紅黏土特性研究

紅粘土一、概述紅粘土一般用來指代世紀晚期中國廣大地區(qū)廣泛堆積的土狀堆積物。在黃土高原地區(qū)其不連續(xù)分布于上覆黃土之下，部分地區(qū)整合接觸。其下界年齡約8Ma，即形成于晚、中新世紀，過去由于其含有較多的\o"三趾馬化石"三趾馬化石而被稱之為三趾馬紅土。關于其成因，還存在爭議，一般認同風成說。和黃土相比，紅粘土沒有濕陷性，但是其在暴露地表時容易龜裂，成為破碎顆粒。野外剖面中可見紅粘土和鈣質(zhì)結核層交替成層分布。壓實后水穩(wěn)性較好，強度較高。1、定義紅粘土是碳酸鹽巖系地區(qū)，由石灰?guī)r，白云巖等(屬碳酸鹽類巖石)在亞熱帶溫濕氣候條件下，經(jīng)風化，殘積、坡積或殘—坡積所形成并覆蓋于基巖上，呈棕紅、褐黃等色的高塑性粘土。2、分布紅粘土廣泛分布于我國的云貴高原、四川東部、廣西、安徽、粵北及鄂西、湘西等地區(qū)的低山、丘陵地帶的頂部和山間盆地、洼地、緩坡及坡腳地段。3、分類其液限大于或等于50%，上硬下軟，具有明顯的失水收縮性，裂隙發(fā)育，稱為原生紅粘土；原生紅粘土經(jīng)再搬運，沉積后仍保留紅粘土的基本特征，液限大于45%的土稱為次生紅粘土。從紅粘土的形成過程分析可以看出，由于物質(zhì)的來源的差異及經(jīng)歷不同程度的紅粘土化作用，形成的紅粘土類型不同：一類是各種巖石的殘積（或局部坡積）風化殼上部的原生殘積紅粘土(經(jīng)過再搬運而形成的，稱為次生紅粘土)；一類是非殘坡積成因，在氧化環(huán)境中經(jīng)過搬運、沉積、紅粘土化作用而形成的紅粘土。我國分布最廣的紅粘土有如下幾類：花崗巖殘積紅粘土：華南各地廣泛分布著燕山期花崗巖類，發(fā)育著較厚的紅色風化殼，表層全風化帶為殘積土。根據(jù)其成分和結構特征，可分為均質(zhì)紅粘土、網(wǎng)紋紅粘土和雜色粘性土，前兩者統(tǒng)稱殘積紅粘土。玄武巖殘積紅粘土：雷州半島和海南島北部，第四紀期間多期大面積噴發(fā)的玄武巖，經(jīng)分化后，形成厚薄不等的風化殼，其表層的紅色粘性土就是殘積紅粘土。南方其他地方也有零星的分布。紅層殘積紅粘土：華中、華南等地分布著第三系或侏羅——白堊系的內(nèi)陸盆地沉積的紅色巖層，主要是砂巖、粉砂巖和泥巖等，所形成的紅色風化殼的表層為土裝帶，其中粘性土即為殘積紅粘土。紅粘土：在我國紅粘土是特指碳酸鹽類巖石在亞熱帶溫濕氣候條件下，經(jīng)殘積或局部坡積所形成的褐紅、棕紅等色的粘性土，以貴州、云南、廣西分布最廣，川南、兩湖、廣東、江西也有分布，厚度變化很大；處殘坡積成因外，還有洪積、沖擊等不同成因的次生紅粘土。沖積紋網(wǎng)紅粘土：在我國華中、華南地區(qū)零星分布著一種以河流沖積相為主的中更新世地層。它是在高溫濕潤氣候條件下地表淺部沉積物受紅粘土作用而形成的，一般是一套具有二元結構的紅色粘性土和砂礫石層，紅色粘性土即一般所謂的網(wǎng)紋紅粘土或花斑土。4、紅粘土的判別紅粘土是一種發(fā)育于第三紀或第四紀紅色粘土上剖面尚無明顯分異的初育土，表現(xiàn)強烈的母質(zhì)特性。