高液限紅黏土微觀結構與工程特性

于榮喜

中鐵上海設計院集團有限公司，上海 200070

截至2021年底，我國鐵路營業里程突破15萬km，其中高速鐵路運營里程超4萬km［1］。隨著八縱八橫高速鐵路網加密成型，工程建設中不可避免地會遇到大量高液限土，如處置不當，將會引發路基翻漿、不均勻沉降、邊坡滑坡等，影響鐵路安全運營［2］。

國內外眾多專家圍繞高液限黏土展開了大量研究。鄭德平［3］以浙江高速公路沿線天然高液限土為研究對象，分析其路用性能及不同含水率下石灰、水泥摻量的改良效果，確定了摻加4%石灰改良效果最優。張軍輝等［4］采用靜、動三軸試驗測定不同圍壓、含水率、應力水平條件下土樣的破壞應力與彈塑性力學行為，建立了高液限黏土臨界破壞應力快速預估模型。趙潤濤［5］針對高液限膨脹性黏土，提出了按照摻2%石灰+3%水泥的化學改良方案，建議改良土施工應選擇在旱季進行，并通過晾曬、灑水等控制含水率。王林峰等［6］采用標準擊實和CBR強度試驗研究紅黏土的壓實特性，提出了互層式紅黏土土石分層填筑方式。董城等［7］利用動三軸試驗，研究了水泥改良高液限黏土動態回彈模量的影響因素及其變化規律。綜上所述，目前圍繞高液限紅黏土的研究大多集中在改良技術與改良效果評價，鮮有圍繞高液限紅黏土微觀結構的研究。

本文以廣東省梅州市某工點路塹高液限紅黏土邊坡為研究對象，采用掃描電鏡和壓汞試驗等方法，從孔隙特征和結構特征兩方面，研究紅黏土孔徑分布、孔隙分形等微觀結構特征，建立與其對應的高液限紅黏土宏觀力學性質的聯系，在微觀尺度上揭示了高液限紅黏土邊坡失穩機理，為高液限紅黏土邊坡設計與施工提供理論與技術支撐。

1 室內試驗

1.1 試樣制備

為更加準確地分析紅黏土的微觀結構與工程特性，在同一邊坡的不同位置各取三組原狀土樣，見圖1。

圖1 取土現場與土樣

為避免試樣制備過程中黏性土-水-氣界面表面張力使組構發生變化，選用目前最適宜黏性土的低溫冷凍干燥法進行試樣制備。具體步驟如下：①取原狀土，將土樣制成1 cm3左右的塊狀；②將土樣放入液氮中5 min，使土中的液體迅速結成玻璃態冰；③取出土樣并放入真空冷凍干燥機中24 h，使土樣中的冰晶在-52 ℃環境中緩慢升華，進入干燥狀態。

1.2 掃描電鏡試驗

采用Quanta 250型掃描電子顯微鏡對高液限紅黏土微觀結構進行分析，該顯微鏡在高真空觀測模式下的分辨率可達3 nm。

1.3 壓汞試驗

壓汞試驗的基本原理是基于非浸潤性液體（通常為汞）特有的表面張力，若外部不對測試體施加壓力，汞液就不會進入多孔介質微小的孔隙當中。

本次壓汞試驗采用美國Micromeritics 生產的AutoPoreⅣ9500型高性能全自動壓汞儀進行試驗。

2 結果與討論

2.1 掃描電鏡結果分析

不同放大倍數下紅黏土掃描電鏡分析結果見圖2。可知：紅黏土一級單元體主要是以蜂窩狀排列的顆粒為主，二級單元體為某些未風化的礦物；一級單元體尺寸在10 ～20 μm，二級單元體尺寸為1 ～5 μm。在3 000 ～6 000倍尺度上，土體主要以一級單元體形式存在，多數為片狀或球狀，形狀不規則，單元體間排列較疏松，粒間的架空孔隙較多，這些架空部分大多為溶蝕空洞，單元體間孔隙和單元體內孔隙也較多，從整體上看一級單元體間結構形式為蜂窩結構。在6 000 ～12 000 倍尺度上，一級單元體被進一步放大后，可發現呈不規則的多面體的片狀單粒結構，大小不一，可判斷其為二級單元體。顆粒間的結構形式可分為兩種情況。一種是非常規則的片狀層疊結構，這種結構在6 000 倍視野下分布均勻，12 000倍下觀測其結構，發現層狀明顯，以面-面接觸為主，這些顆粒組成團粒與其他顆粒連接。唐益群等［8］在上海淤泥土中也發現類似結構，認為其是生物殘骸或硅藻土；張抒［9］認為該結構是假六方片狀高嶺石，該點的能譜分析顯示，其鋁、硅含量高。本文認為其為未被溶蝕破壞的原生高嶺石，其晶片厚0.5 ～1.0 μm。另一種為不規則分散狀顆粒，這種顆粒在風化作用下原生結構被破壞，在風化過程中及降水作用下，表層土體迅速飽和。這些顆粒由于重力很小，能夠在水中懸浮，不因自重而下沉，形成次生疏松的結構，這種結構以面-邊接觸或邊-邊接觸為主，屬絮狀結構。

