红黏土的物理性研究论文

原位测试与土工试验及其成果分析，是桂林岩溶区岩土工程勘察的一个重要内容。各类工程的地基基础设计，要求岩土工程勘察提供详细的物理和力学性质指标。这些参数必须通过室内或场地原位测试得到，在加以整理和分析之后，作为岩土工程勘察报告书的一个重要部分。

桂林岩溶地区岩土工程勘察中所常用的原位测试方法

根据岩土条件，在桂林岩溶地区岩土工程勘察中，目前所采用的原位测试方法主要列于表。

表 桂林岩溶地区岩土工程勘察中常用的原位测试方法Table Situ testing methods used commonly in geotechnical engineering investigation in Guilin karst region

圆锥动力触探试验及标准贯入试验

轻型动力触探（N10）试验

适用于深度小于4 m 的一般粘性土、粘性素填土和砂土层，表层岩溶塌陷地基密实度和地基承载力检测，此外，还常常用来检验地基处理的质量和效果。

试验主要设备

轻型动力触探设备主要由圆锥触探探头、触探杆、穿心落锤三部分组成，落锤升降由人工操纵。

试验主要步骤

（1）探头贯入土层之前，先在触探杆上标出从锥尖起向上每30 cm 的位置。

（2）一人将触探杆垂直扶正，另一人将10 kg穿心锤从锤垫顶面以上50 cm 处自由落体放下，锤击速率15～30击/min为宜。

（3）记录每贯入土层30 cm的锤击数N'10（击/30 cm）。

（4）为避免因土对触探杆的侧壁摩擦而消耗部分锤击能量，应采用分段触探的办法，即贯入一段距离后，将锥尖向上拔，使探孔壁扩径，再将锥尖打入原位置，继续试验。或每贯入10 cm，转动探杆一圈。

（5）当N'10>100或贯入15 cm 锤击数超过50时，可停止试验。

资料整理

（1）轻型动力触探由于贯入深度浅，可不作杆长修正，即N'10 = N 10。

（2）绘制轻型动力触探击数N 10与深度h的关系曲线。

试验成果的应用

确定地基承载力特征值fa。目前当地主要还是参考原《建筑地基基础规范》（ GBJ 7—89）的有关规定（表），并结合当地经验确定f a值。

表 一般粘性土承载力特征值fa与N 10的关系Table Relationship between characteristic value fa of bearing capacity and N10 for general clayey soil

重型动力触探（）试验

在桂林岩溶区，主要用于漓江一级阶地的卵石、砾石、砂类土的密实度确定和地基承载力确定，尤其是在一级阶地的塌陷地基中广泛运用。

试验主要设备

重型动力触探试验的设备主要由圆锥触探头、触探杆及穿心落锤三部分组成，落锤升降由钻机操纵。

试验主要步骤

（1）探头贯入土层之前，先测出锥尖到锤垫底面之间长度，即触探杆长度。

（2）待锤尖打入到预测位置时，从触探杆上标出从地面向上每10 cm 的位置。

（3）穿心锤自由落距76 cm，记录每贯入土层10 cm 的锤击数N'。锤击速率宜为15～30击/min。

（4）每加上一根触杆时，需记录所加杆的长度，重新统计触探杆长度。

（5）如N'>50，连续3次，可停止试验。

资料整理

（1）触探杆长度的校正：

当触探杆长度大于2 m 时，需按下式校正：

N =α·N'

式中：——修正后的重型动力触探锤击数；

α——为触探杆长度校正系数，按表选取。

（2）触探杆侧壁摩擦影响的校正：

对于砂土和松散－中密的圆砾、卵石层，触探深度在15 m 内，一般可不考虑侧壁摩擦的影响。

（3）地下水影响的校正：

对于地下水位以下的中、粗、砾砂和圆砾、卵石，锤击数（N ）可按下式修正：

N = ' +

（4）绘制重型动力触探锤击数与深度h的关系曲线。

试验成果的应用

（1）根据修正后的重型动力触探锤击数N ，漓江一级阶地的卵石、砾石、砂类土的地基土承载力特征值fa，目前主要是查找表确定，实际上表主要是根据《工程地质手册》第四版所介绍的各种承载力查表综合而来。

