高壓縮性紅土的真空預壓實驗設計

尹虹 李濤 王丹

摘 要：紅土有著其特有的不良土工特性，影響了工程的安全性。為此，在測試研究區紅土土工特性的基礎上，設計了真空預壓加固紅土的實驗。結果表明研究區紅土有高壓縮性和低強度特性，設計了紅土的真空預壓實驗裝置。為研究真空預壓技術處理貴州西部紅土提供了基礎。

關鍵詞：紅土；高壓縮性；真空預壓；六盤水

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.10.222

0 前言

被譽為紅土高原的云貴高原，是世界上紅土分布最廣、規模較大的地區之一 。因此就研究紅土的性質特點而言，云貴高原是世界上比較理想的天然地帶。當然，貴州省六盤水市紅土分布也是較為廣闊的，此次就以其高壓縮性特點進一步探索。

紅土是由巖石在濕熱氣候條件下經歷了一定的風化作用，而形成的一種含較多粘粒，高強度、高壓縮性且富含鐵、鋅氧化物膠結的紅色粘性土。并且是一種處于飽和狀態、孔隙比較大、以硬塑和可塑狀態為主、高壓縮性。處于亞熱帶濕潤季風氣候條件下的六盤水市紅土為碳酸鹽類巖石，經殘積或局部坡積而形成的紅褐色的粘性土。

目前，國內外對紅土的研究較多，有開展力學特性研究，有開展工程特性研究，其相關的處理措施也比較豐富，但很少見采用真空預壓處理紅土的室內研究，特別是缺少相關的室內實驗研究裝置。

由于紅土的特性，本文計劃基于六盤水地區紅土物理特性測試的基礎上，開展針對紅土真空預壓實驗設計。

1 研究區紅土特性

為有針對性開展真空預壓實驗，對研究區紅土的基本特性進行了研究，分別進行了含水率和固結實驗的測試。具體內容如下：

1.1 含水率測試

對4組紅土的含水率進行了測試，4組紅土分別取自六盤水師范學院區域內的表層紅土，取樣深度在0.2～2m，取樣的時間前后2天內沒有降水。取樣后在室內進行含水率測試，測試結果如表1所示。

1.2 固結實驗

在研究區獲取紅土，通過重塑得到密度1.75 g/cm3，比重2.6 g/cm3，含水率40.18%，高度2cm，孔隙比1.11，顆粒凈高0.95cm的試樣。對該試樣進行快速固結實驗。實驗結果如表2所示。

1.3 室內實驗分析

綜合以上實驗，結合研究區的地質條件可以分析得出：

（1）六盤水地區的紅土由于平均降水量在300～400毫米，導致紅土液限較大、含水較多，飽和度常大于80%，土常處于硬塑至可塑狀態，故具有較高的壓縮性；

（2）研究區紅土孔隙比一般較大，變化范圍也大，尤其是殘積紅土的孔隙比常超過0.9，甚至達2.0。前期固結壓力和超固結比很大，除少數軟塑狀態紅土外，均為超固結土，一般常具有中等偏低的壓縮性[1]；

（3）研究區強度變化范圍大，且比淤泥質土強度高，需區分對待紅土與淤泥質土[2]；

（4）研究區紅土膨脹性極強，且具有較高收縮性，這與粒度、礦物、膠結物等情況有關。

1.4 研究區區紅土可能存在的工程問題

在土地質化作用的差異化影響下，貴州東部與中部地區紅土的土性分布較為均勻，具有含水率高、孔隙比高、塑性高、強度高及較高壓縮性等特點；相比之下，貴州西部地區的分布情況不均勻，存在軟土具有壓縮性高、強度低等特性，其中最為突出的是，同一塊場地中的地層壓縮性能存在不均勻分布的情況。紅土主要的工程地質問題為具有一定的膨脹性、底部常有軟土，容易引起地基變形和地面塌陷，且六盤水紅土地區雨量大，降雨集中，有時一次降雨可達300毫米以上，水土流失會比較嚴重，強烈的失水收縮會使紅土的裂縫較為發育，破壞了紅土體本有的性質和完整性，降低了土的強度及其壓縮性，也影響了土體所原具有的穩定性。

