千枚岩土掺入红黏土微观结构与压缩特性试验研究

赵秀绍，付智涛，耿大新，李 凯，谭周勇

(华东交通大学江西省岩土工程基础设施安全与控制重点实验室，南昌 330013)

江西省中北部低丘区千枚岩硬度低，风化程度高，手捏即成粉状，在压路机碾压后呈土状，因此称为千枚岩土。红黏土[1]作为一种典型的特殊土，与千枚岩土在中国分布广泛，且在江西省低山、丘陵区分布非常普遍，呈厚层状分布，部分地区千枚岩土与红黏土呈互层状分布[2]。两种土互层时现场分离难度大、费用高，而且在开挖时与运输进入填筑区域的过程中已经混杂。以煤运通道蒙华铁路岳吉段为例，正线全长433 km，软质岩分布段长296.5 km，占正线全长的68.4%。据统计，煤运通道岳吉段路基填方总量2 685×104m3，沿线靠山侧地形陡峭，河谷阶地狭窄，弃方、征地、借方都极为困难；挖方总量3 284×104m3，均为高液限红黏土或千枚岩土。根据《铁路路基设计规范》(TB 10001—2016)[3]要求，高液限红黏土属于D组填料，工程中因不满足要求一般按弃方处理；而千枚岩土也存在高液限问题，在常规的压实作业下难以达到要求的压实系数，因无法满足路基强度要求也作弃方处理。由此情况，将产生大量的弃方、借方，这将对沿线农业、生态环境产生较大影响，并加剧水土流失，弃土的土方量比较大，不符合国家可持续发展战略，弃土场的后续处理也会对周围的生态环境造成影响，不符合生态环境保护战略。再以新建昌北货场填方为例，填方总量超过200×104m3，采用好的填料运距远，费用高，因此周围低丘区大量分布的千枚岩土和红黏土是最有可能应用的填料。但千枚岩土黏聚力低，压实后易扰动；红黏土强度高，但温热变化十分敏感，压实后容易出现裂缝。而且这些工程性质不良的特殊岩土体分布广泛，如何充分利用这两种特殊土是工程领域必须克服的技术难题。

千枚岩土由于土体中粉粒较为均匀，黏粒含量少、表面积小、化学活性低，本身没有胶凝能力，黏聚力较低[4]，难以压实，即使碾压过后呈现出平整表面，但极易扰动[5-6]。赵丽娅等[7]选用西南地区的千枚岩废料进行路用性能测试，发现其遇水容易变形，分散性高，且压实后遇水极易崩解，不适于直接用作路基填料；但曹周阳等[8]通过大型三轴试验证明风干饱和强风化软岩(千枚岩等)能够满足工程强度及质量要求；毛雪松等[9]研究千枚岩的强度，发现经过一定的处理，强风化千枚岩填筑的路基稳定性得到提升，但目前主要通过掺入水泥进行改良[10-11]。

红黏土具有与一般黏土不相同的工程性质，压缩性较低、收缩性高、膨胀性低、地基承载力高[12]，易受环境影响，湿热变化十分敏感，用作填料时常出现纵向开裂、沉陷等病害，不宜直接用作路基填料[13]。红黏土本身不是一种很好的填料，主要是因为其湿热现象明显、容易产生裂缝[14-16]，但Tang等[17]通过在黏土中掺入聚丙烯纤维进行改良，发现聚丙烯纤维可以有效增强黏性土的干燥开裂特性；王贺等[18]研究发现同时在红黏土中掺入氧化钙与氧化铝，能够提高红黏土的脆性指数，提高了红黏土的强度和延展性，但目前仍缺乏改良红黏土的手段。

而现场试验表明，在千枚岩土掺入一定量的红黏土后，可以显著提高可压实性，降低土的压缩性。因此通过开展千枚岩土掺入不同比例红黏土压缩特性试验并研究混合土的微观结构，探讨红黏土改良千枚岩土的微观机理，对两种特殊土的充分利用有重要意义。

