高液限红黏土微观结构与工程特性

于荣喜

中铁上海设计院集团有限公司，上海 200070

截至2021年底，我国铁路营业里程突破15万km，其中高速铁路运营里程超4万km［1］。随着八纵八横高速铁路网加密成型，工程建设中不可避免地会遇到大量高液限土，如处置不当，将会引发路基翻浆、不均匀沉降、边坡滑坡等，影响铁路安全运营［2］。

国内外众多专家围绕高液限黏土展开了大量研究。郑德平［3］以浙江高速公路沿线天然高液限土为研究对象，分析其路用性能及不同含水率下石灰、水泥掺量的改良效果，确定了掺加4%石灰改良效果最优。张军辉等［4］采用静、动三轴试验测定不同围压、含水率、应力水平条件下土样的破坏应力与弹塑性力学行为，建立了高液限黏土临界破坏应力快速预估模型。赵润涛［5］针对高液限膨胀性黏土，提出了按照掺2%石灰+3%水泥的化学改良方案，建议改良土施工应选择在旱季进行，并通过晾晒、洒水等控制含水率。王林峰等［6］采用标准击实和CBR强度试验研究红黏土的压实特性，提出了互层式红黏土土石分层填筑方式。董城等［7］利用动三轴试验，研究了水泥改良高液限黏土动态回弹模量的影响因素及其变化规律。综上所述，目前围绕高液限红黏土的研究大多集中在改良技术与改良效果评价，鲜有围绕高液限红黏土微观结构的研究。

本文以广东省梅州市某工点路堑高液限红黏土边坡为研究对象，采用扫描电镜和压汞试验等方法，从孔隙特征和结构特征两方面，研究红黏土孔径分布、孔隙分形等微观结构特征，建立与其对应的高液限红黏土宏观力学性质的联系，在微观尺度上揭示了高液限红黏土边坡失稳机理，为高液限红黏土边坡设计与施工提供理论与技术支撑。

1 室内试验

1.1 试样制备

为更加准确地分析红黏土的微观结构与工程特性，在同一边坡的不同位置各取三组原状土样，见图1。

图1 取土现场与土样

为避免试样制备过程中黏性土-水-气界面表面张力使组构发生变化，选用目前最适宜黏性土的低温冷冻干燥法进行试样制备。具体步骤如下：①取原状土，将土样制成1 cm3左右的块状；②将土样放入液氮中5 min，使土中的液体迅速结成玻璃态冰；③取出土样并放入真空冷冻干燥机中24 h，使土样中的冰晶在-52 ℃环境中缓慢升华，进入干燥状态。

1.2 扫描电镜试验

采用Quanta 250型扫描电子显微镜对高液限红黏土微观结构进行分析，该显微镜在高真空观测模式下的分辨率可达3 nm。

1.3 压汞试验

压汞试验的基本原理是基于非浸润性液体（通常为汞）特有的表面张力，若外部不对测试体施加压力，汞液就不会进入多孔介质微小的孔隙当中。

本次压汞试验采用美国Micromeritics 生产的AutoPoreⅣ9500型高性能全自动压汞仪进行试验。

2 结果与讨论

2.1 扫描电镜结果分析

不同放大倍数下红黏土扫描电镜分析结果见图2。可知：红黏土一级单元体主要是以蜂窝状排列的颗粒为主，二级单元体为某些未风化的矿物；一级单元体尺寸在10 ～20 μm，二级单元体尺寸为1 ～5 μm。在3 000 ～6 000倍尺度上，土体主要以一级单元体形式存在，多数为片状或球状，形状不规则，单元体间排列较疏松，粒间的架空孔隙较多，这些架空部分大多为溶蚀空洞，单元体间孔隙和单元体内孔隙也较多，从整体上看一级单元体间结构形式为蜂窝结构。在6 000 ～12 000 倍尺度上，一级单元体被进一步放大后，可发现呈不规则的多面体的片状单粒结构，大小不一，可判断其为二级单元体。颗粒间的结构形式可分为两种情况。一种是非常规则的片状层叠结构，这种结构在6 000 倍视野下分布均匀，12 000倍下观测其结构，发现层状明显，以面-面接触为主，这些颗粒组成团粒与其他颗粒连接。唐益群等［8］在上海淤泥土中也发现类似结构，认为其是生物残骸或硅藻土；张抒［9］认为该结构是假六方片状高岭石，该点的能谱分析显示，其铝、硅含量高。本文认为其为未被溶蚀破坏的原生高岭石，其晶片厚0.5 ～1.0 μm。另一种为不规则分散状颗粒，这种颗粒在风化作用下原生结构被破坏，在风化过程中及降水作用下，表层土体迅速饱和。这些颗粒由于重力很小，能够在水中悬浮，不因自重而下沉，形成次生疏松的结构，这种结构以面-边接触或边-边接触为主，属絮状结构。

