土骨架的新概念與紅粘土的結(jié)構(gòu)

蒙理明，張 鳳

(海南科技職業(yè)大學(xué)，?？?571126)

我國(guó)學(xué)者一直在探討紅土的結(jié)構(gòu)。如1985年，高國(guó)瑞[1]系統(tǒng)地分析了我國(guó)各類紅土的物理力學(xué)性質(zhì),物質(zhì)成分和微結(jié)構(gòu)特征。1987年，薛守義[2]等研究認(rèn)為，物理性指標(biāo)不好，但力學(xué)性指標(biāo)較好，這就是所謂的紅土“異?，F(xiàn)象”。2002年，李景陽(yáng)[3]等做了碳酸鹽巖殘積紅粘土微觀結(jié)構(gòu)的掃描電鏡研究。2013年，卓麗春[4]等做了網(wǎng)紋紅土微觀結(jié)構(gòu)特征的分形研究。

筆者在2013年，提出了“有效應(yīng)力是土體中提供抗剪強(qiáng)度的點(diǎn)的集合所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力[5]”的新概念；2016年，李廣信[6]提出了土骨架的新概念。2017年，筆者用土力學(xué)的新概念改善和細(xì)化了土骨架理論[7]：“土骨架的3要素有：土顆粒，包括其結(jié)合水；接觸(點(diǎn)或面)；聯(lián)接(收縮膜，公共結(jié)合水膜)”。筆者還用土骨架的新概念分析了土的動(dòng)力特性[8]、黃土的微結(jié)構(gòu)[9]、膨脹土的結(jié)構(gòu)[10]。

高國(guó)瑞[1]在1985年，把我國(guó)紅土分為三類。指出紅土顆粒有碎屑礦物、集粒、絮狀體、迭聚體4種。還指出：紅土顆粒之間的連接可分為粘土膠結(jié)和膠體氧化物膠結(jié)兩類。

1994年，廖義玲等[11]提出了紅粘土的微結(jié)構(gòu)模型。指出紅粘土的微結(jié)構(gòu)單元是片狀粘土礦物組成的粒團(tuán)，是多孔的和飽水的，粒團(tuán)內(nèi)部有靜電引力、范德華力和游離氧化物(鐵)膠結(jié)連結(jié)產(chǎn)生的牢固的、水穩(wěn)性的連結(jié)。所述紅粘土微結(jié)構(gòu)單元之間是由多水的微晶態(tài)或非晶態(tài)的游離氧化物和粘土物質(zhì)等復(fù)雜物質(zhì)組成的鏈?zhǔn)竭B結(jié),是半剛性或非剛性的，這種紅粘土具有一定的膨脹性和明顯的收縮性。這與主要由固化的游離氧化物“包膜”形成凝塊狀微結(jié)構(gòu)的其它紅粘土的微結(jié)構(gòu)單元連結(jié)特征有本質(zhì)的區(qū)別。后者是剛性的，剛性結(jié)構(gòu)連結(jié)的紅粘土沒有明顯脹縮性。

關(guān)于宏觀結(jié)構(gòu)，2005年，劉振波等[12]指出，從地表至基巖面，紅粘土具有典型的“上硬下軟”特征。表現(xiàn)為堅(jiān)硬-硬塑-可塑-軟塑-流塑狀態(tài)。2014年，何荷等[13]指出，紅粘土具有“吸水軟化，失水開裂”的水敏性及裂隙性特征，受降水蒸發(fā)等氣候影響強(qiáng)烈。裂隙埋深小于1 m 時(shí)對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響不明顯，而裂隙埋深達(dá)到2 m 以上時(shí)影響十分顯著。

1 再論廣義結(jié)合水膜

(1)

可以這樣定義，土中粘粒(包括膠粒)之間，由化學(xué)鍵(離子鍵及共價(jià)鍵)、氫鍵、分子鍵形成的聯(lián)接統(tǒng)稱為廣義結(jié)合水膜，不包括收縮膜。

2 用土骨架的新概念論述紅粘土的微結(jié)構(gòu)

2.1 紅粘土的微結(jié)構(gòu)單元

在文獻(xiàn)[10]中，將膨脹土中主要由粘土礦物組成的疊片(粘土疇)、疊聚體、聚集體、復(fù)合體統(tǒng)稱為粘聚體。紅土中的絮狀體、迭聚體也可以稱為(鐵膠)粘聚體。粘聚體可以按其脹縮性和膠結(jié)性能進(jìn)行區(qū)別。