1 试验材料

1.1 土样来源及物理性质

选取江西省南昌市昌北货场取土场红黏土和千枚岩土作为研究对象，通过室内土工试验得到其基本物理性质如表1所示。千枚岩土不均匀系数Cu为61.0，曲率系数Cc为3.8，且红黏土Cu为26.3，Cc为0.983，两种土均为级配不良的粉质。

表1 土样物理性质

1.2 混合土材料配置

配制混合土：将千枚岩土与红黏土放入烘箱烘干24 h(温度105 ℃)，取出冷却至室温后过0.5 mm土工筛，以千枚岩土干土为基土，掺入不同比例的红黏土，拌合均匀成为混合土。试验配制了6种不同掺合比λ的混合土(λ=0、20%、40%、60%、80%、100%)，其中λ=0代表纯千枚岩土，λ= 100%代表纯红黏土，λ= 40%代表千枚岩土与红黏土干质量比为3∶2。

1.3 混合土击实试验

配置6组不同掺合比混合土，采用Z1型击实标准进行试验，各掺合比混合土的最优含水率和最大干密度如图1所示。由图1可知，混合土最优含水率与掺合比的关系不明显，而且整体相差不大，但是最大干密度随着掺合比的增大而增大，整体趋势可用五次多项式表达，相关系数为0.958 1。

图1 混合土最优含水率和最大干密度

1.4 混合土界限含水率

试验共进行了6组不同掺合比λ混合土的界限含水率试验，各掺合比土的液限wL、塑限wp和塑性指数Ip试验结果如图3所示。

由试验结果可知，千枚岩土液限wL大于40%，且10≤Ip< 17；红黏土液限大于40%，Ip> 17，两种土均为高液限粉质黏土[19]，而根据《铁路路基设计规范》(TB 10001—2016)[3]，高液限土属于D组填料，不宜直接作为路基填料。

由试验结果(图2)可知，随着红黏土掺量的增加，土的液限呈现先减小后增加的趋势，液限wL和掺合比λ的相关关系可以用式(1)来表示，相关系数为0.931 2。

图2 不同掺合比下wp、wL、Ip的变化规律

wL=-3.3×10-5λ3+0.007 46λ2-

0.365 92λ+43.433 75

(1)

据式(1)的计算模型可知，当红黏土掺合比为13%～52%时，混合土的wL<40%，为低液限土，混合土根据《铁路路基设计规范》(TB 10001—2016)[3]划分为C组填料，可以用于普通II级铁路基床底层以下的填筑，也可用于I组铁路基床底层的填筑。由于将两种特殊土混合后，无法测定土样是否完全均匀，因此根据数学模型计算的结果，当掺合比为13%～52%时，混合土的液限降低，填料等级得到了提高，同时允许施工过程中因拌和未完全而产生轻微的偏差，降低了施工的难度。

2 矿物成分及微观结构试验结果分析

2.1 微观分析采用的仪器

试验仪器采用FEI Nova Nano SEM450 型发射扫描电子显微镜和英国的INCA 250 X-Max型能谱仪。由于实验时放大倍数和照片数增加到一定程度时对试验精度的提高意义不大[20]，因此观察土样时电镜的放大倍数分别为500、1 000、5 000、10 000、20 000倍，并分别对6种不同掺合比试样进行微观结构图像采集和分析。

2.2 电镜扫描与能谱结果分析

电镜扫描结果如图3所示，选取放大倍数5 000倍的扫描图片。

图3 混合土的微观结构(×5 000)

从电镜扫描结果可知，压实后千枚岩颗粒大小范围约为0.02～0.04 mm，多数成片状且大小比较均匀，呈现出面与面接触堆叠的情况，片与片之间容易形成架空结构，导致孔隙率较高且不宜压实。而红黏土颗粒呈团粒状，其颗粒大小绝大部分小于0.02 mm，有1/2为小于0.01 mm的颗粒。当两种土混合后，能形成较好的级配。根据室内击实试验表明，混合土红黏土掺合比为0、20%、40%、60%、80%、100%时，混合土的最大干密度g/cm3分别为1.64、1.7、1.69、1.71、1.71、1.76。说明在千枚岩土中掺入20%红黏土后，可以有效提高土的干密度，但继续增大掺合比后提高效果不明显。

