桂林红黏土结构特性研究申浚滔

桂林红黏土结构特性研究申浚滔

申浚滔1&nbsp,黄翔2

摘要：为研究桂林红黏土结构特性，结合前人研究与桂林地区地质勘察资料，通过对桂林地区典型的残积型红黏土进行化学成分测试，平均孔径测试和电镜扫描试验，研究桂林红黏土宏微观结构特性。研究结果表明：桂林红黏土中黏土矿物颗粒大多是1μm以下的细小颗粒，之间伴有氧化铁淀积，红黏土颗粒团大多为蜂窝状、团粒状，矿物成分表现出亲水性和膨胀性较弱的特点；桂林红黏土孔隙率较大，土体内部存在大量的自由水和结合水，导致含水率大，其液性、塑性也相对较大，分散性较高；桂林原状红黏土由于受土样中矿物成分的影响，特别是板条状的伊利石与鳞片状的高岭石的影响，原状土微观结构主要层呈块状、板条状、局部见鳞片状。

关键词：红黏土；物理指标；化学成分；微观结构

StructurecharacteristicresearchofredclayinGuilin

SHENjuntao①HUANGXiang②

（1.Guangxibasisforprospectingengineeringco.,LTDGuilin541004，2.GuilinUniversityofTechnology,Guilin541004

Abstract:Inordertothestudyofguilinredclaystructurecharacteristics,combiningpreviousresearchandguilinareageologicalsurveydata,thetypicalredclaytyperesidualofguilinareaandchemicalcompositiontest,theaverageporesizetestsandelectronmicroscopescanningtest,macroresearchofguilinredclaymicrostructurefeatures.Theresultsshowthattheclaymineralscontentinguilinredclayparticlesaremostly1mumbelowthetinyparticles,withironoxidedeposition,betweenredclayparticlegroupmostlyhoneycomb,granular,mineralcompositionshowshydrophilicityandweakdilatability;Porosityislarger,guilinredclaysoilwithinalargenumberoffreewaterandboundwater,causealargemoisturecontent,itsliquidity,plasticalsorelativelylarge,highdispersion;Guilininplaceduetotheredclaysoilsamplesintheinfluenceofmineralcomposition,especiallytheboardstripsofilliteandkaoliniteofscaly,theinfluenceofundisturbedsoilmicrostructuremainlayerisblock,plate,strip,andlocalscales.

Keywords:redclay;Physicalindicators;Chemicalcomposition;Microscopicstructure;

引言

红黏土分布广泛，我国红黏土的在南方分布较多，如中西部的云南、贵州、四川及两广地区。其具有许多特殊的工程特性，在物理力学性质、微观结构特征、变形特性、剪切特性等方面有别于其他类型土错误！未找到引用源。。红黏土是由碳酸类岩石在湿热环境下通过风化形成的一种富含黏粒和铁、铝氧化物胶结结构的红褐色黏土，由于大量黏粒与胶结结构的存在使得红黏土具有其特殊的物理、力学性质[2]。红黏土自1807年被英国学者布切纳首次发现后，至今已有两百余年的研究历史[3]。各国学者从土壤学、地质学、环境学、岩土工程学等方面对红黏土进行了多方位、大量的调查研究工作,黄质宏等[4]对贵阳地区碳酸盐红黏土进行常规土工试验，得出该地区红黏土有黏粒含量、高天然含水率、较大的孔隙比、一定的胀缩性等物理特性，赵颖文[5]等对广西原状红黏土进行了力学性状与水敏性研究，夏小兵[6]对海口灵山红黏土工程特性进行研究讨论，蒋明镜,沈珠江对结构性黏土剪切带的微观特征进行了分析[7]。

广西桂林市属典型的岩溶发育区，下伏基岩深浅不一，受基岩面埋深的影响，第四系松散堆积物分布厚度不均，由于基岩多为碳酸盐类岩石，存在大量溶余堆积的红黏土，以及经搬运沉积的而成的次生红黏土。不同地区的红粘土结构特性有着普遍差别，因此进行当地红粘土结构性质研究可为该地区工程实践提供理论参考[8][9][10]。

