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1、红粘土与岩溶地基,华南理工大学张海威,红粘土主要内容,一、红粘土的分布和组成二、红粘土的工程特性三、红粘土的工程地质勘探要点四、红粘土地基评价五、红粘土地基处理,（1）定义红粘土是出露在地表的碳酸盐岩在更新世纪以来的湿热环境中，经过一系列复杂的物理和化学风化，特别是红土化作用，形成并覆盖在基岩上，呈棕红或黄褐色的高塑性粘土。形成的红粘土经后期水流冲蚀搬运至低洼处堆积形成新的土层，其颜色虽较原生红粘土浅，但仍保持基本特性，液限大于45%的称次生红粘土。,1.1定义、成因及分布,1 红粘土的分布和组成,（2）成因暴露在地表的碳酸盐岩在漫长的地质历史时期内，经过各种物理风化逐渐分解为岩石碎屑。岩石碎
2、屑因比表面积较大，化学风化逐渐占据主导地位，而在温暖湿润气候条件下，化学反应速度快，经如下几个阶段，碳酸盐岩碎屑就会变成红粘土：1）饱和硅铝阶段 其特点是岩石中的氯化物和硫酸盐将全部被溶解，首先淋滤出Cl-和SO42-。由于溶于水中的CO2部分为游离的CO2，它可形成碳酸，使水介质成为弱酸性，在这种介质条件下，由于游离的CO2和H2O的共同作用，灰岩和白云岩发生碳酸化反应，碳酸盐变成重碳酸盐。,2）酸性硅铝阶段经过饱和硅铝阶段，几乎所有的盐基被溶淋掉，因此碱性条件逐渐被酸性条件代替。此时，前阶段形成的原碳酸岩中原生的粘土矿物伊利石、蒙脱石又被破坏，形成在酸性条件下稳定的不含K、Na、Ca、Mg
3、盐基的稳定的粘土矿物高岭石。3）铝铁土阶段 在此阶段，铝硅酸盐粘土矿物被分解，形成SiO2、Al2O3、Fe2O3及其水化物，其矿物成分主要为针铁矿、赤铁矿和水铝矿，从而形成了一种红色疏松的铁质或铝质土壤，即红粘土，故这个阶段又称为红土化阶段。,（2）红粘土的分布,红粘土的形成与分布与地质历史上的气候条件密切相关，其形成与分布范围的气候条件为湿热的热带、亚热带，降雨量应在1000mm以上，年平均气温为19 23。其分布主要集中在我国长江以南，它西起云贵高原，经四川盆地南缘、鄂西、广东向东延伸至粤北、浙南、皖南、浙西，总面积大约100万Km2。在云贵高原上，红粘土主要分布在较低的溶蚀夷平面及岩溶
4、洼地、岩溶谷地；在中部主要分布在峰林谷地、孤峰准平原及丘陵洼地等地貌单元；在东部主要分布在高阶地以上的丘陵区。经搬运再沉积形成的次生红粘土则主要分布在溶洞、沟谷和河谷低级阶地，覆盖于基岩或其他沉积物之上，其分布约占总量的10%40%，自西向东逐渐增多。,1.2红粘土的组成成分,红粘土的组成成分与其母岩、气候环境及风化作用强度有着密切关系，即使是灰岩，其中的碳酸盐矿物成分、自生的非碳酸盐矿物及陆源碎屑矿物的种类及含量也不尽相同。不同地方的红粘土因其气候环境不同，如温度、湿度等，红土化的作用强度也不相同，因而不同地方的红粘土在化学成分和矿物成分上表现出明显差异。,（1）粒度与化学成分,在红粘土的粒
5、度组构成中，细颗粒占绝对优势，其中小于5m的粘粒平均高达76%，而小于2 m的颗粒多达50%以上，据报道，已见土中小于1 m的颗粒最高可达93%。因而可以看出红粘土具有很高的分散性。,红粘土的化学成分以氯化物和氢氧化物为主，其中尤以铝、铁和硅的氧化物含量最高。它们多以游离的氧化物，其中游离氧化物Fe2O3可以晶态（赤铁矿）、微晶态（针铁矿）和胶态（羟铁矿）三种物态赋存，氧化铁的赋存状态及其含量决定了红粘土的颜色，直接反映了红土化作用的强度，其中晶态的赤铁矿含量越高，红粘土的颜色越红，红土化作用强度也越大；而羟铁矿的含量越高，土的颜色越浅，表明红土化作用强度越弱。这进一步表面，红粘土的工程性质与
6、其颜色有密切关系，颜色越深（红），其工程性质也就越好。,（2）红粘土的矿物成分与结构,1）次生的具有晶质结构的粘土矿物其含量一般占红粘土的40%50%，其中主要包括高岭石、绿泥石、蛭石、伊利石等，有时还可见到少量的蒙脱石。由下表可知，红粘土中的粘土矿物以水稳定性矿物高岭石、绿泥石为主，其次为亚水稳性的伊利石、蛭石和不含或少含有非水稳性的蒙脱石。,2)次生的非晶质粘土矿物红粘土中次生的非晶质粘土矿物，包括水铝英石、氧化铁、氧化铝、氧化硅及其水化物，它们是不发生X射线衍射峰的黏胶物质，其中又以游离铁为主，这也是与其他粘土的重要区别之一。这些无定性物质一般具有很大的表面积，化学活性很高，不稳定，可以
