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水土作用模式对残积红粘土力学性质的影响分析

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第46卷 第1期2007年 1月中山大学学报(自然科学版)ACTA SCIENTIARUM NATURALIUM UNIVERSITATIS SUNYATSENIVol146 No11Jan1 2007

水土作用模式对残积红粘土力学性质的影响分析*

王 洋1,汤连生2,高全臣1,廖化荣2

(1.中国矿业大学力学与建筑工程学院,北京100083;2.中山大学地球科学系,广东广州510275)

摘 要:研究了残积红粘土特殊的物理化学性质及结构特征,通过试验分析了在含水量变化模式、水化学作用模式、干湿交替作用模式和渗流作用模式下红粘土力学性质的变异性,得出以下结论:①含水量的变化对红粘土的粘聚力(c)和内摩擦角(U)值都有影响,且对c值的影响远大于对U值的影响;②红粘土的力学性质随着周围环境的变化而发生变异,其c、U值和pH值呈良好线性关系,酸性水溶液使红粘土强度提高,碱性水溶液使红粘土的强度降低;③在干湿交替作用下,红粘土的结构性得到一定程度的破坏,主要受围压及侧向应力的影响;④渗流作用可以影响土体强度,红粘土在干湿交替作用后出现了裂缝,裂缝的发育增强了渗流作用对土体强度的影响程度。关键词:水土作用模式;残积红粘土;力学性质;试验研究中图分类号:TU411 文献标识码:A 文章编号:0529-6579(2007)01-0128-05

残积红粘土是一种富含铁、铝氧化物、粘粒

含量较高、几乎不含盐基成分的一种特殊粘土,一

般处于酸性环境,颗粒之间主要靠胶结联结、结

合水联结为主。残积红粘土有些出露在地表形成岗地,有些则埋藏于新沉积物之下,如广州红粘土一

般厚1~15m,个别可达20m。残积红粘土抗水性

弱,强度稍高,压缩性中等,含较多游离氧化物的超固结土的红色粘性土,具有特殊工程地质性质。

残积红粘土遇水软化和崩解是岩土工程实践中

经常遇到的问题,其中的主要问题就是土体力学性

质的变化情况。实际上,水土作用主要有以下几种主要模式:土体中含水量的变化、不同成分的水溶

液与土体的化学作用、土体经历多次干湿交替的作

用以及土体中发生渗流作用等4种水土作用模式。不同模式下土体会呈现不同的力学状态,因此,研

究不同水土作用模式下残积红粘土的力学性质具有

很大的实践意义和理论价值。

本文分析了残积红粘土的物性特征及结构特征,通过室内模拟试验,模拟红粘土在不同含水

量、不同成分水溶液、多次干湿交替以及土体中发

生渗流等四种水土作用模式,研究红粘土在四种水土作用模式的作用机理,分析了红粘土在四种水土

作用模式下的力学性质变化及其影响,为工程设计

和施工提供更可靠依据。1 红层残积红粘土的特点

111 物理化学特性和结构特征

红层残积红粘土的pH值较低(415~5),呈弱酸性,有机质含量(<013%)和可溶盐含量

(<0113%)都很低,阳离子交换以Ca2+,Mg2+

交换为主,交换总量14~27cmol/kg,比表面积平均126~151m2/g,比其他类型红粘土要高些,说

明含较多伊利石和蒙脱石,红层残积红粘土中游离

氧化物含量较高(平均816%~1010%),其中氢

化铁含量最多(平均417%~513%),氧化硅较少(平均217%~312%),液化铝最少(<2%)。

除石英颗粒及部分岩屑外,大部分物质完全风

化成红粘土。表层裂隙较密集,破坏土体的完整性。地下水位以上红粘土以硬塑和可塑状态为主,

地下水位以下的部分红粘土可能有1~2m处于软

塑状态。红层残积红粘土的结构单元体是凝块体和

絮凝体以及碎屑颗粒,它们多为铁质氧化物覆盖胶结,或被铁质游离氧化物以桥式胶结或点焊式胶

结。颗粒之间溶孔甚多,孔隙较均匀,但上部土体

孔隙较发育,排列较疏松,溶孔较多。112 物理力学性质

广州地区红层残积红粘土的物理力学性质指标

如表1所示,主要具有如下特点[1]。

*收稿日期:2006-07-06基金项目:国家自然科学基金资助项目(50279056);广东省自然科学基金资助项目(031601);广东省科技计划重点基金资助项目(2003C33301,2004B320801002)作者简介:王洋(1977年生),男,博士研究生,高级工程师;E-mai:lgzwangyang@1261com 第1期王 洋等:水土作用模式对残积红粘土力学性质的影响分析