紅粘土中的游離氧化鐵有膠態(tài)(羥鐵礦)、微晶態(tài)(針鐵礦)、晶態(tài)(赤鐵礦)[10]，其與粘土礦物顆粒之間是化學(xué)鍵聯(lián)接(在紅土化[14]初期在強(qiáng)烈水熱作用下形成)，膠結(jié)和水穩(wěn)性強(qiáng)；同類之間主要是雙電層結(jié)合水膜聯(lián)接，膠結(jié)和水穩(wěn)性相對(duì)要差；游離氧化鐵的顆粒越大，越容易封堵粘聚體的微、小孔隙[10]；而顆粒大小由膠態(tài)、微晶態(tài)、晶態(tài)從小到大排列，所以，其對(duì)粘聚體的膠結(jié)和水穩(wěn)性也從小到大排列。

下面，用土骨架的新概念描述紅粘土的微結(jié)構(gòu)單元，有碎屑礦物、外包顆粒、絮狀體、迭聚體4種：?jiǎn)蝹€(gè)碎屑顆粒，即單個(gè)土顆粒(砂?；蚍哿?。外包碎屑顆粒，由單個(gè)碎屑顆粒和外包皮組成，外包皮是子土骨架；外包皮與碎屑顆粒之間，還可能有收縮膜聯(lián)接。絮狀體和迭聚體都是由粘土礦物靠游離氧化鐵膠結(jié)而成。當(dāng)含水量大于塑限，且微結(jié)構(gòu)單元處于非飽和狀態(tài)時(shí)，土顆粒之間可能還有收縮膜聯(lián)接。

2.2 紅粘土的微結(jié)構(gòu)單元之間的連接

紅粘土的微結(jié)構(gòu)單元之間的連接有半剛性或剛性的鏈狀連結(jié)，有粘土膠結(jié)或膠體氧化物膠結(jié)兩類，也是子土骨架。從“鏈狀連結(jié)”中取出兩個(gè)粘土礦物顆粒及周圍結(jié)構(gòu)如圖1所示。在紅土化[14]初期，粘土礦物顆粒間有細(xì)小的膠態(tài)氧化鐵(羥鐵礦)，它們(帶正電)與粘土礦物顆粒(帶負(fù)電)間是化學(xué)鍵聯(lián)接(強(qiáng)聯(lián)接)，同類之間是水膜聯(lián)接(較弱的分子鍵，最不利位置)。見圖2，接著在干熱條件和土自重壓力下，兩粘土礦物顆粒間距壓縮，同時(shí)羥鐵礦結(jié)晶為較大的微晶態(tài)的針鐵礦；它們與粘土礦物顆粒的化學(xué)鍵聯(lián)接加長(zhǎng)，同類之間的豎向和水平向的水膜聯(lián)接減少。見圖3，再過一段干熱的時(shí)期，間距繼續(xù)壓縮，針鐵礦繼續(xù)結(jié)晶為更大的晶態(tài)的赤鐵礦；化學(xué)鍵聯(lián)接更長(zhǎng)，豎向的水膜聯(lián)接減少，并且不少水平向的水膜消失，不少粘土礦物顆粒和赤鐵礦豎向成為只有化學(xué)鍵聯(lián)接的整體。由于化學(xué)鍵比水膜聯(lián)接(分子鍵，最不利位置)的強(qiáng)度和水穩(wěn)性大得多。所以，按水膜、羥鐵礦、針鐵礦、赤鐵礦排列，粘土礦物顆粒之間的聯(lián)接為：微膠結(jié)、弱膠結(jié)、中膠結(jié)、強(qiáng)膠結(jié)。另外，兩粘土礦物之間的間距，其間的游離氧化鐵含量也是須綜合考慮的因素。細(xì)長(zhǎng)且膠結(jié)差的鏈狀連結(jié)為柔性或半剛性，而粗短且膠結(jié)好的鏈狀連結(jié)為剛性。