7、在一定条件下老化。3）可溶性的盐类矿物及有机质可溶性的盐类矿物主要有重碳酸盐，其次为钙、镁的硫酸盐和氯化物。它们溶解后，多以阴、阳离子存在于红粘土的孔隙水溶液中。红粘土中的有机质含量可达0.35%左右，其主要成分有纤维素、有机酸、腐殖质等，其中腐殖质绝大多数与矿物颗粒结合形成有机无机复合体。,2.1红粘土的物理力学特性,2 红粘土工程特性,红粘土的物理力学特性一般如表18-3所示,（1）红粘土的物性指标特征,1）高塑性、高液限、高孔隙比。其中、p、L、e等物性指标都明显大于其他土类，相当于软土。红粘土中粘土矿物虽然缺乏强亲水性的蒙脱石，但因其粒度组成的高分散性，因而反映在表征其塑性的L和Ip以
8、及表征密度的孔隙比e的值都很高。以致有的公路部门将高含水量、高塑性、高孔隙比合称为“三高土”。而且研究表明，风干脱水对红粘土的液、塑限没有明显影响，因此，对含水量较高的红粘土作为路基填料，翻晒后虽然含水量降低了，但是并不能改变其塑性的大小。此外，作为路基填料，红粘土在达到压实度时的最佳含水量也远远高于一般粘性土。,2）物性指标变化幅度大。如、p、L、e等及其对应的力学指标变化均较大。3）天然红粘土的饱和度Sr多在90%以上，使红粘土成为两相分散系，含水量和孔隙比呈现出良好的线性关系。红粘土的含水量较高、饱和度大显然与其较强的滞水性有关，由于其粘粒含量高、孔隙比较高、孔隙多而小，因而粘粒表面形成
9、了较多的吸附水。4）渗透性差，可视为不透水层。在无压条件下充分浸水，胀限含水量只比天然含水量增加了1%3%，足见其渗透性之差。,5)胀缩性能特征。一般粘土在浸水和失水后，由于其粘土片间的水膜厚度和减薄，都会表现出一定的胀缩性。阳离子交换的结果会使粘土矿物周围结合水的扩散层水膜厚度发生改变，使粘土表现出胀缩性，这种特性对红粘土也不例外。其胀缩性仅次于膨胀土，而比一般粘土显著。,（2）红粘土的力学性质,有表18-3可见红粘土虽然内摩擦角小，但粘聚力大，无侧限抗压强度（达200400KPa）比软土高数倍至十余倍，因而具有较高的抗剪强度，承载力也较高；其空隙比大，但压缩系数却甚小，说明红粘土的力学指标
10、不同于一般粘土和其他特殊土，而具有独自的特点和相关规律。红粘土的高孔隙、低压缩、高塑性、高承载力的工程特性是由红粘土较为独特的结构所决定的。研究表明红粘土的强度主要由游离氧化铁所形成的铁质胶结作用产生的，红粘土中的游离氧化铁以胶态和微晶两种形式赋存。研究表明，红粘土的结构联接强度不仅取决于土中所含游离氧化铁的多少，更重要的是游离氧化铁存在的物态形式，红粘土中的游离氧化铁含量越高，其力学指标越高，土中晶质的氧化铁对胶态的氧化铁比值越高，其力学指标也越高。,2.2红粘土的土体结构特征,一般红粘土以收缩的胀缩特性在土体结构上表现为其显著的裂隙型。天然状态下的红粘土呈致密状、无层理，上部易受大气影响，
11、多呈半坚硬半硬塑状态；当表层失水超过土的塑限时，土中就会出现裂隙，接近地表的裂隙呈竖向开口状，往深处逐渐减弱，呈网状微裂隙且逐渐闭合。裂隙的存在又为深部红粘土的失水提供了通道，从而使深部土体收缩，裂隙加深。,红粘土中的裂隙发育深度一般为3 4m，已见最大深度8.0m，裂隙面光滑，有的带擦痕，有的被铁锰质浸染。裂隙的发生和发育甚快在干旱气候条件下，新挖路堑坡面数周甚至数日便可被收缩裂隙切割的支离破碎，使地表水易于浸入，土的抗剪强度降低，造成边坡的变形和失稳破坏。而在雨季湿润气候条件下，裂隙又可因红粘土的吸水膨胀而闭合，如此反复胀缩，使红粘土的结构强度几乎丧失，抗剪强度也大大降低，这是红粘土路堑边
12、坡长期稳定性低的主要原因。,2.3厚度变化与岩土接触关系特征土层厚度变化大是红粘土的重要特征之一。,1）地貌条件在高原和山区，红粘土的分布不连续，一般厚3 8m，少数达15 30m；在平原和丘陵分布较连续，一般厚10 15m，最厚者达40m。在地貌横剖面上，坡丘，坡谷土层较薄，坡麓较厚；在谷夷平面及岩溶洼地，槽谷中央，土层相对较厚。因而红粘土在水平方向变化较大，常见水平相距1m，土层相差数米甚至更多。当用作地基时，它既是一种有刚性下卧层的有限厚度地基，又是一种可压缩层的厚度变化悬殊的不均匀地基。,2）母岩岩性及岩溶发育条件在厚层、中厚层石灰岩和白云质灰岩分布地区，岩溶发育强烈，基岩表面起伏强烈
