千枚巖土摻入紅黏土微觀結構與壓縮特性試驗研究

趙秀紹，付智濤，耿大新，李 凱，譚周勇

(華東交通大學江西省巖土工程基礎設施安全與控制重點實驗室，南昌 330013)

江西省中北部低丘區千枚巖硬度低，風化程度高，手捏即成粉狀，在壓路機碾壓后呈土狀，因此稱為千枚巖土。紅黏土[1]作為一種典型的特殊土，與千枚巖土在中國分布廣泛，且在江西省低山、丘陵區分布非常普遍，呈厚層狀分布，部分地區千枚巖土與紅黏土呈互層狀分布[2]。兩種土互層時現場分離難度大、費用高，而且在開挖時與運輸進入填筑區域的過程中已經混雜。以煤運通道蒙華鐵路岳吉段為例，正線全長433 km，軟質巖分布段長296.5 km，占正線全長的68.4%。據統計，煤運通道岳吉段路基填方總量2 685×104m3，沿線靠山側地形陡峭，河谷階地狹窄，棄方、征地、借方都極為困難；挖方總量3 284×104m3，均為高液限紅黏土或千枚巖土。根據《鐵路路基設計規范》(TB 10001—2016)[3]要求，高液限紅黏土屬于D組填料，工程中因不滿足要求一般按棄方處理；而千枚巖土也存在高液限問題，在常規的壓實作業下難以達到要求的壓實系數，因無法滿足路基強度要求也作棄方處理。由此情況，將產生大量的棄方、借方，這將對沿線農業、生態環境產生較大影響，并加劇水土流失，棄土的土方量比較大，不符合國家可持續發展戰略，棄土場的后續處理也會對周圍的生態環境造成影響，不符合生態環境保護戰略。再以新建昌北貨場填方為例，填方總量超過200×104m3，采用好的填料運距遠，費用高，因此周圍低丘區大量分布的千枚巖土和紅黏土是最有可能應用的填料。但千枚巖土黏聚力低，壓實后易擾動；紅黏土強度高，但溫熱變化十分敏感，壓實后容易出現裂縫。而且這些工程性質不良的特殊巖土體分布廣泛，如何充分利用這兩種特殊土是工程領域必須克服的技術難題。

千枚巖土由于土體中粉粒較為均勻，黏粒含量少、表面積小、化學活性低，本身沒有膠凝能力，黏聚力較低[4]，難以壓實，即使碾壓過后呈現出平整表面，但極易擾動[5-6]。趙麗婭等[7]選用西南地區的千枚巖廢料進行路用性能測試，發現其遇水容易變形，分散性高，且壓實后遇水極易崩解，不適于直接用作路基填料；但曹周陽等[8]通過大型三軸試驗證明風干飽和強風化軟巖(千枚巖等)能夠滿足工程強度及質量要求；毛雪松等[9]研究千枚巖的強度，發現經過一定的處理，強風化千枚巖填筑的路基穩定性得到提升，但目前主要通過摻入水泥進行改良[10-11]。

紅黏土具有與一般黏土不相同的工程性質，壓縮性較低、收縮性高、膨脹性低、地基承載力高[12]，易受環境影響，濕熱變化十分敏感，用作填料時常出現縱向開裂、沉陷等病害，不宜直接用作路基填料[13]。紅黏土本身不是一種很好的填料，主要是因為其濕熱現象明顯、容易產生裂縫[14-16]，但Tang等[17]通過在黏土中摻入聚丙烯纖維進行改良，發現聚丙烯纖維可以有效增強黏性土的干燥開裂特性；王賀等[18]研究發現同時在紅黏土中摻入氧化鈣與氧化鋁，能夠提高紅黏土的脆性指數，提高了紅黏土的強度和延展性，但目前仍缺乏改良紅黏土的手段。

而現場試驗表明，在千枚巖土摻入一定量的紅黏土后，可以顯著提高可壓實性，降低土的壓縮性。因此通過開展千枚巖土摻入不同比例紅黏土壓縮特性試驗并研究混合土的微觀結構，探討紅黏土改良千枚巖土的微觀機理，對兩種特殊土的充分利用有重要意義。

1 試驗材料

1.1 土樣來源及物理性質

選取江西省南昌市昌北貨場取土場紅黏土和千枚巖土作為研究對象，通過室內土工試驗得到其基本物理性質如表1所示。千枚巖土不均勻系數Cu為61.0，曲率系數Cc為3.8，且紅黏土Cu為26.3，Cc為0.983，兩種土均為級配不良的粉質。