1试验仪器与方法

本试验选择桂林市叠彩区某工地上的典型残积型红黏土，检测原状红黏土主要化学元素成分所用仪器为X射线-荧光分析仪，如图1所示；原状红黏土微观结构，试验仪器为牛津扫描电镜SEM-model7585。对原状红黏土试验进行元素分析，试验仪器为X衍射-荧光分析仪。把不同取样位置的红黏土原样各取少量进行碾磨直径﹤1mm的土颗粒，把土颗粒利用压实仪压成等形状的圆形小试块，放入X衍射-荧光分析仪中进行元素测试。测试原状红黏土主要元素随深度变化规律。由于桂林红黏土工程特性主要为膨胀性且收缩性较弱，风干对土体收缩影响相对较小，因此用风法脱水处理。

1红黏土结构特性

1.1红黏土粒度与矿物成分

1.1.1粒度成分

对残积型红黏土的颗分测试分析发现，土体含有较高的黏粒含量，粒度小于0.005mm黏粒含量达到了62.3%，粒度大于2mm黏粒含量较低，见表1。由于红黏土的微小颗粒多，胶粒含量高，较多情况下呈高分散性，如图2所示。

1.1.2矿物成分

桂林红黏土存在较多的黏土矿物，以高岭石、伊利石、方解石、绿泥石为主，含少量的蒙脱石、针铁矿、滑石，矿物成分大约在60%左右，见表1。

黏土矿物颗粒大多是1μm以下的细小颗粒，之间伴有氧化铁淀积，其土颗粒团大多为蜂窝状、团粒状，非黏土矿物成分主要为长石和石英但含量较少。高岭石是在湿热环境下酸性介质中生成，其具有稳定的晶格构架，极性水分子和交换阳离子均不能进入晶层，表现出亲水性和膨胀性较弱的特点。

1.1.3红黏土化学成分

化学成分对取得的不同深度红黏土样进行风干碾磨压片处理，利用x衍射试验对其化学成分进行测试，试验结果见表2。

图1红黏土化学成分测试

由表2、图1可知，桂林地区红黏土的化学成分有主要三个特点：由于红黏土特殊的形成条件，使得其存在特有的结构特性，胶结结构的主要形成物质有铁、铝氧化物，由图表所示数据可见桂林地区红黏土有较高的倍半氧化物（Al2O3、Fe2O3），含量在44%左右。铁、铝氧化物形成的胶结结构对红黏土力学变形特性存在较大影响；碱土金属含量较低（K2O、CaO、MgO），小于5%，可溶盐含量也相对较低；二氧化硅（SiO2）平均含量达到42.69%，且含量随着土层埋深的增加而有递增的趋势，Al2O3、Fe2O3略有减少。从图2-6中元素随深度变化趋势可看出，湿热化作用随深度的增加存在明显减弱的现象。

1.1.4基本物理力学性质

结合桂林地区红黏土部分勘察资料，对红黏土对其物理、力学特性进行统计分析，其相关指标见表3。

由表3可见，桂林地区红黏土物理、力学指标中，含水量31%~50%，液限48%~62%，重度17.17~18.05，塑性指数大于19，孔隙比较大且达到1.0以上，饱和度大于91%。以深度作为对比指标，随着深度的增加，红黏土状态发生明显改变，由坚硬状态逐渐向流塑状态变化，同时含水率变大、饱和度增加。通过表中统计数据可知，含水量、收缩系数、液性指数、孔隙比、含水量、压缩系数随深度的加深而增加；自由膨胀率、液限、塑限等随着深度的增加存在减小的规律；密度和重度随深度变化较小，未见明显规律性。这些物理力学特性的变化，是由于红黏土的特殊物质组成、胶结结构的存在以及当地自然环境的影响。桂林红黏土孔隙率较大，土体内部存在大量的自由水和结合水，导致含水率大，其液性、塑性也相对较大。由于红黏土的孔隙与胶结结构的影响，导致微观上存在较多的团粒结构，使得其比表面积大，也导致了其分散性较高。同时碳酸盐地区的岩溶发育程度不一，较多地区的基岩面浅，使得基岩面附近土体排水性能差，也是含水量的系数随深度增加较快的原因。

