碳酸巖地區紅粘土邊坡變形機理分析

■董智飛 牟玲峰

（廣西基礎勘察工程有限責任公司 廣西南寧5300143）

碳酸巖地區紅粘土邊坡變形機理分析

■董智飛 牟玲峰

（廣西基礎勘察工程有限責任公司 廣西南寧5300143）

碳酸巖也叫火成巖，主要物質是碳酸鹽礦物，因碳酸巖地區的土質特點，形成了不同的紅粘土變形特性，對碳酸巖地區的紅粘土邊坡變形對工程建筑和土地開發造成一定的影響。廣西壯族自治區是典型的碳酸巖地區，本文將以廣西區內碳酸巖地區為研究對象，通過對廣西殘積紅粘土、殘坡積紅粘土以及沖洪積紅粘土的形成分析，研究廣西區內紅粘土的基本物理性質以及收縮性能、微膨脹性能，得出碳酸巖地區紅粘土邊坡變形的原因。

碳酸巖廣西紅粘土邊坡變形

1　前言

紅粘土主要分為三種，花崗巖的出露區形成的紅粘土、地質紅層的出露區形成的紅粘土以及碳酸巖的出露區形成的紅粘土[1]。因紅土化的土質影響，最終變成黃褐色、棕紅色等色系的土質。因含有的粘粒十分高，粘粒之間都是以結合水聯結和膠結聯結為主要結合模式，使紅粘土結構性強，是具有十分強的可塑性粘土。廣西、云南、廣東、湖南、貴州等地都屬于熱帶與亞熱帶地區，是我國主要的紅粘土分布地區，總露出的面積達到二十萬平方公里左右，壓縮性能低但具有高力學強度，因此在紅粘土區域進行施工建設需要對紅粘土有一定的探究。本文主要研究的是碳酸巖地區紅粘土，紅粘土是處在酸性地質環境中碳酸鹽系典型的特殊土質，包括巖石風化殘積、殘坡積以及沖洪積，它含有豐富的鋁氧化物和鐵。廣西紅粘土的形成主要是碳酸巖類母巖溶余堆積，屬于偏中弱級別的膨脹性紅粘土。以廣西區內靖西縣、合山市、柳州、貴港、玉林市福綿區及其交界處等典型紅粘土地區為研究對象，研究紅粘土變形特性，含水量的多少影響其變形量等紅粘土邊坡變形機理。

2　碳酸巖地區紅粘土的形成

2.1殘坡積、殘積紅粘土的形成

殘坡積和殘積紅粘土主要形成在山麓斜坡和溶蝕緩坡，其礦物成分包含大量的高嶺石和伊利石，土體呈現紅褐色和黃褐色。殘坡積和殘積紅粘土一般呈以團狀或是塊狀，團狀結構特點使得其粘性很強。紅粘土土體發育以垂直裂隙為主，碳酸鹽巖經過了淋溶、分解結合、遷徙和團聚等一系列復雜紅土化反應，讓碳酸鹽巖逐漸風化成殘坡積和殘積紅粘土。碳酸鹽巖中白云石、方解石的可溶性礦物質通過廣西豐富的地下水溶出，同時攜帶了酸性粘土礦物中的硅、鋁、鐵物質。基于以上分析，殘坡積、殘積紅粘土的形成原因主要為交代作用和溶蝕作用[2]。溶蝕作用也就是碳酸鹽巖與水產生化學反應，所形成的溶蝕作用，也就是地下水對碳酸巖中可溶性物質的溶解遷移作用。由氧離子、二氧化碳、一氧化碳離子、氫氧離子、碳酸氫根離子等多種離子，通過在溶于二氧化碳的水在氣態（空氣）、液態（水溶液）、固態（碳酸鹽）三種形態之間進行復雜的化學反應。交代作用分為滲透交代和擴散交代，兩者都是在不改變成礦物質巖石的構造和結構的基礎上，改變成礦物質巖石的礦物成分的化學作用。滲透作用是在溶液流動時，擴散作用和滲透作用相結合改變其礦物成分。擴散作用是溶液中的物質通過離子和分子的形式擴散到成礦物質巖石中，從而實現改變成礦物質巖石中的礦物成分。綜上可知，碳酸巖地區的紅粘土中的硅、鋁、鐵等礦物成分物質依靠地下水作為載體，經過擴散作用和滲透作用，碳酸鹽巖在廣西多雨高溫的地理條件下形成紅粘土。