图2 红黏土扫描电镜分析

如表1 所示，能谱分析显示，红黏土中含氧量在50%以上，风化程度极高，铝、硅元素含量之比约1∶1，判断其以高岭石为主；此外含有一定量的铁离子，可以判断其为碳酸盐岩系出露岩石经红土化作用形成，残留大量的铁、铝等金属元素。

表1 红黏土元素含量 %

2.2 压汞试验结果分析

经测试，红黏土的液限为55% ～64%，塑限为18%～25%，黏聚力为8.5 kPa，内摩擦角为30°。压汞试验测试结果见表2。可知，不同位置红黏土的主要参数基本一致，表明红黏土在同一地层中孔隙特征基本相同。

表2 压汞试验主要参数

2.2.1 进出汞曲线特征

红黏土孔隙体积与孔径关系曲线见图3。可知：红黏土的进汞曲线两端平缓，中间较陡峭，出汞曲线呈现近似线性减小趋势；随着孔径变化，进汞体积增量具有阶段性变化。开始阶段进汞体积速率缓慢，达到某一压力阈值时开始迅速增大并达到峰值。同时，在相同孔径范围内，进出汞曲线并不重合，出汞曲线与进汞曲线的路径并不完全一致，这说明一些汞因某些原因无法退出，永久性地残留在土孔隙中。表2中持汞系数（即滞留在土内汞含量和总进汞含量的比值）也证明了这一观点。

图3 红黏土孔隙体积累计量-孔径关系曲线

2.2.2 最可几孔径分布特征

最可几孔径曲线是孔径分布微分得到的曲线，其峰值对应的孔径是出现可能性最大的孔径，能将dV/d lgr随着lgr的变化而变化的曲线关系反映出来。红黏土最可几孔径的关系曲线见图4。可知，红黏土具有较典型的峰值，最可几孔径为609.7 nm，且孔径则集中分布在100 ～1 000 nm。

图4 红黏土最可几孔径分布曲线

2.2.3 孔喉比

孔隙的曲折性和连通性主要由3 个指标控制：孔喉比、持汞系数、孔隙迂曲度［10］。孔喉比描述了孔腔直径与喉道直径的比值，其分布规律可以反映土体孔隙孔道与喉道匹配关系的复杂程度，定量描述孔隙的连通性和曲折性；持汞系数是指在压汞仪的额定压力范围内，从最大注入压力降低到最小压力时，土样内残留的汞体积与压力降落以前注入汞总体积的百分比。孔喉比是控制持汞系数大小的主要原因，持汞系数随孔喉比的增加而增加；孔隙迂曲度是指土中孔隙两端的实际距离与孔隙两端的直线距离之比，即渗流流体穿越单位距离的介质时，流体中质点在孔道中运动的真实长度，是描述渗流通道的一个重要参数。

红黏土孔隙填充率与孔喉比关系曲线见图5。总体来看，红黏土孔隙分布较均匀，且其比值也较小，孔隙连通性好；孔喉比和持汞系数呈正相关。通常情况下，孔喉比大的土，由于水的表面张力的影响，水难以进入也难以排出，锁水能力强，在降雨或外部水头作用下，水一旦进入孔隙就很难排出，而在长时间保持高含水率的情况下，土体强度中基于这些孔隙的毛细吸力将逐渐消散，导致土体表观强度下降，从而易引发边坡失稳。

图5 红黏土孔喉比-孔隙填充率关系曲线

2.2.4 分形维数

基于多孔材料的压汞试验分析，文献［11］发现了孔隙表面能和进汞增量存在分形特征，提出基于热力学的分形模型。该模型认为，在进汞过程中，进汞量随着压力增加而增加，这导致孔隙表面能不断升高。进汞增量Qn与孔隙表面能Wn的关系为

