1、第26 卷第7 期巖 土 力 學(xué) Vol.26 No.72005 年7 月 Rock and Soil Mechanics Jul. 2005收稿日期：2004-03-01 修改稿收到日期：2004-11-08基金項(xiàng)目：廣西科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No. 桂科青0447002)。文章編號：10007598(2005) 07106805廣西紅粘土和膨脹土熱力學(xué)特性的比較研究歐孝奪，吳 恒，周 東（廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，南寧 530004）摘 要：基于廣西膨脹土和紅粘土的成因類型、物質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)特征，研究常溫(-4 60 )下膨脹土與紅粘土的熱力學(xué)特性，探討了紅粘土與膨脹土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與溫度之間的

2、相關(guān)關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果表明，兩種土在10 ，40 與室溫（28 ）時，主應(yīng)力差1- 3 峰值變化不大，而60 時有明顯增大；在相同條件下，紅粘土的主應(yīng)力差峰值變化更大；紅粘土與膨脹土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)（c, ）隨熱狀況不同而發(fā)生變化，而且紅粘土的粘聚力c 和膨脹土的內(nèi)摩擦角 在室溫，環(huán)境有較小值。分析結(jié)果認(rèn)為，兩種土的熱效應(yīng)影響趨勢相似，但紅粘土的熱力學(xué)特性較為敏感，這與紅粘土的成因類型及膠結(jié)特征密切相關(guān)。研究結(jié)果為紅粘土與膨脹土地區(qū)工程建設(shè)及減災(zāi)防災(zāi)提供參考。 關(guān) 鍵 詞：紅粘土；膨脹土；熱力學(xué)中圖分類號：TU 441 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A廣西地處低緯地帶，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，夏長冬短，雨量充足，在這樣的氣

3、候條件下，形成了各種特殊土，其中以膨脹土和紅粘土尤為典型。眾所周知，膨脹土主要是由強(qiáng)親水性粘土礦物蒙脫石和伊利石組成，具有吸水膨脹軟化和失水收縮干裂的特性。廣西是我國最典型的膨脹土分布地區(qū)之一，膨脹土種類多，分布廣。其中寧明、平果、百色和南寧盆地一帶的膨脹土主要由第三系湖相沉積泥巖、粉質(zhì)砂巖及其風(fēng)化殘積物形成，也有部分是上述巖土風(fēng)化物經(jīng)流水搬運(yùn)沖積成因形成。一般頂部為坡積粘土，呈棕紅色加灰白、灰黃色；往下是殘積粘土，呈灰白、黃色、淺灰色，間夾棕紅及褐黃色；再往下是母巖半膠結(jié)的粘土巖，呈灰、灰綠、灰褐色，殘積層和母巖是逐漸過渡的，無明顯界限，第7 期歐孝奪等：廣西紅粘土和膨脹土熱力學(xué)特性的比較研

4、究坡、殘積層厚度因地而異。其上覆蓋有第四系沖積層的地區(qū)，沒有坡積層，殘積層也較?。ㄒ话銥? 2 m）。膨脹土裸露區(qū)，坡積土一般厚0.51.0 m， 殘積層厚約3 m 左右，半膠結(jié)的粘土巖（泥巖、頁 巖）厚度可達(dá)數(shù)百米。坡、殘積層中鐵質(zhì)較多，母 巖中鐵量較少，鐵質(zhì)在坡積層中呈結(jié)核狀和塊狀， 分布無規(guī)律。紅粘土具有高含水量、高孔隙比和高塑性，是 碳酸鹽類巖石在潮濕溫暖氣候條件下經(jīng)化學(xué)風(fēng)化（溶蝕）及紅土化作用形成的。紅粘土主要是殘積、 坡積類型，一般分布在山坡、山麓、盆地或洼地中， 厚度變化很大，且與原始的地貌和下伏基巖的起伏 變化密切相關(guān)。分布在盆地或洼地時，厚度變化大 體是邊緣薄，向中間逐漸增厚