2.2沖洪積紅粘土的形成

沖洪積紅粘土的形成主要在緩坡和階地的低洼區域。低洼區域的礦物成分與山麓斜坡和溶蝕緩坡的礦物成分相同，主要成分為高嶺石和伊利石。但因搬運物質所堆積的環境不同，紅粘土在不同的沉淀環境里的形成的粘土具有明顯的差異性，這就形成了沖洪積紅粘土。沖洪積紅粘土土體顏色分布不均，顏色自上而下的分層，呈現出黃白相間或紅白相交的網紋狀層次色彩。從廣西柳州所形成的沖洪積紅粘土可知，從宏觀上看，其土體結構呈塊狀，結構十分緊湊，土顆粒具有較輕的連接性。以灰巖為主的下伏基巖，因受到不斷起伏的基巖面影響，土層厚度不一致。對于沖洪積紅粘土的網紋狀形成，有學者認為，紅粘土在最初受到風化作用的不斷堆積，隨著風化作用不斷增加，原有的紅粘土中的礦物經過還原分解，紅粘土的氧化鐵經過淋濾分解最終流失，從而形成了白色網紋，加上原來紅粘土中的堆積，最終形成了紅白交間的網紋狀紅粘土。

3　碳酸巖地區紅粘土的性質

3.1基本物理性質分析

廣西屬于亞熱帶氣候，風化作用較強，均屬于過渡類型的廣西平原石炭系白云質和灰質白云巖，以及邊緣區域的泥盆系中統都是碳酸巖產生地帶，紅粘土風化作用良好，風化殼可達到5至10米，成熟度較穩定且都有垂直分帶性。采集廣西貴港紅泥土，分析碳酸巖地區紅泥土的物理性質可得出其相關物理性質數值。碳酸巖地區紅粘土的礦物成分主要有四種，74%的高嶺石，17%的針鐵礦，6%的蛭石以及3%的是石英。其紅粘土的物理學性質指標可見表1。由此可見，碳酸巖地區的紅粘土的天然重，飽和度、液限、比重、干重等物理性質高于一般粘土，其紅粘土還具有無側限抗壓高強度、壓縮系數低和較高的直剪強度，這表明了紅粘土較高的力學特征。

表1　碳酸巖地區紅粘土物理性質數值（以廣西貴港市為例）[3]

3.2微膨脹與收縮性能分析

針對廣西不同地區的紅粘土力學性質指標的分析，發現紅粘土體縮量之間差異性不大，并且被烘干后的紅粘土，有著網狀似收縮的微裂隙現象，開環刀會按照裂隙紋路張開隨后破碎。根據地質普查相關材料得知，干旱季節許多地方的土層會發生裂縫，比如在廣西桂平富江口鎮出現的地裂情況，富江口鎮出現的地裂最長達到四十一點五米，最短的都有八米，寬度達到六至十五厘米。這表明了碳酸巖地區紅粘土的體縮量十分大，收縮變形的程度十分強烈[4]。根據在廣西區內采集的紅泥土進行的實驗可知，線縮率的變化因紅粘土含水量的大小變化比膨脹率的變化要高得多，由此可知，在縮限性能和脹限性能間，紅粘土主要變形以收縮為主，這是碳酸鹽巖形成的紅粘土的特點之一。

根據現有的紅粘土資料顯示，紅粘土的液限都大于百分之五十，多數紅粘土的液限在百分之五十到百分之七十之間，自由膨脹率大約在百分之二十七。參照廣西相關的地質資料，根據其標準可以判定紅粘土是膨脹性粘土。然而，廣西區內的紅粘土脹縮率較小，少數膨脹率超過百分之三點五，因此廣西紅粘土的膨脹性較弱，屬于微膨脹性能。由此可知，碳酸巖地區的紅粘土具有縮脹變形的特點，其中以收縮變形為主，膨脹變形呈中弱狀態。

4.碳酸巖地區紅粘土邊坡變形機理

4.1紅粘土成分導致變形

紅粘土具有特殊的固結變形特點，不僅具有超固結性還具有明顯的孔隙性。這些特性影響著紅粘土的變形。巖溶化學反應改變了母巖的結構和物質，經過溶蝕作用形成大量的空隙和土粒礦物。風化作用將紅粘土中的游離氧化物聚集起來并產生膠結聯結。紅粘土土粒之間的主要聯結是游離氧化物因膠結聯結作用，他影響著紅粘土的固結程度，同時也決定了反剖面的超固結比以及先期固結壓力的特征[5]。紅粘土剖面部游離氧化物的含量高，則化學作用高，反之化學作用力低，致使紅粘土結構強度減弱。

