王躍飛， 胡惠華， 馬德青

(湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院， 湖南 長沙 410008)

湖南殘積紅粘土工程特性及其對公路建設(shè)的影響

王躍飛， 胡惠華， 馬德青

(湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院， 湖南 長沙 410008)

利用公路工程建設(shè)中所取得的豐富資料，對湖南殘積紅粘土的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，揭示了湖南殘積紅粘土的工程特性及殘積紅粘土的垂直分帶特征。通過對紅粘土特性的深入分析，結(jié)合公路工程的特點(diǎn)，剖析了殘積紅粘土作為路塹邊坡土體、構(gòu)筑物地基、筑路材料時(shí)對公路工程建設(shè)的影響，并提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)思路及建議，特別是對殘積紅粘土邊坡提出了一些新的認(rèn)識。

公路工程； 湖南； 紅粘土； 工程特性

0 前言

本文中的紅粘土是指母巖為碳酸鹽巖系，在濕熱條件下經(jīng)過紅土化作用形成的特殊土類，紅土化是指母巖經(jīng)風(fēng)化、淋濾、水解、碳酸化、重結(jié)晶及氧化還原等一系列的物理化學(xué)變化，其中的堿金屬(如鈉、鉀)和堿土金屬(如鈣、鎂)元素及氧化硅等先后流失，而難溶物質(zhì)如鐵、鋁等金屬元素則相對富集的過程。

湖南省碳酸鹽類巖石的分布面積約占全省總面積的28%，在湖南的邵陽市、婁底市及湘南分布較廣。在上述地區(qū)建設(shè)的湘潭至邵陽高速公路、邵陽至懷化高速公路、邵陽至永州高速公路、婁底至新化高速公路項(xiàng)目等，為該地區(qū)紅粘土的研究提供了大量的資料，本文就是通過對這些資料的統(tǒng)計(jì)分析及對工程經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)而撰寫的。

1 紅粘土的成因

紅粘土成因大致可分為兩類，不同成因的紅粘土具有較明顯的差異。一類是較常見的殘坡積成因，一般分布于崗丘或山麓斜坡上，以紅色為主，其成分具有較明顯的垂直分帶性，一般夾有少量母巖的風(fēng)化碎屑，且保留了母巖的殘余結(jié)構(gòu)特征，其強(qiáng)度特征也體現(xiàn)了殘余結(jié)構(gòu)的存在。另一類是沖洪積成因，一般分布于沖溝中，以黃色為主，由于經(jīng)過了一定距離的搬運(yùn)，其中母巖碎屑相對較少，粘粒含量相對較高，一般不具有殘余結(jié)構(gòu)特征，從上往下其成分及其工程地質(zhì)特征較均一。

研究區(qū)多為丘陵地貌，崗丘上的紅粘土一般為殘積成因，而沖溝中的紅粘土一般為坡積或沖積成因。對公路工程而言，崗丘地勢較高，一般為挖方段，存在路塹邊坡穩(wěn)定、跨線橋等構(gòu)筑物地基強(qiáng)度、移挖作填部分的土質(zhì)筑路材料質(zhì)量等工程問題，紅粘土對工程影響較大；沖溝地勢較低，一般為填方段，紅粘土對工程影響較小。

2 湖南殘積紅粘土的工程特性

2.1 殘積紅粘土的垂直分帶性

根據(jù)對大量路塹邊坡的觀測及室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與原位測試成果的分析，發(fā)現(xiàn)殘積紅粘土具有明顯的垂直分帶性。

一個(gè)完整的剖面從上往下可分為如下3個(gè)帶：

1) 上帶(表層強(qiáng)風(fēng)化帶)：土體顏色相對較淺，多為褐黃色。該帶因埋深淺而受大氣影響嚴(yán)重，受淋濾也較強(qiáng)，為強(qiáng)風(fēng)化帶。由于研究區(qū)新構(gòu)造運(yùn)動微弱，其厚度一般與該區(qū)大氣影響帶深度相同，為3 m左右。其物理力學(xué)特征與一般粘性土差異不大，如無明顯的脹縮性。在研究區(qū)，對大量的低層建筑進(jìn)行了調(diào)查，基本上未發(fā)現(xiàn)利用淺層土作地基的建筑物出現(xiàn)裂縫的情況，由此可判斷淺層土一般不具明顯的脹縮性。