3 紅粘土的大氣張力有效應(yīng)力與抗剪強(qiáng)度

圖4是按紅粘土微結(jié)構(gòu)模擬的滑坡示意圖。由“鏈狀連結(jié)”連接“微結(jié)構(gòu)單元”形成理想的紅粘土的結(jié)構(gòu)之一。文獻(xiàn)[10]指出，“設(shè)想土力學(xué)研究，第一層次為以微結(jié)構(gòu)單元為基本單元的體系(總土體)”。圖4所示，就是微結(jié)構(gòu)單元-鏈狀連結(jié)-相關(guān)的大孔隙(包括其間結(jié)合水、收縮膜、自由水、孔隙氣)組成的總土體；階梯型滑坡是一種常見的自然災(zāi)害。下面，用參條分法[5]計(jì)算其大氣張力有效應(yīng)力與水平方向的抗剪強(qiáng)度。見圖4，簡(jiǎn)化的微結(jié)構(gòu)單元為球形，鏈狀連結(jié)為柱形。沿豎向取一水平長(zhǎng)度為Ax的土條，其鏈狀連結(jié)的水平直徑為A0x；沿水平向取一豎向長(zhǎng)度為Az的土條，其鏈狀連結(jié)的豎向直徑為A0z。由式(1)得

左邊是接觸、結(jié)合水膜(聯(lián)接)、收縮膜(聯(lián)接)提供的有效應(yīng)力，令

(2)

總有效應(yīng)力

(3)

在z方向加下標(biāo)，注意到σz=Pa+q+∑rjhj。

由式(3)得z方向的有效應(yīng)力

(4)

式中，∑rjhj為計(jì)算點(diǎn)i以上土的自重應(yīng)力。在x方向加下標(biāo)，由式(3)得x方向的有效應(yīng)力

(5)

式(4)、式(5)中的Buz、Xz與A0x、Ax有關(guān)，Bux、Xx與A0z、Az有關(guān)，還與鏈狀連結(jié)及大孔隙的微結(jié)構(gòu)有關(guān)，還沒有精確的計(jì)算方法?？捎赏凉ぴ囼?yàn)結(jié)果計(jì)算[16]，或參考電鏡掃描結(jié)果。下面求水平方向的抗剪強(qiáng)度。

首先是z向鏈狀連結(jié)的接觸與聯(lián)接的貢獻(xiàn)。由式(2)加下標(biāo)z和式(4)得

(6)

其次是x向鏈狀連結(jié)的接觸與聯(lián)接的貢獻(xiàn)。該連結(jié)在x方向是縱向拉伸，在接觸最少的最不利位置破壞，內(nèi)摩擦角α很小。膜的真粘聚力和膜捆綁土粒在接觸處產(chǎn)生的摩擦力之和為

所以

τx=τx1+τx2=(q+∑rihi)tanφ+cx1+cx2+

令初始抗剪強(qiáng)度[17]

(7)

則

τx=C+(q+∑rihi)tanφ

(8)

式(8)為i點(diǎn)土的水平方向的抗剪強(qiáng)度。

注意，真粘聚力指膜聯(lián)接直接以拉力形式提供的抗剪強(qiáng)度貢獻(xiàn)。

4 天然紅粘土骨架的特性

4.1 天然紅粘土骨架的模式

天然紅粘土骨架可以按微結(jié)構(gòu)單元+鏈狀連結(jié)+大孔隙的總土體模式進(jìn)行分析。其中，微結(jié)構(gòu)單元是水穩(wěn)性、剛性和基本飽和的(主要裝結(jié)合水)，大孔隙是自由水進(jìn)出的主要通道，鏈狀連結(jié)有柔性、半剛性、剛性。

