王跃飞， 胡惠华， 马德青

(湖南省交通规划勘察设计院， 湖南 长沙 410008)

湖南残积红粘土工程特性及其对公路建设的影响

王跃飞， 胡惠华， 马德青

(湖南省交通规划勘察设计院， 湖南 长沙 410008)

利用公路工程建设中所取得的丰富资料，对湖南残积红粘土的物理力学性质进行了统计分析，揭示了湖南残积红粘土的工程特性及残积红粘土的垂直分带特征。通过对红粘土特性的深入分析，结合公路工程的特点，剖析了残积红粘土作为路堑边坡土体、构筑物地基、筑路材料时对公路工程建设的影响，并提出了相应的设计思路及建议，特别是对残积红粘土边坡提出了一些新的认识。

公路工程； 湖南； 红粘土； 工程特性

0 前言

本文中的红粘土是指母岩为碳酸盐岩系，在湿热条件下经过红土化作用形成的特殊土类，红土化是指母岩经风化、淋滤、水解、碳酸化、重结晶及氧化还原等一系列的物理化学变化，其中的碱金属(如钠、钾)和碱土金属(如钙、镁)元素及氧化硅等先后流失，而难溶物质如铁、铝等金属元素则相对富集的过程。

湖南省碳酸盐类岩石的分布面积约占全省总面积的28%，在湖南的邵阳市、娄底市及湘南分布较广。在上述地区建设的湘潭至邵阳高速公路、邵阳至怀化高速公路、邵阳至永州高速公路、娄底至新化高速公路项目等，为该地区红粘土的研究提供了大量的资料，本文就是通过对这些资料的统计分析及对工程经验的总结而撰写的。

1 红粘土的成因

红粘土成因大致可分为两类，不同成因的红粘土具有较明显的差异。一类是较常见的残坡积成因，一般分布于岗丘或山麓斜坡上，以红色为主，其成分具有较明显的垂直分带性，一般夹有少量母岩的风化碎屑，且保留了母岩的残余结构特征，其强度特征也体现了残余结构的存在。另一类是冲洪积成因，一般分布于冲沟中，以黄色为主，由于经过了一定距离的搬运，其中母岩碎屑相对较少，粘粒含量相对较高，一般不具有残余结构特征，从上往下其成分及其工程地质特征较均一。

研究区多为丘陵地貌，岗丘上的红粘土一般为残积成因，而冲沟中的红粘土一般为坡积或冲积成因。对公路工程而言，岗丘地势较高，一般为挖方段，存在路堑边坡稳定、跨线桥等构筑物地基强度、移挖作填部分的土质筑路材料质量等工程问题，红粘土对工程影响较大；冲沟地势较低，一般为填方段，红粘土对工程影响较小。

2 湖南残积红粘土的工程特性

2.1 残积红粘土的垂直分带性

根据对大量路堑边坡的观测及室内试验数据与原位测试成果的分析，发现残积红粘土具有明显的垂直分带性。

一个完整的剖面从上往下可分为如下3个带：

1) 上带(表层强风化带)：土体颜色相对较浅，多为褐黄色。该带因埋深浅而受大气影响严重，受淋滤也较强，为强风化带。由于研究区新构造运动微弱，其厚度一般与该区大气影响带深度相同，为3 m左右。其物理力学特征与一般粘性土差异不大，如无明显的胀缩性。在研究区，对大量的低层建筑进行了调查，基本上未发现利用浅层土作地基的建筑物出现裂缝的情况，由此可判断浅层土一般不具明显的胀缩性。

2) 中带：多为褐红色，坚硬～硬塑的典型红粘土，该带因埋深较大，受大气影响小，一般含少量的母岩碎屑，具有一定的残余结构强度，其自由膨胀率、母岩碎屑含量一般随埋深增大。该带是本文研究的重点。

3) 下带：多为褐红色，可塑～软塑的红粘土，该带紧靠基岩，其厚度与状态随地下水位及基岩面而波动，在溶沟发育的地段，水平方向相距半米，其厚度可能相差十余米。其基本特征是含水量高，粘性重。该带是孕育土洞的温床。

2.2 残积红粘土的矿物成分

以下为潭邵高速公路邵东县境内8个试样的统计成果。见表1、表2。

表1 红粘土(中带)矿物组成实验成果统计表%类别蒙脱石伊利石高岭石三水铝石针铁矿锐钛矿石英金红石赤铁矿最小值09383731369311810628最大值6594491136110512950858平均值43674176285402370743

表2 红粘土(中带)化学成分实验成果统计表 %类别SiO2Fe2O3Al2O3CaOMgOK2ONa2O最小值38701058275301605134013最大值448213973036036078174033平均值417012572933023064163020

