梁 毅，董潔霜

（上海理工大學管理學院，上海200093）

0 前言

關于紅黏土的定義，JTG D 30—2004《公路路基設計規(guī)范》[1]中明確規(guī)定：紅黏土是指碳酸鹽巖出露的巖石，經(jīng)紅土化作用形成的棕紅色、褐黃色等的高塑性黏土，其液限一般大于50%。經(jīng)再搬運后仍保留紅黏土基本特征，其液限大于45%的土稱為次生紅黏土。紅黏土在貴州省分布十分廣泛，發(fā)育相對完好，具有的特殊物理力學性質和特征都具有一定的代表性。貴州是國內研究紅黏土最早的地區(qū)之一，很多學者進行了研究并取得了成果，但是都局限在紅黏土的定義、分類、成因等問題上。對于紅黏土作為道路路基填料方面的研究仍存在很大的空間，因此為了提高工程建設中設計和施工的科學性與合理性，對紅黏土的路用性質的系統(tǒng)研究顯得極其重要。

1 紅黏土的成因

在貴州，紅黏土作為與道路工程建設關系密切的土類，自身所具有的特殊性在長期的實踐中被人們所逐步認識。土的特殊性是由它的物質成分和組成結構所決定的，而成分與結構跟土體本身的成因有關[2]。

1.1 地形地貌與氣候條件

貴州位于中國西南部——云貴高原的東斜坡，地理位置為東經(jīng)106°36′～ 106°35′，北緯24°37′～29°13′，東與湖南交界，西與云南接壤，南與廣西毗鄰，北與四川和重慶相連。主要是以高原、山地地形地貌為主要特征，平原山地很少。山地多為溶蝕型喀斯特地貌，在喀斯特作用的影響下，紅黏土下伏的基巖面為起伏不定的溶蝕面，這就成為母巖溶蝕殘余物堆積起來的保存地。

氣候方面，貴州屬于典型的亞熱帶季風濕潤氣候區(qū)，由于地處低緯山區(qū)，地勢高差懸殊，所以垂直方向氣候差異較大，立體氣候明顯。就全省大部分地區(qū)而言，氣溫最低值出現(xiàn)在1月份，最高值出現(xiàn)在7月份，平均氣溫為15℃，常年雨量充沛，時空分布不均。全省各地多年平均年降水量在1 100～1 300mm之間，最多值接近1 600mm，最少值約為850mm。光照條件較差，降雨日數(shù)較多，相對濕度較大，年平均值在80%左右。這種濕熱交替的特殊氣候條件造就了紅土化作用，影響并決定了紅黏土的成因。

1.2 紅黏土形成過程

紅黏土形成主要有2個階段：第1階段為巖溶作用階段，即母巖（碳酸鹽巖系地層），通過化學溶蝕為主的巖溶作用，流水的溶蝕沖刷作用把可溶礦物溶解并帶走，剩余的不可溶礦物則殘留并堆積，這就形成了紅黏土最初的物質來源。在物質組成上，母巖中占優(yōu)勢的可溶礦物在流水的作用下溶解帶走，剩余的少量不可溶物質成為紅黏土的主要成分，溶蝕殘余物不再具有母巖結構的骨架，多為疏松多孔的砂狀物，母巖結構被徹底破壞[3]。

第2階段為紅土化階段，溶蝕后的殘余堆積物還必須經(jīng)過紅土化作用后才能形成完全意義上的紅黏土。殘余堆積物在潮濕溫暖的特殊氣候條件下開始進行紅土化作用，即堆積物在地下水的進一步作用下，發(fā)生淀積、淋濾、水化、水解等復雜地質變化并最終形成新的黏土礦物。在黏土化過程的同時，紅土化作用又使其中的氧化物逐漸游離出來，形成新的礦物成分。隨著紅土化的進程，新的礦物與剩余的物質重新組成了紅黏土的微觀結構，并最終形成紅黏土。

2 紅黏土的物質組成與結構特性

紅黏土之所以擁有其他土類不具備的物理力學等工程特性，是由紅黏土的特殊成分和結構所決定的。如果說物質成分的組成是基礎，那么結構的排列組合則是必不可少的存在方式。下面我們對紅黏土的物質組成與特殊結構進行分析。

2.1 物質組成

我們按紅黏土的成因和性質不同，將紅黏土中的這些礦物分為3類：黏土礦物、游離氧化物和殘余巖屑[4]。

（1）紅黏土中的黏土礦物

紅黏土的主要礦物成分為黏土礦物，對土樣進行X線衍射、差熱分析及離子交換實驗的測試分析，并對結果進行半定量分析估算，其含量約占固態(tài)物質總量的50%～80%，測得土樣中的物質成分如表1所示。

