第19卷第2期1997年4月重庆建筑大学学报
JournalofChongqingJianzhuUniversityVol.19No.2
Apr.1997
涪陵北固地区红粘土特性的初步研究
雷谦荣
(重庆建筑大学建筑工程学院630045)
王国惠
(铁道部第二勘测设计院重庆630015)
摘要概述了北固地区红粘土的形成条件、分类和一般特征,分析、对比了土的物理力学性质和胀缩性的特点及自由膨胀率与塑性指数之间的相关性,并对红粘土含水比和液性指数指标的适用性发表了看法。关键词
红粘土,特性,胀缩性,塑性指数,相关性,自由膨胀率
中图法分类号TU446
红粘土是在一定气候条件和地质条件下形成的区域性特殊土,我国以贵州、云南、广西分布最广,也较为典型,其次在安徽、川东、鄂西、湘西、粤北也有分布,其中以川东研究较少。不同地区、不同环境条件的红粘土具有共同的特性,却也有不同的特点,有的差别很大;相似环境条件下形成的红粘土,也可能有明显的差异。鉴于川东地区的重庆、涪凌、华蓥、万县、黔江等地均有红粘土分布,且在红粘土地区的工程建设将日益增多,笔者结合国家重点工程项目四川涪陵某化工厂新建厂址的初步勘察,对涪陵地区南川市北固镇地区的红粘土(以下简称北固红粘土)进行了初步研究,本文主要就其形成环境、一般特征及物理力学性质和胀缩性的特点作一些分析、对比与探讨。
1北固红粘土的环境特征
北固地区,气候湿热,雨量充沛,四季分明。常年平均降雨量978.5~1338.7mm,主要
集中在每年的4~6月和9~10月,年降雨量大于蒸发量;常年平均最低气温-2.5e,平均最高气温35.5e,年平均气温差38e。
北固红粘土分布于三迭系下统嘉陵江组(Tij)以石灰岩、泥质灰岩和白云质灰岩为主的岩溶型山间盆地内。本研究区位居该盆地以南近山麓地带,北濒凤咀江与龙岩河交汇地段,面积约2.24km。地形较平缓,地表起伏不大,构成低矮、舒缓略呈树枝状的垅岗,地面标高自河谷起500~531m,向北倾斜。地处北固背斜轴部附近,在垄岗及河流岸边地带,基岩零星出露,岩层产状平缓,倾角一般为13b~24b,裂隙很发育,多为张裂隙。有溶沟、溶槽、溶蚀漏斗和落水洞等岩溶现象,溶洞不甚发育,在间距100m的62个钻孔中有17个揭示有小溶洞,洞的竖向尺寸为0.2~2.1m,均充填有厚度不等的软粘土。
2
收稿日期:1997-01-20雷谦荣.男,1939年生,副教授
第2期雷谦荣等:涪陵北固地区红粘土特性的初步研究43
2红粘土的一般特征
北固红粘土系碳酸盐类岩石经红土化作用形成,以褐黄色、棕色为主,夹棕红色及灰黑、
2.1红粘土的类型与分布特征
灰黄等色斑纹,为原生坡残积型与少量洪积型交互产出。按界限液塑比和液塑比的关系即复水性分类,均属于Ñ类。其矿物成分,以伊利石、高岭石为主,绿泥石等矿物次之,多夹有少许石灰岩的小碎石或角砾;系分散性高的粘粒和残留的氧化物凝胶构成的絮状结构。以硬塑一可塑为主,坚硬和软塑一流塑次之,并有从上至下由硬变软的特点,有的钻孔在钻至基岩面附过时,出现缩径和糊钻的现象,表1是部分地段红粘土含水量和含水比随深度变
表1
取样深度(m)含水量w(%)含水比Aw
1.4~1.633.50.60
[1]
红粘土含量和含水比随深度的变化
3.5~3.741.10.69
4.6~4.843.70.65
7.8~8.045.30.77
8.2~8.455.60.77
10.3~10.562.40.94
2.2~2.435.10.68
化的情况。这是基于红粘土体的裂隙和土的结构状态,水在向下渗透过程中,靠近地表部分容易蒸发,往深处渗滤作用较强,且易接受基岩裂隙水或岩溶水以不同方式的补给、浸湿和毛细管作用等而使水分增高的缘故。