除此之外，游離氧化物的含量及其存在形式也影響紅粘土的膠結作用。因大氣作用影響膠體，這使得原來結構與成分均衡的堆積物的固結程度產生變化。越靠近地面，紅粘土的固結程度越好，力學性質越明顯。另外，溶液的PH值也影響游離氧化物的膠結作用，當溶液呈堿性時，會阻礙氧化物氧化，導致膠結程度降低。反之，酸性環境下，促進氧化物產生氧化反應，紅粘土的膠結作用增大。紅粘土的土質大多呈堿性或中性，但也有小部分呈酸性，此外，紅粘土中也存在一些酸性物質，而這些作為研究對象的地區降水量普遍較多，雨水滲入土壤，致使一些可溶的酸性物質溶解，使土壤的酸堿度失衡，呈現偏酸性的狀態，最終影響了紅粘土的膠結作用。

4.2紅粘土的結構與紅粘土變形

從微觀的角度研究紅粘土的結構，可知紅粘土的微觀結構特點有兩部分，因此紅粘土的孔隙有對應的兩個層次，其一是較小的孔隙，主要在粘土粒團的內部；其二是較大的孔隙，存在粘土團粒之間。我國著名的地質學廖義玲教授經過對紅粘土進行壓汞試驗以及利用電鏡掃描觀察得知，第一層的孔隙以封閉或者半封閉的狀態，占孔隙總體的多數，約達總數的四分之三。然而，孔隙的數量卻不受壓力作用的變化而變化，這些在受力后呈惰性的孔隙與第二層孔隙不同，第二層孔隙較大，形狀不規則或是較狹長，而這些活性孔隙在受到壓力作用后數量急劇減少。惰性孔隙團粒的聯結作用較為牢固穩定，因此具有較強的剛性，因此不會受到壓力變化的影響。而在作用力下，紅粘土的變形主要因素是團粒間孔隙的減小，由于團粒之間的孔隙體積于總數較小，則紅粘土的壓縮變形較弱。因此，紅粘土的微觀結構決定了其低壓縮高孔隙的特性，形成紅粘土的變形原因。但是，盡管比較微弱，外界壓力對紅粘土的影響依然存在。紅粘土的邊坡遭到開挖之后，原本的截面方位、受力點以及內部應力等都發生了變化，并且土壤內部產生的內力將會試圖恢復土壤的原貌；然而土壤受到的外力作用影響不僅僅來自挖掘時產生的作用力，還有空氣濕度的變化等產生的影響，這些外力改變紅粘土邊坡的形狀，并與土壤內部作用相結合，最終也會導致紅粘土邊坡的變形。比如當紅粘土中的含水量產生變化，其粘聚力也將隨之變化；在含水量達到25%~35%時，紅粘土的粘聚力為50%~65%kPa，而如果含水量增加到40%~70%，粘聚力則下降到大約30%kPa。可見如果外部因素對紅粘土的內部結構產生了影響，同樣會使紅粘土變形。

4.3紅粘土固結力與紅粘土的變形

紅粘土變形以固結變形為主，包括化學固結和物理固結。其變形本質是因紅粘土的結構強度，使其力學性能加強的過程及其結果。以往的研究中，有人認為土體的重力導致紅粘土的先期固結壓力，然而實驗研究表明，固結力有“反剖面”性質，隨深埋增加而減小，超固結比值也隨之減小，最終導致紅粘土固結性降低。紅粘土的性質指標也隨著深埋的程度進行有規律的變化。因此可以說，紅土化作用決定固結壓力隨深埋的深度增加而減弱，并非是土體的重力影響。不過，紅粘土的物理固結不止受重力影響；紅粘土具有孔隙性，某些孔隙比在1.6以上的紅粘土，含水量可達到60%。因此，如果紅粘土中的活性孔隙被水滲入，也有可能會帶來一些變化。活性孔隙中的水分如果受到荷載作用，將會被排出土壤之外，從而可能導致紅粘土體積變小，出現固結現象，最終產生變形。粘土磚的制造比較能體現這一過程，粘土磚在取得原始泥料之后對泥料進行相應的處理，使之成型，最后對粘土磚采取干燥、焙燒的方法完成制作。雖然粘土磚在制作初期就已經改變了一些黏土原本具有的性質和結構，但是制作過程中的干燥、焙燒工序和紅粘土經過水分充分滲出后固結的現象十分相似，同樣是通過排出水分實現固結的過程。實驗表明，對同一類紅粘土進行不同程度的脫水處理，其壓縮系數各不相同。如對保持原狀的紅粘土進行測試，發現它的壓縮系數為60%；經過擊實后的紅粘土，壓縮系數為50%~55%；而進行風干和烘干處理的紅粘土壓縮系數在40%~45%之間，數據顯示紅粘土的壓縮系數是隨著水分的減少而降低的，水分的缺失會影響紅粘土的形狀。紅粘土作用是一個復雜的化學反應，要通過對不溶性氧化物進行一系列反應。在作用中，紅粘土中的膠結物形成了強力學，高抗水性的土粒。地域的氣候、深埋情況和時間推移都影響著紅土化作用。由此可知深埋程度越深，紅土作用越薄弱，因此紅粘土的先期固結力越小，紅粘土的變形也越小。