(1)中等塑性,饱和度在80%以上,含水较

少,常处硬塑至可塑状态,局部软塑,液限30%

~60%,塑性指数11~20,属粉质粘土和粘土,

塑性土分类多属高液限和低液限粘土。(2)孔隙比不大,一般在0170~0190之间,

中等偏高压缩性,E0普遍较低,个别高压缩性。

结构强度较低,有些红粘土超固结比大于2,但也有个别软化而欠固结。

(3)抗剪强度变化范围很大,粘聚力20~50

kPa,内摩擦角15b~30b。广州红粘土的无侧限抗压强度:砂岩硬塑红粘土较高(300~380kPa),

泥岩可塑红粘土较低(75~170kPa)。

(4)具有不同程度的胀缩性和湿化性,部分

资料表明,某些红层残积红粘土的自由膨胀率可达40%,无荷膨胀率可达710%,原状土体缩率可达

1119%,说明这些红粘土可能具有弱到中等胀缩

性,故当红粘土中粘粒含量大于35%,液限大于45%,自由膨胀率大于40%,就应考虑土的胀缩

性影响,尤以泥岩残积红粘土更应注意。某些含砂

砾较多的红粘土,遇水崩解也应注意。

表1 广州地区红层残积红粘土的物理力学性指标统计(平均值)Tab11 PhysicalmechanicspropertiesofresidualredclayofGuangzhou(average)