圖2 紅黏土掃描電鏡分析

如表1 所示，能譜分析顯示，紅黏土中含氧量在50%以上，風化程度極高，鋁、硅元素含量之比約1∶1，判斷其以高嶺石為主；此外含有一定量的鐵離子，可以判斷其為碳酸鹽巖系出露巖石經紅土化作用形成，殘留大量的鐵、鋁等金屬元素。

表1 紅黏土元素含量 %

2.2 壓汞試驗結果分析

經測試，紅黏土的液限為55% ～64%，塑限為18%～25%，黏聚力為8.5 kPa，內摩擦角為30°。壓汞試驗測試結果見表2。可知，不同位置紅黏土的主要參數基本一致，表明紅黏土在同一地層中孔隙特征基本相同。

表2 壓汞試驗主要參數

2.2.1 進出汞曲線特征

紅黏土孔隙體積與孔徑關系曲線見圖3。可知：紅黏土的進汞曲線兩端平緩，中間較陡峭，出汞曲線呈現近似線性減小趨勢；隨著孔徑變化，進汞體積增量具有階段性變化。開始階段進汞體積速率緩慢，達到某一壓力閾值時開始迅速增大并達到峰值。同時，在相同孔徑范圍內，進出汞曲線并不重合，出汞曲線與進汞曲線的路徑并不完全一致，這說明一些汞因某些原因無法退出，永久性地殘留在土孔隙中。表2中持汞系數（即滯留在土內汞含量和總進汞含量的比值）也證明了這一觀點。

圖3 紅黏土孔隙體積累計量-孔徑關系曲線

2.2.2 最可幾孔徑分布特征

最可幾孔徑曲線是孔徑分布微分得到的曲線，其峰值對應的孔徑是出現可能性最大的孔徑，能將dV/d lgr隨著lgr的變化而變化的曲線關系反映出來。紅黏土最可幾孔徑的關系曲線見圖4。可知，紅黏土具有較典型的峰值，最可幾孔徑為609.7 nm，且孔徑則集中分布在100 ～1 000 nm。

圖4 紅黏土最可幾孔徑分布曲線

2.2.3 孔喉比

孔隙的曲折性和連通性主要由3 個指標控制：孔喉比、持汞系數、孔隙迂曲度［10］。孔喉比描述了孔腔直徑與喉道直徑的比值，其分布規律可以反映土體孔隙孔道與喉道匹配關系的復雜程度，定量描述孔隙的連通性和曲折性；持汞系數是指在壓汞儀的額定壓力范圍內，從最大注入壓力降低到最小壓力時，土樣內殘留的汞體積與壓力降落以前注入汞總體積的百分比。孔喉比是控制持汞系數大小的主要原因，持汞系數隨孔喉比的增加而增加；孔隙迂曲度是指土中孔隙兩端的實際距離與孔隙兩端的直線距離之比，即滲流流體穿越單位距離的介質時，流體中質點在孔道中運動的真實長度，是描述滲流通道的一個重要參數。

紅黏土孔隙填充率與孔喉比關系曲線見圖5。總體來看，紅黏土孔隙分布較均勻，且其比值也較小，孔隙連通性好；孔喉比和持汞系數呈正相關。通常情況下，孔喉比大的土，由于水的表面張力的影響，水難以進入也難以排出，鎖水能力強，在降雨或外部水頭作用下，水一旦進入孔隙就很難排出，而在長時間保持高含水率的情況下，土體強度中基于這些孔隙的毛細吸力將逐漸消散，導致土體表觀強度下降，從而易引發邊坡失穩。

圖5 紅黏土孔喉比-孔隙填充率關系曲線

2.2.4 分形維數

基于多孔材料的壓汞試驗分析，文獻［11］發現了孔隙表面能和進汞增量存在分形特征，提出基于熱力學的分形模型。該模型認為，在進汞過程中，進汞量隨著壓力增加而增加，這導致孔隙表面能不斷升高。進汞增量Qn與孔隙表面能Wn的關系為