表1 紅黏土中所含黏土礦物含量／%

通過上表分析可知，貴州紅黏土的礦物成分中高嶺石、綠泥石、伊利石所占比重大，部分含少量的蒙脫石。因而土的黏性大，塑性指數(shù)高，使得土體具有比較好的強度與壓實性能。

（2）紅黏土中的游離氧化物

母巖在成土過程中經(jīng)歷了強烈的溶蝕作用，原有的鈣、鎂碳酸鹽在土中幾乎被淋失殆盡，殘留的難溶鋁硅酸鹽礦物除形成黏土礦物，部分鋁硅酸鹽礦物進一步分解，形成游離氧化物，其含量約為8%～20%，具體見紅黏土游離氧化物分析成分表。

表2 紅黏土中游離氧化物含量

通過上文紅黏土成因分析我們知道，土體在經(jīng)歷了紅土化作用后，富含了大量的游離氧化物，從表中得知，主要為硅、鋁、鐵的游離氧化物。這些游離氧化物改變了土的性質，充當紅黏土物質結構組成中的膠結連結物，是紅黏土形成特殊結構的重要原因，使紅黏土具有失水再吸水后的不可逆性[5]。

（3）紅黏土中的原生礦物及巖石碎屑

殘余巖屑主要是指母巖在紅黏土形成過程中未被溶解的穩(wěn)定成分，如石英碎屑等礦物。通過顯微鏡下觀察，殘余巖屑約占礦物總重的2%～15%，主要是石英和結晶狀的氧化礦物。

2.2 紅黏土的結構特性

土的結構主要包括了2種不同層次的結構類型，分別為微觀結構和宏觀結構。宏觀結構主要泛指土體在空間分布上的關系，即剖面特性、裂隙特征、巖土界面等。土的微觀結構主要指土的顆粒大小、顆粒相互之間的排列、連結及孔隙等特征[6]。

2.2.1 宏觀結構

（1）橫向變化特征

巖溶溶蝕作用的不均勻使得紅黏土所在的下伏基巖起伏面高差變化很大，造成了紅黏土厚度在橫向上的突變性：一般為3～5m，厚度大的甚至可達20多m。會經(jīng)常發(fā)現(xiàn)，水平距離相差不到1m的紅黏土厚度相差10m甚至更多。紅黏土的厚度突變特性對路基十分不利，容易產(chǎn)生不均勻沉降等工程地質問題。

（2）縱向變化特征

紅黏土在縱向上的變化特征與普通的土體截然相反，主要體現(xiàn)在物理力學性質上。我們選取具有代表性的路基挖方進行土工試驗，數(shù)據(jù)見表3。

從表中數(shù)據(jù)反映，隨著紅黏土剖面深度的增加，土的天然含水量、液限、孔隙比逐漸增高，稠度狀態(tài)則由堅硬變?yōu)橛菜軤顟B(tài)、可塑狀態(tài)、軟塑態(tài)，在深達21m處甚至出現(xiàn)了流塑狀態(tài)。地質學界把紅黏土的此類特征稱為“反剖面”特性[7]。

2.2.2 土的微觀結構

紅黏土的物理力學性質主要是由它的微觀結構所決定的，因此要了解它的工程屬性必須對其顆粒大小、連結形式及孔隙進行分析研究。

（1）粒度特征

對采集的紅黏土土樣進行顆粒篩分試驗（密度計法），從表4數(shù)據(jù)可以看出：紅黏土中以黏粒為主，約占47%；粉粒次之，約占45.8%，沙粒只有8.2%?？傮w粒度特征為細分散性。

表3 紅黏土剖面性質變化

表4 顆粒篩分實驗結果

（2）連結特性

紅黏土的基本顆粒單元是黏土粒團，按結合方式可以分為：黏土團粒內部連結與粒團間的連結。團粒內部連結分布于粒團表面，為一種絮狀連結；粒團間連結主要由游離氧化物膠結而成，通過膠結而形成整體的紅黏土不但穩(wěn)定而且具備了特殊的力學性質，即失水后其膠凝作用不可恢復[8]。

圖1 紅黏土粒團結構圖

（3）孔隙特性

紅黏土的孔隙特征完全由土體顆粒的連結形式所決定，粒團內部黏土礦物的連結通過面—面、邊—邊、邊—面3種方式實現(xiàn)[9]，彼此的內部連結在黏土礦物間形成了微小的孔隙，約占總孔隙體積的70%，剩余30%左右的孔隙則由黏土粒團與粒團之間連結形成，孔隙較大。在路基的壓實過程中，使顆粒重新壓實排列的主要是這部分孔隙。

3 紅黏土的物理力學性質

土的物理性質即土在自然狀態(tài)下表現(xiàn)出來的性質，包括物理性質指標與物理狀態(tài)指標；力學性質主要包括壓縮系數(shù)、固結系數(shù)、抗剪強度，承載比（CBR）等[10]。通過土工試驗分析紅黏土的物理力學性質的變化范圍及特征。