2红黏土微观结构特征

红黏土表现出的力学特性是土体内部各个结构要素共同协作的结果，研究土体的结构性与变形强度等一系列问题，离不开对其微观结构的研究。本次采取的试验土样为桂林地区典型的残积型红黏土，对微观土体进行电镜扫描试验，原状红黏土的微观结构见图2。图2分别为放大五万倍、二十万倍的原状土微观结构，由图可看出，由于红黏土中矿物成分的影响，特别是板条状的伊利石与鳞片状的高岭石的影响，原状土微观结构主要层呈块状、板条状、局部见鳞片状。

（a）五万倍

（b）二十万倍

图2原状红黏土微观结构

由于红黏土中铁、硅、铝等氧化物的存在（以铁氧化物为主），土颗粒被氧化物形成的胶结结构包裹，形成一个整体胶结部分，不同胶结结构相互连接，成为红黏土结构中最活跃的部分，土骨架与结合水、孔隙、孔隙中的自由水相互作用形成了复杂的土体微观结构。通过矿物成分分析可知针铁矿为红黏土中常见矿物，其颗粒非常细小，是常见的晶态游离氧化物，而非晶态的游离氧化物有Al2O3、Fe2O3、SiO2等，由于这些游离氧化物的存在，形成了红黏土特殊的微观结构。游离氧化物与黏土颗粒以及部分结合水组成了胶结结构，这时的结合水与自由水存在一定区别，胶结结构内存在结合水以及大量的复合孔隙单元，对红黏土的液塑性产生影响，这也是红黏土高液性、高塑性特点的原因。不同成因类型的红黏土，粒度存在差异，主要矿物成分与矿物形态也有差别，导致其微观结构也有所不同。

3结论

（1）通过化学成分分析发现，桂林红黏土中黏土矿物颗粒大多是1μm以下的细小颗粒，之间伴有氧化铁淀积，其土颗粒团大多为蜂窝状、团粒状，非黏土矿物成分主要为长石和石英但含量较少。其中的矿物成分表现出亲水性和膨胀性较弱的特点。

（2）桂林红黏土孔隙率较大，土体内部存在大量的自由水和结合水，导致含水率大，其液性、塑性也相对较大。由于红黏土的孔隙与胶结结构的影响，导致微观上存在较多的团粒结构，使得其比表面积大，也导致了其分散性较高。

（3）桂林原状红黏土由于受土样中矿物成分的影响，特别是板条状的伊利石与鳞片状的高岭石的影响，原状土微观结构主要层呈块状、板条状、局部见鳞片状。

参考文献

[1]何毅东.关于红黏土的若干问题研究[D].广西:广西大学,2007.

[2]李景阳.贵州残积红黏土的力学强度特征[J].贵州工业大学学报,1997,26(2)：73~78.

[3]王洋，汤连生.水土作用模式对残积红黏土力学性质的影响分析[J].中山大学学报,2007,46(l)：128~132

[4]黄质宏,朱立军,廖义玲.不同应力路径下红黏土的力学特性[J].岩石力学与工程学报，2004.

[5]赵颖文,孔令伟,郭爱国,等.广西原状红黏土力学性状与水敏性特征[J].岩土力学,2003,(04):568~572.

[6]夏小兵.海口灵山红黏土工程特性研究[D].海南：海南大学，2010.

[7]孔令伟,罗鸿禧,游离氧化铁形态转化对红黏土工程性质的影响[J].岩土力学,1993,14(4):26~39.

[8]蒋明镜,沈珠江.结构性黏土剪切带的微观分析[J].岩土工程学报.1998(02):102-108.

[9]何毅东.关于红黏土的若干问题研究[D].广西:广西大学,2007.

[10]谭罗荣，孔令伟.某类红黏土的基本特性与微观结构模型[J].岩土工程学报，2001,23;(4),458~462.

第一作者：申浚韬，广西桂林，助理工程师，岩土工程专业，281570593@qq.com

基金项目:国家自然科学基金（51369010）广西岩溶动力学重点实验室开放课题基金（KDL201604）广西科学技术开发项目（桂科攻1598009-7）