表1 土樣物理性質

1.2 混合土材料配置

配制混合土：將千枚巖土與紅黏土放入烘箱烘干24 h(溫度105 ℃)，取出冷卻至室溫后過0.5 mm土工篩，以千枚巖土干土為基土，摻入不同比例的紅黏土，拌合均勻成為混合土。試驗配制了6種不同摻合比λ的混合土(λ=0、20%、40%、60%、80%、100%)，其中λ=0代表純千枚巖土，λ= 100%代表純紅黏土，λ= 40%代表千枚巖土與紅黏土干質量比為3∶2。

1.3 混合土擊實試驗

配置6組不同摻合比混合土，采用Z1型擊實標準進行試驗，各摻合比混合土的最優含水率和最大干密度如圖1所示。由圖1可知，混合土最優含水率與摻合比的關系不明顯，而且整體相差不大，但是最大干密度隨著摻合比的增大而增大，整體趨勢可用五次多項式表達，相關系數為0.958 1。

圖1 混合土最優含水率和最大干密度

1.4 混合土界限含水率

試驗共進行了6組不同摻合比λ混合土的界限含水率試驗，各摻合比土的液限wL、塑限wp和塑性指數Ip試驗結果如圖3所示。

由試驗結果可知，千枚巖土液限wL大于40%，且10≤Ip< 17；紅黏土液限大于40%，Ip> 17，兩種土均為高液限粉質黏土[19]，而根據《鐵路路基設計規范》(TB 10001—2016)[3]，高液限土屬于D組填料，不宜直接作為路基填料。

由試驗結果(圖2)可知，隨著紅黏土摻量的增加，土的液限呈現先減小后增加的趨勢，液限wL和摻合比λ的相關關系可以用式(1)來表示，相關系數為0.931 2。

圖2 不同摻合比下wp、wL、Ip的變化規律

wL=-3.3×10-5λ3+0.007 46λ2-

0.365 92λ+43.433 75

(1)

據式(1)的計算模型可知，當紅黏土摻合比為13%～52%時，混合土的wL<40%，為低液限土，混合土根據《鐵路路基設計規范》(TB 10001—2016)[3]劃分為C組填料，可以用于普通II級鐵路基床底層以下的填筑，也可用于I組鐵路基床底層的填筑。由于將兩種特殊土混合后，無法測定土樣是否完全均勻，因此根據數學模型計算的結果，當摻合比為13%～52%時，混合土的液限降低，填料等級得到了提高，同時允許施工過程中因拌和未完全而產生輕微的偏差，降低了施工的難度。

2 礦物成分及微觀結構試驗結果分析

2.1 微觀分析采用的儀器

試驗儀器采用FEI Nova Nano SEM450 型發射掃描電子顯微鏡和英國的INCA 250 X-Max型能譜儀。由于實驗時放大倍數和照片數增加到一定程度時對試驗精度的提高意義不大[20]，因此觀察土樣時電鏡的放大倍數分別為500、1 000、5 000、10 000、20 000倍，并分別對6種不同摻合比試樣進行微觀結構圖像采集和分析。

2.2 電鏡掃描與能譜結果分析

電鏡掃描結果如圖3所示，選取放大倍數5 000倍的掃描圖片。

圖3 混合土的微觀結構(×5 000)

從電鏡掃描結果可知，壓實后千枚巖顆粒大小范圍約為0.02～0.04 mm，多數成片狀且大小比較均勻，呈現出面與面接觸堆疊的情況，片與片之間容易形成架空結構，導致孔隙率較高且不宜壓實。而紅黏土顆粒呈團粒狀，其顆粒大小絕大部分小于0.02 mm，有1/2為小于0.01 mm的顆粒。當兩種土混合后，能形成較好的級配。根據室內擊實試驗表明，混合土紅黏土摻合比為0、20%、40%、60%、80%、100%時，混合土的最大干密度g/cm3分別為1.64、1.7、1.69、1.71、1.71、1.76。說明在千枚巖土中摻入20%紅黏土后，可以有效提高土的干密度，但繼續增大摻合比后提高效果不明顯。

