土骨架的新概念與紅粘土的結構

蒙理明，張 鳳

(海南科技職業大學，?？?571126)

我國學者一直在探討紅土的結構。如1985年，高國瑞[1]系統地分析了我國各類紅土的物理力學性質,物質成分和微結構特征。1987年，薛守義[2]等研究認為，物理性指標不好，但力學性指標較好，這就是所謂的紅土“異?，F象”。2002年，李景陽[3]等做了碳酸鹽巖殘積紅粘土微觀結構的掃描電鏡研究。2013年，卓麗春[4]等做了網紋紅土微觀結構特征的分形研究。

筆者在2013年，提出了“有效應力是土體中提供抗剪強度的點的集合所對應的應力[5]”的新概念；2016年，李廣信[6]提出了土骨架的新概念。2017年，筆者用土力學的新概念改善和細化了土骨架理論[7]：“土骨架的3要素有：土顆粒，包括其結合水；接觸(點或面)；聯接(收縮膜，公共結合水膜)”。筆者還用土骨架的新概念分析了土的動力特性[8]、黃土的微結構[9]、膨脹土的結構[10]。

高國瑞[1]在1985年，把我國紅土分為三類。指出紅土顆粒有碎屑礦物、集粒、絮狀體、迭聚體4種。還指出：紅土顆粒之間的連接可分為粘土膠結和膠體氧化物膠結兩類。

1994年，廖義玲等[11]提出了紅粘土的微結構模型。指出紅粘土的微結構單元是片狀粘土礦物組成的粒團，是多孔的和飽水的，粒團內部有靜電引力、范德華力和游離氧化物(鐵)膠結連結產生的牢固的、水穩性的連結。所述紅粘土微結構單元之間是由多水的微晶態或非晶態的游離氧化物和粘土物質等復雜物質組成的鏈式連結,是半剛性或非剛性的，這種紅粘土具有一定的膨脹性和明顯的收縮性。這與主要由固化的游離氧化物“包膜”形成凝塊狀微結構的其它紅粘土的微結構單元連結特征有本質的區別。后者是剛性的，剛性結構連結的紅粘土沒有明顯脹縮性。

關于宏觀結構，2005年，劉振波等[12]指出，從地表至基巖面，紅粘土具有典型的“上硬下軟”特征。表現為堅硬-硬塑-可塑-軟塑-流塑狀態。2014年，何荷等[13]指出，紅粘土具有“吸水軟化，失水開裂”的水敏性及裂隙性特征，受降水蒸發等氣候影響強烈。裂隙埋深小于1 m 時對邊坡穩定性影響不明顯，而裂隙埋深達到2 m 以上時影響十分顯著。

1 再論廣義結合水膜

(1)

可以這樣定義，土中粘粒(包括膠粒)之間，由化學鍵(離子鍵及共價鍵)、氫鍵、分子鍵形成的聯接統稱為廣義結合水膜，不包括收縮膜。

2 用土骨架的新概念論述紅粘土的微結構

2.1 紅粘土的微結構單元

在文獻[10]中，將膨脹土中主要由粘土礦物組成的疊片(粘土疇)、疊聚體、聚集體、復合體統稱為粘聚體。紅土中的絮狀體、迭聚體也可以稱為(鐵膠)粘聚體。粘聚體可以按其脹縮性和膠結性能進行區別。

紅粘土中的游離氧化鐵有膠態(羥鐵礦)、微晶態(針鐵礦)、晶態(赤鐵礦)[10]，其與粘土礦物顆粒之間是化學鍵聯接(在紅土化[14]初期在強烈水熱作用下形成)，膠結和水穩性強；同類之間主要是雙電層結合水膜聯接，膠結和水穩性相對要差；游離氧化鐵的顆粒越大，越容易封堵粘聚體的微、小孔隙[10]；而顆粒大小由膠態、微晶態、晶態從小到大排列，所以，其對粘聚體的膠結和水穩性也從小到大排列。

下面，用土骨架的新概念描述紅粘土的微結構單元，有碎屑礦物、外包顆粒、絮狀體、迭聚體4種：單個碎屑顆粒，即單個土顆粒(砂?；蚍哿?。外包碎屑顆粒，由單個碎屑顆粒和外包皮組成，外包皮是子土骨架；外包皮與碎屑顆粒之間，還可能有收縮膜聯接。絮狀體和迭聚體都是由粘土礦物靠游離氧化鐵膠結而成。當含水量大于塑限，且微結構單元處于非飽和狀態時，土顆粒之間可能還有收縮膜聯接。