北固红粘土的分布,总的来看是盆地边缘较薄,中部较厚,且不连续,并有与其他土层交互产出的现象。其厚度变化甚大,一般为3.5~8.5m,最厚达12.0m,与基岩面和地面起伏有关,多是垄岗处较薄,低洼处较厚;有的直接出露地表,有的上覆粉质粘土或人工填土;有的直接与基岩接触,也有与基岩间夹有其他土层的现象,其层位不稳定,尤以近山麓地带较明显;而且土性变化大,地表较高处,由于排水条件好,天然含水量和压缩性较低,而地表较低处,则正好相反。2.2
红粘土的裂隙特征
该红粘土网状裂隙很发育,多将土体分割成大小不尽相等的棱形块体,以竖向裂隙为主,水平裂隙次之,在新建民房开挖的坡坎和钻探岩芯中清楚可见。裂隙上宽下窄,主要分布在深约2~5m之内,其宽度旱季剧增、雨季大减,裂面较光滑,有少量擦痕,常充填有灰黑色、棕红色或灰白色粘土或有机质,并可见到铁锰质浸染斑痕。据访问,在旱季新开挖的坡坎和基坑壁上,裂隙从产生到发展的速度很快,雨后表层易碎裂成块状。这表明该红粘土具有较明显的胀缩性,在受大气影响的干湿效应带内,旱季土体失水收缩、雨季浸水膨胀,反复交替、逐次发展而形成了众多的裂隙;其发育程度在不同部位是有较大差别的,较高处比较低处发育,这与土的胀缩性和干湿交替条件有关。
3
3.1
红粘土物理力学性质和胀缩性的特点
物理力学性质和胀缩性的对比分析
44重庆建筑大学学报第19卷
[3]
按照有关规定[1]、,根据北固红粘土的自由膨胀率和其他判据,将其中自由膨胀率大于
或等于40%者判为膨胀土。
为便于分析与对比,将该红粘土样30组及其中的膨胀土土样11组和当地冲积层中的粘土土样7组测定的物理力学性质指标统计平均值列于表2。
表2
土
类
比重G
重度r(kN/m3)
含水量w(%)
红粘土及其膨胀土、粘土物理力学性质比较
孔隙比e
孔隙度n(%)
饱和度Sr
液限w2(%)
塑限wp(%)
塑性指数Ip(%)
粘聚(k1a)
内摩擦角U(度)
压缩系数a1-(MPa-1)
2
红粘土膨胀土粘
土
2.752.742.72
17.817.518.1
45.147.836.6
1.25755.531.33056.721.00949.83
98.4998.5198.71
62.866.345.6
31.932.624.4
30.933.721.2
34.0028.3021.60
10.7011.4011.00
0.3040.3560.392
从表2可知,这三类土的比重、重度、含水量、饱和度值相当接近,而红粘土特别是其中的膨胀土的孔隙比、孔隙度、液限、塑限和塑性指数值却比一般粘土要大得多,但仍然具有相对较高的力学强度和较低的压缩性,尤其是红粘土的粘聚力达一般粘土的1.5倍以上,压缩系数则是一般粘土的60%。说明北固红粘土粘粒组的含量比一般粘土高,分散性强,比表面积随之增加,粘粒表面的结合水膜多,可塑性大,使粘聚力增强,磨擦阻力相应减少,而内磨擦角相对较小,并且因压缩时水分较难于排走,而压缩性较低。同时还说明该红粘土中,亲水性强的矿物多,具有明显的胀缩性,特别是其中的膨胀土,孔隙比和塑性指数更大,胀缩性随之增加,而内聚力却相对较弱,压缩性相对较高,这又是与一般红粘土的不同之处,也是般膨胀土的特征之一。
表3是北固红粘土与重庆黄桷垭红粘土物理性质指标统计平均值的比较表,两者的形成条件相似,相距仅100余公里。该表中,除两地红粘土的稠度状态,也即是塑性指数和自由膨胀率有较大差别外,其他指标值相差甚小。北固红粘土的塑性指数和自由膨胀率较大,是由于粘粒组的含量较高,矿物颗粒较均一,且亲水性较强,土的结构是絮状结构;黄桷垭红粘土粘粒组的含量较低(仅占44.01%),且土的粒度分布广,颗粒级配良好[5],亲水性较弱,土的结构是多级团粒结构。同时也说明了北固红粘土比黄桷垭红粘土的胀缩性强,这从两地地表观察和钻探记录到的胀缩特征,如裂隙的发育、分布情况的差异等均证实了这一点。
表3
地
区
比重G
重度r(kN/m3)
[5]
北固红粘土与黄桷垭红粘土物理性质比较
含水量(%)
孔隙比e
孔隙度n(%)
饱和度Sr(%)
液限wL(%)
塑限wp(%)