13、。高程变化大，致使上覆红粘土层变化大，在开挖的路堑坡面上，常常可见有的地段石芽、石笋突出路面高程数米至十多米。而相邻地段基岩仍深埋在路面高程以下。泥灰岩、泥晶灰岩等不纯灰岩分布地区，岩溶化弱，基岩顶面较为平整，起伏小，故粘土层后打变化较小。,红粘土的湿度变化特征,在垂直方向上除受局部地表水影响外，红粘土从地表向下直至基岩顶面，其含水量逐渐增大，土的状态由硬变软，相应的土的强度也由上而下相对降低，压缩性则相对增大。这与一般粘土在自重作用下，因排水固结，密度随深度递增，土的工程性质变得较好的规律相反。工程实践中，红粘土的软硬程度多以含水比来划分。右图绘出了红粘土含水比aw，天然含水量w和孔隙比e随
14、埋藏深度而递增的变化规律.,500页的图,岩土接触关系的特征,经历了红土化由岩到土的演变，使红粘土无论在外观、成分还是组织结构上都发生了很明显不同于母岩的质的变化。除少数泥灰岩分布的地段外，与下覆基岩岩溶不整合接触，它不具有一般残积土与母岩呈过渡状态的垂直分带特征，这是红粘土区别于其他红土的主要标志。实测剖面资料表明，岩土间无论在外观性状还是组成成分上都是呈突变的。,3.1 红粘土的工程分类,3 红粘土工程地质勘探要点,（1）安土的成因分类按地质成因可分为：红粘土和次生红粘土。次生红粘土的状况比较复杂，在成分上由于迁徙过程中掺和了一些其他成分和较粗粒度的物质，固结度也较差。相关分析结果表明，对
15、同一物性指标，次生红粘土的承载力只及红粘土的3/4。它成可塑、软塑状态的比例在总量中也明显增高，压缩性也普遍较红粘土高。因此，岩土工程勘察中，应注意将不同成因的两类土区别开来，单独予以研究。（2）按土体结构状态分类天然状态的红粘土为整体致密状，土中形成网状裂隙，使之变成了由不同的延伸方向、宽度和长度的裂隙面与其间的土块所构成的土体。致密状少裂隙与富裂隙的土体，它们的工程性能有明显差别。根据土中裂隙特征的描述与量测以及天然与保湿扰动状态土样的无侧限抗压强度之比St，提出土体结构的分类，见下表,（3）按土的复水特征分类类:收缩后再浸水，膨胀量能回到原来的位置；类：收缩后再浸水，膨胀量不能恢复到原来
16、位置。（4）按地基均匀性分类按地基均匀性，即按基底下深度为Z范围内地层组成分为两类：类：全由红粘土组成；类：由红粘土与岩石共同组成。,3.2红粘土工程地质勘察要点,红粘土分布地区的道路工程除遵照现行的公路工程地质勘察规范的常规要求外，还应在各勘察阶段，分别针对路基工程、桥梁工程、隧道工程及筑路材料料场等，根据红粘土自身特点，进行工程地质勘察，其勘察要点如下：（1）工程地质调查与测绘工程地质调查与测绘时，应首先查明下列问题：1）道路中线两侧150 200m范围内红粘土分布地段的地形地貌特征、微地貌形态，主要地貌单元、地形形态与地表坡度的变化，天然边坡和人工开挖边坡的稳定情况，红粘土边坡的滑坡溜坍
17、、地裂的发育程度，天然红粘土中裂隙的密度、延伸深度、延伸方向等，以及由于红粘土的胀缩性及土洞坍塌引起的不良地质现象的类型、规律和分布特点。2）当地的气候资料：年降水量、蒸发量、雨季与旱季的持续时间；气候条件的改变对红粘土边坡稳定性的影响等。3）不同地貌单元上红粘土与次生红粘土的分布范围、厚度、物质组成等。,4)地表水及地下水的分布、动态及对红粘土湿度状态竖向分布、土质软化的影响。5）红粘土分布区段已有各类建筑物的使用情况，已有道路的病害及其原因分析，红粘土工程地质勘察与道路工程设计施工的经验、有效工程措施及其经济分析。（2）勘探勘探应分阶段进行，从初勘到祥勘，逐次深入。勘探方法应以钻探为主，辅
18、以人力钻探和挖深等方法进行。对土洞的勘探应以综合物探法为主结合钻孔验证。同时应结合进行原位试验、取样和室内土工试验。1）勘探应查明的问题红粘土的厚度，下覆层岩岩性，岩溶发育特征，红粘土的横向厚度变化及土洞分布情况。通过实验确定红粘土的物质组成、土性、土体结构等特征及其差异。红粘土在垂直剖面上的颜色、土质、土性、湿度及物理力学性质的变化。2）路基勘探勘探点应沿道路中心线布置。当红粘土厚度不大时，钻孔应钻至基岩顶面一下3m；当红粘土较厚时，填方段钻孔深度不应小于6m，挖方段应钻至路基设计标高一下5m。,3）桥梁勘探桥位勘探应结合桥型方案的墩台位置布置勘探孔，钻孔深度应穿过红粘土，深入基岩的深度按岩
19、溶区桥位勘探要求进行。对桩基的墩台，应每桩1孔，以查明红粘土的厚度变化和基岩起伏情况；对扩大基础，每一墩台基础的钻孔数应不小于5个，勘探点最小间距可达6m，钻孔深度应钻至完整基岩以下3m。4）隧道勘探隧道勘探，钻孔深度应穿过红粘土层，当遇到溶洞时，应穿越溶洞，在溶洞底板完整基岩中钻进35m。5）红粘土料场勘探对取土用作路基填料的红粘土料场，应查明料场的平面范围，着重查明可用的红粘土的厚度及其在水平方向上的变化。（3）试验1）红粘土的取样测试数量可不按勘探点总量的比例确定，而按划分的土质单元控制，土质单元在垂直剖面上可根据不同湿度或 不同的颜色来划分。,2）常规试验：密度、相对密度、含水量；界限