4.4膠結作用與紅粘土變形

紅粘土因風化作用，在顆粒結構上屬于細粒土，以粘聚力為主，其次是內摩擦力的作用，使其抗剪強度較強。土粒間的物質發生的各種化學或物理性質的作用力，決定了紅粘土的粘聚力，如膠結作用力和庫侖靜電力都是土粒間的作用。而膠結連結、毛細水連結、結合水連結的作用宏觀地反映了紅粘土中顆粒內部的連結反應。和一般性的粘土一樣，紅粘土的結合水連結作用的規律也是因含水量的變化而變化。廣西大部分地區屬于亞熱帶季風氣候，處于這種氣候下的地區全年降水量比較充足，我國的亞熱帶季風氣候區的年降水量一般在800毫米到1600毫米之間；降水主要集中在夏季，尤其是最長可達一個月的梅雨期，冬季降水最少，具有比較明顯的季節性。盡管紅粘土較其他類型的土壤來說滲水性非常差，速度只有大概0.7毫米每分鐘，重力水的滲透深度僅在50厘米左右，但是紅粘土的親水性較強，當液限達到50%~70%時，其塑限可達到30%~50%，塑性指數為20~40。因此長期處在這樣水源充足的環境之下，仍然會導致紅粘土自然含水量的大幅增加。此外和土質也有關聯，例如在靖西縣的紅粘土中，膠粒含量超過了70%，這使得靖西縣的紅粘土容易吸收水分且受到水分的影響。紅粘土自然含水量的增加，增厚了土粒表面擴散層弱結合水膜，致使土粒之間的距離增長，最終減弱了紅粘土的連結力。紅粘土粘聚力弱是紅粘土變形的根本原因，膠結連結的形成因膠結物質（包括氧化鋁、氧化鐵、二氧化硅等物質）又決定了紅粘土的粘聚力的強弱。膠結物質中的游離態氧化鐵的膠結作用最為主要，當紅粘土中的礦物與游離態的氧化鐵相互作用，游離氧化鐵以包膜形式吸附在粒團礦物周圍，使得礦物粒團起到了堅固的膠結作用。根據實驗數據顯示，當紅粘土含水量大于百分之四十，膠結作用會突然消失，粘聚力較低。當含水量小于百分之三十五，膠結作用沒有明顯變化。由此可知紅粘土含水量變化對氧化鐵的膠結具有突變性的影響。

5　結語

根據分析得出，紅粘土的變形與固結是相互影響，紅粘土因固結性使得紅粘土疏而不散。通過對廣西各地的紅粘土進行試驗分析，得知碳酸巖地區的紅粘土變形機理主要包括紅粘土的含水量、膠結性、溶液PH值、粘聚力強弱、游離氧化物的含量、游離氧化物存在形式以及外部環境（如溫度）等。

[1]王占華.廣西紅粘土結構性研究 [J].中國水運,2008(06):193-194.

[2]尹國強.桂中地區紅粘土的土質學特征 [D].廣西，廣西大學，2013.6.

[3]孔令偉.郭愛國，拓勇飛，趙穎文.廣西紅粘土擊實樣強度特性與脹縮性能 [J].巖土力學，2004（03）：369-373.

[4]曾秋鸞.論廣西紅粘土的脹縮性能 [J].廣西地質，2000（03）：75-77.

[5]畢慶濤.紅粘土固結變形特征及其形成機制的研究 [D].貴州，貴州大學，2006.2.

P61[文獻碼]B

1000-405X（2016）-2-84-1