广西红粘土和膨胀土热力学特性的比较研究.docx
《广西红粘土和膨胀土热力学特性的比较研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《广西红粘土和膨胀土热力学特性的比较研究.docx（17页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
广西红粘土和膨胀土热力学特性的比较研究
第26卷第7期岩土力学Vol.26No.7
2005年7月RockandSoilMechanicsJul.2005
收稿日期：
2004-03-01修改稿收到日期：
2004-11-08
基金项目：
广西科学基金资助项目（No.桂科青0447002）。
作者简介：
欧孝夺，男，1970年生，博士，副教授，主要从事土体结构及其工程特性的研究。
E-mail:
ouxiaoduo@
文章编号：
1000－7598－（2005）07―1068―05
广西红粘土和膨胀土热力学特性的比较研究
欧孝夺，吴恒，周东
（广西大学土木建筑工程学院，南宁530004）
摘要：
基于广西膨胀土和红粘土的成因类型、物质成分和结构特征，研究常温（-4℃～60℃）下膨胀土与红粘土的热力学
特性，探讨了红粘土与膨胀土的抗剪强度指标与温度之间的相关关系。
试验结果表明，两种土在10℃，40℃与室温（28℃）
时，主应力差σ
1-σ
3峰值变化不大，而60℃时有明显增大；在相同条件下，红粘土的主应力差峰值变化更大；红粘土与膨
胀土的抗剪强度指标（c,φ）随热状况不同而发生变化，而且红粘土的粘聚力c和膨胀土的内摩擦角φ在室温，环境有较小
值。
分析结果认为，两种土的热效应影响趋势相似，但红粘土的热力学特性较为敏感，这与红粘土的成因类型及胶结特征密
切相关。
研究结果为红粘土与膨胀土地区工程建设及减灾防灾提供参考。
关键词：
红粘土；膨胀土；热力学
中图分类号：
TU441文献标识码：
A
广西地处低纬地带，属亚热带季风气候，夏长
冬短，雨量充足，在这样的气候条件下，形成了各
种特殊土，其中以膨胀土和红粘土尤为典型。
众所
周知，膨胀土主要是由强亲水性粘土矿物蒙脱石和
伊利石组成，具有吸水膨胀软化和失水收缩干裂的
特性。
广西是我国最典型的膨胀土分布地区之一，
膨胀土种类多，分布广。
其中宁明、平果、百色和
南宁盆地一带的膨胀土主要由第三系湖相沉积泥
岩、粉质砂岩及其风化残积物形成，也有部分是上
述岩土风化物经流水搬运冲积成因形成。
一般顶部
为坡积粘土，呈棕红色加灰白、灰黄色；往下是残
积粘土，呈灰白、黄色、浅灰色，间夹棕红及褐黄
色；再往下是母岩~半胶结的粘土岩，呈灰、灰绿、
灰褐色，残积层和母岩是逐渐过渡的，无明显界限，
第7期欧孝夺等：
广西红粘土和膨胀土热力学特性的比较研究
坡、残积层厚度因地而异。
其上覆盖有第四系冲积
层的地区，没有坡积层，残积层也较薄（一般为1～
2m）。
膨胀土裸露区，坡积土一般厚0.5～1.0m，
残积层厚约3m左右，半胶结的粘土岩（泥岩、页
岩）厚度可达数百米。
坡、残积层中铁质较多，母
岩中铁量较少，铁质在坡积层中呈结核状和块状，
分布无规律。
红粘土具有高含水量、高孔隙比和高塑性，是
碳酸盐类岩石在潮湿温暖气候条件下经化学风化
（溶蚀）及红土化作用形成的。
红粘土主要是残积、
坡积类型，一般分布在山坡、山麓、盆地或洼地中，
厚度变化很大，且与原始的地貌和下伏基岩的起伏
变化密切相关。
分布在盆地或洼地时，厚度变化大
体是边缘薄，向中间逐渐增厚；分布在基岩或风化
面上则取决于基岩起伏和风化厚度，当下伏基岩中
溶沟、溶槽、石芽发育时，上覆红粘土的厚度变化
极大，常见咫尺之隔竟相差10余米。
实际上，粘性土的力学特性一直是土力学中一
个极其复杂的重要研究课题。
