明顯區別。隨著取土深度的增加,土體含水率逐漸增加,土的孔隙比呈逐漸減小的趨勢。對比圖3—圖5,可以看出,紅黏土具有典型的反剖面特征。隨著取樣深度增加,土體含水率逐漸增加,孔隙比逐漸減小,容重逐漸增加。

2.2.3 貴州紅黏土直接剪切試驗

為了對比不同應力路徑下的紅黏土力學特性變化,圖6—圖8給出了水的質量分數為48%的不同紅黏土在直接剪切應力作用下剪切強度變化規律,從圖6—圖8可以看出,幾種不同密度及結構狀態的紅黏土在直接剪切應力作用下剪切強度都滿足摩爾庫侖定律,屬于典型的剪切屈服破壞材料,剪切屈服面在p-q偏平面上呈線性特征。圖9給出了幾種不同結構狀態紅黏土的剪切屈服強度線的對比分析,從圖9可以看出,各種結構狀態紅黏土在直剪應力狀態下,其屈服破壞特性變形出很好的相似性,具有良好的相關性。

圖10—圖12給出了紅黏土顆粒間的膠結形態及剪切行為過程中土樣剪切破壞機理及膠結鍵破壞原理。從圖10—圖12可以看出,紅黏土剪切強度的來源除了土顆粒間的摩擦強度之外,更重要的是由顆粒間膠結的強弱所決定。

整理所試驗土樣的強度參數如表3所示,從強度指標表中可以看出,對比不同含水率不同區域紅黏土的c與φ值,其中原狀樣的強度指標高于重塑樣,重塑樣的指標要高于原狀飽和樣,這一規律對所有試樣都適用,說明了結構的強弱對土體抗剪強度有著重要的作用。原狀紅黏土受到加荷、擾動和浸水作用,釋放其結構勢,破壞結構的聯結和排列,形成不同形態的紅黏土土樣:受加荷與擾動作用形成重塑土樣;受浸水作用形成原狀飽和土樣。表中原狀、重塑及原狀飽和樣的c值變化較大,重塑樣的c值處于原狀樣與原狀飽和樣之間。

表3 試驗土樣強度指標表

3 結語

在水力的作用下,貴州紅黏土的水理性質發生了顯著變化,隨著含水率的增加,紅黏土的顆粒間的摩擦力減小,導致其呈現出較為明顯的軟化現象。在含水率增加條件下,貴州紅黏土的抗剪強度明顯降低,這主要是因為水分子在土顆粒表面形成了一層潤滑膜,減少了顆粒間的摩擦力,在水力作用的時間和強度不斷增加的情況下,紅黏土的抗剪強度逐漸減小,表現出顯著的剪切軟化特性。