2) 中帶：多為褐紅色，堅(jiān)硬～硬塑的典型紅粘土，該帶因埋深較大，受大氣影響小，一般含少量的母巖碎屑，具有一定的殘余結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，其自由膨脹率、母巖碎屑含量一般隨埋深增大。該帶是本文研究的重點(diǎn)。

3) 下帶：多為褐紅色，可塑～軟塑的紅粘土，該帶緊靠基巖，其厚度與狀態(tài)隨地下水位及基巖面而波動，在溶溝發(fā)育的地段，水平方向相距半米，其厚度可能相差十余米。其基本特征是含水量高，粘性重。該帶是孕育土洞的溫床。

2.2 殘積紅粘土的礦物成分

以下為潭邵高速公路邵東縣境內(nèi)8個(gè)試樣的統(tǒng)計(jì)成果。見表1、表2。

表1 紅粘土(中帶)礦物組成實(shí)驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)表%類別蒙脫石伊利石高嶺石三水鋁石針鐵礦銳鈦礦石英金紅石赤鐵礦最小值09383731369311810628最大值6594491136110512950858平均值43674176285402370743

表2 紅粘土(中帶)化學(xué)成分實(shí)驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)表 %類別SiO2Fe2O3Al2O3CaOMgOK2ONa2O最小值38701058275301605134013最大值448213973036036078174033平均值417012572933023064163020

從上表可看出，紅粘土相對其母巖灰?guī)r與白云巖而言，總的物質(zhì)變化過程是脫Ca、Mg，富Si、Al、Fe的過程。其中的鋁、鐵氧化物的富集是決定紅粘土特性的物質(zhì)基礎(chǔ)，如紅粘土的主要顏色為紅色與黃色，就是這兩種氧化物富集的體現(xiàn)。紅粘土主要為片狀，鱗片狀、針狀粘土礦物，且含量高，顆粒集合體間孔隙細(xì)小，但數(shù)量多，因而分散度高，比表面積大，天然狀態(tài)下能夠吸附大量的水分子，形成較厚的強(qiáng)結(jié)合水膜。

由于研究區(qū)新構(gòu)造運(yùn)動微弱，紅土化過程多進(jìn)入最后的固結(jié)階段，礦物顆粒部分或完全水合膠結(jié)，氧化鐵、鋁脫水，紅土的孔隙比更小，強(qiáng)度不斷提高。由于作為紅土基本結(jié)構(gòu)單元的團(tuán)聚體被游離氧化物所包裹，其間又為游離氧化物膠結(jié)連接，內(nèi)在的親水膨脹能力難發(fā)揮，因此表現(xiàn)為膨脹性較低，而收縮性明顯。

2.3 殘積紅粘土的基本特征

前面已提到紅粘土的特征與其成因有關(guān)，且殘積成因的紅粘土具有明顯的垂直分帶性，故對紅粘土的基本物理力學(xué)性質(zhì)應(yīng)按其成因和分帶分別統(tǒng)計(jì)。見表3、表4、表5。

由于紅粘土下帶含水量普遍較高且變化大，粘性重，取樣較困難，試驗(yàn)成果離散性較大，故未進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

通過對大量試驗(yàn)成果的統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)湖南殘積紅粘土具有如下特征：

表3 潭邵路紅粘土(上帶)物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)值(平均值)含水率/%濕密度/(g·cm-3)孔隙比飽和度液限/%塑限/%塑性指數(shù)自由膨脹率/%壓縮系數(shù)/MPa-1壓縮模量/MPa粘聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)含水比30917909785149728321432905347388172063 注：1液限的測定是采用76g平衡錐，相應(yīng)的入土深度為10mm；2抗剪強(qiáng)度是直剪快剪強(qiáng)度。