分布于黃土高原侵蝕強烈的溝谷地區(qū)，系黃土被侵蝕后紅土出露地表所形成。紅粘土土體粘粒含量高，塑性強，呈棱塊或大塊狀結構。生物作用較弱，無明顯發(fā)生層次，表現(xiàn)強烈的母質(zhì)特性。由于肥力較低，除河南一帶的紅粘土開墾較多外，其余地區(qū)的紅粘土較少農(nóng)業(yè)利用。紅粘土劃分3個亞類。海島上的復鹽基紅粘土亞類特有的土壤類型，它發(fā)育于紅色富鋁風化殼，由于海島特有的氣候條件，產(chǎn)生了復鹽基現(xiàn)象，pH值可達6.6-7.5，鹽基飽和度高達80-90%。紅粘土作為地區(qū)性特殊土，在外觀上有自身的特點，可按以下幾方面進行鑒別：土體分布地貌位置識別。分布于長江以南的紅粘土多見于2級階地以上的剝蝕臺地、巖溶洼地及谷底邊緣、丘陵坡麓及壟崗等處。巖溶洼地與谷底中心太多分布次生紅粘土。成土母巖的鑒別。紅粘土及次生紅粘土，基本成土物質(zhì)都來自碳酸巖系巖石。因此紅粘土分布必然是碳酸鹽巖系分布區(qū)成因類型分布區(qū)鑒別。紅粘土有殘積、坡積、沖積、洪積、冰積等成因類型。殘積成因分布于母巖之上；坡積成因見于臺地邊緣及丘陵斜坡處；沖、洪積次生粘土分布在巖溶洼地及谷地；冰積次生紅粘土分布在紅粘土及其他殘積土之上土體的顏色的區(qū)分。紅粘土的顏色，反映了土體中鐵的成分，它又是所處位置和濕熱條件的反映。一般說來自北而南或地勢由高到低，紅粘土顏色由淺而深。就地理位置而言，貴州高原、川南、桂北、湘西、鄂西、滇東的紅粘土多成黃色、褐黃色，其他地區(qū)紅粘土呈棕紅色。同一地區(qū)的次生紅粘土較紅粘土色澤要淺些。土性與狀態(tài)鑒別。紅粘土是高塑性粘性土，其液限WL應大于50，次生者也應大于45，這是紅粘土與其他粘土的區(qū)別的標志之一。標稱圖的狀態(tài)多呈堅硬、硬塑，而軟塑、流塑者處于下伏基巖下凹的地形處。土體結構鑒別。未失水的紅粘土呈致密狀結構；若裂隙將土體切割成大小不等的塊體，則呈碎塊狀結構；外露紅粘土多為第二種結構，這是識別紅粘土的又一標志。紅粘土與次生紅粘土的區(qū)別。紅粘土質(zhì)地純凈，無任何層理，次生紅粘土含一定數(shù)量粗顆粒，一般上粗下細；紅粘土的液限及天然孔隙比都較次生紅粘土大，但其力學指標都好于次生紅粘土；紅粘土上部多呈堅硬、硬塑狀態(tài)，且裂隙發(fā)育，次生紅粘土則很少發(fā)育裂隙紅粘土分布于碳酸鹽巖系巖石之上，次生紅粘土則分布于紅粘土及其他土體之上。二、紅粘土的組成1、紅粘土的礦物組成紅粘土是熱帶、亞熱帶濕熱氣候條件下的產(chǎn)物，風化程度高，礦物、化學成分變化強烈，碎屑礦物主要有石英和少量未風化的長石；粘粒含量較多，粘土礦物以高嶺石為主，伊利石含量較少；含一定量的針鐵礦物和赤鐵礦，部分含有三水鋁石。紅粘土是以親水性較弱的高嶺石和石英為主，活動性較低，有鐵質(zhì)膠結的紅色粘性土。紅粘土的顆粒成分與母巖關系密切，砂巖、礫巖、花崗巖殘積紅粘土的粒度粗，礫砂含量多，粘粒含量較少（20%——40%）；碳酸鹽類巖石和玄武巖和玄武巖殘積紅粘土，粒度細，粘粒含量多（40%—80%）。