2.2 紅粘土的微結構單元之間的連接

紅粘土的微結構單元之間的連接有半剛性或剛性的鏈狀連結，有粘土膠結或膠體氧化物膠結兩類，也是子土骨架。從“鏈狀連結”中取出兩個粘土礦物顆粒及周圍結構如圖1所示。在紅土化[14]初期，粘土礦物顆粒間有細小的膠態氧化鐵(羥鐵礦)，它們(帶正電)與粘土礦物顆粒(帶負電)間是化學鍵聯接(強聯接)，同類之間是水膜聯接(較弱的分子鍵，最不利位置)。見圖2，接著在干熱條件和土自重壓力下，兩粘土礦物顆粒間距壓縮，同時羥鐵礦結晶為較大的微晶態的針鐵礦；它們與粘土礦物顆粒的化學鍵聯接加長，同類之間的豎向和水平向的水膜聯接減少。見圖3，再過一段干熱的時期，間距繼續壓縮，針鐵礦繼續結晶為更大的晶態的赤鐵礦；化學鍵聯接更長，豎向的水膜聯接減少，并且不少水平向的水膜消失，不少粘土礦物顆粒和赤鐵礦豎向成為只有化學鍵聯接的整體。由于化學鍵比水膜聯接(分子鍵，最不利位置)的強度和水穩性大得多。所以，按水膜、羥鐵礦、針鐵礦、赤鐵礦排列，粘土礦物顆粒之間的聯接為：微膠結、弱膠結、中膠結、強膠結。另外，兩粘土礦物之間的間距，其間的游離氧化鐵含量也是須綜合考慮的因素。細長且膠結差的鏈狀連結為柔性或半剛性，而粗短且膠結好的鏈狀連結為剛性。

3 紅粘土的大氣張力有效應力與抗剪強度

圖4是按紅粘土微結構模擬的滑坡示意圖。由“鏈狀連結”連接“微結構單元”形成理想的紅粘土的結構之一。文獻[10]指出，“設想土力學研究，第一層次為以微結構單元為基本單元的體系(總土體)”。圖4所示，就是微結構單元-鏈狀連結-相關的大孔隙(包括其間結合水、收縮膜、自由水、孔隙氣)組成的總土體；階梯型滑坡是一種常見的自然災害。下面，用參條分法[5]計算其大氣張力有效應力與水平方向的抗剪強度。見圖4，簡化的微結構單元為球形，鏈狀連結為柱形。沿豎向取一水平長度為Ax的土條，其鏈狀連結的水平直徑為A0x；沿水平向取一豎向長度為Az的土條，其鏈狀連結的豎向直徑為A0z。由式(1)得

左邊是接觸、結合水膜(聯接)、收縮膜(聯接)提供的有效應力，令

(2)

總有效應力

(3)

在z方向加下標，注意到σz=Pa+q+∑rjhj。

由式(3)得z方向的有效應力

(4)

式中，∑rjhj為計算點i以上土的自重應力。在x方向加下標，由式(3)得x方向的有效應力

(5)

式(4)、式(5)中的Buz、Xz與A0x、Ax有關，Bux、Xx與A0z、Az有關，還與鏈狀連結及大孔隙的微結構有關，還沒有精確的計算方法?？捎赏凉ぴ囼灲Y果計算[16]，或參考電鏡掃描結果。下面求水平方向的抗剪強度。

首先是z向鏈狀連結的接觸與聯接的貢獻。由式(2)加下標z和式(4)得

(6)

其次是x向鏈狀連結的接觸與聯接的貢獻。該連結在x方向是縱向拉伸，在接觸最少的最不利位置破壞，內摩擦角α很小。膜的真粘聚力和膜捆綁土粒在接觸處產生的摩擦力之和為

所以

τx=τx1+τx2=(q+∑rihi)tanφ+cx1+cx2+

令初始抗剪強度[17]

(7)

則

τx=C+(q+∑rihi)tanφ

(8)

式(8)為i點土的水平方向的抗剪強度。

注意，真粘聚力指膜聯接直接以拉力形式提供的抗剪強度貢獻。

4 天然紅粘土骨架的特性

4.1 天然紅粘土骨架的模式

天然紅粘土骨架可以按微結構單元+鏈狀連結+大孔隙的總土體模式進行分析。其中，微結構單元是水穩性、剛性和基本飽和的(主要裝結合水)，大孔隙是自由水進出的主要通道，鏈狀連結有柔性、半剛性、剛性。