20、含水量、液限、塑限、缩限；颗粒分析；渗透试验；红粘土的矿物成分、化学成分分析；pH值得测定。3）红粘土的胀缩性试验：自由膨胀率及不同应力下的膨胀力、膨胀率、收缩系数试验及不同失水量条件下的膨胀量试验。4）力学强度试验：压缩试验、剪切试验、无侧限抗压强度试验、干燥失水-浸水膨胀-复失水-复浸水的胀缩循环剪切试验。5）为确定红粘土作为路基填料的路用性质的击实试验、CBR试验。6）必要或可能时采用电子显微镜对红粘土的微观结构和结构连结进行试验观测。7）原位试验：标贯试验、静力和动力触探试验、浅层土的静载试验、深层土的旁压试验，有条件时也可进行不确定剪切面的原位剪切试验。,4.1 地基均匀性评价4.2
21、基础埋置深度的确定4.3地基承载力的评价红粘土的地基承载力的评价应在土质单元划分的基础上进行，根据土工试验资料及有关规范确定。当用静力触探试验确定红粘土的地基承载力时，可按公式计算。此外还可根据其他原位试验结果确定红粘土的地基承载力，如荷载板试验、旁压试验等。4.4对土洞的评价由地表水或地下水的作用及其他作用形成的土洞，均具有顶板强度低、发展快的特点，特别是土层较薄的地段，更易发展成地表塌陷，危及路基及边坡的稳定。因此，查明土洞的分布、成因及规模，开展对土洞与塌陷的预测十分重要。,4 红粘土地基评价,4.5红粘土裂隙的评价土中裂隙对工程的影响及对其评价主要有：（1）分布于红粘土中的深长地裂对工
22、程危害极大，裂隙最长可达数公里，深可及8.0m。地裂通过的地段，其上建筑物无不破损，且不是一般工程措施能予以治理的，在公路选线时应尽量绕避之。（2）土中细微裂隙使土体整体性遭到破坏，大大削弱了土体的强度。实验表明，湿度状态均为硬塑土，致密结构者无侧限抗压强度可达300 400KPa，而沿裂面剪损者的强度不及100KPa。原位水平推挤法剪切试验亦说明，裂隙使抗剪强度降低了50%以上。所以当承受较大水平荷载、基础浅埋、外侧地面倾斜或有临空面等情况时，裂隙将构成土体稳定和受力条件的不利因素，土的抗剪强度及地基承载力都应作相应的折减。（3）土体结构为巨块状、碎块状的红粘土，由于裂隙的存在，构成含水性能
23、差异很大的裂隙“含水层”，影响工程施工和使用。（4）对一些低矮边坡，按天然土的抗剪强度指标计算，坡高小于允许的直立高度，但裂隙使土体失去固有的连续性，因而可能失稳而垮塌。对较高的边坡，土体破坏时将沿着竖向裂隙以及土体中不利方向的裂面形成弧形滑面。,4.6对地表水、地下水的影响的评价地表水及土中裂隙水的存在，对工程的影响主要有：（1）水的入渗并长期活动于土中，使裂隙面附近的土体软化。一般说来，可塑和软塑土的分层界面与裂隙水的水位大体相近，地面水体构成了裂隙水的补给来源，在其浸润范围内，使表层坚硬、硬塑土的湿度明显增加，降低土的承载能力和增大压缩性。（2）水的存在和运动，影响土体施工作业和建筑物水
24、下部分的正常使用。在水的影响与作用下，由于土的重度增大、抗剪强度降低以及动水压力，使支挡结构物墙背土压力增大，这是雨后一些墙背为红粘土的挡墙坍塌的原因之一。（3）人工削坡使埋藏于深处、含水量较高的土体外露，失水收缩，状态变硬，这些理应使土的抗剪强度增大，边坡更趋稳定，即使土体因干缩而裂隙遍布，坡体依然屹立，但已干缩的土体一旦遭受水的浸入就会湿化崩解。(4)红粘土中裂隙水的水量随着初见水位深度的增大而减少，表层的裂隙水，由于裂隙宽大，水量较大；深部则较小。,4.7路基填料的评价作为路堤填料，红粘土经压实后达到很高的强度，其CBR值最高可达25，但压实度则要由取土质单元而定。由于红粘土在竖直剖面上
25、自上而下湿度逐渐增大，工程性质逐渐变差。因此当使用红粘土作为公路筑路材料，压实填土路堤时，事先必须通过击实试验，确定填料的最大干重度和最佳含水量，选择取土场上限含水量较低或接近塑限的坚硬至硬塑状态的红粘土。对液限大、干密度小及靠近下覆基岩的软塑状态的红粘土，因塑性大而不分散，即使翻晒，但只能风干表面，内部仍为软塑态，难以破碎，改良填料土性的各种方法也因之难以实施，因而不能作为填料，而只能作为弃方处理。对于弃方标准，经过对京珠高速公路湖南耒（阳）宜（章）段的大量实验研究，以液限值大于60%和最大干容重小于15KN/m3作为高速公路填方、路堤填料的控制指标是可行的。现场填筑碾压对液限值小于50%的
