广西红粘土击实样强度特性与胀缩性能

文章编号：1000－7598－(2004) 03－0369－05

广西红粘土击实样强度特性与胀缩性能　

赵颖文，孔令伟，郭爱国，拓勇飞

( 中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学重点实验室，湖北 武汉 430071 )

摘 要：通过对广西贵港红粘土重型击实样的室内试验研究，探讨了其力学特性、胀缩性能、孔径分布特征与含水量之间的关系。结果表明：干密度指标总体上能反映红粘土击实样的强度规律，但非饱和击实样强度峰值对应的含水量因基质吸力作用而偏小，饱和后土体由于吸水膨胀与基质吸力的消失，使得强度峰值对应含水量较饱和前明显增大，红粘土在最优含水量下压实，虽可获得很高的压实度，但饱和后的强度并非最大；红粘土击实样的胀缩性能主要由含水量决定，同时，受到干密度的影响；孔隙主要以孔径在0.01～0.05μm范围内的小孔隙为主，为进一步掌握红粘土的工程力学特性提供了帮助。 关 键 词：红粘土；胀缩性；基质吸力；干密度；孔径分布 中图分类号： TU 411 文献标识码： A 　

Strength properties and swelling-shrinkage behaviors

of compacted lateritic clay in Guangxi

ZHAO Ying-wen, KONG Ling-wei, GUO Ai-guo, TUO Yong-fei

( Key Laboratory of Rock and Soil Mechanics, Institute of Rock and Soil Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071, China )

Abstract: The relationships among mechanical indexes, swelling-shrinkage properties, pore size distributions and moisture contents of lateritic clay in Guigang of Guangxi Zhuang Autonomous Region, are discussed through experimental research on the heavy-pattern compacted samples. The results show that the dry density can reflect the strength rule of compacted lateritic clay as a whole, and the moisture contents of unsaturated compacted samples corresponding to the maximum of strength indexes are comparatively low because of the effect of matrix suction, while those after saturating increase obviously duo to water absorbing, swelling and the loss of matrix suction. For lateritic clay compacted under the condition of optimum moisture content, its strength is not the highest after saturation although a very high compaction degree is obtained. The swelling-shrinkage properties of compacted lateritic clay are mainly controlled by moisture content, and also affected by dry density. The pores of compacted lateritic clay are mainly small sizes in diameters from 0.01ìm to 0.05ìm, which is useful for the further mastery on the geotechnical properties of lateritic clay.

Key words: laterite；swelling－shrinkage properties；matrix suction；dry density；pore size distribution

1 前 言

红粘土作为一种典型特殊土，是碳酸盐系岩石风化残坡积，并经过红土化地质作用而形成的棕红、褐黄等色的高塑性粘土。我国红粘土主要分布在南方热带与亚热带地区，如广西、贵州、云南、广东、湖南等省份。中国的岩土工作者们研究红粘土已有近50年的历史，在红粘土成因、分类、力学特性与地质灾害等多方面有了较为全面的研究[1]。

红粘土性质非常特殊，不能用一般粘性土的物

性指标与力学参数之间的相关规律去评价红粘土的工程性能，主要表现出高含水量、高塑性、高孔隙比、低密度、压实性差等特点，但同时又具有高强度、中低压缩性等良好力学特性。随着红粘土地区工程项目的日益增多，工程灾害时有发生。含水量的变化引起红粘土的胀缩变形，裂隙的存在破坏了土体的整体性，同时方便了水分的浸入与原有水分的蒸发，开挖暴露的红粘土因应力释放使裂隙进一步扩展，这些都会降低其强度。20世纪80年代以来，随着先进的微观分析手段的应用，有关红粘土

收稿日期：2003-04-02

基金项目：国家自然科学基金资助项目（编号：19902018）；国家重大基础研究前期研究专项项目(编号:2003CCA02200) 作者简介：赵颖文，男，1978年生，硕士，主要从事特殊土的工程特性研究，现工作于上海市城市建设设计研究院。

岩 土 力 学 2004年 370

微观结构的研究取得了较大的进展。学者们发现：红粘土不良物理性质与良好的力学特性之间的矛盾在很大程度上是由红粘土中游离氧化物的胶接结构

～

所引起的[25]，而且经证实仅有部分铁氧化物在红粘土中起胶接作用[6]；红粘土的超固结性在很大程度上也归因于游离氧化物的胶接结构，而并非先期固结压力[7]。目前对红粘土的研究，总体来说，定性研究较多，定量研究不足；宏观与微观的研究不够协调[8]；微观结构及矿物成分的研究较多，但微观结构对宏观力学特性影响的研究尚未达到定量化程度；多因素影响下红粘土工程力学特性变化的规律及其微观机制有待深入。因而，加强红粘土的力学及胀缩特性的试验研究与理论探讨十分必要。