表4 殘積紅粘土(中帶)物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)值項(xiàng)目名稱含水率/%濕密度/(g·cm-3)孔隙比飽和度范圍值平均值范圍值平均值范圍值平均值范圍值平均值潭邵路151～499289159～227191041～140085697～1000929邵永路218～406308167～20119064～123091729～1000913永藍(lán)路184～439314168～204187061～124089717～1000916婁新路197～480320166～199184069～133095719～996898

續(xù)表4 殘積紅粘土(中帶)物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)值項(xiàng)目名稱液限/%塑限/%塑性指數(shù)自由膨脹率/%范圍值平均值范圍值平均值范圍值平均值范圍值平均值潭邵路316～974623180～470299136～571324 46．5～70．0575邵永路390～683533233～409305139～366227 25．0～65．0396永藍(lán)路418～728571216～425314155～36025725．05～65．0461婁新路378～933600220～438295148～575305 20．0～65．0419壓縮系數(shù)/MPa-1壓縮模量/MPa粘聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)含水比范圍值平均值范圍值平均值范圍值平均值范圍值平均值范圍值平均值004～047023 38～40799 15～130955404～325147031～072047011～057023366～19297131～149667223～285156047～072058012～067027 28～14083 61～102353823～268127035～065055015～058029 33～14874 03～104742632～215118042～074054 注：1液限的測定是采用76g平衡錐，相應(yīng)的入土深度為10mm；2抗剪強(qiáng)度是直剪快剪強(qiáng)度。

表5 殘積紅粘土(中帶)收縮性指標(biāo)統(tǒng)計(jì)值項(xiàng)目名稱線縮率/%體縮率/%收縮系數(shù)縮限范圍值平均值范圍值平均值范圍值平均值范圍值平均值邵永路065～940388669～24241451001～059027120～310198永藍(lán)路192～656365663～19051222010～046029132～243170

1) 上帶土的物理力學(xué)特征與一般粘性土差異不大。

2) 中帶紅粘土具有如下特征：

① 液限高，塑性較大；

② 有較高的強(qiáng)度與較低的壓縮性；

③ 具弱膨脹性，中強(qiáng)收縮性。

3) 下帶紅粘土含水率高，粘性重，強(qiáng)度低，失水后收縮明顯。

此外，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)同一鉆孔內(nèi)普遍具有含水量、液限、膨脹率、線縮率隨深度增大而增大，孔隙比隨深度增大而變小的規(guī)律。

3 紅粘土與公路工程

3.1 殘積紅粘土與路塹邊坡

由于路塹邊坡多位于地勢較高的地段，這些地段正是殘積紅粘土的分布區(qū)，而殘積紅粘土一般具有明顯的分帶性，故對紅粘土構(gòu)成的路塹邊坡進(jìn)行評價(jià)時(shí)應(yīng)充分考慮紅粘土的分帶特征。

對上帶(表層強(qiáng)風(fēng)化帶)，因其相當(dāng)于一般粘性土，不具有對邊坡穩(wěn)定性分析及邊坡防護(hù)方面的特殊意義，故在此不作過多的評價(jià)。

對中帶的堅(jiān)硬～硬塑的典型紅粘土，在路塹邊坡施工過程中或在邊坡成型后，其賦存的環(huán)境發(fā)生了明顯的改變，先前因埋深較大而受大氣影響不明顯，開挖后暴露地表或埋深很淺，其含水量等受大氣影響明顯。對路塹邊坡上的土層，其側(cè)壓力為零或已明顯減弱，這也是其賦存環(huán)境的一大明顯改變。由于這個(gè)帶的紅粘土具有一定的脹縮性，含水量的變化使其反復(fù)地膨脹、收縮，收縮產(chǎn)生的裂紋由表入里，有利于更深處的地下水蒸發(fā)，裂紋的存在使大氣降水更易滲入，滲水后產(chǎn)生一定的膨脹，進(jìn)一步崩解，這一過程的反復(fù)循環(huán)導(dǎo)致其中的微裂紋極發(fā)育，其殘余結(jié)構(gòu)強(qiáng)度被部分或完全破壞，部分甚至崩解為幾毫米大的顆粒狀。由于極發(fā)育的裂紋一般不具有明顯的方向性，故一般不存在控制邊坡穩(wěn)定的具有一定規(guī)模的裂縫。