26、红粘土可以达到95%的压实度。对液限值在50%60%范围时的红粘土则只能达到93%的压实度。实验还表明，对含水量大于塑限5 6个百分点以上可塑状态的红粘土，虽然CBR值能达到5左右，完全符合规范要求，但压实度一般不能达到93%的压实度，且碾压时易起“弹簧”成为“橡皮土”，因此只能作为包边土。有的经翻晒后作,为路基填料，可达到90%或93%的压实度，但若碾压密实后不及时覆盖，则会因表面失水收缩，形成网状裂隙，并且表面形成大量“薄皮”松懈脱落，工程施工车辆碾压后形成厚厚的粉尘，因此对这类红粘土最多只能作为路基而不应将其作为路床填料。,5 红粘土地基处理方法,5.1路基工程中红粘土处理方法红粘土虽然
27、强度较高，压缩性较小，但因与岩溶伴生，且含水量、液限均较一般粘土高，具有胀缩性等，因此常被称作为“有问题的土”或特殊土，红粘土路基也被称之为特殊土路基。当其含水量高于塑限时，无论是作为路堤填料，还是作为路堑段地基都需要进行必要的处理，其处理方法主要有如下几种。（1）垫层置换法路堑地段的红粘土地基，一般位于红粘土土坡、丘的下部，含水量往往超过了最佳含水量，因此很难达到95%的压实度。当施工期间的气候条件不利时，可采用垫层换填处理，即将路基基底超挖不小于30cm的厚度，改用其他好粘土、砂石、灰土、粉煤灰等材料辅填碾压密实后形成置换垫层，并做好防水处理，然后再在其上进行路面工程施工。这样不仅解决了压
28、实度的问题，进一步提高的路基强度，而且可消除红粘土的膨胀性对路面的影响。,5 红粘土地基处理方法,5.1路基工程中红粘土处理方法红粘土虽然强度较高，压缩性较小，但因与岩溶伴生，且含水量、液限均较一般粘土高，具有胀缩性等，因此常被称作为“有问题的土”或特殊土，红粘土路基也被称之为特殊土路基。当其含水量高于塑限时，无论是作为路堤填料，还是作为路堑段地基都需要进行必要的处理，其处理方法主要有如下几种。（1）垫层置换法路堑地段的红粘土地基，一般位于红粘土土坡、丘的下部，含水量往往超过了最佳含水量，因此很难达到95%的压实度。当施工期间的气候条件不利时，可采用垫层换填处理，即将路基基底超挖不小于30cm
29、的厚度，改用其他好粘土、砂石、灰土、粉煤灰等材料辅填碾压密实后形成置换垫层，并做好防水处理，然后再在其上进行路面工程施工。这样不仅解决了压实度的问题，进一步提高的路基强度，而且可消除红粘土的膨胀性对路面的影响。,（2）土性改良法对以缩为主，具有中等膨胀性或液限大于55%，含水量大于塑限的红粘土或天然稠度Wc在0.91.0的红粘土填料可参照膨胀土地基（换填、石灰、粘性土固化剂、水泥等改性）的某些处理方法和工程经验进行处理。1）石灰改良法京珠高速公路湖南耒（阳）宜（章）段红粘土的改良试验表明，对含水量高达40%的红粘土掺加6%（重量比）的生石灰，12h后含水量降低了6%，接近于塑限值（32%），压
30、实度则达到90%。对不适宜做路堤填料的红粘土可通过掺加3%5%石灰进行土性的改良。对路堑地段的路基，也可将基底翻松，然后洒石灰水或消石灰，并随即压实来消除红粘土的膨胀性。除石灰外，还可采用水泥、NCS固化剂等降低土体含水量，改善过湿红粘土的压实性能。2）砂石、粉煤灰等瘦化剂改良法试验表明，在红粘土中加粗砂、碎石、石屑、粉煤灰、矿渣等瘦化剂也可大大降低红粘土的液限，减少其塑性，达到改良的目的。由于这些瘦化剂材料与红粘土的均匀拌合不易实现，耗费工时，因此在实践中可采用分层摊铺，即每30 40cm厚的红粘土，上铺8cm左右的瘦化剂，而后碾压密实，使每30 40cm厚的粘土层顶部形成10cm左右厚的上
31、结石层。,（3）降低压实标准填筑于下路床及上、下路堤的红粘土填料，当进行处理或采用重型压实标准有困难时，可采用轻型压实标准。对高速公路和一级公路，采用轻型压实标准的下路床，上、下路堤的压实度分别不小于98%、95%、90%，其他等级道路要求下路床应不小于95%，上、下路堤均要求不小于90%，零填及路堑路床则要求不小于95%。,研究表明，红粘土的结构强度较大，对于稠度大于1.0的红粘土，特别是具有胀缩性的红粘土结构强度与膨胀能力具有反相关关系，原有的结构连结被破坏后的扰动土，较原状土具有更大的膨胀和胀缩变形，密实度越高，其膨胀量和膨胀力越大；在同一密度条件下，初始含水量越低，其膨胀量和膨胀能力越