本文对广西贵港红粘土重型击实样进行了较为系统的试验研究, 探讨了其力学特性、胀缩性能以及孔隙结构与含水量的关系，分析其强度与胀缩性能的影响因素及其孔隙分布特征，为进一步把握红粘土的工程力学特性提供了帮助。 2

褐色，含大量淡黄色至灰白色斑块，土质细腻光滑，无砂感；天然裂隙非常发育，主要存在于红褐色土块与淡黄色至灰白色斑块交界处。其基本物理力学性质指标，粒度组成与矿物成分分别见表1～3。

广西红粘土的天然含水量、孔隙比、液限、塑性指数等物理性质指标明显高于一般性粘土（表1），但同时又具有较高的无侧限抗压强度、直剪强度和相对较低的压缩系数等良好的力学特性（表2）,这是其区别于其它粘土的重要特征之一；且该土具有与弱膨胀土相当的胀缩性（表2）；此外，其粘粒含量非常高，粒径小于2μm的颗粒占到总质量的61 %；矿物成分以高岭石为主，同时含有一定量的针铁矿、蛭石与少量的石英（表3）。

3 击实样饱和前后的强度特性

广西贵港红粘土的重型击实试验结果见图1，图2为相应击实样的CBR、快速直剪与固结快速直剪试验结果，图中同时给出击实样饱和后类比指标。干密度标志着土体松密的程度，是反映土体强度的重要指标，比较图1与图2不难看出，红粘土击实样的CBR值、直剪强度与含水量的关系曲线同击实试验曲线基本吻合，但重型击实样泡水后的干密度峰值与强度指标的峰值所对应的含水量明显高于不泡水击实样的峰值所对应含水量（见表4），如饱和击实样的最优含水量为34.2 %，饱和后含水量为38.5 %的击实样干密度最大；含水量为32.5 %的未

基本物理力学性质

广西贵港属炎热潮湿的亚热带气候，化学风化作用强烈，在平原边缘地带的泥盆系中统至石炭系的白云质灰岩与灰质白云岩等过渡类型碳酸盐岩发育区，红土风化壳发育良好，成熟度高，风化壳厚5～10 m，具明显的垂直分带性[9]。试验所用红粘土取自贵港三O七单位西侧场地的网纹红土层，呈红

表1 广西红粘土的物理性质指标

Table 1 Physical indexes of Guangxi lateritic clay

天然含水量w / % 47.4

天然重度 γ/ kN・m 16.56

-3

干重度 γd / kN・m

11.23

-3

比重 G 2.76

孔隙比 e 1.46

饱和度 Sr / % 90.0

液限 WL / % 125.9

塑限 Wp / % 47.3

塑性指数 IP / % 78.6

表2 广西红粘土的力学性质指标

Table 2 Mechanical indexes of Guangxi lateritic clay

自由膨胀率δef / % 49

50kPa 膨胀率 VH50 / % -0.99

收缩 系数 ë 0.22

体缩率 es / % 6.3

缩限 Ws / % 23.1

先期 固结压力 Pc / kPa 240

压缩系数 a1-2 / MPa-1 0.21

无侧限 抗压强度 qu / kPa 233.4

粘聚力 c / kPa 45.9

快剪 内摩擦角 φ/ (°) 17.2

固结快剪 粘聚力 c / kPa 45.1

内摩擦角 φ/ (°) 21.44

表3 广西红粘土的粒度组成与矿物成分

Table 1 Particle size distributions and mineral compositions of Guangxi lateritic clay

颗粒组成 / %

＞50μm 8.0

<50μm 92.0

<20μm 78.0

<10μm 68.0

<5μm 62.0

<2μm 61.0

<1μm 59.0

石英 3

矿物组成 / % 蛭石 6

高岭石 74

针铁矿 17

第3期 赵颖文等：广西红粘土击实样强度特性与胀缩性能

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表4 击实样力学试验转折点对应含水量

Table 4 Moisture contents corresponding to the peak points of the mechanical indexes on compacted samples

指 标 干密度 CBR

固结快速粘聚力 快速粘聚力

转折点处对应含水量/ % 饱和前 34.2（最优含水量）

32.5 30.3 31.4

饱和后 38.5 39.7 34.6 34.4

图1 击实试验曲线 Fig.1 Compaction curves

饱和击实样的CBR值最大，而饱和后含水量为 39.7 %的击实样CBR值最大。出现上述现象的原因在于未泡水的击实样处于非饱和状态，基质吸力在土体的强度中起着重要作用；而在浸水过程中土体的基质吸力不断减小，吸水膨胀使土体强度明显降低，膨胀量的大小决定了土体强度下降的幅度。图3（a）表明：击实红粘土的含水量愈高，其膨胀量愈小，最优含水量（34.2 %）处的重型击实样仍具有较大的的膨胀量（3.75 %），而含水量大于最优含水量的击实样的膨胀量相对较小，饱和后的干密度与强度指标反而大于最优含水量处的击实样。