2.2 能谱分析结果

试验对千枚岩土表面和红黏土表面采集代表性点进行分析，得到千枚岩土与红黏土结构面的元素质量和原子半定量分析如表2所示。

表2 结构面元素质量和原子半定量分析

从表2可知，红黏土的主要化学元素为O、Al、Si、K、Fe，且Si元素其原子百分比和质量分数都超过了20%。千枚岩土的主要化学元素为O、Al、Si、K、Fe、Mg，相比于红黏土增加了少量的Mg元素。千枚岩同样含有大量的Si元素，其质量百分比为18.72%，较之红黏土的硅元素含量接近。根据元素分析结果可知，两种特殊土O、Al和Si元素占比最多，表明这两种土均以硅酸盐或硅铝酸盐为主。

千枚岩土与红黏土整体元素含量相差不大，铁元素的元素含量比红黏土低。由于红黏土中铁元素含量高，有游离态的Fe2O3，可以起到铁质胶结的作用[21]，往往具有较高的强度，在荷载作用下压缩变形小，所以红黏土压缩模量大。在千枚岩土中掺入红黏土，可以增加游离态氧化铁的含量，在压实的过程可以形成有效的铁质胶结，增加强度，降低土的压缩性，后续开展的固结试验充分说明了加入红黏土可显著增加土的压缩模量。

3 固结试验

3.1 试验过程

取烘干后的千枚岩土和红黏土过0.5 mm筛后，称取预先计算好的土样质量制备不同掺合比的混合土样，然后加入计算好的水量，配制三种不同含水率ω(ω=16%、18%、22%)的混合土样，通过击样法制备三种不同压实度K(K= 89%、91%、93%)环刀样(直径61.8 mm，高20 mm)，准备试验。试验仪器为NT YJZ-1型单杠杆固结仪，加压等级分别为50、100、200、300、400 kPa，采用2 h快速固结试验。

3.2 试验数据及分析

3.2.1α1-2随λ的变化规律

α1-2为100～200 kPa土的压缩系数，是判别压缩性的重要指标，将试验采集到的数据利用Origin软件绘制成图4。

《铁路工程岩土分类标准》(TB 10077—2001)[22]规定α1-2<0.1 MPa-1的黏性土为低压缩土，0.1 MPa-1≤α1-2<0.5 MPa-1的土为中压缩土。根据图5的试验结果，只有当λ= 100%、w= 16%且K= 93%时试样的α1-2= 0.09 MPa-1<0.1 MPa-1。故可知仅红黏土在较高压实度(K=93%)且含水率不大于18%时，混合土为低压缩土，其余土样均为中压缩土。

由图4可知，含水率和掺合比一定时，压缩系数随着掺合比的增大而减小。回归分析表明，压缩系数随着掺合比的变化规律可用二次函数表示。以K=91%为例，变化规律可用式(2)表示，相关系数为0.966 9。

图4 w=18%时α1-2与λ关系

α=-6.25×10-6λ2-2.607×10-4λ+0.209 29

(2)

根据式(2)的预测数学模型可得混合土的压缩系数随掺合比的增加而降低。

3.2.2Es随λ的变化规律

土的压缩模量Es是表征土的压缩性能高低的重要指标之一，压缩模量越大则土越难以压缩。压缩模量随掺合比的变化规律如图5所示。

图5 w=18%时Es与λ关系

由图5可知，当掺合比低于20%时，混合土压缩模量增加不明显；当掺合比大于20%时，压缩模量增加显著。回归分析表明，压缩模量随掺合比的增加总体呈二次函数增大。以K= 91%为例，其变化规律可以用式(3)表示，相关系数为0.986 3。

Es=-7.40×10-4λ2-0.018 8λ+8.537 86

(3)

图5、式(3)表明，当红黏土掺合比大于20%时，可以有效地增加土的压缩模量，且掺合比越高混合土的压缩模量越大，产生这种现象的原因可以用前面的微观分析来解释。试验加入的红黏土可以有效增加混合土游离态氧化铁的含量，增加压实过程中的铁质胶结，从而提高土的抗变形能力，其次加入红黏土后可以改变千枚岩土的级配，使形成更为紧密的结构，所以土的压缩性降低。