4.2 “上硬下軟”的天然紅粘土骨架

前面說到，紅粘土具有典型的“上硬下軟”特征。2016年，王躍飛等[18]指出，湖南殘積紅粘土具有明顯的垂直分帶性。其上帶(厚約3 m)工程特性與一般粘性土相似; 中帶具典型的紅粘土特征(堅硬-硬塑); 下帶為紅粘土(可塑-軟塑)靠近基巖。一般認為，液限時土中水除了結合水外，已有相當數量的自由水；塑限時土中水幾乎僅有強結合水，無收縮膜；弱結合水能緩慢流動，因此與孔隙氣接觸處會有收縮膜。圖5為一般天然土坡的示意圖，結合上述的湖南殘積紅粘土[18](由碳酸鹽類巖石風化殘積坡積所形成)進行討論。從上到下，上帶為非飽和土的懸掛毛細水層，其厚度約3 m，在大氣影響深度帶的范圍；含水率平均值30.9%，飽和度平均值85.1%；褐黃色，說明游離氧化鐵含量較??；液限49.7%，塑限指數21.4，為次生紅粘土[19],是經坡、洪積再搬運后，液限大于或等于45%但小于50%的紅粘土；由于水流搬運和大氣影響，“除鐵”，顏色變黃。還除去部分細分散顆粒(粘粒)，無脹縮性；其物理力學特性與一般粘性土相似，主要是水膜聯接，還存在收縮膜聯接。中帶為非飽和土的中間帶，含水率平均值30.8%，飽和度平均值91.4%；褐紅色，為紅粘土；堅硬-硬塑，液限53.3%～62.3%，塑限指數22.7～32.4，為高液限土(液限大于50%，塑性指數大于26)；弱膨脹性和中強收縮性；其微結構為圖4的形態，最不利位置在鏈狀連結處；其統計的針鐵礦含量占總礦物含量的平均百分比為8.5%，赤鐵礦4.3%，三水鋁石為6.2%，即在干熱條件下，氧化鐵濃縮、脫水、陳化轉變為微晶態或晶態，其主要是針鐵礦、赤鐵礦強膠結的強廣義結合水膜聯接，粘粒之間沒有收縮膜聯接，但下部靠近支持毛細水帶處為可塑，弱結合水膜與孔隙氣接觸處有收縮膜。下段褐紅色紅粘土軟弱造成取樣較困難；包括毛細網狀水帶、毛細飽和水帶和飽和水帶，再往下是基巖，微結構也是圖4的形態；毛細網狀水帶為軟塑，除了支持毛細水，還有角部毛細水[20]，有收縮膜。再往下為流塑，飽和，沒有收縮膜。

4.3 天然紅粘土骨架與含水量

圖6是天然紅粘土骨架在不同含水量下的存在狀態示意圖。從圖4取出紅粘土骨架的一個單元，由微結構單元(粘聚體)和鏈狀連結組成。很顯然，紅粘土在不同含水量下的狀態研究屬于前述第一層次的研究。另外，應該注意的是，紅粘土中粘粒含量多，結合水多，由于在土工試驗時用的是自由水重量，造成實際飽和度和土工試驗的飽和度相差較大[21]。例如文獻[16]實例中，紅粘土的計算實際飽和度小于土工試驗飽和度：硬塑的紅粘土1,為68.6%和95%；可塑的紅粘土2,為76.5%和99%；軟塑的紅粘土3,為80.8%和100%。下面進行討論:注意粘聚體的保水性。見圖6(a),對應圖5的飽和水帶和毛細飽和水帶；由鏈狀連結、粘聚體、結合水膜形成土骨架，其他孔隙部分充滿自由水，只有這部分自由水進行滲流，所以紅粘土的滲透性很弱；土體與鏈狀連結為流塑，而粘聚體內部為軟塑。見圖6(b),對應圖5的毛細網狀水帶，由鏈狀連結、粘聚體、結合水膜、收縮膜形成土骨架，其他孔隙部分有支持毛細水(未畫出)、角部毛細水、孔隙氣；土體與鏈狀連結為軟塑，而粘聚體內部為可塑。見圖6(c),對應圖5的中間帶的底部，由鏈狀連結、粘聚體、結合水膜、還有弱結合水膜角部的收縮膜形成土骨架，到塑限時只有強結合水膜，其他孔隙部分僅有孔隙氣；土體和鏈狀連結為可塑或硬塑，粘聚體也為可塑或硬塑。見圖6(d),對應圖5的中間帶，由鏈狀連結、粘聚體、強結合水膜形成土骨架，其他孔隙部分僅有孔隙氣；由于干燥，強結合水膜不斷減少，但一般到縮限不再變化；土體與鏈狀連結為堅硬，粘聚體為硬塑。見圖6(e),對應圖5的中間帶的干旱災害的情況，由鏈狀連結、粘聚體形成土骨架，其他孔隙部分僅有孔隙氣；由于干旱，土體縮限后依然不斷失去水分，使土骨架表面連強結合水膜也全部喪失，并延伸至內部，造成鏈狀連結開裂甚至斷開，粘聚體表面開裂(內部有一定水分)；土體開裂或出現坍塌。