塑性指数Ip(%)
自由膨胀率Fs(%)
北固镇黄桷垭
(Ñ)(Ò)平均值
2.752.752.762.76
17.817.917.917.9
45.1042.3345.2443.79
1.25755.531.18554.231.28056.141.23355.19
98.4998.0097.2097.60
63.7555.8361.8658.85
31.9029.9035.7332.82
31.8525.9326.1326.03
37.9729.75)29.75
注:黄桷垭(Ñ),据西南综合勘察院5重庆邮电学院专业教学楼勘察报告6,1984年;黄桷垭(Ò),据参考文献[5]。两者的取土
样地点相距约250~290m。
第2期雷谦荣等:涪陵北固地区红粘土特性的初步研究45
此外,表3还反映了红粘土塑性指数与自由膨胀率之间有一定的内在联系,即塑性指数愈高,自由膨胀率愈大。
值得说明的是,表2、表3中均未列入含水比和液性指数值。这是因为笔者在调查、研究中觉察到,这两个指标受外界因素诸如天气、地下水动态、微地貌、土的裂隙性、基岩面的起伏、岩溶特点及人为因素等的影响较大(如表1),在时空上都是易变的,变异系数很大,不能较好地反映红粘土本身的特性,虽然目前普遍将其作为表征红粘土的某些特性的指标,也用含水比作为确定红粘土地基承载力两个指标中的第一指标[3],但这是否能较好地反映实际情况,可望进一步研究与商榷。
3.2北固红粘土塑性指数与自由膨胀率的相关性3.2.1相关关系的确定
大量实验表明,粘性土的塑性指数,主要取决于土的粒度成分、矿物成分和结构特性。例如,在伊利土中加入5%的蒙脱土时,其塑性指数可增大4倍。塑性指数愈高,土的活动指数愈大,粘粒组的含量愈大,土的胀缩性能愈强,以表2、表3也可看出。所以将塑性指数的大小作为粘性土区分于粉土的主要指标及对粘性土进一步分类的唯一指标[2],也是粘性土活动性分类、塑性图分类两项指标中的主要指标。因此,综合上述分析便可以认为,塑性指数在某种意义上讲,能体现红粘土胀缩性的本质,可以预测土的胀缩潜势,与红粘土的自由膨胀率有密切的内在联系。自由膨胀率,不仅能反映红粘土矿物组成和胀缩性的基本特征(如上所述),而且在测定方法上还可以避开力学试验不可避免的边界条件和实际受力条件的影响,于是这项指标可作为红粘土胀缩性的一项基本参数,因此而将其规定为对膨胀岩土初判和膨胀土膨胀潜势分类的唯一定量指标。然而,影响红粘土塑性指数与自由膨胀率之间的关系的因素是多方面的,故二者属于相关关系。3.2.2
相关分析
鉴于北固红粘土分布范围大,而且在川东地区有一定的代表性和较好的可比性,并考虑到现有文献、资料中尚未见有关于塑性指数与自由膨胀率相关性方面的报道,因而对北固红粘土塑性指数与自由膨胀率进行相关分析具有一定的理论意义和实用价值。
1)相关散点图
将北固红粘土30组试样测定的塑性指数Ip和自由膨胀率Fs统计于表4。以Ip为自变
表4
序号IpFs序号IpFs
1
2
[1]
[3]
[4]
北固红粘土30组试样测定的塑性指数Ip和自由膨胀率Fs值
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
24.024.025.225.425.425.425.627.128.030.030.130.330.931.032.223
29
30
30
30
35
33
34
28
39
40
39
27
39
27
[***********][1**********]043.353
32.632.632.632.833.734.034.335.135.836.338.438.640.141.343
44
39
45
40
39
40
37
38
47
50
46
45
50
46重庆建筑大学学报第19卷
量,Fs为因变量,绘其散点图(如图)。
2)相关方程式