可见，用干密度作为控制填土质量指标，在最优含水量条件下，压实具胀缩性。红粘土虽可获得高压实度，但膨胀量较大，饱和后CBR值并非最大。

4 胀缩试验

广西红粘土重型击实样的胀缩试验结果如图3所示。显而易见，影响红粘土击实样胀缩性指标最主要的因素是含水量。含水量愈低，膨胀性愈强，收缩性愈弱；在最优含水量（34.2 %）附近，膨胀力与50 kPa膨胀率曲线都向上凸出，而收缩曲线在36 %的含水量附近向下轻微的弯曲，说明干密度对红粘土击实样的胀缩性指标也具有一定的影响；在其它条件相同的情况下，土体愈密实，其膨胀性愈强，而收缩性愈弱；此外，从膨胀力与50 kPa膨胀率的试验结果发现，38 %～39 %的含水量是红粘土重型击实样膨胀性的另一拐点，当含水量高于此拐点，土体膨胀性随含水量增大而降低幅度明显减弱，且趋于稳定，该拐点与击实样饱和后的最大干密度对含水量38.5 %较为接近（图1）。

5 击实样的孔径分布

为了能使测得的微观结构结果真实的反映红粘

图2 红粘土击实样强度试验

Fig.2 Strength tests on compacted samples

of lateritic clay

土的天然结构形貌，基于红粘土表现出以缩为主的胀缩行为，样品制备采用冷冻真空升华干燥法进 行[10]，测试结果如图4与表5所示。

试验结果表明：（1）红粘土重型击实样的孔隙

岩 土 力 学 2004年 372

以孔径0.01～0.05 ìm范围内的小孔隙为主，约占总孔隙体积的60 %。（2）未泡水的击实样在最优含水量（34.2 %）附近总孔隙体积最小，而泡水后击

实样最小总孔隙体积对应含水量为39 %左右，这与击实试验结果相吻合。（3）同一含水量击实样饱和前后的总孔隙变化未发现有明显的规律。

图3 红粘土击实样胀缩试验结果

Fig.3 Results of swelling-shrinkage tests on compacted samples of lateritic clay

表5 广西红粘土击实样的孔径分布

Table 5 Pore size distributions of compacted samples of Guangxi lateritic clay

含水量

击实样类型

w / % 26.25 29.32

未泡水

33.59 40.41 42.00 45.77 25.62 29.76

泡水

34.52 39.77 43.62 45.66

ñd / g・cm3 1.30 1.33 1.36 1.34 1.35 1.29 1.15 1.34 1.35 1.38 1.33 1.29

e 1.11 1.07 1.03 1.06 1.05 1.13 1.39 1.06 1.05 1.00 1.07 1.14

/ mm3・g -1

378.3 361.8 355.1 362.0 369.5 394.0 370.4 361.8 355.8 347.4 366.6 396.2

>1.0 ìm 77.3 67.2 52.6 35.2 41.7 53.7 62.5 64.4 44.9 35.8 41.6 56.4

干密度

孔隙比

总孔隙体积

不同孔径范围孔隙体积 / mm3・g-1 1.0~0.1 ìm 29.6 30.9 28.5 39.4 52.0 54.6 45.0 36.5 37.2 35.7 46.3 53.1

0.1~0.05 ìm

42.4 39.0 37.7 47.1 54.5 57.2 49.6 39.1 44.3 44.7 46.2 49.7

0.05~0.01 ìm

220.1 216.0 228.2 231.0 212.2 220.7 203.2 213.3 222.3 223.8 224.1 229.1

<0.01 ìm 8.9 8.7 8.1 9.2 9.1 7.8 10.1 8.5 7.2 7.4 8.4 7.9

注：此处含水量为击实试验后的含水量，并非击实样泡水后的含水量。

第3期 赵颖文等：广西红粘土击实样强度特性与胀缩性能

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随含水量的增大而降低的趋势明显减弱，并且相对稳定于较低的膨胀性。

（3）红粘土击实样的孔隙主要以孔径在0.01～0.05μm范围内的小孔隙为主；饱和后的总孔隙体积最小值对应含水量较饱和前有所提高。

参 考 文 献

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图4 红粘土击实样孔径分布

Fig.4 Pore size distribution of compacted samples of

lateritic clay

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6 结 语

（1）干密度总体能反映红粘土击实样的强度大

小，但未泡水击实样因基质吸力作用强度指标峰值对应含水量较低；饱和后土体由于吸水膨胀与基质吸力的消失使得强度指标峰值对应含水量明显增大。红粘土在最优含水量下压实，虽可获得很高的压实度，但膨胀量较大，饱和后的强度并非最大。 （2）红粘土击实样的胀缩性能主要由击实后试样的含水量决定，即含水量愈低，膨胀性愈强，收缩性愈弱；同时也受到干密度的影响，在其它条件相同的情况下，土体愈密实，其膨胀性愈强，收缩 性愈弱。另外，当含水量很高时，击实样的膨胀性