32、大。红粘土的天然含水量较高，又分布在南方多雨的湿润气候区，要将土的含水量降到重型击实标准的最佳含水量十分困难。土质改性、翻晒等，不仅增大了工程成本，工作量大，费时颇多，影响施工进度。即使花了很大代价，在施工期间和竣工后，压实的红粘土也可因吸水膨胀而降低密实度，且压实度越高，吸水后膨胀越大。现有的研究认为，路基建成后，不管初始含水量如何，在当地自然条件和道路系统影响下，经过自然平衡，其含水量将逐渐稳定在某一平衡范围，如外界条件不改变，将不再有较大波动。基于上述，国外对胀缩性较高的粘土地基，通常采用较高含水、较低密实的原则，即按轻型压实标准在最佳含水量或略高的含水量下压实到较低的干密度。,（4）路
33、基开裂及其控制措施具有胀缩性的红粘土填筑路堤最显著的病害之一，是形成于路基表面和边坡坡面的收缩裂隙。收缩裂隙的发育程度与土性、填料的含水量、含水量的均匀性、气候条件以及胀缩循环的次数关系密切。土的膨胀性越强，失水后的收缩性也越强，即裂隙越发育；气候越干燥、填料的含量越高、水分在土中分布越不均匀，其裂隙也越发育；红粘土经历的胀缩循环次数越多，土的结构强度就越低，其收缩裂隙也越发育。对湖南耒(阳)宜(章)高速公路红粘土填料的试验研究说明，取自地表下5m下伏灰岩接近溶沟处的过湿状态的红粘土试样，风干后，制成含水量为16%28.3%的击实试样，采用重型击实后，获得的干重度dmax=15.1KN/m3，
34、opt=22.5%.取含水量为28%30%，重型标准击实度k=90%，体积为997cm3的圆柱击实试样，采用室内风干的方法，进行整体收缩试验，结果求得击实红粘土的平均缩限为15.85%，平均线收缩率为6.09%，平均体缩率为20.8%收缩系数为0.373.但采用读数显微镜观测，收缩后的试样仅在局部发生了微裂隙，最大裂隙宽度仅0.02mm，而工程现场过湿红粘土填筑的路基表面却普遍出现网状裂隙，最大宽度可达,5 6cm。其原因很可能与现场压实土体的初始含水量不均匀及碾压条件有关。由于填料过湿，呈团块状，在秋季干燥气候条件下摊铺风干，表面失水，但内部含水量变化甚小，碾压后造成各层路基表里干湿不一，内
35、部含水量也很不均匀，这种湿度不均匀的土体显然比湿度均匀的击实试样更有利于收缩裂隙的形成。为控制红粘土路基的开裂，可采取如下简单而又经济的工程措施：1）连续施工，避免已压实路基表面因暴露时间较长，风干失水出现龟裂。2）对已开裂的填筑层，翻松、洒水、重新压实，然后及时覆盖。3）对已压实的红粘土路基，如因故不能及时进行上路床、路面等上部结构层施工时，可在压实路基顶面采取封层覆盖处理，如在路面下用两布一膜复合土工布覆盖，而后在其上及时铺设一层10cm厚中细砂保护层，平整碾压，并形成4%的排水横坡再填筑上部基床材料，达到保温隔离和防止表面开裂的目的。4）在红粘土路基顶面采用胀缩性很小的粘土或碎石、砂砾及
36、粉煤灰等无机颗粒材料填筑。5）对红粘土路堤边坡，采用非胀缩性的粘土作为包边土，包边土厚1.5m左右，夯实后防止坡面开裂及地表水的渗入。,对于高路堤也可采用土工格栅加固边坡，约束红粘土的侧向膨胀。将土工格栅分层摊铺，与过湿的红粘土层一道填筑压实。土工格栅沿横断面的铺设宽度应不小于2m，铺网垂直间距为每层填土填筑压实厚度，土工格栅应反包坡面，用U形钉固定，并种植草皮。良好的草皮覆盖，能有效地抑制坡面开裂。5.2红粘土人工边坡的稳定性及其处理（1）红粘土人工边坡的稳定性及其影响因素在公路工程中，红粘土路堑开挖后形成人工边坡，由于外界条件的改变，暴露在自然环境中的人工边坡将发生失水现象，下部原来较弱的
37、红粘土变得较坚硬，有利于边坡稳定。人工红粘土边坡有较高的短期稳定性，但其长期稳定性却较低，这是因为红粘土人工边坡受到如下因素的影响：1）红粘土本身的胀缩性。随着季节变化，红粘土坡面的含水量也经历多次的干湿循环变化，即干燥失水-开裂-复浸水-裂隙部分闭合-再失水-再开裂。在这样的变化过程中产生了大量收缩裂隙，红粘土原有的较高的结构强度部分丧失；抗剪强度降低，因而降低了其长期稳定性。对贵阳具有中等膨胀性的红粘土的室内试验表明，原状土的结构强度Pu值仅为24KPa,即基本丧失，而把击实试样风干再在105下烘干48h，然后将其置于保湿器中，使其缓慢吸湿至平衡或所需含水量，测试其结构强度则视扰动程度,而