5、；分布在基巖或風(fēng)化 面上則取決于基巖起伏和風(fēng)化厚度，當(dāng)下伏基巖中 溶溝、溶槽、石芽發(fā)育時，上覆紅粘土的厚度變化 極大，常見咫尺之隔竟相差10 余米。實(shí)際上，粘性土的力學(xué)特性一直是土力學(xué)中一個極其復(fù)雜的重要研究課題。本文從環(huán)境溫度變異 入手，對廣西紅粘土和膨脹土進(jìn)行熱效應(yīng)試驗(yàn)研究， 探討這兩種粘性土熱力學(xué)特性的差異，嘗試從熱力 學(xué)試驗(yàn)角度進(jìn)行土體力學(xué)特性的研究。2 土樣及其物理化學(xué)性質(zhì)2.1 取樣地點(diǎn)及物性指標(biāo)膨脹土試驗(yàn)取樣點(diǎn)位于南寧市快速環(huán)道邕武立交橋附近，其處在“壟崗低丘泥巖脹縮土區(qū)”，基巖 是第三紀(jì)北湖組( ) 3b E 湖相沉積泥巖、粉砂質(zhì)泥巖， 以強(qiáng)風(fēng)化或風(fēng)化殘積形態(tài)出露于地表，為層狀

6、結(jié) 構(gòu)， 具有淺灰色、灰綠色、灰色的中 厚層 粉砂質(zhì)泥巖和泥巖夾粉砂巖互層的特點(diǎn)， 這就是南寧市知名的“強(qiáng)膨脹土”，其物理性質(zhì)指標(biāo)如 表1 所示。紅粘土取樣點(diǎn)位于南寧市東南部的大沙 田附近，地處高程為8090 m 的低丘地帶，壟崗 起伏，屬溶蝕谷地地貌。按南寧市工程地質(zhì)分區(qū)， 其處在“東南部巖溶殘丘谷地工程地質(zhì)區(qū)，溶蝕谷 地紅粘土亞區(qū)”，呈東西展布，面積約23 km2，為 典型灰?guī)r風(fēng)化產(chǎn)物，屬殘坡積成因。其物理指標(biāo)如 表2 所示。區(qū)域地質(zhì)資料顯示，該亞區(qū)部分紅粘土 是脹縮性紅粘土。在地質(zhì)調(diào)查中觀察了場地四周及 料場多個開挖斷面，發(fā)現(xiàn)土層上部均有階地圓礫分 布，不少地方還有鐵錳質(zhì)角礫分布1。2.

7、2 比表面積、陽離子容量、成分分析對廣西膨脹土、紅粘土進(jìn)行化學(xué)分析與比表面 積測定，其試驗(yàn)結(jié)果見表3 和表4 所示。表 1 膨脹土物性指標(biāo)與粒度組成Table 1 The physical parameters and particle- size distribution of expansive soil 粒度組成/%土樣重度 /kN·m-3干重度 d /kN·m-3液限L /%塑限P /%塑性指數(shù)I P自由膨脹率ef /% <5 m <2 m膨脹土 20.5 18.7 38.6 16.7 21.9 53 52 36表2 紅粘土物性指標(biāo)與粒度組成Table

8、2 The physical parameters and particle- size distribution of red clay 粒度組成/%土樣含水量 /%重度 / kN·m-3孔隙比e液限L /%塑限P /%塑性指數(shù)IP自由膨脹率ef /% <5m <2m紅粘土 14.0 17.2 1.06 26.9 14.2 12.7 32 63 58表 3 膨脹土與紅粘土的礦物組成及物化指標(biāo)Table 3 The mineral composition and physico-chemical parameters of expansive soil and red c

9、lay礦物組成 /%土樣蒙脫石 伊利石 高嶺石 綠泥石 其它易溶鹽總量/ %陽離子交換量/me·(100 g)-1比表面積/m2·g-1膨脹土 12 51 23 8 6 0.173 32.2 110紅粘土 0 11 40 21 28 0.117 26.4 196表 4 游離氧化物含量(單位：%)Table 4 The contents of free oxides(unit: / %)游離氧化物含量土樣Fe Si Al膨脹土 3.8 6.2 2.9紅粘土 12.5 4.1 03 試驗(yàn)方法與過程（1）將膨脹土運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室后自然風(fēng)干，碾碎后 將土樣過2 mm 篩，均勻噴灑水后靜置

