红粘土的成因及其对工程性质的影响

赵立敏

摘 要：随着我国工程建设的迅速发展，对工程施工方面也提出了更高的要求。施工中遇到红粘土对施工的质量会造成影响，解决红粘土的工程危害就显得比较重要。红粘土从发现至今已经有二百多年的历史，这是区域性的特殊土质，在南方红粘土的工程特性比较突出。本文主要就红粘土的形成原因以及工程性质加以分析，然后对红粘土的工程质量问题和有效防治措施详细探究，希望能通过此次理论研究，对提高红粘土的工程施工质量起到促进作用。

关键词：红粘土；工程性质；影响

中图分类号：P642 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）14-0121-03

红粘土是出露在地表的碳酸盐岩系岩石在更新世以来的湿热环境中，经过一系列复杂的物理和化学风化，特别是红土化作用，形成并覆盖在基岩之上，呈棕红或褐黄等色的高塑性粘土。红粘土主要分布在我国的华南和西南地区，分布比较广泛。红粘土有着其独特的工程性质，在工程施工前要对红粘土的分布情况以及工程特性等有详细的了解，制定科学和有针对性的施工计划，只有这样才能保障工程施工的质量。

1 红粘土的形成原因以及工程性质分析

1.1 红粘土的形成原因分析

红粘土是特殊的土质，其形成也有着诸多的原因，红粘土的形成经过了几个重要的阶段，每个阶段的风化孔隙比和强度影响之间也有着相应的关系（如图1）。在初始阶段，原始矿物部分地或者完全地物理以及化学风化。到了第二阶段，就是次风化或者是红粘土化，这一过程当中的母岩部分完全的淋滤，在经过了分解和迁移重组，从而就为风化提供了条件。紧接着就是在第三个发展环节，一些或者是完全水合胶体出现了脱水的现象，具体的风化进行的时候，主要是从岩石的边缘开始，然后是高岭石充填在裂缝当中。红粘土的成因方面有诸多假说，比较熟悉的就是水成说、残积说以及风成说等几个重要的观念，每个观点的存在都有着理论的支持。例如在残积说的观点方面就认为，红粘土是岩石就地剥蚀和风化堆积作用所致，这是残积说的观点[1]。而“水成说”的观点则认为，在岩石经过了风化剥蚀的时候，通过水流的作用或者是河湖的作用，对红粘土进行冲刷，从而就形成了红粘土的沉积物。对于这一观点来说，主要是认为，晚第三纪红粘土和上覆第四纪黄粘土都是风化沉积作用所形成的。

1.2 红粘土的主要工程性质分析

红粘土在工程性质方面有其独特的特点，其中的高强度，高天然含水量，高孔隙比等，都是比较突出的工程性质。其中在高孔隙比和中低压缩性的性质上表现的尤为突出，红粘土为碳酸盐岩系出露的岩石经红土化作用形成的棕红、褐黄等色的高塑性粘土。其裂隙发育，液限一般大于50，具有明显的收缩性，在天然状态下，红粘土孔隙比大，多处于饱和状态，天然含水量接近塑限，多呈坚硬、硬塑状态，故强度比较高、压缩性比较低。红粘土的微观形态方面，风化残积粘土矿物通常结晶度不是很高，在晶形上也不是很好，粘土的矿物不管是表层的风化作用，还是深层的风化作用，风化中都残留了母岩的假象结构。这一形态上亲缘的关系以及假象结构，都为粘土矿物成因分析提供了重要依据[2]。在来宾母岩基岩面的部位，能够从能谱分析图上看到高岭石的形貌特征。

红粘土的高承载力工程性质方面，主要是体现在强度上，主要是来自土当中游离氧化铁的胶结。工程当中在把红粘土作为地基的时候，通常是将其作为一般的粘土性土进行考虑，从而确定地基的承载力，没有充分发挥红粘土的地基承载能力，这样就造成了工程上的浪费。

红粘土的塑性变化的性质也表现的比较突出。在这一工程性质方面，由于红粘土的天然含水量比较大，故此，在塑性特征变化方面较为突出，在红粘土达到相应厚度，地下水位就会在岩土交界附近，红粘土从表层向下分成几个状态，分别是硬塑狀态以及可塑状态和软塑状态。在水位抬升到相应的高度的时候，超过或者是接近地表的时候，红粘土的含水量就相对比较大，并且会随着深度的增加而进一步增大，在状态上也会进行改变，在强度上就会逐渐的降低，在压缩性方面会显著的提升。而在地下水位的埋深比较大的时候，并且远离基岩面的时候，上覆红粘土就能够完全变成硬塑的状态。

