廣西紅土擊實特性的影響因素及機理分析

王 清，張 奇，馬玉飛，高 郢，鮑碩超

1.吉林大學建設工程學院，長春 130026

2.南京瑞迪建設科技有限公司，南京 210000

0 引言

“磚紅壤”（laterite）一詞最早由英國旅行家F.Buchanan于1870年提出［1］。因其具有非常特殊的工程地質特性，如高含水率、低密度、較高強度、較低壓縮性等，而引起了許多國家廣泛而深入的研究［2］。我國的巖土工作者對紅土的研究已有近50年的歷史，在紅土成因、分類、力學特性與地質災害防治等多個方面都有所成就［3－10］。目前的研究表明：紅土不僅可以由碳酸鹽類巖石在濕熱氣候條件下經過紅土化作用形成，而且可能由玄武巖、花崗巖、碎屑巖、粉砂巖等風化形成。因此，紅土的研究領域已經由單一的“磚紅壤”拓展到了由各種原巖風化形成的多種紅土類型上來。

我國紅土主要分布于南方的熱帶與亞熱帶地區，如廣西、云南、廣東、貴州、湖南等省份，分布面積達200萬km2［11］，是南方各省市城鄉建設賴以發展的重要場地。目前，隨著在紅土地區修建機場、公路、油罐等工程建設活動的日益增多，紅土已經被大量用作建筑物的地基和高填方工程的填料。雖然紅土作為一般建筑物的地基是安全的，但在一些重要工程或高填方工程中，對紅土地基進行有效的處理也是必要的。大量的實際工程表明，采用強夯的地基處理方法加固紅土不僅僅是經濟實惠的，而且是有效可行的［12］。對于強夯后的紅土地基，實際工程中多采用原位測試的方法來檢測強夯的加固效果是否達到預估的要求，對于夯后紅土地基壓實性及工后沉降的研究也多采用現場監測的方法［13］。因此，目前還沒有一套完善的理論來指導紅土地基的強夯以及預測和評價夯后土體的物理力學性質，對于擊實后紅土壓實性的研究也相對較少。

筆者通過室內試驗對廣西北海市大型儲油罐高填方紅土地基強夯工程進行了有效的模擬，深入探討了含水率、干密度以及飽和度等因素對夯后土體壓實性的影響。

1 試驗紅土的基本性質

試驗用土來自于廣西北海市大型儲油罐高填方紅土地基強夯工程。該市屬亞熱帶海洋性季風氣候，取土場地位于南康盆地南部，全年日照充足，雨量充沛，紅土化作用強烈。試驗從1號和5號油罐區共取編號為1－1H、1－1Z、1－5H 和1－5Z的4種土樣進行平行試驗。其中：1－1表示1號罐區，其填土深度大于6m；1－5表示5號罐區，其填土深度小于6 m；H表示地基環墻土；Z表示地基中間土。4種土樣的物理性質見表1。游離氧化鐵是紅土中最為重要的組分之一，對紅土特殊工程地質性質的形成具有重大的意義。因此本次試驗采用連二亞硫酸鈉－檸檬酸鈉－重碳酸鈉（DCB）法測定游離氧化鐵［14］。其實質是通過還原－絡合，采用選擇溶解的方法將土中的游離氧化鐵提取出來。提取過程包括高價鐵還原為低價鐵，以及鐵離子與檸檬酸根形成絡合物使其不會在溶液中沉淀兩種作用。將提取液進行比色得到游離氧化鐵總量。4種土樣的游離氧化鐵質量分數試驗結果見表1。

由比重計法顆分試驗得出：土樣的分散性較弱，團聚性較強，按地礦部DT－92粒度劃分屬于含砂亞黏土，4種土樣的顆粒分析累計曲線見圖1。

表1 土樣的基本物理性質及游離氧化鐵質量分數Table 1 Basic physical properties and the free iron oxide’s content of the laterite

從圖1可以看出，每種土樣加入分散劑后黏粒（粒徑＜0.005mm）質量分數均有所增加，且在加入分散劑的情況下，1－5H的黏粒質量分數高于1－1H，1－5Z的黏粒質量分數高于1－1Z。