從表中數(shù)據(jù)可以知道，紅黏土具有特殊的物理力學性質，主要表現(xiàn)在紅黏土具有高含水量，土樣中含水量大于65%的土樣占所有試驗土樣的60%以上。飽和度也很高，有時候會出現(xiàn)大于100%的不合理現(xiàn)象。一般黏性土的天然孔隙比常見值范圍在0.5～1.0之間，而貴州紅黏土孔隙比e常見值在1.0～2.0（占土樣的84.3%）之間，指標超出了一般黏性土的上限。貴州紅黏土還具有高液塑性的特點，塑限多在25%～50%，液限高于60%的占土樣的64.5%。

表5 紅黏土物理性質試驗數(shù)據(jù)

對一般黏性土而言，孔隙比大，含水量高，則土的力學性質相應地較差，因而工程上常根據(jù)黏性土的這些物理性質指標，間接的評價土的力學性質。紅黏土不符合普通的規(guī)律，它在高孔隙性及高含水量的物理性質下，卻具有相對較好的力學性質。見表6。

表6 紅黏力學性質試驗數(shù)據(jù)

貴州紅黏土與淤泥質土相比，孔隙比及天然含水量都相近，內聚力卻高出5～6倍，內摩擦角提高約1倍，地基容許承載力提高1～2倍；與新近沉積黏性土相比，孔隙比和天然含水量值都大得多，地基容許承載力卻提高1倍左右；和一般黏性土相比，孔隙比與天然含水量幾乎大了1倍，地基容許承載力卻很接近。貴州紅黏土的基本物理性質指標與力學性質指標的相關關系明顯不同于其他土類，其物理性質較差，但其力學性質、建筑性能卻較好[11]。

4 結語

本文僅針對貴州地區(qū)的紅黏土進行了基本的物理力學性質的分析與研究，一方面天然含水率高、高液塑限、路基沉降變形較大、壓實較困難；另一方面由于其獨特的物質組成與結構特征，有著較高的力學強度和較低的壓縮性，是一種較好的地基土。

根據(jù)《公路路基設計規(guī)范》規(guī)定：液限大于50%，塑限指數(shù)大于26的細粒土，不得直接用于路基填筑[1]。貴州省公路工程建設中經(jīng)常遇到紅黏土，由于缺少針對性的處理措施，路基填料的選擇常采用棄土換填的辦法。這種不得已的方法不僅產(chǎn)生大量的紅黏土棄方，而且在征用大量土地進行堆置的同時還需要修建環(huán)保工程。這樣一來，除工程施工進度得不到保障外，還大大增加了工程建設費用。研究和實踐表明，只要措施得當，將紅黏土用作路基填料是可行的。

使用紅黏土作為路基填料應通過室內試驗和試驗路段論證可行后方可使用，針對紅黏土物理性質與工程力學性質的特殊性，施工時需注意以下問題：

（1）控制含水量：紅黏土填筑前應在取土場將紅黏土挖松、攤涼、翻曬，使含水量減少一部分，施工時應注意控制紅黏土含水量均勻性。施工前應準備好防雨塑料布，如下雨馬上全面積覆蓋，防雨水浸入。不定期用酒精法測定土料含水量，碾壓前控制紅黏土含水量達到施工要求[12]。

（2）保證壓實度：紅黏土填筑路基時，應根據(jù)實際情況通過試驗路段確定施工壓實工藝，確保壓實度達到《公路路基施工技術規(guī)范》要求。

（3）減少裂縫數(shù)量，抑制開裂寬度：通過加快施工進度和工藝控制，對分層碾壓后的路基需要盡快覆蓋，以縮短表面曝露風干的時間。

（4）做好路基防排水：為防止水危害路基，紅黏土填筑路段應做好路基防排水工程，除常規(guī)的防排水措施外，基底應設置排水隔離層，采用滲水性良好的砂礫或碎石填筑，具體厚度根據(jù)路基設計高度而定[13]。

（5）注意邊坡防護：紅黏土天然含水量較高且飽和，路基開挖后形成的邊坡破壞了原有的穩(wěn)定性，土體表面在大氣環(huán)境的影響下含水量降低、失水后產(chǎn)生收縮裂縫，在降雨蒸發(fā)的反復作用下，紅黏土邊坡容易發(fā)生失穩(wěn)坍塌下滑。在避免雨季施工的前提下，應采取快速施工并進行封閉措施，防止土體失水[14]。

[1]JTG D30—2004，公路路基設計規(guī)范[S].

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[14]DB 22／46—2004，貴州建筑巖土工程技術規(guī)范[S].