2、紅粘土的化學成分化學成分以SiO2，Al2O3和Fe2O3為主，其他含量很少，硅鋁比低，ph值低，有機質(zhì)和可溶鹽含量極少，有利氧化鐵含量占全鐵的50%—80%。發(fā)育在第四紀老黃土的紅粘土富含鈣質(zhì)和硅質(zhì)，發(fā)育在第三紀紅色土層的紅粘土，則具脫鈣少硅的區(qū)別。發(fā)育在第三紀紅色土層上的紅粘土，土體\o"氧化硅"氧化硅含量較少，而\o"鋁"鋁、\o"鐵"鐵、\o"鈦"鈦的含量甚多，\o"鉀"鉀含量明顯減少，\o"磷"磷的含量較高。發(fā)育在第四紀老黃土（紅色條帶）上的土壤，氧化硅的含量仍較高，\o"鈣"鈣和\o"鎂"鎂的含量也較高，二者在化學性狀上仍有很大的差別。如下圖所示：3、紅粘土-土壤的化學性質(zhì)（1）、紅粘土多呈\o"中性或"中性或\o"微堿性反應"微堿性反應，少部分呈\o"微酸性"微酸性。在檢測樣品中，多以水解性酸為主，在0.1-12.47me/100g之間，而交換性酸較少，多在2me/100g以下。鹽基飽和度在70%-90%之間，少部分在50%-70%之間。（2）、\o"土壤陽離子交換量"土壤陽離子交換量較高，一般在20me/100g以上，主要是粘粒含量較高所致，僅有個別砂性較強，有機質(zhì)含量較低的紅粘土，其交換量在20me/100g以下。（3）、土體深厚，質(zhì)地粘重，結持緊實，孔隙度較低（41%-49%）。（4）、脹縮率也很高，膨脹率12%-32%，收縮率10%-15%，滲水性差，滲透率低，每分鐘約0.7毫米，重力水滲透深度只有50厘米左右。三、紅粘土的工程性質(zhì)紅粘土具有下述工程性質(zhì)：1.物理特性(1)天然含水量高，低密實度。一般情況下接近于塑限，范圍一般為40%~60%。與塑性基本相當，液性指數(shù)很低；天然孔隙比一般為1.4—1.7，有的超過2.0，具有大孔隙性；飽和度一般在90%以上，甚至堅硬粘土也處于飽水狀態(tài)，有機質(zhì)含量非常小，一般小于1%。(2)顆粒細而均勻，粘粒含量（粒徑小于0.002mm的顆粒含量）較高。一般在50%~70%之間，具有高分散性。液限、塑限和塑性指數(shù)均較高，液限一般在60%~80%之間，塑限一般在30%~60%之間，塑性指數(shù)一般在25~50之間。(3)滲透性低。由于紅粘土中的游離氧化鐵膠結作用水穩(wěn)性較好，膠結體在水中不易分散，故其抗?jié)B性比較好。又由于該類土中存在著大小集合體，集合體間存在較大孔隙，故其滲透系數(shù)比分散性黏土的滲透系數(shù)相對要大。2.力學特性(1)強度高，壓縮性較低。前期固結壓力和超固結比很大，除少數(shù)軟塑紅粘土外，均為超固結土，這與游離氧化物膠結有關；強度變化范圍交大，一般較高。內(nèi)聚力一般為10~60kpa，內(nèi)摩擦角為：10~30度或更大；一般常具有中等偏低的壓縮性；浸水后強度一般降低，部分含粗粒較多的紅粘土，濕化崩解明顯。(2)抗剪強度。