从图中可知,自由膨胀率Fs与塑性指数Ip呈线性正相关,用最小二乘法原理,经过统计计算,其相关方程式为
Fs=1.21Ip-0.58
相关系数C=0.83,其似合曲线如图所示。根据相关系数,该红粘土自由膨胀率与塑性指数属高度相关,相关关系密切。
4结语
1)北固红粘土与一般粘土相比,有显著的特性,
图Fs-Ip
相关图
同时也具有一般红粘土的许多共性,与相似条件下形成的红粘土有较好的可比性,且其胀缩性较明显,有的属于弱膨胀土。
2)该红粘土的塑性指数与自由膨胀率有很好的相关性,但虽然属于高度相关,由于相关系数相对较小,其影响因素是比较复杂的。
3)红粘土的含水比和液性指数,受外界诸多因素的影响较大,能否作为表征红粘土某些特性和工程性能的主要指标,可望进一步研究、证实与商榷。
4)北固地区红粘土分布范围大,并由于各种条件所限,本文仅是初步研究中对一些问题的分析与探讨,尚需结合该场地地基下一阶段的工程勘察和工程设计,特别是分区、分段或分单元地进行研究,进一步测定有关表征红粘土及其膨胀土特性和工程性能的指标和参数。
参考文献
1中华人民共和国国家标准.岩土工程勘察规范(GB50021-94).北京:中国建筑工业出版社,19952中国人民共和国国家标准.建筑地基基础设计规范(GBJ7-89).北京:中国建筑工业出版社,19893中华人民共和国国家标准.膨胀土地区建筑技术规范(GBJ112-87).北京:中国计划出版社,19884王钟琦等.岩土工程测试术.北京:中国建筑工业出版社,1988
5张英.重庆红粘土本构关系试验研究.建筑大学硕士学位论文.重庆建筑大学建筑工程学院,1993
PreliminaryStudyonFeaturesofLateriteClayinBeiguArea,Fuling
Lei
Qianrong
(FacultyofCivilEngineering,ChongqingJianzhuUniversity,630045)
第2期雷谦荣等:涪陵北固地区红粘土特性的初步研究47
Wang
Guohui
(TheSecondIustituteofExplorationandDesigning,theMinistryofRailway,Chongqing,630015)
AbdtrsctThispaperbrieflydescribestheformedcondition,classification,andgeneralcharacteris-ticsofthelateriteclayinBeiguareaandanalysesthephysicalandmechanicalproperties,thefea-turesofswellingandshrinkageandtherelativitybetweenthecoefficientoffreeswellingandplastic
indexofthelateriteclay.Finally,someopinionsonthesuitabilityofthewatercontentandliquidindexofthelateriteclayarepresented
KeyWordslatelriteclay,swelingandshrinkage,plasticindex,coefficientoffreeswelling
(编辑:王秀玲)
科研成果
针织废水电化学法处理技术
内容简介及技术水平:
该成果根据印染废水量大、面广、水质多变的特点采用物化处理法,利用废水中的污染物的自凝效应做预处理,以静电混凝(非电解)为主体的工艺技术,其处理效果达到国家有关排放标准的规定。技术水平达独创、国内领先。
织物型热反射材料
内容简介及技术水平:
织物型热反射材料是一种新型的功能材料。它是各种织物布料树脂涂布、金属镀膜面制成。该项成果已通过四川省科委主持的鉴定。其性能已达国际同类产品先进水平,属国内领先。