2.2 能譜分析結果

試驗對千枚巖土表面和紅黏土表面采集代表性點進行分析，得到千枚巖土與紅黏土結構面的元素質量和原子半定量分析如表2所示。

表2 結構面元素質量和原子半定量分析

從表2可知，紅黏土的主要化學元素為O、Al、Si、K、Fe，且Si元素其原子百分比和質量分數都超過了20%。千枚巖土的主要化學元素為O、Al、Si、K、Fe、Mg，相比于紅黏土增加了少量的Mg元素。千枚巖同樣含有大量的Si元素，其質量百分比為18.72%，較之紅黏土的硅元素含量接近。根據元素分析結果可知，兩種特殊土O、Al和Si元素占比最多，表明這兩種土均以硅酸鹽或硅鋁酸鹽為主。

千枚巖土與紅黏土整體元素含量相差不大，鐵元素的元素含量比紅黏土低。由于紅黏土中鐵元素含量高，有游離態的Fe2O3，可以起到鐵質膠結的作用[21]，往往具有較高的強度，在荷載作用下壓縮變形小，所以紅黏土壓縮模量大。在千枚巖土中摻入紅黏土，可以增加游離態氧化鐵的含量，在壓實的過程可以形成有效的鐵質膠結，增加強度，降低土的壓縮性，后續開展的固結試驗充分說明了加入紅黏土可顯著增加土的壓縮模量。

3 固結試驗

3.1 試驗過程

取烘干后的千枚巖土和紅黏土過0.5 mm篩后，稱取預先計算好的土樣質量制備不同摻合比的混合土樣，然后加入計算好的水量，配制三種不同含水率ω(ω=16%、18%、22%)的混合土樣，通過擊樣法制備三種不同壓實度K(K= 89%、91%、93%)環刀樣(直徑61.8 mm，高20 mm)，準備試驗。試驗儀器為NT YJZ-1型單杠桿固結儀，加壓等級分別為50、100、200、300、400 kPa，采用2 h快速固結試驗。

3.2 試驗數據及分析

3.2.1α1-2隨λ的變化規律

α1-2為100～200 kPa土的壓縮系數，是判別壓縮性的重要指標，將試驗采集到的數據利用Origin軟件繪制成圖4。

《鐵路工程巖土分類標準》(TB 10077—2001)[22]規定α1-2<0.1 MPa-1的黏性土為低壓縮土，0.1 MPa-1≤α1-2<0.5 MPa-1的土為中壓縮土。根據圖5的試驗結果，只有當λ= 100%、w= 16%且K= 93%時試樣的α1-2= 0.09 MPa-1<0.1 MPa-1。故可知僅紅黏土在較高壓實度(K=93%)且含水率不大于18%時，混合土為低壓縮土，其余土樣均為中壓縮土。

由圖4可知，含水率和摻合比一定時，壓縮系數隨著摻合比的增大而減小?；貧w分析表明，壓縮系數隨著摻合比的變化規律可用二次函數表示。以K=91%為例，變化規律可用式(2)表示，相關系數為0.966 9。

圖4 w=18%時α1-2與λ關系

α=-6.25×10-6λ2-2.607×10-4λ+0.209 29

(2)

根據式(2)的預測數學模型可得混合土的壓縮系數隨摻合比的增加而降低。

3.2.2Es隨λ的變化規律

土的壓縮模量Es是表征土的壓縮性能高低的重要指標之一，壓縮模量越大則土越難以壓縮。壓縮模量隨摻合比的變化規律如圖5所示。

圖5 w=18%時Es與λ關系

由圖5可知，當摻合比低于20%時，混合土壓縮模量增加不明顯；當摻合比大于20%時，壓縮模量增加顯著?；貧w分析表明，壓縮模量隨摻合比的增加總體呈二次函數增大。以K= 91%為例，其變化規律可以用式(3)表示，相關系數為0.986 3。

Es=-7.40×10-4λ2-0.018 8λ+8.537 86

(3)

圖5、式(3)表明，當紅黏土摻合比大于20%時，可以有效地增加土的壓縮模量，且摻合比越高混合土的壓縮模量越大，產生這種現象的原因可以用前面的微觀分析來解釋。試驗加入的紅黏土可以有效增加混合土游離態氧化鐵的含量，增加壓實過程中的鐵質膠結，從而提高土的抗變形能力，其次加入紅黏土后可以改變千枚巖土的級配，使形成更為緊密的結構，所以土的壓縮性降低。