對式（1）進行修正，得到

式中：Vn為孔隙體積；D為斜率，即孔表面分形維數。

圖6 紅黏土熱力學分形

分形特征表明了孔隙參數在不同尺度下的自相關性。使用熱力學分形模型對高液限土孔隙結構參數進行研究發現，高液限土孔隙具有明顯的分形特征，在不同尺度下的熱力學分形具有很好的線性相關性，且根據［12］的研究，對于土體來說，土中孔隙越多分維越大；土中孔隙分形維數與土體滲透性呈負相關，這與孔喉比等指標的結果相互印證。

2.2.5 比表面積

黏土礦物的表面積相對大小可以用單位質量（或體積）顆粒的總表面積，即比表面積來表示。比表面積是表征黏性土水化或膨脹量的一項重要指標，與膨脹特性、液限、礦物組成以及保水能力等性質密切相關。比表面積越大的土，其脹縮性越強，液限越高［13］。研究表明，蒙脫石、伊利石、高嶺石的比表面積變化很大，蒙脫石比表面積約為800 m2/g，而高嶺石則約為15 m2/g。紅黏土的孔隙比表面積累計量與孔徑變化的關系曲線見圖7。可知，紅黏土的比表面積在孔徑1 000 nm左右有明顯增加，與孔徑的分布規律類似；紅黏土的總比表面積在17.5 ～27.5 m2/g。總體來看，黏土礦物主要以高嶺石為主，結合其孔隙率和孔徑分布，可以發現紅黏土的總比表面積大，表明其親水性強，脹縮性也強。

圖7 紅黏土比表面積-孔徑關系曲線

2.3 高液限黏土工程特性分析

紅黏土（碳酸鹽巖風化物）孔隙率大，液限高。碳酸鹽巖較易風化，宏觀上常發育溶洞，其全風化殘積物中也常保留有較大的溶蝕孔隙，滲透性好，微觀圖像顯示其形態在微觀尺度下也呈現疏松多孔。電泳試驗表明，黏土礦物顆粒表面帶負電荷［14］，吸引帶正電荷極性水分子，這部分以結合水形式存在于一級單元體內部極不容易失去。對于一級單元體相互之間而言，由于單元體本身是一個相對較大的黏粒聚集體，對水具有較強吸附能力。因此，紅黏土具有較高天然含水率、孔隙比、液限、塑限和飽和度。

由于紅黏土天然含水率和孔隙比較高，土體失水后會產生固結收縮現象，土體產生收縮后體積減小，單元體之間的結合力相對增加，但土體的微觀結構已受到損傷，再充水時基本無法恢復原狀，即紅黏土的脹縮性具有一定的不可逆性。因此，其反映的脹縮性特點是紅黏土具有一定脹縮性，且以收縮為主。收縮量大，膨脹量小，但收縮后浸水時可產生較大的膨脹量。

在宏觀上，紅黏土是一類特殊的黏性土，在干燥的時候強度非常高，泡水后強度顯著下降；其脹縮性明顯，且收縮性更為顯著。高液限紅黏土邊坡在南方多雨地區，泡水后土體間孔隙短時間內被填充，這將在短時間內增加單元體間的距離，降低單元體間黏聚力，土體裂隙逐漸產生并擴張，經多次干濕循環脹縮變形后，土體從微觀結構損傷向宏觀整體系統結構穩定性損傷發展，進而發生土體整體失穩破壞。

由于紅土化作用是一個脫硅富鋁鐵的風化過程，紅土化的程度從地表向下逐漸減弱。上部鐵鋁富集程度較深，顏色較紅，且由于裸露在地表，含水率相對下部要小，因而體現出從上到下顏色逐漸變淺，含水率逐漸增加，強度逐漸減小的特征和“軟基座”特性。因此，紅黏土高液限土邊坡在宏觀上常易形成上硬下軟結構，在破壞形式上也常因坡腳泡水軟化而失穩。

3 結論

1）紅黏土孔隙率大多在50%以上，孔徑主要分布在100 ～1 000 nm，孔隙類型主要是顆粒間孔隙，孔隙結構以蜂窩狀為主，殘留有片狀高嶺石粒團，孔隙形態特征較規則。

2）紅黏土的總比表面積最大，表明其親水性最強，脹縮性也最強，因此紅黏土表層容易形成裂隙，而又有較高的液限。

3）自重荷載作用和含水率不斷變化對邊坡土體微觀結構造成損傷產生不可逆、不均勻變形，這種變形的發生將會破壞土體的微觀結構，降低土的強度，含水率的增加將加速土體變形破壞。