紅粘土雖然天然含水率較高，干容重較低，孔隙比較大，但其抗剪強度較高。3.脹縮特性具有明顯的收縮行，膨脹性輕微。失水后原狀土的體縮率一般為7%~22%，最高達25%，擾動土可達40%~50%，浸水后多數(shù)膨脹性輕微，膨脹率＜2%，個別較大些。某些紅粘土土化程度較低的“黃層”收縮性較強，原狀紅粘土浸水后膨脹性極弱，這與粒度、礦物、膠結物情況有關。4、紅粘土-利用與改良礦物成分主要為高嶺石，并含一定量的蒙脫石和石英顆粒等，含水率為10％左右，孔隙比為0.5～0.7，干容重為16～17kN/m3，\o"塑性指數(shù)"塑性指數(shù)為1l～16。但是隨隧洞開挖其含水率不斷增加，一般為15％～22％，甚至有的洞段土體含水率達到塑限，\o"天然壓縮系數(shù)"天然壓縮系數(shù)a1-2=0.09-0.1MPa-1，\o"飽和壓縮系數(shù)"飽和壓縮系數(shù)a1-2-0.1～0.15MPa-1，自由膨脹率為5％～20％。從上述物理性質(zhì)指標判別N2紅粘土為低至中偏低壓縮性、\o"非膨脹性"非膨脹性土。(1)、陡坡地紅粘土侵蝕嚴重，應恢復和保護植被；已墾殖的陡坡耕地，應退耕種植林草，控制\o"水土流失"水土流失。(2)、種植\o"綠肥"綠肥，增施有機肥，秸稈還田，科學施用\o"磷肥"磷肥，可有效地改善土壤的理化性狀。(3)、復鹽基紅粘土的土體深厚，酸堿度適中，鹽基飽和，礦質(zhì)養(yǎng)分較豐富，是浙江沿海島嶼區(qū)重要土壤資源之一。利用狀況有三種；一是\o"坡耕地"坡耕地，種植大麥、甘薯、玉米和夏類作物。二是\o"林地"林地，主要分布在大、中島嶼上，栽種黑松、毛竹，以黑松為主。黑松較抗風，又耐旱、耐瘠，適應性強。目前黑松占島嶼林種的93%，但宜間套闊葉樹，以防病蟲危害；三是\o"灌叢草地"灌叢草地，處于半荒蕪狀態(tài)，多分布于邊遠小島，而部分大、中島嶼近村莊處的山坡地亦有小面積的分布。四、紅粘土的工程性質(zhì)的機理天然含水量高，孔隙比很大，但卻具有很高的力學強度和較低的壓縮性，表明紅粘土是一種具有特殊工程性質(zhì)的粘土，這種性質(zhì)主要是由于其生成環(huán)境及其相應的組成物質(zhì)和堅固的粒間聯(lián)結特性所決定的。紅粘土的高空隙性，首先在于其顆粒組成的高分散性，這是由于粘土顆粒含量特別多和組成這些細小粘粒的含水鐵鋁硅氧化物在地表高溫濕熱條件下很快失水而相互凝聚膠結，從而較好地保護了它的絮狀結構的結果。因此紅粘土有較高的強度，主要是因為這些鐵、鋁、硅、氧化物顆粒本身性質(zhì)穩(wěn)定及相互膠結所造成的。特別是在經(jīng)過風化后期，有些氧化物顆粒本身會變成結晶的鐵、鋁、硅氧化物，而他們是抗水的，不可逆的，故其粒間粘結強度更大。紅粘土顆粒周圍吸附陽離子成分主要為鐵、鋁離子，這些鐵、鋁化的顆粒外圍的結合水膜很薄，也加強了其粒間的粘結強度。紅粘土的天然含水量很高，也是由于其高分散性，表面能很大，因而吸附大量水分子的結果。故這種土中孔隙是被結合水所充填。這種結合水，由于受土顆粒的吸附力很