4.2 “上硬下軟”的天然紅粘土骨架

前面說(shuō)到，紅粘土具有典型的“上硬下軟”特征。2016年，王躍飛等[18]指出，湖南殘積紅粘土具有明顯的垂直分帶性。其上帶(厚約3 m)工程特性與一般粘性土相似; 中帶具典型的紅粘土特征(堅(jiān)硬-硬塑); 下帶為紅粘土(可塑-軟塑)靠近基巖。一般認(rèn)為，液限時(shí)土中水除了結(jié)合水外，已有相當(dāng)數(shù)量的自由水；塑限時(shí)土中水幾乎僅有強(qiáng)結(jié)合水，無(wú)收縮膜；弱結(jié)合水能緩慢流動(dòng)，因此與孔隙氣接觸處會(huì)有收縮膜。圖5為一般天然土坡的示意圖，結(jié)合上述的湖南殘積紅粘土[18](由碳酸鹽類巖石風(fēng)化殘積坡積所形成)進(jìn)行討論。從上到下，上帶為非飽和土的懸掛毛細(xì)水層，其厚度約3 m，在大氣影響深度帶的范圍；含水率平均值30.9%，飽和度平均值85.1%；褐黃色，說(shuō)明游離氧化鐵含量較小；液限49.7%，塑限指數(shù)21.4，為次生紅粘土[19],是經(jīng)坡、洪積再搬運(yùn)后，液限大于或等于45%但小于50%的紅粘土；由于水流搬運(yùn)和大氣影響，“除鐵”，顏色變黃。還除去部分細(xì)分散顆粒(粘粒)，無(wú)脹縮性；其物理力學(xué)特性與一般粘性土相似，主要是水膜聯(lián)接，還存在收縮膜聯(lián)接。中帶為非飽和土的中間帶，含水率平均值30.8%，飽和度平均值91.4%；褐紅色，為紅粘土；堅(jiān)硬-硬塑，液限53.3%～62.3%，塑限指數(shù)22.7～32.4，為高液限土(液限大于50%，塑性指數(shù)大于26)；弱膨脹性和中強(qiáng)收縮性；其微結(jié)構(gòu)為圖4的形態(tài)，最不利位置在鏈狀連結(jié)處；其統(tǒng)計(jì)的針鐵礦含量占總礦物含量的平均百分比為8.5%，赤鐵礦4.3%，三水鋁石為6.2%，即在干熱條件下，氧化鐵濃縮、脫水、陳化轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒕B(tài)或晶態(tài)，其主要是針鐵礦、赤鐵礦強(qiáng)膠結(jié)的強(qiáng)廣義結(jié)合水膜聯(lián)接，粘粒之間沒有收縮膜聯(lián)接，但下部靠近支持毛細(xì)水帶處為可塑，弱結(jié)合水膜與孔隙氣接觸處有收縮膜。下段褐紅色紅粘土軟弱造成取樣較困難；包括毛細(xì)網(wǎng)狀水帶、毛細(xì)飽和水帶和飽和水帶，再往下是基巖，微結(jié)構(gòu)也是圖4的形態(tài)；毛細(xì)網(wǎng)狀水帶為軟塑，除了支持毛細(xì)水，還有角部毛細(xì)水[20]，有收縮膜。再往下為流塑，飽和，沒有收縮膜。

4.3 天然紅粘土骨架與含水量

圖6是天然紅粘土骨架在不同含水量下的存在狀態(tài)示意圖。從圖4取出紅粘土骨架的一個(gè)單元，由微結(jié)構(gòu)單元(粘聚體)和鏈狀連結(jié)組成。很顯然，紅粘土在不同含水量下的狀態(tài)研究屬于前述第一層次的研究。另外，應(yīng)該注意的是，紅粘土中粘粒含量多，結(jié)合水多，由于在土工試驗(yàn)時(shí)用的是自由水重量，造成實(shí)際飽和度和土工試驗(yàn)的飽和度相差較大[21]。例如文獻(xiàn)[16]實(shí)例中，紅粘土的計(jì)算實(shí)際飽和度小于土工試驗(yàn)飽和度：硬塑的紅粘土1,為68.6%和95%；可塑的紅粘土2,為76.5%和99%；軟塑的紅粘土3,為80.8%和100%。下面進(jìn)行討論:注意粘聚體的保水性。見圖6(a),對(duì)應(yīng)圖5的飽和水帶和毛細(xì)飽和水帶；由鏈狀連結(jié)、粘聚體、結(jié)合水膜形成土骨架，其他孔隙部分充滿自由水，只有這部分自由水進(jìn)行滲流，所以紅粘土的滲透性很弱；土體與鏈狀連結(jié)為流塑，而粘聚體內(nèi)部為軟塑。見圖6(b),對(duì)應(yīng)圖5的毛細(xì)網(wǎng)狀水帶，由鏈狀連結(jié)、粘聚體、結(jié)合水膜、收縮膜形成土骨架，其他孔隙部分有支持毛細(xì)水(未畫出)、角部毛細(xì)水、孔隙氣；土體與鏈狀連結(jié)為軟塑，而粘聚體內(nèi)部為可塑。見圖6(c),對(duì)應(yīng)圖5的中間帶的底部，由鏈狀連結(jié)、粘聚體、結(jié)合水膜、還有弱結(jié)合水膜角部的收縮膜形成土骨架，到塑限時(shí)只有強(qiáng)結(jié)合水膜，其他孔隙部分僅有孔隙氣；土體和鏈狀連結(jié)為可塑或硬塑，粘聚體也為可塑或硬塑。見圖6(d),對(duì)應(yīng)圖5的中間帶，由鏈狀連結(jié)、粘聚體、強(qiáng)結(jié)合水膜形成土骨架，其他孔隙部分僅有孔隙氣；由于干燥，強(qiáng)結(jié)合水膜不斷減少，但一般到縮限不再變化；土體與鏈狀連結(jié)為堅(jiān)硬，粘聚體為硬塑。見圖6(e),對(duì)應(yīng)圖5的中間帶的干旱災(zāi)害的情況，由鏈狀連結(jié)、粘聚體形成土骨架，其他孔隙部分僅有孔隙氣；由于干旱，土體縮限后依然不斷失去水分，使土骨架表面連強(qiáng)結(jié)合水膜也全部喪失，并延伸至內(nèi)部，造成鏈狀連結(jié)開裂甚至斷開，粘聚體表面開裂(內(nèi)部有一定水分)；土體開裂或出現(xiàn)坍塌。