10、于密閉容器 內(nèi)24 h 以上，使含水量均勻；1069巖土 力 學(xué) 2005 年(2) 當(dāng)含水量 =15.4%（與塑限相當(dāng)）時，制 作三軸試樣（d =39.1 mm，h =80 mm），試樣分5層制作，每層36 g，10 擊，每層擊實(shí)后將表面刨毛， 然后再加第2 層土料。如此繼續(xù)進(jìn)行，直至擊完最 后一層，將擊樣筒中的試樣兩端整平，取出稱其質(zhì) 量，控制在171172 g 之間，滿足密度差值小于0.02 g/cm3 的要求；(3) 將橡皮膜套在試樣外，分別在室溫(28 )， 10 ，40 和60 的環(huán)境中靜置168 h 后，在相 應(yīng)的水溫條件下完成三軸（UU）試驗(yàn)，剪切速率為 0.828 mm/s，

11、圍壓分別為100，200 ，300 ，400 kPa， 每一級圍壓進(jìn)行4 次試驗(yàn)，共完成64個土樣的試驗(yàn)。 紅粘土的制樣與試驗(yàn)方法與膨脹土相似。不同之處是當(dāng)含水量 =14.0% （與塑限相當(dāng)）時，制 作三軸試樣，分5 層制作，每層37 g，10 擊，共完 成64 個土樣的試驗(yàn)。4 試驗(yàn)結(jié)果與討論從主應(yīng)力差( 1 3 )與應(yīng)變1 的關(guān)系、抗剪強(qiáng) 度指標(biāo)（c， ）隨溫度t 的變化以及c-t 和 -t 擬 合曲線的斜率等方面，對膨脹土和紅粘土熱力學(xué)特 性的差異性進(jìn)行分析。4.1 主應(yīng)力差與應(yīng)變的關(guān)系將膨脹土和紅粘土分別在含水量 與塑限p相等的情況下制備三軸試樣，其它條件相同，前面 已介紹。接著分別在

12、10 ，40 ，60 的溫度環(huán)境中靜置168 h 后進(jìn)行三軸試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如下：(1) 溫度對膨脹土主應(yīng)力差峰值的影響見圖1。(2) 溫度對紅粘土主應(yīng)力差峰值的影響見圖2。 從圖1、圖2 可以看出，土體經(jīng)過熱作用后，膨脹土和紅粘土的主應(yīng)力差峰值有以下特點(diǎn)： 兩種土的主應(yīng)力差的峰值隨溫度t 升高而增大； 兩種土分別在4 種溫度環(huán)境中試驗(yàn)，10 ，40 與室溫28 時1 3 的峰值相近，而60 時1 3 的峰值明顯增大； 在相同條件下，紅粘土的1 3 峰值比膨 脹土的主應(yīng)力差峰值變化大。4.2 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)包括粘聚力 c 和內(nèi)摩擦角 。本研究根據(jù)具體特點(diǎn)，采用UU 三軸試驗(yàn)，確 定

13、土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，結(jié)果如圖3 所示。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，土的強(qiáng)度指標(biāo)有如下特點(diǎn)：(1) 土的強(qiáng)度參數(shù)c， 值是在不同的熱狀況下 的試驗(yàn)值，是變數(shù)；(2) 兩種土的c 與t 之間的關(guān)系接近呈2 次拋物線關(guān)系，而紅粘土的c 變化幅度更大些； 與t 之 間的關(guān)系也呈2 次拋物線關(guān)系，而膨脹土曲線下凹， 紅粘土為上凸；200400600800100010 室溫 40 60t/(1-3) /kPa(a) 3 =100 kPa200400600800100010 室溫 40 60t/(1-3) /kPa(b) 3 =200 kPa200400600800100010 室溫 40 60t/(1-3) /kP