38、为80210KPa，较原状土明显降低。2）边坡应力状态的改变。路堑开挖后，一部分土体被卸除，结果形成了具有临空面的人工边坡。由于卸荷引起人工边坡土体结构松弛和应力状态改变，坡面因失去横向约束而导致主动土压力、边坡应力、重力调整分布而导致软弱结构面的剪应力增大。3）风化作用。在大气影响范围内，边坡地表和坡面将因各种风化营力的作用,如各种物理侵蚀、化学溶解、水解水化等，使土体结构变为疏松，孔隙增大，土颗粒间的联结力减弱，形成新的风化带。特别是红粘土的干缩裂隙极有利于风化作用的进行，致使裂隙进一步发展，边坡稳定性降低。4）地表水的侵入。暴露的红粘土人工边坡因为孔隙、裂隙较多，结构变化疏松，因此在雨季
39、，极有利于地表和坡面流水的侵入，从而使土体含水量增大，氧化铁等胶体活化，粘粒的结合水膜增厚，因胀缩性产生的软弱结构面进一步软化，加之土体中水的渗流产生的渗流力，土体因饱和而使自重增加等因素，最终导致红粘土人工边坡的局部坍塌和整体滑坡。由于上述因素，新开挖出来的人工边坡往往在尚未进行边坡防护和绿化之前的一、两年，甚至几个月时间内就出现了失稳破坏。,（2）红粘土路堑边坡的处理坡率设计红粘土边坡的短期稳定性好，有的边坡开挖后，下部灰岩直接出露于路基平面以上，地质勘察时，有的钻孔在地面下不深处即可见到灰岩，因此人们往往误认为开挖边坡稳定性好，而实际上红粘土与下伏基岩的不整合接触面就是一个软弱面。红粘土
40、边坡最基本的特点之一就是上硬下软，特别是靠近基岩处更是呈软塑甚至流塑状态。因此，对红粘土路堑边坡的稳定性分析和计算时，应以其下部最软的土体的饱和强度快剪指标为依据。当存在裂隙等软弱面时，取软弱面为滑动面进行验算；无裂隙时，可按圆弧滑动面验算；如不整合面出露，滑弧出口应通过不整合面。要充分考虑有水渗流的情况，包括边坡背部的静水压力和动水压力，适当增大安全系数，可取稳定安全系数为1.2.可参照弱膨胀土边坡的坡率设计，即对边坡高度小于4m时，坡率不大于1:1.25；坡高4 6m和坡高6 8m者，坡率应分别不大于1:1.75；高度大于8m的，应分级放坡或采用支挡措施，分级边坡平台宽度应不小于1.0m。
41、,坡面防护为了防止开挖边坡遭受风化和流水冲蚀及坡面失水开裂，必须对坡面进行防护。路堑边坡的坡面防护主要措施有：（1)表面排水:设置坡顶和坡面排水系统，防止地表水侵入边坡土体；（2）坡面植被防护：常以铺设草皮为主，包括骨架衬砌植草；（3）片石护坡。边坡支挡对已有变形或出现地裂的路堑边坡，以防止其继续发展应采取必要的支挡加固措施。对因受其他因素限制，而必须采用较陡的边坡坡率的路堑，特别是深路堑边坡，也应采取相应的加固措施，其主要有：（1）挡土墙：为避免坡脚因剪应力过大而产生塑性破坏，挡土墙应为仰斜式，并使排水沟和墙体连成一体，这样既可防止路面雨水侵入墙底软化挡墙地基，提高挡墙承载力及抗滑、抗倾覆稳
42、定性，同时保护路基土不致因水侵入而引起膨胀变形。（2）土钉支护：采用土钉网格梁支护，既可通过土钉的加劲作用，增大边坡的稳定性，又可通过与土钉连为一体的钢筋混凝土网格梁对坡面的框箍约束作用抑制坡面因土压力产生的变形，网格梁内应铺种草皮，并应有坡面排水措施。,（3）微型桩支护：对已变形较平缓的边坡，可采用直径为20cm左右的微型桩支护。微型桩一般垂直布置，通过冲击钻或洛阳铲成孔，然后置入钢筋或钢筋束，最后注浆成桩。（4）抗滑桩支护：适合下滑力较大的路堑边坡，但对正在位移的路堑边坡，不宜采用，因抗滑桩截面积较大，挖孔时对坡脚造成扰动，会加速边坡的位移，且影响挖桩施工的安全。（5）复合支护：对深路堑多
43、级开挖的边坡，往往采用复合支护。采用下挡墙上土钉或土钉与锚杆、锚索结合，土钉与抗滑桩结合，土钉与微型桩结合等复合支护方案，可收到更好的效果。在采用上述工程支挡措施的同时，坡顶若已存在变形裂隙、地裂等，应用粘土封填、夯实，以免地表水通过裂隙流入边坡土体。,5.3道路构造物的红粘土地基处理,红粘土由于其自身组分和结构特征，反映在物理力学性质方面，具有特殊的规律性，因而尽管其孔隙比较大，但作为地基，其承载力不低，压缩性不高，是一种较好的天然地基土。特别是红粘土层上部的土层，含水量较低，红土化作用强，其中往往含有较多的铁、锰结核和氧化铁胶结的团粒，其承载力更高。但红粘土地基往往又具有不均匀性和下部含水
44、量较高，土性软弱易产生不均匀沉降的特点，因此作为立交桥、通道、涵洞、挡土墙等道路构造物的地基，往往仍需处理。地基处理的原则（1）基础尽量浅埋。由于红粘土具有上硬下软的湿度状态分布特征，因此红粘土上的道路构造物应尽量减少地基的开挖，将基础浅埋。其作用：一是充分利用上部坚硬、硬塑土较高的承载力；二是保证基底下较厚的硬土层，使传递到其下可塑性土层上的附加应力相对减少，满足下卧层的承载力要求；三是当基底下土层厚度变化较大时，保持基底下相对较厚的可压缩土层，减少与相邻点间的沉降差。（2）尽可能保持土的天然结构和湿度，防止地基土收缩和缩后膨胀的不利影响。其具体措施主要是：构造物地基开挖后，应及时进行基础施