5 改良紅粘土的土骨架

5.1 路基壓實(shí)紅粘土的土骨架

圖7是一種理想的路基壓實(shí)紅粘土的土骨架模式。對(duì)照?qǐng)D6，經(jīng)過壓實(shí)，鏈狀連結(jié)被壓碎，孔隙氣排出，粘聚體重新緊密排列，形成粘聚體之間填充(鐵膠)粘土的新結(jié)構(gòu)。與外包粘粒皮顆粒群骨架[9]相似，圖6、圖7可以統(tǒng)稱為粘聚體群骨架，動(dòng)力作用時(shí)群體運(yùn)動(dòng)。圖7的土骨架，可以按粘聚體+(鐵膠)粘土+大孔隙的總土體模式進(jìn)行分析。其中，粘聚體是水穩(wěn)性、剛性和基本飽和的(主要裝結(jié)合水)，大孔隙是自由水進(jìn)出的主要通道，主要存在于(鐵膠)粘土中；(鐵膠)粘土與粘聚體之間有結(jié)合水膜聯(lián)接，或還有收縮膜聯(lián)接，形成運(yùn)動(dòng)整體。由含水量決定的(鐵膠)粘土的狀態(tài)，是紅粘土壓實(shí)的主要因素。

尹利華等[22]提出了云南紅粘土路基填筑碾壓含水率、松鋪厚度、碾壓遍數(shù)等施工參數(shù)和施工工藝。由文中提供的塑限、塑限指數(shù)和填筑含水率計(jì)算，得到填筑土的液限指數(shù)在-0.2～-0.125之間，為堅(jiān)硬狀態(tài)。參圖6(d)和圖7，經(jīng)過靜壓1遍，弱振1遍，強(qiáng)振6遍，土體壓實(shí)度可以達(dá)到91%，CBR(加州承載比，評(píng)定路基土和路面材料強(qiáng)度的指標(biāo))滿足規(guī)范要求，還獲得較好的水穩(wěn)性。