表 动力触探杆长度校正系数αTable Correction factor α of drill rod length in dynamic penetration test

表 卵石土、砂土地基承载力特征值fa与的关系Table Relationship between characteristic value fa of subgrade bearing capacity of cobble, sand and

（2）确定漓江一级阶地的卵石、砾石、砂类土的地基土的密实度；主要是参考《岩土工程勘察规范》（GB 50021—2001），见表。

表 卵石土密实度与平均值的关系Table Relationship between the density of cobble and the average value of

（3）确定地基土的变形模量E0：根据铁道部《动力触探技术规程》（TBJ18—87）中的变形模量E0与的关系，见表确定。

表 圆砾、卵石土的变形模量E 0与N 平均值的关系Table Relationship between the deform ation modulus of gravel,cobble and the average value of

标准贯入试验

标准贯入是一种特殊的动力触探试验，适用于砂土、粉土、一般粘性土等。该试验用质量为 kg的穿心锤，以76 cm 的自由落距，将一定规格的标准贯入器预先打入土中 cm，然后再打入 cm，记录 cm的锤击数，称为标准贯入击数（N）。

试验设备

标准贯入试验由触探头（又称贯入器、对开式管筒）、锤垫及导向杆、落锤（质量为 kg的穿心锤）三部分组成。落锤距离由自动脱钩装置控制。

试验步骤

（1）先用钻具钻至欲测土以上15 cm，且应确认钻孔通畅无堵塞。

（2）标贯探头入土之前，先测出探头靴口到锤垫底面之间的长度及探杆长度。

（3）将探头压入欲测土表面，然后进行锤击，锤击速率为15～30击/min，锤击落距76 ±2 cm，先记录贯入15 cm 的预打击数，然后记下再贯入30 cm 的标贯实测击数N＇。

（4）若需进行下一深度的贯入试验，一般应隔1 m 后再进行。

（5）整个标贯过程中，孔壁不能有垮坍或孔壁上软粘土等不能被挤出，以免造成探杆侧壁摩擦加大。

（6）拔出探入器，分开对开式管筒，取出筒内土样进行描述和试验。

资料整理

探杆长度校正：当探杆长度大于3 m 时，需按下式修正：

N ＝α N ·N＇

式中：N——修正后的标贯击数（击/30 cm）；

αN——杆长修正系数，按表确定。

《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2002），《岩土工程勘察规范》（GB 50021—2001）对杆长修正作以下说明：我国一直用经过修正后的N 值确定地基承载力，用不修正的N值判别液化和判别砂土密实度。因此应按具体岩土工程问题，确定是否修正，且需在报告中说明。

表 标贯试验杆长修正系数αNTable Correction factor αN of drill rod length in standard penetration test

试验成果的主要应用

（1）确定地基承载力特征值fa。目前主要还是根据《建筑地基基础设计规范》（GBJ 7—89）的规定，见表和表。

（2）确定地基土压缩模量Es及变形模量E0。主要参考《工程地质手册》第四版所介绍成果，见表。

（3）估算砂类土的抗剪强度指标。主要参考《工程地质手册》第四版中的表，见表

表 砂土承载力特征值fak与N 的关系Table Relationship between characteristic value fak of bearing capacity of sand soil and N

表 粘性土承载力特征值fak与N的关系Table Relationship between characteristic value fak of bearing capacity of clayey soil and N

表 E0（MPa）或Es（MPa）与N的关系Table Relationship between E0（MPa） or Es（MPa） and N

表 砂土黏聚力c、内摩擦角φ与N 的关系Table Relationship between the cohesion c,friction angle φ of sandy soil and N