對下帶的可塑～軟塑的紅粘土而言，除具有其上帶的特征外，還具有該帶特有的一些性質(zhì)。一方面因其接近基巖，含水量較高，其力學(xué)強(qiáng)度低，相當(dāng)于軟弱下臥層，在剛揭露時(shí)，一般是導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的主要軟弱層，特別是在基巖面傾向坡外，且地下水位高于巖面時(shí)，如不及時(shí)排水及支護(hù)，邊坡極易失穩(wěn)。另一方面其厚度變化大，在開挖斷面上有時(shí)并非連續(xù)分布。

對大量的路塹邊坡調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，除上述因存在連續(xù)分布的軟弱層而產(chǎn)生的整體失穩(wěn)外，由紅粘土構(gòu)成的邊坡具有如下明顯的變形破壞特征：破壞模式為崩滑，其規(guī)模一般不大，寬度一般為20～40 m，厚度一般為3～5 m；崩滑發(fā)生在紅粘土的中帶及下帶，上帶有時(shí)受牽引也可能產(chǎn)生變形；崩滑體的主滑面一般平行坡面，后緣出現(xiàn)在邊坡中上部，而不象一般滑坡那樣出現(xiàn)在坡頂；如果防護(hù)不當(dāng)或不及時(shí)，失穩(wěn)發(fā)生的概率較大；失穩(wěn)的時(shí)間從施工期間可一直延續(xù)到通車運(yùn)營多年后。

紅粘土邊坡的這些變形破壞特征是由該類土特殊的物理力學(xué)性質(zhì)決定的。路塹開挖使邊坡上的紅粘土賦存環(huán)境發(fā)生了改變，路塹邊坡淺表層的土體由深埋變?yōu)闇\埋，從而使其含水量隨氣候變化而反復(fù)變化。研究區(qū)紅粘土中帶及下帶具弱膨脹性及中強(qiáng)收縮性，隨土體中含水量的變化而產(chǎn)生脹縮，其中失水收縮產(chǎn)生裂縫是其力學(xué)強(qiáng)度逐漸降低的主因。土體強(qiáng)度的降低是一不可逆的過程，特別是其殘余結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的喪失更是如此。變化顯著的是其中帶及下帶，土體中裂紋的分布無規(guī)律，強(qiáng)度的減弱隨其埋深而降低。在研究區(qū)大氣影響深度一般為3～5 m左右，在大氣影響深度范圍內(nèi)的土體強(qiáng)度衰減顯著。由此可解釋邊坡上的土體總是以看似淺層剝離的方式崩滑，一般發(fā)生于中下部，且下滑部分一般呈散體結(jié)構(gòu)，崩滑體厚度一般接近區(qū)域的大氣影響深度，主滑帶與坡面近于平行。又由于土體強(qiáng)度的減弱是一個(gè)漫長的過程，與土體的成分及氣候等有關(guān)，故一條路上從施工期到運(yùn)營過程中都有可能不斷出現(xiàn)該類邊坡失穩(wěn)。