母岩稠度状态液限%塑性指数含水量%液性指数孔隙比压缩模量MPa-1粘聚力ckPa内摩擦角U(b

)泥岩硬塑36.314.421.30.140.690.224418.2粉砂岩可塑36.314.425.60.500.830.353614.8

砂岩硬塑28.310.420.10.210.480.264826.4可塑28.310.422.70.480.650.292823.0

砂砾岩硬塑34.813.023.900.690.363423.3可塑34.813.028.90.290.770.562420.5

2 含水量变化模式

大量研究已经证明,非饱和土抗剪强度随着含

水量的增加强度不断降低,而且含水量对土体凝聚力的影响程度比较显著。为了验证残积红粘土抗剪

强度指标随含水量变化的特征,本文对广州红粘土

进行了室内试验。

试验土样取自广州天河的红粘土,取上深度为4m,干密度为1162g/cm3,天然含水量为

2118%,实验室使用纯水人工制备不同饱和度的土

样进行三轴剪切试验,围压分别采用50,100,150和200kPa。图1是试验得到的粘聚力和内摩

擦角与饱和度的关系曲线。

根据试验结果:含水量的变化对红粘土的粘聚

力(c)、内摩擦角(U)值都有影响,但是对c值的影响远大于对U值的影响。当土体饱和度在

30%~60%范围时,随着含水量增大,c值明显降

低;当土体饱和度低于30%或高于80%时,含水量的变化对c值影响较小。当土体饱和度在30%

~50%范围时,随着含水量增大,U明显减小,但

减小的幅度不大;当土体饱和度低于30%或高于

80%时,含水量的变化对U

值基本上没有影响。图1 粘聚力和内摩擦角与饱和度的关系曲线Fig11 ThedegreeofsaturationversuscandUcurve

3 水化学作用模式

汤连生等[2]通过试验,研究了不同成分水溶

液化学作用后的红粘土中铁离子的化学行为对土体

的力学效应及其特性。大量的研究成果表明,红粘土的许多特殊的工程地质性质都与游离氧化铁胶结

形成的微团聚体结构有关,它的变化将直接导致红

粘土其它微结构要素的变化及工程地质性质的变化。在不同成分的水溶液作用下,土体将会发生不

同类型的水化学作用,土体的抗剪强度指标也会随

之发生变化,这种变化不同于纯水浸泡情况。除此之外,传统土力学所认为是常数的液限、塑限等物

理性质指标,在水化学作用下并不一定是常数,也会根据水溶液的成分发生不同程度的变化。129中山大学学报(自然科学版)第46卷

本次试验采用的水化学溶液中Al(NO3)3或

Fe(NO3)3溶液的浓度为011mol/,l水化学溶液的体积为400m,l土样反应前后含水量不变。表2

为常温下红色粘土浸泡在Al(NO3)3中,随pH值

不同其力学参数的变化情况;表3为常温下红色粘

土浸泡在Fe(NO3)3中,随pH值不同其力学参数

的变化;表4为浸泡10d后土的液限、塑限和塑

性指数与天然状态土的对比。试验结果表明:①含铁离子物质与水作用后的

化学行为确实存在正反两方面的双向性力学效应。

红粘土的铁离子和钙离子胶结物质成分容易与水作

用发生水解,原有的水-土之间的化学组分间的平

衡遭到破坏,水-土-电解质之间的平衡瓦解,吸

附溶蚀作用随之活跃,结构发生破坏,这些化学行

为使土样抗剪强度降低。因此,原状土样抗剪强度

随着饱和度增大较快速地减小。②含铁离子物质的

双向性力学效应受环境水溶液的pH值和化学成分的控制。③酸性水溶液使含铁离子物质的胶结作用

增强,使红粘土强度提高,形成正方向的力学效

应;而碱性水溶液使含铁离子物质的胶结作用降

低,形成负方向的力学效应。

表2 Al(NO3)3溶液中红粘土力学参数的变化Tab12 VariationsofmechanicsindiceofresiduallateriteinAl(NO3)3liquor

水化学溶液pH值土的力学参数c/kPa U/(b

)H2SO4/Al(NO3)3=30.2254.8115.1H2SO4/Al(NO3)3=1.50.5257.3816.6Al(NO3)37.0061.5617.9CH3COONa/Al(NO3)3=1.513.1868.1518.5CH3COONa/Al(NO3)3=313.4872.7420.2

表3 Fe(NO3)3溶液中红粘土力学参数的变化

Tab13 VariationsofmechanicsindiceofresiduallateriteinFe(NO3)3liquor

水化学溶液pH值土的力学参数c/kPa U/(b

)H2SO4/Fe(NO3)3=30.2287.224.2H2SO4/Fe(NO3)3=1.50.5286.623.6Fe(NO3)37.0083.523.3CH3COONa/Fe(NO3)3=1.513.1878.422.3CH3COONa/Fe(NO3)3=313.4878.822.1

红粘土的力学性质随着周围环境的变化而发生

变异,其c、U值和pH值呈良好线性关系。物性变异导致红粘土力学性质的变化是具有双面性的,可以使土体力学强度降低,也可以使土体的力学强

度变大。

表4 经过浸泡的土与天然状态土的参数对比Tab14 Comparisonoftheindexbetweenthesoakedsoilandnaturalsoil

指标天然纯水KNO3溶液Ca(OH)2和K2CO3溶液交替浸泡WL(%)51.853.151.943.2WP(%)21.233.031.530.5IP18.619.920.412.7

4 干湿交替作用模式

Bishop等[3]提出,在开挖过程中土体出现裂

缝,遇水后吸水膨胀,使得土体中的超限应力区扩

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土的工程地质性质如残积土坡积土

土的工程地质性质如残积土坡积土

土的工程地质性质

一、土的成因类型特征

根据土的地质成因，土可分为残积土、坡积土、洪积土、冲积土、湖积土、海积土、冰积及 冰水沉积土和风积土等类型。一定成因类型的土具有一定的沉积环境、具有一定的土层空间 分布规律和一定的土类组合、物质组成及结构特征。但同一成因类型的土，在沉积形成后， 可能遭到不同的自然地质条件和人为因素的变化，而具有不同的工程特性。