（4）判定砂类土的密实度。按《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2002）中规定，见表，标贯击数N值未加修正。

表 标贯击数N 与砂土密实度的关系Table Relationship between blow count N of SPT and the density of sand

（5）判定粘性土的稠密度状态。主要参考《工程地质手册》第四版中的成果，见表。

表 粘性土的液性指数IL 与N的关系Table Relationship between the liquid index IL of clay and N

（6）预估单桩竖向承载力。主要参考《工程地质手册》第四版中的成果，见表。

表 桩尖阻力P p、桩侧阻力Pf与N的关系Table Relationship between the pile tip resistance Pp,pile side resistance Pf and N

（7）判别饱和砂土、粉土的液化。根据《建筑抗震设计规范》（ GB 50011 —2001）的规定，桂林市抗震设防烈度为6度；对于重要建筑物，可以提高1度进行抗震设防。《建筑抗震设计规范》（GB 50011 —2001）规定对饱和砂土、粉土液化判定应采用标贯试验，在地面以下15 m 深度范围内，当饱和砂土、粉土实测标贯击数N＇（未经杆长修正）小于下式N cr时，应判为可液化土。在桂林岩溶地区，主要是对建设在漓江一级阶地的重要建筑物进行饱和砂土、粉土的液化判别。

桂林岩溶区岩土工程理论与实践

式中：N cr——饱和土液化临界标贯锤击数；

N0— 饱和土液化判别基准标贯锤击数，按《建筑抗震设计规范》（GB 50011 —2001）的规定选用；

ds——标贯试验深度（m）;

dw——地下水位深度（m）；

ρc——饱和土的粘粒含量百分率（%），当pc<3时，取ρc=3。

（8）检验地基处理质量和加固效果。主要用来检测换土垫层、灌浆加固等地基处理后的地基密实度和地基承载力。

岩土室内试验

室内试验包括物理性质试验和力学性质试验两大部分。桂林岩溶地区各类岩土的室内试验项目见表，土的主要力学性质试验项目见表所示。当有其他特殊要求时，应制定专门的试验方案。

表 岩土室内试验项目Table The projects on geotechnical test in laboratory

表 土的主要力学性质试验项目Table Specific projects for main m echanical test of soil

桂林红粘土物理力学参数分析

桂林市红粘土物理性质的基本特征

（1）桂林市红粘土的孔隙比较大，压缩性较小，强度较高。孔隙比一般介于～之间。硬塑红粘土压缩系数一般在 MPa-1以下，属中—低压缩性土；直接快剪实验的黏聚力值一般在50～100kPa；内摩擦角值为10°～35°。

（2）高液限，高塑性。根据桂林市工程勘察资料分析，液限含水量＞60％的约占50％，塑性指数＞20的约为70％。桂林市环城东路香山画苑、临桂县四塘乡政府地带的红粘土液限含水量最高分别为82％和86％，塑性指数则达39。

（3）饱和度高，天然密度大。红粘土的饱和度一般可大于90％，天然密度一般在18～20 kN/m 3之间，土颗粒密度 g/cm 3左右。

物理力学参数在空间分布上的特征

桂林红粘土是一种多种成因的特殊土，广泛分布在不同的岩溶地貌之上，红粘土的这些条件形成了其工程地质性质的各向异性，主要表现在横向分布和垂向分布的变化上。

横向分布特征

受搬运、沉积过程的影响，比较而言，残坡积红粘土的含水量、孔隙比、液限较高，冲洪积的次生红粘土则较小；红粘土抗剪强度、压缩性一般也大于次生红粘土；但次生红粘土的透水性较红粘土大。

反映在地貌单元的分布上，不同地形地貌单元的红粘土的物理力学性质存在较大差异。据有关资料统计，峰林平原之上的红粘土的含水量、孔隙比、液限及压缩系数均较峰丛谷地、洼地大，见表。