2 擊實試驗與高壓固結試驗

2.1 擊實試驗

分別采用輕型、中型和重型3種擊實能級［14］對紅土進行擊實試驗。輕型擊實試驗的單位體積擊實功為592.2kJ/m3，錘重為2.5kg，落距為305mm，分3層擊實，每層25擊；中型擊實試驗的單位體積擊實功1 000.0kJ/m3，錘重為4.5kg，落距為170 mm，分5層擊實，每層56擊；重型擊實試驗的單位體積擊實功為2 684.9kJ/m3，錘重為4.5kg，落距為457mm，分5層擊實，每層56擊。將4種土樣配制成具有在塑限含水率附近的間隔2%的5個不同含水率的土樣（其中2個土樣含水率小于塑限含水率，2個土樣含水率大于塑限含水率，1個土樣含水率接近塑限含水率），進行不同能級的擊實試驗，之后測定土的含水率、干密度及飽和度情況，并繪制出1－1Z和1－5Z試樣在不同能級下干密度－含水率的曲線（圖2）。由圖2可知：輕型擊實情況下，1－1Z的最優含水率和最大干密度分別為13.21%和1.89g/cm3，1－5Z的最優含水率和最大干密度分別為13.89%和1.82g/cm3；中型擊實情況下，1－1Z的最優含水率和最大干密度分別為12.83%和1.90g/cm3，1－5Z的最優含水率和最大干密度分別為12.92%和1.88g/cm3；重型擊實情況下，1－1Z的最優含水率和最大干密度分別為11.16%和2.02g/cm3，1－5Z的最優含水率和最大干密度分別為12.03%和1.97g/cm3。

圖1 顆分累計曲線Fig.1 Grain size accumulation curve

圖2 不同擊實功下土樣干密度－含水率曲線Fig.2 Dry density－water curves for different impact works

2.2 高壓固結試驗

將中型擊實試驗后的紅土用環刀取出土樣，在高壓固結儀上進行高壓固結試驗。通過高壓固結試驗可以得到不同含水率、不同干密度、不同飽和度的紅土試樣的壓縮模量。繪制中型擊實試驗土樣的干密度、壓縮模量及飽和度－含水率曲線如圖3。

從圖3a中可以看出：土樣1－1H的干密度和壓縮模量都隨含水率的遞增呈先增大后減小的趨勢；飽和度則是隨含水率的遞增先增大后近乎不變；當干密度達到峰值時壓縮模量也接近峰值，此時飽和度接近拐點。但在圖3b、c中，當含水率大于最優含水率時，壓縮模量并沒有隨干密度曲線一直減小下去，而是呈先減小后略有增大的趨勢。在圖3d中，土樣1－5Z壓縮模量達到峰值時的含水率為15%，它與干密度達到峰值時的含水率13%相去甚遠，但與飽和度曲線拐點處的含水率卻較為接近。