1. 残积土

形成原因：岩石经风化后未被搬运的原岩风化剥蚀后的产物，其分布主要受地形的控制，如

在宽广的分水岭地带及平缓的山坡，残积土较厚。

工程特征：一般呈棱角状，无层理构造，孔隙度大；存在基岩风化层（带），土的成分和结

构呈过渡变化。

工程地质问题：

（1）建筑物地基不均匀沉降，原因土层厚度、组成成分、结构及物理力学性质变化大，均

匀性差，孔隙度较大；

（2）建筑物沿基岩面或某软弱面的滑动等不稳定问题，原因原始地形变化大，岩层风化程

度不一。

2. 坡积土

形成原因：经雨雪水洗刷、剥蚀、搬运，及土粒在重力作用下顺着山坡逐渐移动形成的堆积

物，一般分布在坡腰上或坡脚下，上部与残积土相接。

工程特征：具分选现象；下部多为碎石、角砾土；上部多为粘性土；土质（成分、结构）上

下不均一，结构疏松，压缩性高，土层厚度变化大。

工程地质问题：建筑物不均匀沉降；沿下卧残积层或基岩面滑动等不稳定问题。

3. 洪积土

形成原因：碎屑物质经暴雨或大量融雪骤然集聚而成的暂时性山洪急流挟带在山沟的出口处

或山前倾斜平原堆积形成的洪积土体。山洪携带的大量碎屑物质流出沟谷口后，因水流流速

骤减而呈扇形沉积体，称洪积扇。

工程特征：具分选性；常具不规划的交替层理构造，并具有夹层、尖灭或透镜体等构造；近

山前洪积土具有较高的承载力，压缩性低；远山地带，洪积物颗粒较细、成分较均匀、厚度

较大。

工程地质问题：洪积土一般可作为良好的建筑地基，但应注意中间过渡地带可能地质较差，

因为粗碎屑土与细粒粘性土的透水性不同而使地下水溢出地表形成沼泽地带，且存在尖灭或

粘土结构性对其力学性质的影响及形成原因分析_龚晓南

粘土结构性对其力学性质的影响及形成原因分析_龚晓南

2000年10月水 利 学 报

SHUILI XUEBAO第10期

收稿日期:1999-11-10作者简介:龚晓南(1944-),男,浙江金华人,浙江大学土木工程学系教授,从事软粘土力学、地基处理方面研究.文章编号:0559-9350(2000)10-0043-05

粘土结构性对其力学性质的影响及形成原因分析

龚晓南1,熊传祥1,项可祥1,候永峰1

(1.浙江大学岩土工程研究所,浙江杭州　310027)

摘　要:本文首先介绍前人对粘土结构性对其土工特性影响研究的部分成果,然后探讨结构性粘土的区分及粘土结构性形成原因.关键词:粘土结构性;力学性质;形成原因中图分类号:TU411 文献标识码:A

近年来,原状粘土结构性及其对粘土力学性质影响的研究引起人们广泛的关注.研究表明:各地土的结构性存在较大差异,对其力学性质的影响也不同.粘土的结构性使其存在结构屈服应力.粘土

在承受低于和高于结构屈服应力的压力时,力学特性差异较大.因此研究各类土的结构性以及粘土的

结构屈服应力形成原因对认识粘土的特性及研究本构模型具有重大的意义,对指导工程勘察及工程实

践具有现实价值.本文首先介绍前人对粘土结构性对其土工特性影响的部分研究成果,然后探讨结构

性粘土的区分及粘土结构性形成原因.

1　粘土结构性对其力学性质的影响

天然土多种多样,由于组成成分和沉积条件不同,原状粘土呈现不同程度的结构性.不同的学者

针对不同的粘土就其压缩特性、强度特性、固结特性、应力-应变关系等展开了研究.

1.1　粘土结构性对压缩特性的影响　张诚厚(1983)对湛江粘土及上海粘土,Mesri等(1975)对

MexicoCity粘土,Locat和Lefebvre(1987)对GrandBaleine粘土以及其他学者针对不同地区粘土的

结构性进行了研究[1～3].湛江粘土和MexicoCity粘土压缩曲线分别如图1和图2所示.从图中可以

看出,结构性强的原状粘土具有明显的结构屈服应力,结构屈服应力大于上覆有效压力.进行压缩试验时,在低于屈服应力的范围内,土的压缩性较小,在高于屈服压力后,土的压缩性增大,最后与重

贵州红粘土的孔隙特殊性及对其力学性质的影响

贵州红粘土的孔隙特殊性及对其力学性质的影响

贵州红粘土的孔隙特殊性及对其力学性质的影响

尤英锋;张洪

【摘 要】通过对贵州红粘土大量土工数据的统计分析,得出红粘土孔隙指标的常见值分布范围,发现贵州红粘土的孔隙性质较其他土类具有特殊性,表现在其孔隙指标远高于一般粘性土;并通过对红粘土的孔隙指标与其力学性质指标的关联性进行分析,反映出孔隙性对红粘土力学性质的影响.

【期刊名称】《贵州科学》

【年(卷),期】2018(036)003

【总页数】6页(P24-29)

【关键词】贵州红粘土;孔隙特征;孔隙比;力学性质

【作 者】尤英锋;张洪

【作者单位】贵州省地质环境监测院,贵州贵阳550081;贵州省地质环境监测院,贵州贵阳550081

【正文语种】中 文

【中图分类】P642.11

0 引言

红粘土是贵州山区岩溶地貌中的主要土类，有些地区甚至是唯一的土类，它的分布有很明显的地域性，贵州省的主要城市与人口集中的地区都是红粘土的分布区域。红粘土主要分布在碳酸盐岩出露区，在地貌上，红粘土多保存在地势较为缓和的部位，一般分布在高原面、夷平面，台地之上或是熔岩、溶盆、溶洼、溶蚀谷的底部，典型的地貌是形成高30～50 m的浑圆状土丘，土丘坡度缓，并与期间分布的负地形一起组成波状起伏的地形，而在地下溶洞中也常常充填有红粘土[1]。在贵州省内，红粘土主要分布在贵阳市贵阳盆地、遵义地区、六盘水岩溶盆地、安顺、兴义、铜仁及黔南地区等。