从上表可看出，红粘土相对其母岩灰岩与白云岩而言，总的物质变化过程是脱Ca、Mg，富Si、Al、Fe的过程。其中的铝、铁氧化物的富集是决定红粘土特性的物质基础，如红粘土的主要颜色为红色与黄色，就是这两种氧化物富集的体现。红粘土主要为片状，鳞片状、针状粘土矿物，且含量高，颗粒集合体间孔隙细小，但数量多，因而分散度高，比表面积大，天然状态下能够吸附大量的水分子，形成较厚的强结合水膜。

由于研究区新构造运动微弱，红土化过程多进入最后的固结阶段，矿物颗粒部分或完全水合胶结，氧化铁、铝脱水，红土的孔隙比更小，强度不断提高。由于作为红土基本结构单元的团聚体被游离氧化物所包裹，其间又为游离氧化物胶结连接，内在的亲水膨胀能力难发挥，因此表现为膨胀性较低，而收缩性明显。

2.3 残积红粘土的基本特征

前面已提到红粘土的特征与其成因有关，且残积成因的红粘土具有明显的垂直分带性，故对红粘土的基本物理力学性质应按其成因和分带分别统计。见表3、表4、表5。

由于红粘土下带含水量普遍较高且变化大，粘性重，取样较困难，试验成果离散性较大，故未进行统计。

通过对大量试验成果的统计分析，发现湖南残积红粘土具有如下特征：

表3 潭邵路红粘土(上带)物理力学性质指标统计值(平均值)含水率/%湿密度/(g·cm-3)孔隙比饱和度液限/%塑限/%塑性指数自由膨胀率/%压缩系数/MPa-1压缩模量/MPa粘聚力/kPa内摩擦角/(°)含水比30917909785149728321432905347388172063 注：1液限的测定是采用76g平衡锥，相应的入土深度为10mm；2抗剪强度是直剪快剪强度。

表4 残积红粘土(中带)物理力学性质指标统计值项目名称含水率/%湿密度/(g·cm-3)孔隙比饱和度范围值平均值范围值平均值范围值平均值范围值平均值潭邵路151～499289159～227191041～140085697～1000929邵永路218～406308167～20119064～123091729～1000913永蓝路184～439314168～204187061～124089717～1000916娄新路197～480320166～199184069～133095719～996898

续表4 残积红粘土(中带)物理力学性质指标统计值项目名称液限/%塑限/%塑性指数自由膨胀率/%范围值平均值范围值平均值范围值平均值范围值平均值潭邵路316～974623180～470299136～571324 46．5～70．0575邵永路390～683533233～409305139～366227 25．0～65．0396永蓝路418～728571216～425314155～36025725．05～65．0461娄新路378～933600220～438295148～575305 20．0～65．0419压缩系数/MPa-1压缩模量/MPa粘聚力/kPa内摩擦角/(°)含水比范围值平均值范围值平均值范围值平均值范围值平均值范围值平均值004～047023 38～40799 15～130955404～325147031～072047011～057023366～19297131～149667223～285156047～072058012～067027 28～14083 61～102353823～268127035～065055015～058029 33～14874 03～104742632～215118042～074054 注：1液限的测定是采用76g平衡锥，相应的入土深度为10mm；2抗剪强度是直剪快剪强度。

表5 残积红粘土(中带)收缩性指标统计值项目名称线缩率/%体缩率/%收缩系数缩限范围值平均值范围值平均值范围值平均值范围值平均值邵永路065～940388669～24241451001～059027120～310198永蓝路192～656365663～19051222010～046029132～243170

1) 上带土的物理力学特征与一般粘性土差异不大。

2) 中带红粘土具有如下特征：

① 液限高，塑性较大；

② 有较高的强度与较低的压缩性；

③ 具弱膨胀性，中强收缩性。

3) 下带红粘土含水率高，粘性重，强度低，失水后收缩明显。

此外，统计发现同一钻孔内普遍具有含水量、液限、膨胀率、线缩率随深度增大而增大，孔隙比随深度增大而变小的规律。

3 红粘土与公路工程

3.1 残积红粘土与路堑边坡

由于路堑边坡多位于地势较高的地段，这些地段正是残积红粘土的分布区，而残积红粘土一般具有明显的分带性，故对红粘土构成的路堑边坡进行评价时应充分考虑红粘土的分带特征。