45、,工，以减小开挖面上土体失水过多而开裂；当不能及时进行基础施工时，应预留一定厚度的保护层基坑开挖到预定标高时，先浇筑垫层，避免基底土直接暴露于大气中，干旱季节尤应如此。（3）对不均匀地基的一般处理原则：一是对以硬（指岩）为主的地段，处理软（指土）的；在以软为主的地段，处理岩的；二是处理中应以调整变形和调整应力状态并重；三是选用的措施应简单，质量易于控制。不均匀红粘土地基处理的方法（1）石芽密布，不宽的溶槽中有红粘土。若溶槽中土厚小于表19-6中的h1时，可不必处理，将基础直接坐于其上；当条件不符时，可全部或部分挖除溶槽中的土，使其满足h1的要求。当槽宽较大时，可将基底做成台阶状，保持相邻点上可
46、压缩土层厚度呈渐变过渡，也可在溶槽中布设若干短桩，使基底荷载传至基岩上。,（2)石芽零星出露，周围为厚度不等的红粘土。单独的石芽出露于建筑物的中部，比同时分布于建筑物的两端危害性要大。位于中部的石芽相当于简支梁上的支点，两端呈悬臂状态，建筑物顶部受拉，由此造成的开裂常可见到。在这种情况下，加强上部结构往往是徒劳的，最简单有效的办法是打掉一定厚度石芽，铺以数十厘米厚的褥垫材料。理想的褥垫材料具有可压缩性，在应力集中、基底应力较大时。仍可压缩变形，同时要具有可靠的水稳定性。在众多材料中以燃煤炉渣为佳，中细砂也经常采用。,岩溶主要内容,一、岩溶地区的主要工程地质问题二、岩溶水及溶洞的处理三、土洞及地
47、面塌陷的处理四、石芽、溶蚀沟、溶蚀槽的处理,1 岩溶地区的主要工程地质问题,1.1我国岩溶的分布定义岩溶是可溶性岩石在地表流水和地下水的长期化学溶蚀和机械侵蚀作用下，形成的特殊地貌形态和水文地质现象的统称。凡以地下水为主、地表水为铺，以化学过程（溶解与沉淀）为主、机械过程（流水侵蚀和沉积，重力坍塌和堆积）为铺的对可溶性岩的破坏与改造作用被称之为岩溶作用。就溶解度和溶蚀速度而言，岩盐、石膏、芒硝等可溶性岩石远大于难溶的碳酸盐岩，但因碳酸盐岩（主要为石灰岩和白云岩）的数量和分布在可溶性岩中占绝对优势，故在一般情况下，所谓岩溶指的即是碳酸盐岩中的岩溶。岩溶又名喀斯特（Karst），其名源于前南斯拉夫
48、西北部沿海一带的Karst高原，该高原系石灰岩地层，岩溶现象十分发育。19世纪末，前南斯拉夫学者威治对该地的奇特地貌进行了研究，并以该高原地名将这种地貌命名为“Karst”，此后即成为世界各国通用的术语。,分布我国碳酸盐岩分布很广，总面积约344.3Km2,遍及26个省、市、自治区，尤其是西南，中南地区分布更广，云、贵、桂连成一片，其中贵州仅碳酸盐岩的出露面积就占全省面积的51%，广西、湖南、云南、湖北、山西、四川等省，其碳酸盐岩的出露面积也均在20%以上，其分布面积占全省面积则均在50%以上。1.2岩溶地貌与发育规律岩溶地貌在石灰岩中由岩溶作用形成的地表形态和地下形态被称之为岩溶地貌。岩溶地
49、貌千姿百态，与道路工程有关的常见岩溶形态有：（1）地表岩溶地貌1）石芽与溶沟。地表水流沿着坡面上的节理裂隙流动，溶蚀和冲蚀出许多凹槽和坑洼。凹槽为溶沟，沟间的突起为石芽，石芽有裸露的，也有埋藏的。通常石芽在山坡上自上而下呈有规律的分布，即全裸露石芽-半裸露石芽-埋藏石芽。,石林则是一种非常高大的石芽，其间的溶沟很深，它是热带石芽的特殊类型。如云南的路南石林，高达数十米，排布如林。,2）漏斗。它是呈碗碟状或倒锥状的洼地，直径和深度一般均数米至数十米，由地表水的溶蚀和侵蚀并经坍塌陷而成。底部常有管道通往地下，起着集水和消水作用。3）落水洞、竖井。落水洞。竖井是地表通向地下暗河或溶洞的流水通道，系灰
50、岩中的节理经流水长期溶蚀和侵蚀扩大或再经塌陷而成。呈垂直或倾斜状，直径多在10m以下，但深度最大可达100m以上。其中，有水流入的称为落水洞，常形成于槽谷、溶蚀洼地和坡立谷的底部或河床边缘，多呈串球状分布；无水流入的称为竖井，它实际上是一种坍塌漏斗，井壁陡峭，有时往下可见地下暗河水面。4）溶蚀洼地。它是一种周围被灰岩山丘包围的盆状洼地。其底部常附生有漏斗溶蚀洼地直径可达500m以上，洼地底部覆盖有红土，厚度可达23m。5）溶蚀谷地。大多沿断裂带或构造带溶蚀发育而成的封闭洼地。谷底宽广平坦，宽数百米至数公理，长数公理至数十公里，四周山坡陡峻。6）干谷或盲谷。干谷是岩溶山区常见的一种长条形槽状谷地