在研究區(qū)，紅粘土路塹邊坡坡比多為1∶1～1∶1.5，其破壞形式均以上述的崩滑為主，調(diào)查表明，隨著坡度的變緩邊坡失穩(wěn)的比率并無明顯的變化。放緩邊坡對邊坡穩(wěn)定通常有利，但對紅粘土路塹邊坡而言，單純地采用放緩邊坡來預(yù)防失穩(wěn)是難以達(dá)到目的的。路塹開挖后，土體強(qiáng)度不斷衰減，在無防護(hù)的情況下，邊坡長期穩(wěn)定的坡度將接近于自然邊坡坡度。對路塹邊坡而言，采用自然邊坡坡率當(dāng)然是不可能的。保持紅粘土邊坡穩(wěn)定的關(guān)鍵是確保紅粘土含水量不發(fā)生大的變化，因此封閉坡面是最直接有效的方法。而實(shí)際上，由于強(qiáng)調(diào)植物防護(hù)的理念，一般不采用封閉坡面的防護(hù)措施。開挖后，1 a甚至2 a后防護(hù)才到位。因?yàn)樯鲜鲈?，部分紅粘土邊坡在施工期就已失穩(wěn)，從而使人產(chǎn)生采用更緩邊坡坡比的想法。將崩滑體清除后，崩滑體以下的土體由深埋變淺埋，將重演紅粘土強(qiáng)度逐漸衰減直至邊坡失穩(wěn)的過程。筆者認(rèn)為可根據(jù)土石方平衡、征地拆遷等綜合考慮邊坡坡比，如果能及時(shí)采取防止路塹邊坡土體含水量變化的防護(hù)措施，1∶1左右的坡比也是可取的。

由上述分析可知，在定量評價(jià)路塹邊坡的穩(wěn)定性時(shí)，決不能采用通過原狀土樣獲取的力學(xué)指標(biāo)，而殘余抗剪強(qiáng)度也不能真實(shí)地代表其實(shí)際強(qiáng)度。對路塹邊坡而言，應(yīng)考慮紅粘土賦存環(huán)境改變對其物理力學(xué)性質(zhì)的動態(tài)影響，采用反復(fù)浸水失水后的土樣強(qiáng)度更接近路塹邊坡淺表層紅粘土的長期強(qiáng)度。

3.2 殘積紅粘土與構(gòu)筑物

中上帶殘積紅粘土的力學(xué)強(qiáng)度一般較高，特別是中帶的堅(jiān)硬～硬塑的紅粘土，其標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)一般超過20擊，部分甚至大于35擊，其壓縮模量一般為8～10 MPa，據(jù)一些靜載試驗(yàn)及經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，承載力特征值一般可達(dá)220～300 kPa。一般可作為小橋、涵洞、通道的天然地基。由于紅粘土脹縮性較明顯的特征，其作為構(gòu)筑物地基時(shí)，有兩個(gè)方面必須考慮：一是紅粘土長期強(qiáng)度的確定；二是基礎(chǔ)埋置深度的選擇。

紅粘土的力學(xué)特征隨其賦存環(huán)境的改變而改變，因此在評價(jià)其力學(xué)強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)結(jié)合工程特征判斷。如路塹地段的分離式橋、路塹擋墻等，基礎(chǔ)附近的紅粘土，在勘察期間與施工及運(yùn)營期間的賦存環(huán)境有很大的差別，在施工前埋深較大，天然含水量的改變很小，其力學(xué)強(qiáng)度較高，其力學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定。施工開挖后，其埋深淺，含水量隨大氣影響明顯，在大氣影響深度內(nèi)其脹縮表現(xiàn)明顯，其力學(xué)強(qiáng)度出現(xiàn)不可逆的衰減，輕則可能導(dǎo)致構(gòu)筑物開裂影響正常使用，重則可能出現(xiàn)地基失穩(wěn)，構(gòu)筑物破壞。因此，對于殘積紅粘土，如果勘察時(shí)與工程施工運(yùn)營時(shí)的賦存環(huán)境存在變化，一定要動態(tài)地考慮殘積紅粘土物理力學(xué)性質(zhì)的變化，正確評估紅粘土的長期強(qiáng)度。