对上带(表层强风化带)，因其相当于一般粘性土，不具有对边坡稳定性分析及边坡防护方面的特殊意义，故在此不作过多的评价。

对中带的坚硬～硬塑的典型红粘土，在路堑边坡施工过程中或在边坡成型后，其赋存的环境发生了明显的改变，先前因埋深较大而受大气影响不明显，开挖后暴露地表或埋深很浅，其含水量等受大气影响明显。对路堑边坡上的土层，其侧压力为零或已明显减弱，这也是其赋存环境的一大明显改变。由于这个带的红粘土具有一定的胀缩性，含水量的变化使其反复地膨胀、收缩，收缩产生的裂纹由表入里，有利于更深处的地下水蒸发，裂纹的存在使大气降水更易渗入，渗水后产生一定的膨胀，进一步崩解，这一过程的反复循环导致其中的微裂纹极发育，其残余结构强度被部分或完全破坏，部分甚至崩解为几毫米大的颗粒状。由于极发育的裂纹一般不具有明显的方向性，故一般不存在控制边坡稳定的具有一定规模的裂缝。

对下带的可塑～软塑的红粘土而言，除具有其上带的特征外，还具有该带特有的一些性质。一方面因其接近基岩，含水量较高，其力学强度低，相当于软弱下卧层，在刚揭露时，一般是导致边坡失稳的主要软弱层，特别是在基岩面倾向坡外，且地下水位高于岩面时，如不及时排水及支护，边坡极易失稳。另一方面其厚度变化大，在开挖断面上有时并非连续分布。

对大量的路堑边坡调查后发现，除上述因存在连续分布的软弱层而产生的整体失稳外，由红粘土构成的边坡具有如下明显的变形破坏特征：破坏模式为崩滑，其规模一般不大，宽度一般为20～40 m，厚度一般为3～5 m；崩滑发生在红粘土的中带及下带，上带有时受牵引也可能产生变形；崩滑体的主滑面一般平行坡面，后缘出现在边坡中上部，而不象一般滑坡那样出现在坡顶；如果防护不当或不及时，失稳发生的概率较大；失稳的时间从施工期间可一直延续到通车运营多年后。

红粘土边坡的这些变形破坏特征是由该类土特殊的物理力学性质决定的。路堑开挖使边坡上的红粘土赋存环境发生了改变，路堑边坡浅表层的土体由深埋变为浅埋，从而使其含水量随气候变化而反复变化。研究区红粘土中带及下带具弱膨胀性及中强收缩性，随土体中含水量的变化而产生胀缩，其中失水收缩产生裂缝是其力学强度逐渐降低的主因。土体强度的降低是一不可逆的过程，特别是其残余结构强度的丧失更是如此。变化显著的是其中带及下带，土体中裂纹的分布无规律，强度的减弱随其埋深而降低。在研究区大气影响深度一般为3～5 m左右，在大气影响深度范围内的土体强度衰减显著。由此可解释边坡上的土体总是以看似浅层剥离的方式崩滑，一般发生于中下部，且下滑部分一般呈散体结构，崩滑体厚度一般接近区域的大气影响深度，主滑带与坡面近于平行。又由于土体强度的减弱是一个漫长的过程，与土体的成分及气候等有关，故一条路上从施工期到运营过程中都有可能不断出现该类边坡失稳。

在研究区，红粘土路堑边坡坡比多为1∶1～1∶1.5，其破坏形式均以上述的崩滑为主，调查表明，随着坡度的变缓边坡失稳的比率并无明显的变化。放缓边坡对边坡稳定通常有利，但对红粘土路堑边坡而言，单纯地采用放缓边坡来预防失稳是难以达到目的的。路堑开挖后，土体强度不断衰减，在无防护的情况下，边坡长期稳定的坡度将接近于自然边坡坡度。对路堑边坡而言，采用自然边坡坡率当然是不可能的。保持红粘土边坡稳定的关键是确保红粘土含水量不发生大的变化，因此封闭坡面是最直接有效的方法。而实际上，由于强调植物防护的理念，一般不采用封闭坡面的防护措施。开挖后，1 a甚至2 a后防护才到位。因为上述原因，部分红粘土边坡在施工期就已失稳，从而使人产生采用更缓边坡坡比的想法。将崩滑体清除后，崩滑体以下的土体由深埋变浅埋，将重演红粘土强度逐渐衰减直至边坡失稳的过程。笔者认为可根据土石方平衡、征地拆迁等综合考虑边坡坡比，如果能及时采取防止路堑边坡土体含水量变化的防护措施，1∶1左右的坡比也是可取的。

由上述分析可知，在定量评价路堑边坡的稳定性时，决不能采用通过原状土样获取的力学指标，而残余抗剪强度也不能真实地代表其实际强度。对路堑边坡而言，应考虑红粘土赋存环境改变对其物理力学性质的动态影响，采用反复浸水失水后的土样强度更接近路堑边坡浅表层红粘土的长期强度。