陳學(xué)軍等[23]通過濕法擊實(shí)制備最佳含水率下的桂林紅粘土試樣，進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)紅粘土滲透系數(shù)在壓實(shí)度<94%時(shí)滲透系數(shù)減小速率很快(作用階段)，在壓實(shí)度>94%之后減小速率明顯變緩，并且隨壓實(shí)度的進(jìn)一步提高，滲透系數(shù)降低程度趨于平穩(wěn)(穩(wěn)定階段)；紅粘土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，隨著壓實(shí)度增高，粘聚力呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系增大，內(nèi)摩擦角呈二次函數(shù)關(guān)系先增大后減小；綜合分析建議路基施工中應(yīng)控制壓實(shí)度在94%以上。由文中提供的參數(shù)計(jì)算可得最佳含水量時(shí)的液性指數(shù)在-0.142～-0.236之間，為堅(jiān)硬狀態(tài)。壓實(shí)度<94%時(shí)，由于自由水孔隙比[25]不斷變小，滲透系數(shù)減小速率很快，壓實(shí)度>94%后，自由水孔隙比=0，即(鐵膠)粘土中的孔隙已經(jīng)小到僅能容納結(jié)合水，僅有少量的自由水蠕動(dòng)，滲透系數(shù)降低程度趨于平穩(wěn)，并且?guī)缀鯙榱?5.05×10-9cm/s)。其采用的室內(nèi)不排水不固結(jié)的三軸剪切試驗(yàn)是不加水的試驗(yàn)。壓實(shí)度越大，(鐵膠)粘土填充結(jié)構(gòu)越緊密，孔隙愈小，強(qiáng)結(jié)合水接觸的面積越大，綜合這些因素，得到式(7)的初始抗剪強(qiáng)度C越大，注意C(包含真粘聚力、膜捆綁土顆粒和水氣不抵大氣壓強(qiáng)自重應(yīng)力提供的抗剪強(qiáng)度貢獻(xiàn))就是經(jīng)典土力學(xué)中的粘聚力。內(nèi)摩擦角φ取決于土顆粒的接觸。壓實(shí)度<94%時(shí)，(鐵膠)粘土顆粒接觸越緊密，內(nèi)摩擦角越大；壓實(shí)度>94%時(shí)，越來(lái)越多的(鐵膠)粘土的細(xì)顆粒碎裂成單個(gè)粘土礦物或更小的游離氧化鐵及其他顆粒(也可以說(shuō)是再粘土化)，接觸變細(xì)，粘聚力增加，內(nèi)摩擦角卻減少。

綜上所述，參文獻(xiàn)[22]，路基壓實(shí)紅粘土，可以取填筑含水率稍大于濕法擊實(shí)的最佳含水率(填筑土為堅(jiān)硬狀態(tài)),節(jié)約晾曬成本和獲得較好的水穩(wěn)性；通過靜壓、弱振、強(qiáng)振，使鏈狀連結(jié)碎裂、孔隙氣排出，形成(鐵膠)粘土填充結(jié)構(gòu)后，再進(jìn)一步密實(shí)；在滿足CBR等各項(xiàng)規(guī)范要求，即保證質(zhì)量的前提下，可以適當(dāng)?shù)亟档蛪簩?shí)度，降低施工難度和得到較好的經(jīng)濟(jì)效益。

5.2 強(qiáng)夯作用下的土骨架

李慶宏[24]通過用3 000 kN·m沖擊能夯擊原狀紅粘土(硬塑至堅(jiān)硬),以控制沉降試驗(yàn)表明:無(wú)論是在沉降量控制、壓縮模量控制、沉降差異控制,還是影響效果的深度都能滿足設(shè)計(jì)要求,并取得很好效果。曲兆軍[25]等，以新建昆明國(guó)際機(jī)場(chǎng)紅粘土地基為依托,研究了紅粘土在強(qiáng)夯作用下的壓實(shí)特性。試驗(yàn)研究結(jié)果表明:紅粘土強(qiáng)夯壓實(shí)效果并非隨夯擊次數(shù)的增加而增強(qiáng),夯擊到一定次數(shù)時(shí),坑底土體(軟塑)變成 “橡皮土”,產(chǎn)生較大的側(cè)向移動(dòng)。

強(qiáng)夯對(duì)原狀紅粘土的夯實(shí)作用可以探討如下：粘聚體在夯實(shí)過程中基本是穩(wěn)定的。見圖6(a)，流塑，鏈狀連結(jié)歪斜(不一定碎裂)，自由水流動(dòng)，形成橡皮土；見圖6(b),軟塑，鏈狀連結(jié)碎裂為(鐵膠)粘土充填，繼續(xù)壓實(shí)，原有自由水加上部分弱結(jié)合水受擠壓形成的自由水流動(dòng)，也會(huì)形成橡皮土；見圖6(c)，首先是可塑，鏈狀連結(jié)碎裂為(鐵膠)粘土充填，繼續(xù)壓實(shí)，部分弱結(jié)合水受擠壓形成少量不連續(xù)的自由水蠕動(dòng)，沒有橡皮土現(xiàn)象，但夯實(shí)效果不好；其次是硬塑，很薄的弱結(jié)合水在土顆粒的強(qiáng)吸引力范圍之內(nèi)，基本不會(huì)受擠壓形成自由水，(鐵膠)粘土繼續(xù)被壓碎膠結(jié)壓實(shí)；見圖6(d)，堅(jiān)硬，比硬塑更容易壓實(shí)；見圖6(e)，干土，僅在嚴(yán)重干旱時(shí)表層有此種土，沒有結(jié)合水(膠)，類似干砂但比其顆粒細(xì)，可以夯實(shí)但受孔隙氣干擾極不穩(wěn)定。