红粘土工程性质中的崩解性以及裂隙性也比较突出。这一性质主要是在湿热交替气候条件下所形成的，从而发生了干缩现象，通常表现出裂隙非常发育，裂隙破坏了土体完整性，土体的强度也大大降低，土的透水性也大大的增加[3]。红粘土在遇到水的时候就比较容易出现崩解的现象，在承载力上就大大的降低，甚至和淤积的强度相似。这就必然会对工程的安全性造成很大的影响。

除此之外，红粘土工程性质在超固结性以及胀塑性方面表现的也比较突出。红粘土的超固结性是在前期固结压力方面，具有随埋深增加反常规的减小规律。在胀塑性的工程性质层面，主要表现为胀缩性能相对比较低，活动性能相对比较差上。

2 红粘土的工程质量问题和有效防治建议

2.1 红粘土的工程质量问题分析

红粘土的工程质量问题对工程的整体安全有着很大影响，其中由地裂缝引起的质量问题比较突出。红粘土含水量在收缩的过程中会减少，这样在体积上就会相应的减小。饱和的粘土收缩会经过几个重要阶段。在刚开始的时候，是对水胶结物固定大孔隙自由水和毛细水的蒸发，在这一过程中是正常性的收缩。而在毛细水达到相应程度的时候，依附在土粒外的结合水就会溢出，这样就会进一步的发生土体收缩的现象。然后就是结合水，土粒间的距离比较稳定，土体的收缩变形基本停止，如果是蒸发继续，土体就进入到残余收缩的阶段。红粘土在实际收缩过程中，比较容易出现裂缝问题，这些裂缝有不同的类型，体现在网状的裂缝以及线状的裂缝方面，而在出现这一地裂现象的时候，如在在建建筑中穿过或在附近，对建筑的质量安全就有着很大隐患。

再者，红粘土工程质量问题当中由岩溶以及土洞引起的质量问题也比较突出，这些都会对建筑物的稳定产生很大影响，如果没有得到妥善的处理，就比较容易发生塌陷的事故。武汉市近年来已经发生了多起岩溶地面塌陷灾害。2000年4月，洪山区乔木湾发生岩溶地面塌陷，产生22个陷坑，造成10余栋房屋倒塌，大面积农田毁坏，直接经济损失达600余万元，间接经济损失500余万元，成为武汉市有史以来最大的一次岩溶地面塌陷灾害。2014年5月，武汉市江南新天地一在建楼房工地发生坍塌事故，2名工作人员和一台钻机瞬间被埋，造成了较大的人员伤亡及经济损失。

红粘土工程质量问题当中，地基塑性不均的质量问题也比较突出。由于红粘土地层当中所处不同深度的土层在塑性上有着不同，对上部的结构安全就会带来很大的影响。红粘土地基在塑性不均匀的问题上，主要是表现在上硬下软以及上软下硬现象层面。对于上软下硬的质量问题，主要是硬塑状态的土层受到降水的影响，红粘土的含水量大大的增加，在达到相应程度的时候，红粘土渗透能力就会下降，相应的在承载力的性能上就会下降。而在红粘土的上硬下软的质量问题上，主要是地下水位埋深不大的时候，降水之后就会通过裂隙补给地下水，这一幅度并不是很大，水位在下降的时候地下水在红粘土毛细作用下补给上部红粘土，保持红粘土的含水量，就会造成红粘土处在稳定状态[5]。在矿山开采造成区域地下水下降的时候，地下水就不能恢复，使得整体的土层处在硬塑的状态。

红粘土的土壤退化以及污染的问题也越来越严重，土壤的侵蚀问题比较突出，在面积上也逐渐的扩大化，深度在逐渐的加深[4]。这些对工程的整体质量都有着很大影响。

2.2 倍半氧化物对红粘土工程性质的影响分析

倍半氧化物对红粘土的工程性质有着诸多的影响，红粘土当中的倍半氧化物主要由硅铁铝锰等氧化物构成，其通过包膜的形式把土粒包住，并通过桥的形式把土颗粒有效的连接起来，从而形成岛的形式依附在土粒的表面。倍半氧化物在土体当中主要起到集聚胶结作用，根据相关的试验能够看到，试样当中有5%倍半氧化物的时候，土的物理以及化学力学性质就会发生变化，倍半氧化物的主要特征就是表面的活动性相对比较大，在水化程度上也比较高。胶液常常是以包裹在土颗粒表面形式存在，从而就使得土颗粒能够聚集。红粘土当中的小颗粒就会呈现出集聚状态以及串的状态。之所以能够产生集聚效应，就是倍半氧化物在酸性条件下带有正电荷，胶粒带有负电荷，两者相互吸引，从而进行集聚。这一特殊性的结构使主要成分集聚迁移，所以就能得到其结构模型，主要体现在原始岩石结构，定向高岭石受到铁不同程度浸染，使得结构上不能和原始的矿物实施结构的连续性。