表 桂林不同岩溶地貌单元红粘土物理力学性质Table Physical and mechanical properties of red clay in different terrain units in Guilin karstregion

垂向分布特征

红粘土工程地质性质在垂直方向的变化比较鲜明，一般地说随深度的增加，红粘土中含水量增加，稠度状态逐渐从坚硬、硬塑、可塑过渡为软塑和流塑，相应的含水率、孔隙比、压缩系数等随深度的增加也变大，塑性状态随深度增加而由硬变软以至流塑，地基强度随深度增加而由高到低，故在纵向上的变化是不均匀的。红粘土在近地表3～5 m 范围内，一般处于坚硬或硬塑状态，其物理力学性质较好。在6 m 以下，土体一般呈软塑状态，物理力学性质较差；在溶沟、溶槽中，由于受地下水的补给或毛细作用，使地下水易在深部储存，故土的天然含水量往往大于液限，呈流塑状态，物理力学性质极差，不宜作为地基持力层。

研究还表明，在液性指数较小的条件下，红粘土的胀缩性具有下层大于上层的变化特点。这主要是由土层的含水量和物质成分所决定的。在剖面上，由于上层红粘土中氧化铁聚集和老化，使土的亲水性相对比下层弱，因而膨胀性能较差，而土的收缩性则主要是由于下层含水量大于上层之故。

次生红粘土在垂向上也具有类似的特征，随着深度的增加，稠度状态也经历坚硬、硬塑、可塑、软塑和流塑的过渡，相应地物理力学性质也逐渐变差。一般次生红粘土并非直接覆盖于基岩之上，而是覆盖于冲洪积形成的含卵砾石土层之上，与其一起形成次生红粘土的二元结构。此二元结构的下面才为基岩。

桂林粉土、砂类土和卵石类土

桂林岩溶地区的砂类土和卵石类土，主要分布在漓江一级阶地，其成因为冲、洪积，从粉细砂到卵石，各种粒径范围的砂土在整个区域范围内均有分布，其主要的工程地质特征如下：

（1）粉土：漓江一级阶地区域内普遍分布，厚度一般为数十厘米至数米。为浅褐色，含少量石英砂粒及云母碎片，无光泽反应，韧性低，干强度低，摇振反应中等。湿—稍湿，呈松散—密实状态。

根据已有的室内土工试验及原位标准贯入试验结果，粉土主要物理力学性质指标范围见表。

表 粉土主要物理力学性质指标Table Main index of physical and mechanical properties of silt

（2）砂类土：漓江一级阶地区域内普遍分布，厚度一般为数十厘米至数米，多见粉细砂，为浅褐色－黄褐色，主要矿物成分为石英，含少量云母碎片，其颗粒形状呈不规则形—亚圆形，级配往往不良，且有时含有约10％以上的粘粒。湿—饱和，多为松散状态—稍密状态，由于堆积时间较短以及上覆土层厚度不大，受自重压实程度相对较低，因此，区域内较少见中密—密实状态的砂类土。

该层砂土有一个重要的特点是，其原位标准贯入试验N 值往往不大，粉、细砂的标准贯入试验锤击数往往只有3～5击/30 cm。若完全以查表确定其地基承载力特征值，会得出很低的地基承载力特征值，只有40～70 kPa左右，但根据当地的工程经验，该层的地基承载力特征值可以达到100 kPa，主要是考虑了该层在建筑物荷载的作用下，其孔隙迅速减小，沉降能够较快完成，承载能力得以提高的缘故。

（3）卵石：漓江一级阶地区域内普遍分布，厚度一般为数米至数十米不等，且其厚度受下伏基岩面起伏的影响变化较大。卵石成分主要为砂岩，含少量石英岩、花岗岩，呈圆一次圆状，粒径一般为20～80 mm，最大可达100 mm，含量约50％～80％，局部有增减，往往充填物为圆砾、砂及少量粘性土。