14、a(c) 3 =300 kPa200400600800100010 室溫 40 60t/(1-3) /kPa(d) 3 =400 kPa圖 1 溫度對膨脹土主應(yīng)力差1-3 峰值的影響Fig.1 Influence of temperature on 1-3 peakvalue of the expansive soil1070第7 期歐孝奪等：廣西紅粘土和膨脹土熱力學(xué)特性的比較研究 0200400600800100010 室溫 40 60t/(1-3) /kPa(a) 3 =100 kPa200400600800100010 室溫 40 60t/(1-3) /kPa(b) 3 =200 kPa

15、200400600800100010 室溫 40 60t/(1-3) /kPa(c) 3 =300 kPa200400600800100010 室溫 40 60t/(1-3) /kPa(d) 3 =400 kPa圖2 溫度對紅粘土應(yīng)力差 1-3 峰值的影響 Fig.2 Influence of temperature on 1-3 peak value of the red soil(3) 試樣抗剪強(qiáng)度與環(huán)境溫度具有明顯的相關(guān)關(guān)系。紅粘土和膨脹土的c 與t 及 與t 之間均具有 良好的二次拋物線關(guān)系，即 = + += + +22Dt Et Fc At Bt C(1)式中A，B，C，D，E，F(xiàn)

16、均為可由試驗(yàn)確定的系 數(shù)；(4) 圖3（b）、圖3（c）中紅粘土的c 和膨脹土的 均在室溫環(huán)境有較小值，其原因需要進(jìn)一步 研究。(a) c-t(b) c-t(c)-t(d)-t圖 3 重塑土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c, 與溫度t 擬合曲線 Fig.3 Fitting curves of shear strength indices c, of remolded soil vs. temperature5 原因分析5.1 從物理化學(xué)性質(zhì)方面分析試驗(yàn)結(jié)果顯而易見，不同的土類具有不同的熱力學(xué)特性，并且與其化學(xué)成分、顆粒特征是分不開 的。大量的土工試驗(yàn)資料表明，碳酸鹽巖紅粘土的 礦物主要有三大類：粘土礦物、游離氧

17、化物和碎屑 物質(zhì)，其中以粘土礦物為主，占60 %70 %。碳酸 鹽巖紅粘土的粘粒含量多在60 %以上，余者多為粉 c=0.012 7t2+0.343 9t+93.953R2=0.966601201800 20 40 60 80t/c/kPa膨脹土601201800 20 40 60 80c/kPat/c=0.040 7t2-1.936 3t+120.8R2=0.999 2紅粘土=0.008 5t2-0.479 6t+20.866R2=0.988 51020300 20 40 60 80t/(°)膨脹土=-0.000 5t2+0.095 4t+20.144R2 =0.867 5紅粘土1

18、020300 20 40 60 80t/(°)1071巖土 力 學(xué) 2005 年粒、砂粒大顆粒含量較少（見表 2）。碳酸鹽巖紅粘土比表面積比一般粘性土大得多，其物理化學(xué)活性較高，同時具有含量較多的游 離氧化物，其在蒸發(fā)過程中有脫水固結(jié)的趨勢，從 而在土粒間形成水穩(wěn)性較強(qiáng)的膠結(jié)連結(jié)。這與紅粘 土的熱力學(xué)特性較為敏感相吻合。5.2 從粘聚力和內(nèi)摩擦角的本質(zhì)分析膨脹土和紅粘土受熱作用后，粘聚力增大了，而紅粘土的粘聚力c 變化幅度更大些，這與紅粘土 的連結(jié)強(qiáng)度主要是游離氧化鐵有密切聯(lián)系。眾所周知，粘性土顆粒間公共水化膜的連結(jié)力對粘聚力的產(chǎn)生具有重要作用，因而兩種土的粘聚 力隨著溫度的不同而發(fā)生變化。溫度愈高，水份蒸 發(fā)快，其含水量越小，公共水膜連結(jié)力越大，粘聚 力也越大，所以含水量低粘性土的抗剪強(qiáng)度相當(dāng)高； 而土的內(nèi)摩擦角則不同，其與土顆粒結(jié)構(gòu)、大小、形 狀及密實(shí)度密切相關(guān)，如砂土的內(nèi)