3 討論

3.1 擊實效果的影響因素及影響機理分析

紅土的擊實效果簡而言之就是擊實后土體的含水率與干密度的情況。擊實效果好則含水率低且干密度大，擊實效果差則含水率高且干密度小。紅土是一種擊實效果較差的土體。擊實效果差究其原因存在內外兩方面因素的影響：內在的主要受游離氧化鐵質量分數、黏粒質量分數及塑性指數等影響；外在的主要受擊實功的影響。土體中黏粒質量分數的多少與塑性指數的大小反映了土體吸附結合水的能力的強弱，黏粒質量分數的增多會使塑性指數增大，吸附土中水的能力就較強，那么在一定的擊實功的作用下，土中水不易流動或者說土中水的流動會吸收更多的擊實能。因此，土的擊實效果會更差一些。這樣的情況可以通過紅土試樣1－1Z與1－5Z的對比得以驗證。在加入分散劑的情況下，1－5Z的黏粒質量分數高于1－1Z（圖1）。由表1可知：1－5Z的塑性指數為23.5，也高于1－1Z的21.4。故從圖2中可以看出，無論是輕型、中型和重型擊實的情況，1－5Z的最優含水率均大于1－1Z，最大干密度均小于1－1Z，說明1－5Z的擊實效果較1－1Z差。同時，紅土中游離氧化鐵的質量分數也是影響紅土擊實效果的因素之一。紅土之所以具有非常特殊的工程地質性質就是由于其游離氧化鐵的質量分數較高，游離氧化鐵以“橋”、“覆膜”的形式將細小的黏粒和部分粉粒（粒徑為0.075～0.005mm）膠結起來形成較大的團粒，這種團粒主要以粉粒的形式存在于土體中，這就使得紅土中粉粒質量分數大幅增加，土體表現出“假粉性”，這種“假粉性”可由圖1曲線得以驗證。這種游離氧化鐵的膠結使得擊實過程中消耗更多的擊實功，即游離氧化鐵的質量分數越高，紅土的擊實效果越差。這也可以從1－5Z比1－1Z的游離氧化鐵質量分數多，擊實效果差的實驗數據證明。當土樣的內在條件相同時，外因擊實功則對紅土的擊實效果起著很大的作用。從圖2的1－1Z與1－5Z的試驗，都可以得到擊實功越大擊實效果越好的結論。

3.2 擊實后壓實性的影響因素及影響機理分析

紅土擊實后的壓實性主要通過擊實后土體的高壓固結試驗所測得的壓縮模量來衡量。影響紅土擊實后的壓實性的因素有很多，其中紅土的擊實效果不同，那么擊實后紅土的壓實性也肯定是不同的，即影響紅土擊實效果的因素會間接影響擊實后紅土的壓實性。由于影響紅土擊實效果的各因素已經在3.1討論過了，故這里只討論紅土擊實后的含水率、干密度以及飽和度對紅土壓實性的影響。

圖3 土樣干密度、壓縮模量及飽和度－含水率曲線Fig.3 Dry density，modulus of compressibility and degree of saturation against water content curves

干密度和含水率是影響紅土壓實性的兩大重要因素，壓縮模量與干密度成正比關系而與含水率成反比關系，飽和度則能夠綜合反映土體干密度與含水率的情況，因此飽和度更能恰當地反應紅土的壓實性。在未達到最優含水率時，含水率、干密度、飽和度都增大，壓縮模量也是增大的，這說明此時干密度對壓縮模量的影響更大一些。一般情況下，干密度的峰值與飽和度的拐點是很接近的（如圖3a、b、c的情況）；但如圖3d的情況，壓縮模量的峰值則更加接近飽和度的拐點而非干密度的峰值，這說明用飽和度的曲線來反映壓縮模量的變化更具有普遍意義。當含水率超過飽和度的拐點時，此時土體處于近飽和狀態（飽和度＞85%），隨著含水率的增大，干密度是減小的，壓縮模量也應該是一直減小的；但當含水率＞18%時（如圖3c、d），壓縮模量卻基本不變或略有增大，說明此時含水率與干密度已經不能反映飽和紅土的壓實性了。即在實際的強夯工程上這種土的含水率不宜大于18%，否則會產生較大的工后沉降。

4 結論

1）紅土的擊實效果既受游離氧化鐵質量分數、黏粒質量分數及塑性指數等內因影響，又受擊實功等外因影響。紅土的黏粒質量分數越高、塑性指數越大、含有的游離氧化鐵越多，其擊實效果越差，即擊實試驗所得到的最優含水率越大，最大干密度越小。2）紅土的擊實特性與紅土的干密度和含水率有關。研究表明，紅土的飽和度對其影響也是至關重要的，即飽和度的曲線更能夠反映壓縮模量的變化情況。3）隨著紅土的含水率逐漸增大，擊實后紅土的壓縮模量大致呈先增后減的趨勢。但當含水率＞18%時，壓縮模量卻沒有一直減小，而是保持基本不變或略有增大。此時含水率與干密度已經不能很好地反映飽和紅土的壓實特性。在實際的強夯工程上這種土的含水率不宜大于18%，否則會產生較大的工后沉降。

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