贵州红粘土稠度状态指标划分差异及其原因分析

唐 薇，廖义玲，唐睿旋，易庆波，张衍林

（1.贵州大学资源与环境工程学院，贵州 贵阳 550025；2.中国地质大学，湖北 武汉 430074）

红粘土在贵州省内广泛分布，发育完好，是与工程建设关系最为密切的土类。对于粘性土而言，其力学性质主要由粒间连结力控制［1］，而粒间连结力在不同的稠度状态上有不同的表现形式，因此在粘性土中稠度状态是一项重要的指标。由于受到母岩岩性和成土条件的影响，贵州红粘土有自身特殊的性质，其中稠度状态的特殊性表现得尤为突出，故而探讨贵州红粘土的稠度状态及其指标有着重要的意义。

1 稠度状态及其指标

对于同种土，其稠度状态是由于含水多少的不同，土表现出不同的软硬状态。土体稠度状态指标的大小是通过天然含水率与界限含水率(塑限含水率、液限含水率)的关系来考虑的，一般用液性指数IL来表征。当天然含水率小于塑限含水率时，土体属于坚硬状态；当天然含水率大于液限含水率时，土体属于流态；当天然含水率在界限含水率之间时，土体属于塑态［2］。

贵州红粘土是广泛分布的工程土类，经过长期工程实践发现，红粘土的稠度状态比较特殊，若按一般粘性土的液性指数标准来划分，会与实际稠度状态有出入。在工程应用上，为了解决这个问题，通过大量工程实践统计发现，用含水比aw来划分贵州红粘土的稠度状态更符合实际情况，更能表明贵州红粘土在自然状态下的稠度情况，为此还制定了相关划分标准写入规范中［3］，划分范围如表 1。

表1 含水比划分红粘土稠度状态标准［3］Table 1 Classification standard of consistency state of red clay by using water content ratio

由于贵州红粘土稠度状态划分上的特殊性，笔者通过大量数据统计和分析，发现用液性指数对贵州红粘土稠度状态划分会将本属于硬塑态的划分到坚硬和软塑态中去，且不同地域红粘土在指标差异上有所不同。针对研究内容，选取分布在铜仁、黔东南、贵阳、遵义、安顺、六盘水6个地区的红粘土进行分析。

2 对贵州红粘土的稠度状态的探讨

2.1 含水比划分贵州红粘土的稠度状态

根据规范要求，采用表1分类标准统计上述6个区域共1628组数据，稠度状态划分结果如表2。从表2中可以看出，贵州红粘土大部分处于硬塑和可塑状态，两者所占比例高达88.27%，流态所占比例很小，仅有0.37%，多在局部的低洼地形或溶洞中会出现这种情况。数据显示，红粘土从西部高原地区主要由软塑、可塑状态为主，向东部山地丘陵区逐渐变化为以硬塑甚至坚硬状态为主。六盘水地区可塑、软塑、流态所占比例高达87.97%，这3个状态多占比例向东依次为安顺75.14%，遵义71%，贵阳37.29%，黔东南53.85%，铜仁16.48%，呈降低的趋势，而坚硬、硬塑态的比例从西向东则呈上升的趋势。贵州东部的铜仁地区比西部的六盘水地区海拔低，气温高，昼夜温差大，稠度状态相较来看，统计样品中处坚硬、硬塑态的土样比例较大，甚至无流态的土样，而六盘水地区处可塑、软塑态的土样比例较大。在贵州省内，不同区域的红粘土，其稠度状态是有差异的。

表2 贵州不同地区红粘土稠度状态统计表(用aw划分)Table 2 A statistic chart of consistency state of red clay in Guizhou regions(By using water content ratio)

2.2 液性指数划分贵州红粘土的稠度状态

一般粘性土用液性指数IL来划分土的稠度状态，稠度状态划分标准如表3。

表3 液性指数划分粘性土状态标准［2］Table 3 Classification standard of consistency state of red clay by using liquid index

将1628组土工试验数据采用IL稠度划分标准，贵州红粘土的稠度状态划分结果如图1。从划分结果来看，可塑态的比例最高，所占比例达57.24%，而硬塑态所占比例仅为27.46%，坚硬状态占11.12%，软塑态占3.81%，流态占0.37%。

2.3 aw和IL划分稠度状态的差异

由统计数据可以看出，用含水比和液性指数对贵州红粘土稠度状态划分确实有一定差异，各种状态的分配比例有所改变(图1)。

图1 含水比与液性指数对贵州红粘土状态划分结果对比图Fig.1 Correlation map of the classification result of the red clay in Guizhou by using water content ratio and liquid index