結合擊實試驗，當摻合比從0增加至20%時，最大干密度從1.64 g/cm3增加至1.7 g/cm3，但壓縮模量變化很小。當摻合比從20%增加至80%時，最大干密度基本不變，壓縮模量有較為顯著的增加，所以游離態的氧化鐵是提高壓縮模量的關鍵因素。

3.2.3Es隨K的變化規律

當含水率一定時，混合土的壓縮模量隨著壓實度的增大而增大。以擊實時土的含水率為最優含水率為例(w= 18%)，壓縮模量隨壓實度的變化規律如圖6所示。

圖6 w=18%時Es與K關系

由圖6可知，壓縮模量隨壓實系數的變化規律可以分成兩種類型。

(1)當紅黏土摻合比較低時(λ=0、20%、40%)，壓縮模量在壓實系數從89%增加至91%時增加速快，而從91%增加至93%基本沒有增長?？赡茉驗橛坞x態的氧化鐵較少，僅增加壓實系數不能帶來明顯的抗變形能力。

(2)當紅黏土摻合比較高時(λ= 60%、80%、100%)，壓縮模量隨壓實系數的增加近似線性增加，其回歸方程如式(4)所示，相關系數分別為0.998 1、0.997 8、0.985 2。

(4)

3.2.4Es隨w的變化規律

壓實時的初始含水率對Es也有一定的影響，Es隨w的變化規律如圖7所示。

由圖7可知，壓縮模量隨壓實時含水率的變化沒有明顯規律。純紅黏土(λ= 100%)和純千枚巖土(λ=0)壓縮模量均隨含水率的增加而顯著減小。當λ為20%、40%、60%時，當含水量從18%增加至20%時，壓縮模量基本沒有變化。

圖7 K=91%，Es與ω關系圖

3.2.5 最優摻合方案的選擇

由以上分析可得，壓縮模量隨紅黏土摻合比的增加而增大，隨壓實度的增大而增大，理論上摻合比越大，改良效果越好。液塑限試驗表明，當摻合比為13%～52%時，混合土的液限小于40%，填料為低液限C組填料，可以直接用于路基填筑。當摻合比較高時(λ≥ 60%)，液限隨著摻合比增加，混合土成為高液限土而成為D組填料，表現為高收縮性而出現失水開裂現象，所以摻合比宜控制在52%以下。

為方便施工，摻合比一般取整數，綜合以上兩點要求，摻合比宜選為50%(千枚巖和紅黏土質量比為1∶1)。為了工后的沉降量盡量小，宜選用壓實系數為93%，壓實時含水率控制在16%，此時的壓縮模量最大，路基的最終沉降量將為最小。

通過兩種特殊土混合(原為D組填料，不宜直接作為路基填料)，不但可以改變填料分組級別，同時可以提高同等條件下千枚巖土的抗變能力?，F場應用表明，當摻合比為50%時，路基面可以滿足運輸填料汽車的強度要求，在晴熱天氣也不會出現明顯的開裂現象。值得說明的是，提出的加紅黏土改良方法強度在碾壓完成后即可直接達到設計強度，與傳統的加入石灰和水泥需要養護一定的齡期有重要區別。

4 結論

通過混合土的微觀結構與固結試驗研究，可以得出如下結論。

(1)千枚巖土呈片狀且顆粒大小較均勻，因此難以壓實，摻入紅黏土后可以改變級配，形成較為緊密的結構，增加混合土的抗變形能力和可壓實性。

(2)紅黏土中的鐵元素較多，部分呈游離態的Fe2O3，壓實時可形成結合力較強的鐵質膠結，提高混合土的強度，在荷載作用下壓縮變形小，同等條件下紅黏土壓縮模量較千枚巖大。

(3)混合土樣的壓縮系數隨摻合比的增加呈二次函數減小，但僅當壓實度較高且含水率不高于18%時混合土為低壓縮土，其他組合情況為中壓縮性土。

(4)混合土樣的壓縮模量隨著紅黏土摻合比的增大呈二次函數增大，隨壓實度的增大而增加，隨含水率的變化規律無明顯規律。試驗數據表明，在同等條件下在千枚巖土加入紅黏土可以有效提高原土的抗變形能力。

(5)根據液限隨摻合比的數學預測模型，當摻合比為13%～52%時，混合土變為C組填料。為了滿足施工方便、填料分組及工后沉降小的要求，建議碾壓方案為λ= 50%，w= 16%，K= 93%。