5.3 水泥加固紅粘土的土骨架

龔子龍[26]等，通過對(duì)不同水泥摻量和不同齡期的紅粘土進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和掃描電子顯微鏡(SEM)試驗(yàn)，分析了水泥對(duì)紅粘土強(qiáng)度及微觀結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明：加入水泥后紅粘土表面生成細(xì)微的顆粒和針狀物，這些顆粒和針狀物填充、連結(jié)、膠結(jié)土體，形成了水泥石骨架，提高了水泥土的強(qiáng)度。并且當(dāng)水泥摻入量小于20%時(shí)，水泥土的強(qiáng)度會(huì)隨齡期的增長(zhǎng)不斷提高。當(dāng)水泥摻入量大于20%時(shí)，強(qiáng)度提高不大。很顯然，水泥石主要填充大孔隙、膠結(jié)鏈狀連結(jié)及粘聚體的表面，其他再增加水泥意義不大。

同理，水泥注漿法[27]可以用于天然紅粘土的加固。如屈昌華[28]介紹了壓力水泥灌漿法在貴陽(yáng)某玻璃廠熔制車間紅粘土(硬塑)地基中的應(yīng)用。王彤標(biāo)[29]進(jìn)行了灌漿法處理軟塑紅粘土的可行性探討。

另一種可以用于水泥加固紅粘土的方法是高壓旋噴樁[27]法，旋轉(zhuǎn)的高壓水泥漿使紅粘土的粘聚體及鏈狀連結(jié)裂解成單個(gè)土顆粒，水泥用量多，形成水泥石包裹單個(gè)土顆粒的土骨架，固結(jié)后強(qiáng)度高。但由于破壞了紅粘土的原有結(jié)構(gòu)，在水泥土液態(tài)的時(shí)候，幾乎沒有強(qiáng)度，必須考慮施工時(shí)的不利工況，尤其是既有建筑地基基礎(chǔ)加固要慎重。

前面昆明國(guó)際機(jī)場(chǎng)紅粘土地基的強(qiáng)夯工程，可以先用水泥注漿法或高壓旋噴法加固坑底的土體(軟塑)，再?gòu)?qiáng)夯。但強(qiáng)夯必須在水泥土固結(jié)后。

6 結(jié) 論

a.紅土中的絮狀體、迭聚體也可以稱為(鐵膠)粘聚體。粘聚體可以按其脹縮性和膠結(jié)性能進(jìn)行區(qū)別。

b.定義:土中粘粒(包括膠粒)之間，由化學(xué)鍵(離子鍵及共價(jià)鍵)、氫鍵、分子鍵形成的聯(lián)接統(tǒng)稱為廣義結(jié)合水膜；不包括收縮膜。

c.相對(duì)的，按水膜、羥鐵礦、針鐵礦、赤鐵礦排列，紅粘土的粘土礦物顆粒之間的聯(lián)接為：微膠結(jié)、弱膠結(jié)、中膠結(jié)、強(qiáng)膠結(jié)。

d.按微結(jié)構(gòu)單元+鏈狀連結(jié)+大孔隙的總土體模式,分析了紅粘土的大氣張力有效應(yīng)力與抗剪強(qiáng)度。

e.分析了“上硬下軟”的天然紅粘土骨架。

f.紅粘土由于粘粒含量大，再就是粘聚體的水穩(wěn)性強(qiáng)，而按土工試驗(yàn)，紅粘土的狀態(tài)(取決于液限指數(shù))主要與粘聚體+(鐵膠)粘土+大孔隙的總土體模式有關(guān)，所以，土工試驗(yàn)得到的飽和度與土的狀態(tài)相矛盾。

g.分析了改良紅粘土的土骨架。

h.典型的紅粘土骨架可以稱為粘聚體群骨架，動(dòng)力作用時(shí)群體運(yùn)動(dòng)。天然紅粘土中，粘聚體之間的聯(lián)接為鏈狀連結(jié)，壓實(shí)后為(鐵膠)粘土充填。注水泥漿時(shí)紅粘土的原結(jié)構(gòu)基本保留。高壓旋噴加固時(shí)原結(jié)構(gòu)化成單個(gè)土顆粒被水泥石包裹，但液態(tài)時(shí)強(qiáng)度低。