當(dāng)采用脹縮性明顯的紅粘土作為天然地基時(shí)，基礎(chǔ)埋深一般應(yīng)大于當(dāng)?shù)氐拇髿饧眲∮绊懮疃取?/p>

3.3 殘積紅粘土與筑路材料

在研究區(qū)內(nèi)，一般為丘陵地貌，崗丘處一般為切方段，按移挖作填的原則，一般應(yīng)考慮將開挖的巖土作為筑路材料。另一方面，沿線的大型料場一般也會選擇崗丘，而不是地勢較低的沖溝，因?yàn)闆_溝中一般農(nóng)田房屋較多，且地下水及大氣降水不易自然排泄。因此，這些地段的土質(zhì)筑路材料絕大部分來自于地勢較高的崗丘。如前所述，崗丘處的紅粘土一般為殘積成因，具有明顯的垂直分帶性，一般具有3個(gè)帶。每個(gè)帶的土作為土質(zhì)筑路材料而言，均具有不同的性質(zhì)，其上帶可視為普通土，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果判斷，其液限一般低于40%，CBR值一般大于8%，天然含水量較低，是較好的土質(zhì)筑路材料；中帶普遍為高液限土，CBR值一般小于5%，由于其高液限，弱膨脹性、中至強(qiáng)收縮性等原因一般不能直接用作路堤填料；下帶的土除具有中帶的一些不良特征，還因其天然含水量高，更不適于直接用作筑路材料，一般須經(jīng)過晾曬、摻石灰等處理后方可使用。

為確定紅粘土填料的脹縮總率，應(yīng)進(jìn)行壓實(shí)土的脹縮試驗(yàn)，而不是原狀土的脹縮試驗(yàn)。

4 結(jié)論

1) 湖南的殘積紅粘土具有高液限、高強(qiáng)度、低壓縮性等紅粘土常見的物理力學(xué)性質(zhì)，此外，還具有弱膨脹、中強(qiáng)收縮性的特性，以縮為主，縮大于脹。與貴州、廣西等地典型紅粘土的物理力學(xué)特性基本一致。

2) 湖南殘積紅粘土具有明顯的垂直分帶性。其上帶工程特性與一般粘性土相似；中帶具典型的紅粘土特征，也就是高液限、高強(qiáng)度、低壓縮性、弱膨脹性及中強(qiáng)收縮性；下帶靠近基巖，層厚變化大，受地下水影響明顯，含水率一般較高且變化大、粘性重、強(qiáng)度低、失水收縮明顯。

3) 路塹邊坡上的紅粘土，由于開挖后賦存環(huán)境的改變，中帶及下帶紅粘土的強(qiáng)度將經(jīng)歷一個(gè)漫長而不可逆的顯著衰減過程。這是紅粘土邊坡與一般土質(zhì)邊坡的本質(zhì)差別。中帶原狀土樣的力學(xué)強(qiáng)度不能代表路塹邊坡淺表層土的長期強(qiáng)度。理論分析及工程經(jīng)驗(yàn)表明強(qiáng)度顯著衰減帶的厚度與大氣影響深度基本一致。紅粘土路塹邊坡的失穩(wěn)主要發(fā)生在中下帶，且一般為淺層滑塌。此類邊坡防護(hù)應(yīng)優(yōu)先考慮封閉坡面，減弱土體強(qiáng)度的衰減。

4) 將紅粘土作為天然地基時(shí)，其強(qiáng)度的評價(jià)應(yīng)充分考慮工程施工與運(yùn)營期間賦存環(huán)境改變的影響，動態(tài)地評估紅粘土的長期強(qiáng)度，否則有可能作出非常危險(xiǎn)的判斷。構(gòu)造物基礎(chǔ)宜埋置于大氣急劇影響深度以下。

5) 當(dāng)需要用殘積紅粘土作土質(zhì)筑路材料時(shí)，因其垂直分帶明顯，對勘察、設(shè)計(jì)、施工而言，均應(yīng)分別對待。對公路工程而言，上帶一般可直接使用，中下帶一般不能直接使用，常用的方法是摻灰處理。

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