本文从环境温度变异
入手，对广西红粘土和膨胀土进行热效应试验研究，
探讨这两种粘性土热力学特性的差异，尝试从热力
学试验角度进行土体力学特性的研究。
2土样及其物理化学性质
2.1取样地点及物性指标
膨胀土试验取样点位于南宁市快速环道邕武立
交桥附近，其处在“垄岗低丘泥岩胀缩土区”，基岩
是第三纪北湖组（）3bE湖相沉积泥岩、粉砂质泥岩，
以强风化或风化残积形态出露于地表，为层状结
构，具有浅灰色、灰绿色、灰色的中～厚层
粉砂质泥岩和泥岩夹粉砂岩互层的特点，这
就是南宁市知名的“强膨胀土”，其物理性质指标如
表1所示。
红粘土取样点位于南宁市东南部的大沙
田附近，地处高程为80～90m的低丘地带，垄岗
起伏，属溶蚀谷地地貌。
按南宁市工程地质分区，
其处在“东南部岩溶残丘谷地工程地质区，溶蚀谷
地红粘土亚区”，呈东西展布，面积约23km2，为
典型灰岩风化产物，属残坡积成因。
其物理指标如
表2所示。
区域地质资料显示，该亚区部分红粘土
是胀缩性红粘土。
在地质调查中观察了场地四周及
料场多个开挖断面，发现土层上部均有阶地圆砾分
布，不少地方还有铁锰质角砾分布[1]。
2.2比表面积、阳离子容量、成分分析
对广西膨胀土、红粘土进行化学分析与比表面
积测定，其试验结果见表3和表4所示。
表1膨胀土物性指标与粒度组成
Table1Thephysicalparametersandparticle-sizedistributionofexpansivesoil
粒度组成/%
土样
重度
γ/kN·m-3
干重度
γd/kN·m-3
液限
ωL/%
塑限
ωP/%
塑性指数
IP
自由膨胀率
δef/%<5μm<2μm
膨胀土20.518.738.616.721.9535236
表2红粘土物性指标与粒度组成
Table2Thephysicalparametersandparticle-sizedistributionofredclay
粒度组成/%
土样含水量ω/%
重度
γ/kN·m-3
孔隙比
e
液限
ωL/%
塑限
ωP/%
塑性指数
IP
自由膨胀率
δef/%<5μm<2μm
红粘土14.017.21.0626.914.212.7326358
表3膨胀土与红粘土的矿物组成及物化指标
Table3Themineralcompositionandphysico-chemicalparametersofexpansivesoilandredclay
矿物组成/%
土样
蒙脱石伊利石高岭石绿泥石其它
易溶盐总量
/%
阳离子交换量
/me·（100g）-1
比表面积
/m2
·g-1
膨胀土125123860.17332.2110
红粘土0114021280.11726.4196
表4游离氧化物含量（单位：
%）
Table4Thecontentsoffreeoxides（unit:
/%）
游离氧化物含量
土样
FeSiAl
膨胀土3.86.22.9
红粘土12.54.10
3试验方法与过程
（1）将膨胀土运至实验室后自然风干，碾碎后
将土样过2mm筛，均匀喷洒水后静置于密闭容器
内24h以上，使含水量均匀；
1069
岩土力学2005年
（2）当含水量ω=15.4%（与塑限相当）时，制
作三轴试样（d=39.1mm，h=80mm），试样分5
层制作，每层36g，10击，每层击实后将表面刨毛，
然后再加第2层土料。
如此继续进行，直至击完最
后一层，将击样筒中的试样两端整平，取出称其质
量，控制在171~172g之间，满足密度差值小于0.02
g/cm3的要求；
（3）将橡皮膜套在试样外，分别在室温（28℃），
10℃，40℃和60℃的环境中静置168h后，在相
应的水温条件下完成三轴（UU）试验，剪切速率为