3.2 残积红粘土与构筑物

中上带残积红粘土的力学强度一般较高，特别是中带的坚硬～硬塑的红粘土，其标准贯入试验击数一般超过20击，部分甚至大于35击，其压缩模量一般为8～10 MPa，据一些静载试验及经验数据，承载力特征值一般可达220～300 kPa。一般可作为小桥、涵洞、通道的天然地基。由于红粘土胀缩性较明显的特征，其作为构筑物地基时，有两个方面必须考虑：一是红粘土长期强度的确定；二是基础埋置深度的选择。

红粘土的力学特征随其赋存环境的改变而改变，因此在评价其力学强度时，应结合工程特征判断。如路堑地段的分离式桥、路堑挡墙等，基础附近的红粘土，在勘察期间与施工及运营期间的赋存环境有很大的差别，在施工前埋深较大，天然含水量的改变很小，其力学强度较高，其力学性质较稳定。施工开挖后，其埋深浅，含水量随大气影响明显，在大气影响深度内其胀缩表现明显，其力学强度出现不可逆的衰减，轻则可能导致构筑物开裂影响正常使用，重则可能出现地基失稳，构筑物破坏。因此，对于残积红粘土，如果勘察时与工程施工运营时的赋存环境存在变化，一定要动态地考虑残积红粘土物理力学性质的变化，正确评估红粘土的长期强度。

当采用胀缩性明显的红粘土作为天然地基时，基础埋深一般应大于当地的大气急剧影响深度。

3.3 残积红粘土与筑路材料

在研究区内，一般为丘陵地貌，岗丘处一般为切方段，按移挖作填的原则，一般应考虑将开挖的岩土作为筑路材料。另一方面，沿线的大型料场一般也会选择岗丘，而不是地势较低的冲沟，因为冲沟中一般农田房屋较多，且地下水及大气降水不易自然排泄。因此，这些地段的土质筑路材料绝大部分来自于地势较高的岗丘。如前所述，岗丘处的红粘土一般为残积成因，具有明显的垂直分带性，一般具有3个带。每个带的土作为土质筑路材料而言，均具有不同的性质，其上带可视为普通土，根据试验结果判断，其液限一般低于40%，CBR值一般大于8%，天然含水量较低，是较好的土质筑路材料；中带普遍为高液限土，CBR值一般小于5%，由于其高液限，弱膨胀性、中至强收缩性等原因一般不能直接用作路堤填料；下带的土除具有中带的一些不良特征，还因其天然含水量高，更不适于直接用作筑路材料，一般须经过晾晒、掺石灰等处理后方可使用。

为确定红粘土填料的胀缩总率，应进行压实土的胀缩试验，而不是原状土的胀缩试验。

4 结论

1) 湖南的残积红粘土具有高液限、高强度、低压缩性等红粘土常见的物理力学性质，此外，还具有弱膨胀、中强收缩性的特性，以缩为主，缩大于胀。与贵州、广西等地典型红粘土的物理力学特性基本一致。

2) 湖南残积红粘土具有明显的垂直分带性。其上带工程特性与一般粘性土相似；中带具典型的红粘土特征，也就是高液限、高强度、低压缩性、弱膨胀性及中强收缩性；下带靠近基岩，层厚变化大，受地下水影响明显，含水率一般较高且变化大、粘性重、强度低、失水收缩明显。

3) 路堑边坡上的红粘土，由于开挖后赋存环境的改变，中带及下带红粘土的强度将经历一个漫长而不可逆的显著衰减过程。这是红粘土边坡与一般土质边坡的本质差别。中带原状土样的力学强度不能代表路堑边坡浅表层土的长期强度。理论分析及工程经验表明强度显著衰减带的厚度与大气影响深度基本一致。红粘土路堑边坡的失稳主要发生在中下带，且一般为浅层滑塌。此类边坡防护应优先考虑封闭坡面，减弱土体强度的衰减。

4) 将红粘土作为天然地基时，其强度的评价应充分考虑工程施工与运营期间赋存环境改变的影响，动态地评估红粘土的长期强度，否则有可能作出非常危险的判断。构造物基础宜埋置于大气急剧影响深度以下。

5) 当需要用残积红粘土作土质筑路材料时，因其垂直分带明显，对勘察、设计、施工而言，均应分别对待。对公路工程而言，上带一般可直接使用，中下带一般不能直接使用，常用的方法是掺灰处理。

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1008-844X(2016)04-0014-04

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