5 改良紅粘土的土骨架

5.1 路基壓實紅粘土的土骨架

圖7是一種理想的路基壓實紅粘土的土骨架模式。對照圖6，經過壓實，鏈狀連結被壓碎，孔隙氣排出，粘聚體重新緊密排列，形成粘聚體之間填充(鐵膠)粘土的新結構。與外包粘粒皮顆粒群骨架[9]相似，圖6、圖7可以統稱為粘聚體群骨架，動力作用時群體運動。圖7的土骨架，可以按粘聚體+(鐵膠)粘土+大孔隙的總土體模式進行分析。其中，粘聚體是水穩性、剛性和基本飽和的(主要裝結合水)，大孔隙是自由水進出的主要通道，主要存在于(鐵膠)粘土中；(鐵膠)粘土與粘聚體之間有結合水膜聯接，或還有收縮膜聯接，形成運動整體。由含水量決定的(鐵膠)粘土的狀態，是紅粘土壓實的主要因素。

尹利華等[22]提出了云南紅粘土路基填筑碾壓含水率、松鋪厚度、碾壓遍數等施工參數和施工工藝。由文中提供的塑限、塑限指數和填筑含水率計算，得到填筑土的液限指數在-0.2～-0.125之間，為堅硬狀態。參圖6(d)和圖7，經過靜壓1遍，弱振1遍，強振6遍，土體壓實度可以達到91%，CBR(加州承載比，評定路基土和路面材料強度的指標)滿足規范要求，還獲得較好的水穩性。

陳學軍等[23]通過濕法擊實制備最佳含水率下的桂林紅粘土試樣，進行試驗，發現紅粘土滲透系數在壓實度<94%時滲透系數減小速率很快(作用階段)，在壓實度>94%之后減小速率明顯變緩，并且隨壓實度的進一步提高，滲透系數降低程度趨于平穩(穩定階段)；紅粘土的抗剪強度指標，隨著壓實度增高，粘聚力呈指數函數關系增大，內摩擦角呈二次函數關系先增大后減小；綜合分析建議路基施工中應控制壓實度在94%以上。由文中提供的參數計算可得最佳含水量時的液性指數在-0.142～-0.236之間，為堅硬狀態。壓實度<94%時，由于自由水孔隙比[25]不斷變小，滲透系數減小速率很快，壓實度>94%后，自由水孔隙比=0，即(鐵膠)粘土中的孔隙已經小到僅能容納結合水，僅有少量的自由水蠕動，滲透系數降低程度趨于平穩，并且幾乎為零(5.05×10-9cm/s)。其采用的室內不排水不固結的三軸剪切試驗是不加水的試驗。壓實度越大，(鐵膠)粘土填充結構越緊密，孔隙愈小，強結合水接觸的面積越大，綜合這些因素，得到式(7)的初始抗剪強度C越大，注意C(包含真粘聚力、膜捆綁土顆粒和水氣不抵大氣壓強自重應力提供的抗剪強度貢獻)就是經典土力學中的粘聚力。內摩擦角φ取決于土顆粒的接觸。壓實度<94%時，(鐵膠)粘土顆粒接觸越緊密，內摩擦角越大；壓實度>94%時，越來越多的(鐵膠)粘土的細顆粒碎裂成單個粘土礦物或更小的游離氧化鐵及其他顆粒(也可以說是再粘土化)，接觸變細，粘聚力增加，內摩擦角卻減少。

綜上所述，參文獻[22]，路基壓實紅粘土，可以取填筑含水率稍大于濕法擊實的最佳含水率(填筑土為堅硬狀態),節約晾曬成本和獲得較好的水穩性；通過靜壓、弱振、強振，使鏈狀連結碎裂、孔隙氣排出，形成(鐵膠)粘土填充結構后，再進一步密實；在滿足CBR等各項規范要求，即保證質量的前提下，可以適當地降低壓實度，降低施工難度和得到較好的經濟效益。

5.2 強夯作用下的土骨架

李慶宏[24]通過用3 000 kN·m沖擊能夯擊原狀紅粘土(硬塑至堅硬),以控制沉降試驗表明:無論是在沉降量控制、壓縮模量控制、沉降差異控制,還是影響效果的深度都能滿足設計要求,并取得很好效果。曲兆軍[25]等，以新建昆明國際機場紅粘土地基為依托,研究了紅粘土在強夯作用下的壓實特性。試驗研究結果表明:紅粘土強夯壓實效果并非隨夯擊次數的增加而增強,夯擊到一定次數時,坑底土體(軟塑)變成 “橡皮土”,產生較大的側向移動。