0.828mm/s，围压分别为100，200，300，400kPa，
每一级围压进行4次试验，共完成64个土样的试验。
红粘土的制样与试验方法与膨胀土相似。
不同
之处是当含水量ω=14.0%（与塑限相当）时，制
作三轴试样，分5层制作，每层37g，10击，共完
成64个土样的试验。
4试验结果与讨论
从主应力差（13σ−σ）与应变1ε的关系、抗剪强
度指标（c，ϕ）随温度t的变化以及c-t和ϕ-t拟
合曲线的斜率等方面，对膨胀土和红粘土热力学特
性的差异性进行分析。
4.1主应力差与应变的关系
将膨胀土和红粘土分别在含水量ω与塑限p
ω
相等的情况下制备三轴试样，其它条件相同，前面
已介绍。
接着分别在10℃，40℃，60℃的温度
环境中静置168h后进行三轴试验。
试验结果如下：
（1）温度对膨胀土主应力差峰值的影响见图1。
（2）温度对红粘土主应力差峰值的影响见图2。
从图1、图2可以看出，土体经过热作用后，
膨胀土和红粘土的主应力差峰值有以下特点：
①两种土的主应力差的峰值随温度t升高而
增大；
②两种土分别在4种温度环境中试验，10℃，
40℃与室温28℃时13σ−σ的峰值相近，而60℃
时13σ−σ的峰值明显增大；
③在相同条件下，红粘土的13σ−σ峰值比膨
胀土的主应力差峰值变化大。
4.2抗剪强度指标
土的抗剪强度指标包括粘聚力c和内摩擦角
ϕ。
本研究根据具体特点，采用UU三轴试验，确
定土的抗剪强度指标，结果如图3所示。
从试验结果可以看出，土的强度指标有如下特
点：
（1）土的强度参数c，ϕ值是在不同的热状况下
的试验值，是变数；
（2）两种土的c与t之间的关系接近呈2次抛物
线关系，而红粘土的c变化幅度更大些；ϕ与t之
间的关系也呈2次抛物线关系，而膨胀土曲线下凹，
红粘土为上凸；
0
200
400
600
800
1000
10室温4060
t/℃
（σ1-σ3）/kPa
（a）σ3=100kPa
0
200
400
600
800
1000
10室温4060
t/℃
（σ1-σ3）/kPa
（b）σ3=200kPa
0
200
400
600
800
1000
10室温4060
t/℃
（σ1-σ3）/kPa
（c）σ3=300kPa
0
200
400
600
800
1000
10室温4060
t/℃
（σ1-σ3）/kPa
（d）σ3=400kPa
图1温度对膨胀土主应力差σ1-σ3峰值的影响
Fig.1Influenceoftemperatureonσ1-σ3peak
valueoftheexpansivesoil
1070
第7期欧孝夺等：
广西红粘土和膨胀土热力学特性的比较研究
0
200
400
600
800
1000
10室温4060
t/℃
（σ1-σ3）/kPa
（a）σ3=100kPa
0
200
400
600
800
1000
10室温4060
t/℃
（σ1-σ3）/kPa
（b）σ3=200kPa
0
200
400
600
800
1000
10室温4060
t/℃
（σ1-σ3）/kPa
（c）σ3=300kPa
0
200
400
600
800
1000
10室温4060
t/℃
（σ1-σ3）/kPa
（d）σ3=400kPa
图2温度对红粘土应力差σ1-σ3峰值的影响
Fig.2Influenceoftemperatureonσ1-σ3peak
valueoftheredsoil
（3）试样抗剪强度与环境温度具有明显的相关
关系。
红粘土和膨胀土的c与t及ϕ与t之间均具有
良好的二次抛物线关系，即
⎪⎭
⎪⎬⎫
=++
=++
2
2
DtEtF
cAtBtC
ϕ
（1）
式中A，B，C，D，E，F均为可由试验确定的系
数；
（4）图3（b）、图3（c）中红粘土的c和膨胀