另外，倍半氧化物对红粘土性质产生的影响方面，红粘土的孔隙比一般的土壤的孔隙要大，密度比较小，结合扫描电镜的观察能够看到，红粘土的天然状态是呈现出集聚体状态的，大小空隙使得孔隙比增加，强度高是集聚体以及微集聚体被铁质氧化物胶结，这样红粘土的结构联结强度就得到了有效加大。为能有效对红粘土的物理以及化学特征加以说明，对红粘土的PH值以及离子交换容量和交换离子成分进行了测定，根据测定的结果就能够看到，PH值通常会在5.8——7.3之间，在取值上和淋滤程度有着直接关联，离子的交换容量不是很大，通常为20meq/100g土左右，还有个别的达到38meq/100g土，其中的交换阳离子成分以Ca2+、Mg2+为主，交换盐基总量与交换容量的比值主要决定于PH值及土的淋滤风化程度[6]。

红粘土在红土化过程当中对工程性质产生的影响表现，为能明确的说明，就以云南峨眉山系玄武岩风化红粘土以及碳酸盐类岩系风化红粘土工程性质加以说明。下图2是玄武岩红粘土的比贯入阻力Ps随着深度变化的曲线，其随着深度增大显示出上软下硬的特征。

2.3 红粘土的工程质量控制建议

红粘土工程质量问题的解决在当前已经比较紧迫，笔者结合工程实践，对红粘土的工程质量控制提出如下建议：

第一，加强裂缝质量问题的处理。红粘土工程质量问题中的裂缝是比较常见的，这一问题的出现容易造成地基的不均匀沉降，引起建筑物墙体的开裂，以及造成边坡的塌陷等。要想有效解决这一质量问题，就必须在基础施工前做好准备工作。施工时可通过对基底实施加固处理的措施，如铺设碎石块以及砂砾石等，将红粘土的收缩变形加以扩散，不至于集中力度，这样就能对基础起到加固作用。红粘土的裂隙发育深度通常为4—6米，有的能够达到10米以上，所以比较适合采用桩基施工方式进行施工。通过有效解决施工过程当中的裂缝质量问题，对保障整体的工程质量就有着积极作用。在红粘土的施工中，充分重视裂缝的质量问题，保障施工的整体水平提高。

第二，加强对红粘土的塑性处理方法实施。红粘土工程的质量控制当中，面对塑性不均匀的质量问题解决方面，就要注重方法的科学实施。对上软下硬的红粘土，在埋藏深度不大的时候就可通过换填法加以应用，将红粘土层采取其他的填充物进行填充。施工时，基础应当砌置于干硬土上部，基底下要留有足够厚度的硬塑土；对上硬下軟的红粘土层，在下层软土的厚度相对比较大的时候，上部的荷载也比较大时，除了采用桩基础的施工方式穿越软弱红粘土层外，还可以采用深层高压旋喷的方式对软弱红粘土进行加固。

3 结语

综上所述，红粘土的成因对工程性质的影响是复杂的，其中涉及到最初风化以及次生风化等等阶段，既有化学方面的因素，也有物理方面的因素。通过此次对红粘土相关理论的研究，就能从理论上进行深化，从而对红粘土对工程的危害有进一步的认识，从理论上提出了几点建议，希冀能对实际的工程施工起到一定启示作用。

参考文献

[1]蒋文杰，杨根兰，王中美.改性红粘土工程性质研究[J].贵州科学，2016（06）.

[2]黄会前，何腾兵.贵州母岩（母质）对土壤类型及分布的影响[J].浙江农业科学，2016（11）.

[3]赵蕾，陈筠，郑莆.既有红粘土地基压密固结效应研究[J].科学技术与工程，2016（02）.

[4]王成春.基于红粘土边坡抗剪强度指标的反算分析研究[J].土工基础，2015（04）.

[5]唐薇，廖义玲，唐睿旋，易庆波，张衍林.贵州红粘土稠度状态指标划分差异及其原因分析[J].水文地质工程地质，2013（05）.

[6]董洁霜.贵州红粘土路用工程性能研究[J].长春工程学院学报（自然科学版），2015（04）.