对式（1）进行修正，得到

式中：Vn为孔隙体积；D为斜率，即孔表面分形维数。

图6 红黏土热力学分形

分形特征表明了孔隙参数在不同尺度下的自相关性。使用热力学分形模型对高液限土孔隙结构参数进行研究发现，高液限土孔隙具有明显的分形特征，在不同尺度下的热力学分形具有很好的线性相关性，且根据［12］的研究，对于土体来说，土中孔隙越多分维越大；土中孔隙分形维数与土体渗透性呈负相关，这与孔喉比等指标的结果相互印证。

2.2.5 比表面积

黏土矿物的表面积相对大小可以用单位质量（或体积）颗粒的总表面积，即比表面积来表示。比表面积是表征黏性土水化或膨胀量的一项重要指标，与膨胀特性、液限、矿物组成以及保水能力等性质密切相关。比表面积越大的土，其胀缩性越强，液限越高［13］。研究表明，蒙脱石、伊利石、高岭石的比表面积变化很大，蒙脱石比表面积约为800 m2/g，而高岭石则约为15 m2/g。红黏土的孔隙比表面积累计量与孔径变化的关系曲线见图7。可知，红黏土的比表面积在孔径1 000 nm左右有明显增加，与孔径的分布规律类似；红黏土的总比表面积在17.5 ～27.5 m2/g。总体来看，黏土矿物主要以高岭石为主，结合其孔隙率和孔径分布，可以发现红黏土的总比表面积大，表明其亲水性强，胀缩性也强。

图7 红黏土比表面积-孔径关系曲线

2.3 高液限黏土工程特性分析

红黏土（碳酸盐岩风化物）孔隙率大，液限高。碳酸盐岩较易风化，宏观上常发育溶洞，其全风化残积物中也常保留有较大的溶蚀孔隙，渗透性好，微观图像显示其形态在微观尺度下也呈现疏松多孔。电泳试验表明，黏土矿物颗粒表面带负电荷［14］，吸引带正电荷极性水分子，这部分以结合水形式存在于一级单元体内部极不容易失去。对于一级单元体相互之间而言，由于单元体本身是一个相对较大的黏粒聚集体，对水具有较强吸附能力。因此，红黏土具有较高天然含水率、孔隙比、液限、塑限和饱和度。

由于红黏土天然含水率和孔隙比较高，土体失水后会产生固结收缩现象，土体产生收缩后体积减小，单元体之间的结合力相对增加，但土体的微观结构已受到损伤，再充水时基本无法恢复原状，即红黏土的胀缩性具有一定的不可逆性。因此，其反映的胀缩性特点是红黏土具有一定胀缩性，且以收缩为主。收缩量大，膨胀量小，但收缩后浸水时可产生较大的膨胀量。

在宏观上，红黏土是一类特殊的黏性土，在干燥的时候强度非常高，泡水后强度显著下降；其胀缩性明显，且收缩性更为显著。高液限红黏土边坡在南方多雨地区，泡水后土体间孔隙短时间内被填充，这将在短时间内增加单元体间的距离，降低单元体间黏聚力，土体裂隙逐渐产生并扩张，经多次干湿循环胀缩变形后，土体从微观结构损伤向宏观整体系统结构稳定性损伤发展，进而发生土体整体失稳破坏。

由于红土化作用是一个脱硅富铝铁的风化过程，红土化的程度从地表向下逐渐减弱。上部铁铝富集程度较深，颜色较红，且由于裸露在地表，含水率相对下部要小，因而体现出从上到下颜色逐渐变浅，含水率逐渐增加，强度逐渐减小的特征和“软基座”特性。因此，红黏土高液限土边坡在宏观上常易形成上硬下软结构，在破坏形式上也常因坡脚泡水软化而失稳。

3 结论

1）红黏土孔隙率大多在50%以上，孔径主要分布在100 ～1 000 nm，孔隙类型主要是颗粒间孔隙，孔隙结构以蜂窝状为主，残留有片状高岭石粒团，孔隙形态特征较规则。

2）红黏土的总比表面积最大，表明其亲水性最强，胀缩性也最强，因此红黏土表层容易形成裂隙，而又有较高的液限。

3）自重荷载作用和含水率不断变化对边坡土体微观结构造成损伤产生不可逆、不均匀变形，这种变形的发生将会破坏土体的微观结构，降低土的强度，含水率的增加将加速土体变形破坏。