土的ϕ均在室温环境有较小值，其原因需要进一步
研究。
（a）c-t
（b）c-t
（c）φ-t
（d）φ-t
图3重塑土抗剪强度指标c,φ与温度t拟合曲线
Fig.3Fittingcurvesofshearstrengthindicesc,φof
remoldedsoilvs.temperature
5原因分析
5.1从物理化学性质方面分析
试验结果显而易见，不同的土类具有不同的热
力学特性，并且与其化学成分、颗粒特征是分不开
的。
大量的土工试验资料表明，碳酸盐岩红粘土的
矿物主要有三大类：
粘土矿物、游离氧化物和碎屑
物质，其中以粘土矿物为主，占60%～70%。
碳酸
盐岩红粘土的粘粒含量多在60%以上，余者多为粉
c=0.0127t2+0.3439t+93.953
R2=0.966
0
60
120
180
020406080
t/℃
c/kPa
膨胀土
0
60
120
180
020406080
c/kPa
t/℃
c=0.0407t2-1.9363t+120.8
R2=0.9992
红粘土
φ=0.0085t2-0.4796t+20.866
R2=0.9885
0
10
20
30
020406080
t/℃
φ/（°）
膨胀土
φ=-0.0005t2+0.0954t+20.144
R2=0.8675
红粘土
0
10
20
30
020406080
t/℃
φ/（°）
1071
岩土力学2005年
粒、砂粒大颗粒含量较少（见表2）。
碳酸盐岩红粘土比表面积比一般粘性土大得
多，其物理化学活性较高，同时具有含量较多的游
离氧化物，其在蒸发过程中有脱水固结的趋势，从
而在土粒间形成水稳性较强的胶结连结。
这与红粘
土的热力学特性较为敏感相吻合。
5.2从粘聚力和内摩擦角的本质分析
膨胀土和红粘土受热作用后，粘聚力增大了，
而红粘土的粘聚力c变化幅度更大些，这与红粘土
的连结强度主要是游离氧化铁有密切联系。
众所周知，粘性土颗粒间公共水化膜的连结力
对粘聚力的产生具有重要作用，因而两种土的粘聚
力随着温度的不同而发生变化。
温度愈高，水份蒸
发快，其含水量越小，公共水膜连结力越大，粘聚
力也越大，所以含水量低粘性土的抗剪强度相当高；
而土的内摩擦角则不同，其与土颗粒结构、大小、形
状及密实度密切相关，如砂土的内摩擦角比粘性土
大。
孔令伟[3]等人研究认为，游离氧化物胶结作用
易随环境物理化学因素的变化而变化，而且又常以
胶膜状包裹在粘土矿物的表面。
游离氧化铁对粘粒
的包膜作用不仅影响了红土中的比表面积，更重要
的是其改变了粘粒的电荷性质，从而导致粘粒阳离
子交换性质的变化，而阳离子交换性质是水土体系
性状的一个重要影响因素。
同时，红粘土中所含易
溶盐成分和经分解的有机物多被雨水冲走，以及游
离氧化铁的作用致使体系所带净负电荷减少，最终
导致红粘土粘土矿物阳离子交换总量及易溶盐成份
较其它粘性土较低，见表3及表4。
因此，红粘土经过热作用后，土质明显“砂化”，
粘聚力增幅比膨胀土大些。
6结语
通过对膨胀土和红粘土的热效应进行对比研
究，结果表明，随着环境温度升高，红粘土、膨胀
土的抗剪强度有不同程度提高，主要是由于不同土
胶结物的热效应特性决定的[4]。
这一特点对工程地
基处理来说具有很重要的意义。
由于试验条件（包括土样、温度控制）的局限
性，该试验尚是初步的模拟试验，但它最终说明：
在土体结构性的研究中，由于温度因素导致的土体
结构强度的变化，对土体力学性质的影响是应该考
虑的[5]。
目前的研究表明，对土体结构强度的评价
及预测都存在很大的困难。
鉴于土体结构性与温度
的密切关系，在充分了解土体热效应的前提下，结
合地下温度场的变化来间接反映土体结构特征，是
非常有意义的。
而如何在评价、预测模型中考虑热
效应过程值得进一步研究。
升级会员 