1 贵州红粘土的孔隙特殊性

1.1 贵州红粘土的孔隙特征

贵州红粘土孔隙性指标很特殊，收集了贵州省七个地区的1858组土工试验数据并对其进行分析，根据分析资料统计(图1)来看[2]，其天然孔隙比的常见值范围在1.0～1.80之间，最小值为0.37，最大值为2.40，可见红粘土孔隙比变化范围很大。

图1 贵州地区红粘土孔隙比分布图Fig.1 Void ratio distribution of red clay in

Guizhou

含水率对残坡积土强度特性的影响

含水率对残坡积土强度特性的影响

含水率对残坡积土强度特性的影响

王闯;董金玉;王明龙;李梦姿;张培培

【摘 要】水对边坡土体的变形和强度有着重要的影响.通过对三峡库区某边坡残坡积土进行不同含水率下的直剪试验,研究含水率对其剪应力-位移以及强度的影响规律.结果表明:残坡积土在低含水率下的剪应力-剪切位移关系呈应变软化,在高含水率下呈应变硬化,且含水率较低时竖向压力对残坡积土的应力-应变曲线亦有影响,随着竖向压力增加,剪切软化现象逐渐减小;土体抗剪强度随着含水率的增大而呈非线性减小,减小的速率表现出先大后小的特征,土体塑限为其抗剪强度减小快慢的分界点;土体黏聚力随着含水率的增大呈二次多项式形式减小,土体内摩擦角整体上随含水率的增大而变小,但变化规律不明显.

【期刊名称】《华北水利水电学院学报》

【年(卷),期】2016(037)005

【总页数】5页(P88-92)

【关键词】残坡积土;含水率;剪应力-剪切位移关系;抗剪强度;黏聚力;内摩擦角

【作 者】王闯;董金玉;王明龙;李梦姿;张培培

【作者单位】华北水利水电大学,河南郑州450045;华北水利水电大学,河南郑州450045;深圳市地质环境监测中心,广东深圳518034;华北水利水电大学,河南郑州450045;黄河勘测规划设计有限公司,河南郑州450003

【正文语种】中 文

【中图分类】TV16;TU411.7 抗剪强度是表征土体力学性质的一个重要指标，其主要受土体的种类、结构以及含水率的影响。工程实践中，一定区域内的土体质地和结构一般不会发生太大变化;然而，受降雨、蒸发、灌溉等因素的影响，土体的含水率变化很大。故对特定区域土体而言，其强度变化主要受含水率的影响[1]。因此，一些学者针对含水率对土体抗剪强度的影响进行了试验研究。凌华等[2]在改进的普通三轴仪上进行了不同含水量的非饱和土强度试验，根据试验结果建立了非饱和土的实用强度公式。申春妮等[3]对重塑非饱和土进行了一系列控制吸力、含水率和干密度的直剪试验，发现非饱和土的黏聚力和内摩擦角均随含水率的增加而线性减小。张海明等[4]对非饱和粉土进行不同含水量、不同剪切速率的大型直剪试验，得到不同含水量重塑非饱和粉土试样的抗剪强度指标(c、φ)随含水量的增大，呈现先升高后减小的变化趋势。孟庆云等[5]对重塑膨胀土进行不同初始含水率的直剪试验发现，随初始含水率的增加，膨胀土体的黏聚力、内摩擦角有先增大后减小的趋势。边加敏等[6]对粉质黏土进行不同含水量下的直剪试验，得到非饱和土含水量与黏聚力近似呈二次曲线关系、与内摩擦角近似呈线性关系的结论。林鸿州等[7]通过压力板仪和直剪仪组合试验，探讨了击实土抗剪强度和基质吸力的关系。李险峰[8]通过8组不同含水率的千枚岩碎屑土滑坡土体的三轴排水剪切试验，研究了含水率对滑坡土体力学特性的影响。陈小龙等[9]对三峡库区黄土滑坡滑带土进行不同含水率的直剪试验，发现滑带土黏聚力及内摩擦角均随含水率的增大近似呈线性减小的趋势。高彦斌等[10]对上海第4层淤泥质黏土进行直剪试验发现，无论是快剪还是慢剪的抗剪强度均无明显峰值，且慢剪的强度增加较慢。胡波、黄志全和姜彤等[11-13]分别以膨胀土为研究对象，研究基质吸力对其抗剪强度的影响。林锋等[14]对不同含水量的滑带土重塑样进行快剪试验，发现重塑样内聚力随含水量的增加呈现小—大—小的变化规律。