強夯對原狀紅粘土的夯實作用可以探討如下：粘聚體在夯實過程中基本是穩定的。見圖6(a)，流塑，鏈狀連結歪斜(不一定碎裂)，自由水流動，形成橡皮土；見圖6(b),軟塑，鏈狀連結碎裂為(鐵膠)粘土充填，繼續壓實，原有自由水加上部分弱結合水受擠壓形成的自由水流動，也會形成橡皮土；見圖6(c)，首先是可塑，鏈狀連結碎裂為(鐵膠)粘土充填，繼續壓實，部分弱結合水受擠壓形成少量不連續的自由水蠕動，沒有橡皮土現象，但夯實效果不好；其次是硬塑，很薄的弱結合水在土顆粒的強吸引力范圍之內，基本不會受擠壓形成自由水，(鐵膠)粘土繼續被壓碎膠結壓實；見圖6(d)，堅硬，比硬塑更容易壓實；見圖6(e)，干土，僅在嚴重干旱時表層有此種土，沒有結合水(膠)，類似干砂但比其顆粒細，可以夯實但受孔隙氣干擾極不穩定。

5.3 水泥加固紅粘土的土骨架

龔子龍[26]等，通過對不同水泥摻量和不同齡期的紅粘土進行無側限抗壓強度試驗和掃描電子顯微鏡(SEM)試驗，分析了水泥對紅粘土強度及微觀結構的影響。結果表明：加入水泥后紅粘土表面生成細微的顆粒和針狀物，這些顆粒和針狀物填充、連結、膠結土體，形成了水泥石骨架，提高了水泥土的強度。并且當水泥摻入量小于20%時，水泥土的強度會隨齡期的增長不斷提高。當水泥摻入量大于20%時，強度提高不大。很顯然，水泥石主要填充大孔隙、膠結鏈狀連結及粘聚體的表面，其他再增加水泥意義不大。

同理，水泥注漿法[27]可以用于天然紅粘土的加固。如屈昌華[28]介紹了壓力水泥灌漿法在貴陽某玻璃廠熔制車間紅粘土(硬塑)地基中的應用。王彤標[29]進行了灌漿法處理軟塑紅粘土的可行性探討。

另一種可以用于水泥加固紅粘土的方法是高壓旋噴樁[27]法，旋轉的高壓水泥漿使紅粘土的粘聚體及鏈狀連結裂解成單個土顆粒，水泥用量多，形成水泥石包裹單個土顆粒的土骨架，固結后強度高。但由于破壞了紅粘土的原有結構，在水泥土液態的時候，幾乎沒有強度，必須考慮施工時的不利工況，尤其是既有建筑地基基礎加固要慎重。

前面昆明國際機場紅粘土地基的強夯工程，可以先用水泥注漿法或高壓旋噴法加固坑底的土體(軟塑)，再強夯。但強夯必須在水泥土固結后。

6 結 論

a.紅土中的絮狀體、迭聚體也可以稱為(鐵膠)粘聚體。粘聚體可以按其脹縮性和膠結性能進行區別。

b.定義:土中粘粒(包括膠粒)之間，由化學鍵(離子鍵及共價鍵)、氫鍵、分子鍵形成的聯接統稱為廣義結合水膜；不包括收縮膜。

c.相對的，按水膜、羥鐵礦、針鐵礦、赤鐵礦排列，紅粘土的粘土礦物顆粒之間的聯接為：微膠結、弱膠結、中膠結、強膠結。

d.按微結構單元+鏈狀連結+大孔隙的總土體模式,分析了紅粘土的大氣張力有效應力與抗剪強度。

e.分析了“上硬下軟”的天然紅粘土骨架。

f.紅粘土由于粘粒含量大，再就是粘聚體的水穩性強，而按土工試驗，紅粘土的狀態(取決于液限指數)主要與粘聚體+(鐵膠)粘土+大孔隙的總土體模式有關，所以，土工試驗得到的飽和度與土的狀態相矛盾。

g.分析了改良紅粘土的土骨架。

h.典型的紅粘土骨架可以稱為粘聚體群骨架，動力作用時群體運動。天然紅粘土中，粘聚體之間的聯接為鏈狀連結，壓實后為(鐵膠)粘土充填。注水泥漿時紅粘土的原結構基本保留。高壓旋噴加固時原結構化成單個土顆粒被水泥石包裹，但液態時強度低。