从划分结果以及对比图1不难发现，贵州红粘土大部分仍处于硬塑和可塑状态，两者所占比例均达80%以上，就这一点而言，液性指数划分结果与含水比划分结果一样，但两者划分结果中各稠度状态所占比例有变化。用含水比划分，坚硬状态红粘土仅占3.93%，硬塑态的红粘土占 48.1%，可塑态的占40.17%，而用液性指数划分结果显示，坚硬状态红粘土占11.12%，硬塑状态红粘土只占27.46%，可塑态的红粘土达57.24%，总体表现为用液性指数划分后坚硬状态的增加，硬塑态的减少和可塑态的增多，可认为是用液性指数对贵州红粘土稠度状态划分会将本属于硬塑态的划分到坚硬和软塑态中去了，即说明用液性指数对贵州红粘土土样状态进行划分，稠度状态结果不太符合实际情况。

2.4 原因分析

红粘土成土最主要的是岩溶作用和红土化作用两个地质作用阶段［4～5］。岩溶作用形成的残余堆积物还不是红粘土，经过红土化作用后才演化成红粘土。红土化作用是一种特殊的地球化学过程，水和温度是两个红土化过程中的必要条件，充分的水利于堆积物继续溶蚀，淋滤，分解，温度使分解出来的物质进一步演化，重新组成新的氧化物类矿物。当温度达到一定程度时，氧化物胶体陈化形成固体矿物颗粒。红土化作用下形成新的氧化物类矿物和胶体是影响红粘土特殊性质最主要的作用之一［6～7］。贵州气候温和，冬暖夏凉，水量充沛但不均匀，四季分明，非常适宜于碳酸盐岩进行红土化地质作用，但是由于海拔及地形地貌的影响，不同地区雨量及气温不一，导致红土化作用程度差异［8］，从而红粘土所含矿物及胶体含量才有差异，与水作用后表现形式不同，最终形成贵州红粘土在稠度状态上有区域性的差异。不同地区红粘土含水量不同，使结合水厚度不一样，贵州东部地区气温高，温差大，降雨量大，较西部地区红土化作用程度剧烈些，稠度上表现为多呈坚硬和硬塑态，而西部地区红粘土多呈可塑和软塑态［9］。

红粘土稠度状态的本质是含水率增减引起土粒间连结的变化。贵州红粘土孔隙细小，孔隙比大，土中水分含量高，在湿润气候条件下，土中充填的水多，但是，红粘土粘粒含量高，有一定的亲水矿物，还有一些不定形物质和胶体物质，使它们吸附水分子的能力强，更多以结合水的形式出现，同时土粒间连结力增强，使得贵州红粘土在自然状态下多为硬塑和可塑态。

粘性土稠度状态的变化，从现象上看是由于含水率的增减引起的，但不同成分的土即使有相同的含水率，稠度状态也可相差很大，这是因为相同含水率在不同成分的土中形成的土粒周围结合水厚度或扩散层厚度不同，也就是说不同土中含水的数量虽然相同，但水的类型不同，使土粒间连结强度不同［10］。红粘土中水的存在形式主要为结合水，其性质不同于普通液态水，结合水的密度要比普通纯水的密度大，在体积相同时，结合水的质量要比普通水的质量大，所以在液性指数的计算中会因为水密度的影响造成计算结果偏差。液性指数计算公式:

式中:IL、IP—— 液性、塑性指数；

w——天然含水率；

wP、wL——塑限、液限含水率。

由于wP表示从塑态转变为坚硬状态时的含水率，在该状态下土中主要是以强结合水为主，其密度比普通水密度大得多，那么与相同体积一般粘性土相比，wP的值会偏大［11］。同理，wL表示为从塑态转变为流态时的含水率，在该状态下，土中水虽然含有少部分结合水，但主要还是以自由水为主，与相同体积一般粘性土相比，wL的值相差不大。因为这个原因，使得塑性指数IP与一般土相比会偏小(这也是塑性图上红粘土位于A线下方的原因之一)，由此可以分析出:

(1)在坚硬状态下，红粘土粒间连结强，高温条件下固定层连结不易破坏，粒间水主要为强结合水，天然含水率值偏低加之wP较一般粘性土偏大，故(wwP)＜0的概率提高，会使本属于硬塑下限的土误分到坚硬状态中去。在图1中表现为:用液性指数对红粘土划分坚硬状态的比例大于用含水比划分出的坚硬状态的比例。

(2)在硬塑状态下，天然含水率与塑限含水率很接近，那么公式(1)中分子(w－wP)因为水密度不同引起的误差就相对较小，由于分母IP值偏小，使得计算出的IL值偏大，在划分时会将本属于硬塑的土误分到可塑状态中去，在图1中表现为:用液性指数对红粘土划分出硬塑态的比例小于用含水比划分出的硬塑态的比例，相反，可塑态的比例增加了。