以典型的漓江一级阶地桂林市建干路福隆园场地为例[13]，从上至下普遍分布松散、稍密、中密、稍密等4种状态的卵石层，该层的重型圆锥动力触探试验结果统计见表

表 桂林市建干路福隆园场地卵石重型圆锥动力触探试验成果Table Results of DPT for Fulongyuan Venues in Jian'gan Road,Guilin

红粘土的形成：碳酸盐岩系地区，经红土化作用形成并覆盖于基岩上的棕红、褐黄等颜色的高塑性粘土。其液限大于或等于50%，上硬下软，具明显的失水收缩性，裂隙发育，原生红粘土经再搬运，沉积后仍保留红粘土的基本特征，且液限大于45%的土称为次生红粘土。我国的红粘土以贵州、云南、广西等省区最为发育，分布广.红粘土成土环境：红粘土的成土母质是第三纪红色粘土，并被埋藏在黄土层下。由于强烈水土流失切割，覆盖于其上的黄土层被侵蚀殆尽，红色古土壤层出露地表。红色粘土层质地粘重，吸水膨胀后水分难以下渗，加之所处地形部位坡度较大，每届降雨形成地表径流，水土流失严重，形成滑坡、泻溜和崩塌等重力侵蚀。年复一年侵蚀循环，致使土壤发育微弱，因形成与黄土母质在形态特征和理化性质上有很大差异的红粘土。红粘土地区植被稀疏，成土作用微弱。表层仅有较薄而有机质含量低的腐蕴质层，在腐殖质组成中，胡敏酸的绝对含量和相对含量都低，多在克每千克之间，胡富比多在之间。红粘土的生物作用微弱，具有红色风化壳的残留特征。第三纪及第四纪红色风化壳土体结构面上往往覆有棕黑色铁锰胶膜，呈中性，或具石灰性反应。物理性质：矿物成分主要为高岭石，并含一定量的蒙脱石和石英颗粒等，含水率为10％左右，孔隙比为～，干容重为16～17 kN/m3，塑性指数为1l～16。但是随隧洞开挖其含水率不断增加，一般为15％～22％，甚至有的洞段土体含水率达到塑限，天然压缩系数a1-2= MPa-1，饱和压缩系数～ MPa-1，自由膨胀率为5％～20％。从上述物理性质指标判别N2红粘土为低至中偏低压缩性、非膨胀性土。力学及变形特性对N2红粘土洞段取原状土样进行室内直剪、三轴剪，以及邓肯E-μ模型的变形试验，该土的抗剪强度较高，但是随含水率的增加其抗剪强度降低较明显。工程性质：该土种多为荒草地，植被稀疏，水土流失严重，缺水易旱。实行乔、灌、草结合，发展林、牧业生产。对宜垦为农用的要修筑梯田，或修埂筑堰，进行土地深翻，提高土壤的蓄水能力，并实行等高种植耐旱植物，增施有机肥、磷肥，实行粮－豆，粮－肥间作，养用结合，培肥地力。1、陡坡地红粘土侵蚀严重，应恢复和保护植被；已垦殖的陡坡耕地，应退耕种植林草，控制水土流失。 2、种植绿肥，增施有机肥，秸秆还田，科学施用磷肥，可有效地改善土壤的理化性状。3、复盐基红粘土的土体深厚，酸碱度适中，盐基饱和，矿质养分较丰富，是浙江沿海岛屿区重要土壤资源之一。利用状况有三种；一是坡耕地，种植大麦、甘薯、玉米和夏类作物。二是林地，主要分布在大、中岛屿上，栽种黑松、毛竹，以黑松为主。黑松较抗风，又耐旱、耐瘠，适应性强。目前黑松占岛屿林种的93%，但宜间套阔叶树，以防病虫危害；三是灌丛草地，处于半荒芜状态，多分布于边远小岛，而部分大、中岛屿近村庄处的山坡地亦有小面积的分布。