介于此，研究區紅土分布區可能會發生各種地質災害，需要進行處理，否則地基穩定性、洞室穩定性和邊坡穩定性都需要提高。因此，嘗試開展真空預壓的實驗。

2 真空預壓紅土設計

2.1 真空預壓紅土的原理

真空預壓是通過抽取真空來降低含水率，然后提高有效應力原理。隨著抽氣的延續， 設0

2.2 真空預壓紅土設計

如圖1所示，本次實驗的設計為：在擬加固的邊長為50cm立方體玻璃箱內，先設豎向抽氣管和鋪設砂墊層，并在其上覆蓋濾紙層形成封閉。將紅土加入玻璃箱內的濾紙層上并用不透氣薄膜密封，利用埋在玻璃箱內的豎向抽氣管將薄膜與土體間、濾紙與砂墊層間的氣和水同時抽出，形成真空的負壓界面，使箱內土體進行排水固結從而達到加固作用。抽真空之后，薄膜內的壓力逐漸下降，穩定后的壓力為pv，薄膜內外形成一個壓力差△p=p0-pv，稱為真空度[3]。此時，模型中形成負的超靜孔隙水壓力，使紅土排水固結。

真空預壓裝置整體由密封裝置和抽取真空裝置兩大部分組成。在邊長為50厘米的立方體玻璃箱中，四根豎向抽氣管分別在四個角落區域設置一根，便于在玻璃箱不同的位置進行抽氣與排水；鋪設砂墊層有利于加速土層的表層排水，同時形成一個積水空間；覆蓋濾紙層可允許土體中水分向下流動通過，并阻止土顆粒的下滲；鋪設不透氣薄膜是為了使整個土體在薄膜內形成密封，應注意在豎向抽氣管周圍也需形成密封，必要時可使用密封膠再次進一步密封，并在實驗前進行密封檢驗。

四根排水排氣管與真空泵的連接可選用膠管，且密封裝置中的每個排水排氣管上均設有活塞，便于進行抽真空實驗。真空預壓紅土試驗可由單個到多個排水排氣管逐步進行試驗，并形成對比。試驗時可慢慢加大抽真空力度，逐漸保持不變，在形成真空度后，觀察排水情況，記錄相應的數據。實驗結束后，進行數據分析，并與未經處理的紅土性質形成對比得出結論。

本實驗裝置的使用方法是：第一步在野外獲取紅土樣品，備用。第二步安置前述的排水排氣管；第三步鋪設砂墊層；第四步鋪設濾紙層；第五步把第一步制備的紅土放入空腔；第六步在紅土表面按照不透氣薄膜；第七步開挖密封溝；第八步鋪設密封膜；第九步密封夠回填壓膜；第十步安裝真空泵；第十一步檢查密封性；第十二步開始實驗。依據實驗過程中對紅土下沉量進行觀察，對紅土排水量進行觀測。在實驗結束后取樣對比測試，檢驗真空預壓效果。以上實驗的結果可以指導工程防災減災工程。

3 結論

（1）通過以往大量的研究，真空預壓加固紅土實驗能發現，真空預壓法能改善紅土的特性，預壓強度越強，改善紅土的特性能力越強。土體地其容許承載力的高低取決于土的變形性和強度，由于紅土屬于“超固結土”，壓縮性中等偏低，因此，除對少數建筑物沉降量要求嚴格和次生軟塑紅土外，紅土的變形問題是不嚴重的。

（2）介于研究區紅土的物理力學和水力學特性，本次設計了一種區別于傳統的淤泥土真空預壓實驗裝置的紅土用的真空預壓實驗裝置，實驗裝置由密封裝置和抽取真空裝置兩大部分組成。并在此基礎上給出了合理的實驗操作步驟。

參考文獻：

[1]唐大雄，劉佑榮，張文殊，王清.工程巖土學[M].北京：地質出版社，2014（07）：126-127.

[2]吳凱，徐律.貴州紅巖土的工程特性研究[J].科學之友，2011（08）：

08-09.

[3]莫海鴻，楊小平.基礎工程（第三版）[M].中國建筑工業，2013（02）：

212-213.

基金項目：貴州省大學生創新創業訓練計劃項目（2018521001），六盤水師范學院重點學科項目（LPSSYZDXK201802），六盤水師范學院教學內容與課程體系改革項目（LPSSYjg201813）、貴州省教育廳青年科技人才成長項目（黔教合KY字[2018]376）、貴州省教育廳青年科技人才成長項目（黔教合KY字[2018]386）

作者簡介：尹虹（1998-），女，四川綿陽人，本科在讀，研究方向：土木工程。

*為通訊作者