结合击实试验，当掺合比从0增加至20%时，最大干密度从1.64 g/cm3增加至1.7 g/cm3，但压缩模量变化很小。当掺合比从20%增加至80%时，最大干密度基本不变，压缩模量有较为显著的增加，所以游离态的氧化铁是提高压缩模量的关键因素。

3.2.3Es随K的变化规律

当含水率一定时，混合土的压缩模量随着压实度的增大而增大。以击实时土的含水率为最优含水率为例(w= 18%)，压缩模量随压实度的变化规律如图6所示。

图6 w=18%时Es与K关系

由图6可知，压缩模量随压实系数的变化规律可以分成两种类型。

(1)当红黏土掺合比较低时(λ=0、20%、40%)，压缩模量在压实系数从89%增加至91%时增加速快，而从91%增加至93%基本没有增长。可能原因为游离态的氧化铁较少，仅增加压实系数不能带来明显的抗变形能力。

(2)当红黏土掺合比较高时(λ= 60%、80%、100%)，压缩模量随压实系数的增加近似线性增加，其回归方程如式(4)所示，相关系数分别为0.998 1、0.997 8、0.985 2。

(4)

3.2.4Es随w的变化规律

压实时的初始含水率对Es也有一定的影响，Es随w的变化规律如图7所示。

由图7可知，压缩模量随压实时含水率的变化没有明显规律。纯红黏土(λ= 100%)和纯千枚岩土(λ=0)压缩模量均随含水率的增加而显著减小。当λ为20%、40%、60%时，当含水量从18%增加至20%时，压缩模量基本没有变化。

图7 K=91%，Es与ω关系图

3.2.5 最优掺合方案的选择

由以上分析可得，压缩模量随红黏土掺合比的增加而增大，随压实度的增大而增大，理论上掺合比越大，改良效果越好。液塑限试验表明，当掺合比为13%～52%时，混合土的液限小于40%，填料为低液限C组填料，可以直接用于路基填筑。当掺合比较高时(λ≥ 60%)，液限随着掺合比增加，混合土成为高液限土而成为D组填料，表现为高收缩性而出现失水开裂现象，所以掺合比宜控制在52%以下。

为方便施工，掺合比一般取整数，综合以上两点要求，掺合比宜选为50%(千枚岩和红黏土质量比为1∶1)。为了工后的沉降量尽量小，宜选用压实系数为93%，压实时含水率控制在16%，此时的压缩模量最大，路基的最终沉降量将为最小。

通过两种特殊土混合(原为D组填料，不宜直接作为路基填料)，不但可以改变填料分组级别，同时可以提高同等条件下千枚岩土的抗变能力。现场应用表明，当掺合比为50%时，路基面可以满足运输填料汽车的强度要求，在晴热天气也不会出现明显的开裂现象。值得说明的是，提出的加红黏土改良方法强度在碾压完成后即可直接达到设计强度，与传统的加入石灰和水泥需要养护一定的龄期有重要区别。

4 结论

通过混合土的微观结构与固结试验研究，可以得出如下结论。

(1)千枚岩土呈片状且颗粒大小较均匀，因此难以压实，掺入红黏土后可以改变级配，形成较为紧密的结构，增加混合土的抗变形能力和可压实性。

(2)红黏土中的铁元素较多，部分呈游离态的Fe2O3，压实时可形成结合力较强的铁质胶结，提高混合土的强度，在荷载作用下压缩变形小，同等条件下红黏土压缩模量较千枚岩大。

(3)混合土样的压缩系数随掺合比的增加呈二次函数减小，但仅当压实度较高且含水率不高于18%时混合土为低压缩土，其他组合情况为中压缩性土。

(4)混合土样的压缩模量随着红黏土掺合比的增大呈二次函数增大，随压实度的增大而增加，随含水率的变化规律无明显规律。试验数据表明，在同等条件下在千枚岩土加入红黏土可以有效提高原土的抗变形能力。

(5)根据液限随掺合比的数学预测模型，当掺合比为13%～52%时，混合土变为C组填料。为了满足施工方便、填料分组及工后沉降小的要求，建议碾压方案为λ= 50%，w= 16%，K= 93%。