(3)在软塑和流塑状态下，结合水膜不仅有固定层，还有扩散层和自由水层，天然含水率w与液限含水率wL接近，(w－wP)与(wL－wP)由于水密度的影响所产生的误差可相互抵消，在图1中表现为:用液性指数和含水比对红粘土状态划分后软塑和流态所占比例相差不多。

由于以上原因，按一般粘性土适用的液性指数IL划分标准来划分红粘土的稠度状态由于界限值的偏差会与实际情况有出入。另外，含水比和液性指数均为实测指标，但wP在试验中易产生误差，故用含水比aw对红粘土状态进行划分不仅能消除因wP实验误差所产生的影响，还更能代表贵州红粘土的状态，故而更符合红粘土的特殊性质。

3 稠度指标的相关关系

3.1 aw和IL的回归分析

通过统计软件对贵州各地区大量红粘土土工试验数据进行回归分析，确定含水比和液性指数之间的相关关系。分别进行一次、二次、指数、对数分析，筛选分析结果，每种关系中选用决定系数R2最大的作为两者的回归曲线，结果如表4。从表4中可以看出，含水比和液性指数均呈二次函数关系，即aw=aI2L+bIL+c。相关系数和决定系数均在0.8以上，两者相关性较高，散点集中于回归线附近的程度也较高。各个函数关系中，a＞0，且－b/2a＜0，说明在IL＞0的范围内，aw和IL呈正相关关系，证明它们在变化趋势上具有一致性。各回归方程的系数不同反映出红粘土所处区域不同，各种状态的比例分布也不同，即说明了贵州不同地区红粘土稠度状态变化程度不一。

表4 贵州各地区红粘土含水比与液性指数相关关系Table 4 Correlativity of the water content ratio and the liquid index of red clay in Guizhou

3.2 红粘土液性指数等效划分范围

贵州红粘土用一般粘性土适用的液性指数划分稠度状态与实际情况有出入，为了能够提出一个适合贵州红粘土稠度状态划分的液性指数等效划分范围，现将表1含水比的划分范围带入到各地区的回归方程中，换算出液性指数等效划分范围I'L，得到表5。

表5 红粘土稠度状态液性指数等效划分范围Table 5 Equivalent range of liquid index of consistency state of red clay

为了验证液性指数等效划分范围I'L的可用性，将1628组土工试验数据采用液性指数等效范围I'L进行划分(图2)，坚硬状态所占比例为11.12%；硬塑态占40.6%；可塑态占39.25%；软塑态占8.66%；流态占0.37%。液性指数IL的稠度状态划分区间对贵州红粘土来说，硬塑态的上限偏低，可塑态的上限偏高，这样会将本属于硬塑和软塑态的误分到可塑态中去，对正确认识红粘土稠度状态造成影响。同时从数据可以看出来，用液性指数等效范围I'L与用含水比aw划分稠度状态的结果很接近。

图2 含水比与液性指数等效范围对贵州红粘土状态划分结果对比图Fig.2 Correlation of the classification result of the red clay in Guizhou by using water content ratio and equivalent range of liquid index

从图2中可以看出，用液性指数等效范围对贵州红粘土稠度状态进行划分的结果与用含水比划分状态的结果，两者差别大大缩小了，尤其是两结果中可塑和软塑态的比例相差很小，唯一的差别就是由于红粘土塑限含水率较一般粘性土偏大的原因，将本属于硬塑状态的误分到坚硬状态中了。结果的一致性说明用液性指数等效范围来划分贵州红粘土稠度状态有一定的可行性，但这只能作为工程评价红粘土的参考范围，暂不能成为规范的指标来推广。

液性指数等效划分范围I'L概念的提出，可以直观对比贵州红粘土与一般粘性土在稠度状态划分上的差别，而这样比较的结果间接证明了贵州红粘土的特殊性，为研究贵州红粘土特殊性提供了一个新方法。

4 结论和建议

(1)贵州红粘土在自然状态下，大都处于硬塑和可塑状态，且状态分布有地域性的差异。西部高原地区以软塑、可塑状态为主，东部山地丘陵区以硬塑甚至坚硬状态为主。贵州红粘土不同的红土化作用程度和孔隙水多为结合水是造成这一现象的主要原因。

(2)含水比和液性指数划分稠度状态，结果间存在差异，用含水比划分更符合贵州红粘土的特殊性质。红粘土结合水层的存在和结合水密度大于普通水密度是造成划分结果差异的主要原因。

(3)含水比和液性指数之间存在二次函数关系。提出适合贵州红粘土稠度状态划分的液性指数等效划分范围，可以直观对比出贵州红粘土与一般粘性土的差别，间接证明贵州红粘土的特殊性。

由于红粘土成分结构的复杂性，以上分析是粗浅的，客观上是否可行，还有待实践检验。建议进一步分析和研究贵州红粘土特殊性质的变化规律和影响因素，不断深入对贵州红粘土特殊性本质的研究。

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