甘肃庆阳N2cr红黏土崩解特性研究

谢腾飞

摘要：银（川）-西（安）高铁下穿甘肃庆阳地区董志塬，该黄土塬区下层普遍发育了一层15～40m的新近纪上新统红黏土。为了研究其物理、力學性质及崩解特性，为隧道施工快速判定围岩强度提供依据，通过室内实验获得基本物理、力学参数，并进行浸水崩解试验。研究结果表明：该层红黏土浸水崩解初期体现出黄土崩解特性，5d后体现出泥岩的崩解特性，崩解过程趋于收敛。

Abstract： The Yin （Chuan）-West （An） high-speed railway was worn by Dong Zhiwei in the Qingyang area of Gansu Province. A layer of 15 to 40 m Neogene Pliocene red clay was generally developed in the lower part of the loess area. In order to study its physical， mechanical properties and disintegration characteristics， it provides a basis for the rapid determination of surrounding rock strength in tunnel construction. The basic physical and mechanical parameters are obtained through laboratory experiments， and the water immersion disintegration test is carried out. The results show that the disintegration characteristics of loess in the early stage of water-disintegration of red clay show the disintegration characteristics of mudstone after 5 days， and the disintegration process tends to converge.

关键词：红黏土;力学特性;崩解特性

Key words： red clay;mechanical properties;disintegration characteristics

中图分类号：0TU41                                      文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）24-0248-02

0  引言

庆阳隧道是银（川）-西（安）穿越董志塬地区的重要隧道之一。隧道起讫里程：DK259+340～DK273+255全长13.915km，其中大部穿越新近纪上新统红黏土地层，隧道最大埋深约248m，该地层沉积时间长、有部分成岩作用的同时具有土体的特征。

本文通过对红黏土地质特性、基本物理、力学性质及其浸水崩解过程，可以给隧道施工提供参考依据。

1  地质特性分析

红层是由李四光提出的一种特殊地层的统称，主要指三叠纪、侏罗纪、白垩纪、古近纪形成的，根据其成因不同，红层分为原生红层与次生红层。红层在我国大部地区广泛分布，形成年代以中生代为主。

庆阳地区白垩系砂岩层上覆大于30m厚红黏土（N2Cr），其颜色介于黄褐色与红棕色之间，局部可见灰褐色铁锰质斑点，含有少量白色网状钙质菌丝，土质结构极其致密，手捻有明显颗粒感，自然含水率下可用刀具剥落表面松散体，空气中自然风干后硬度极大，普通切土刀无法削切制样。根据先期地勘报告，沿线该层厚度大致为15～40m，地层埋深达280m，其细颗粒较黄土多。工程性质与第四纪黄土有显著区别。根据《土工试验方法标准（GB/T 50123-1999）》进行干燥样的筛分实验，筛分结果如表1所示。可以看出上新统红黏土颗粒组成与黄土类似，其细颗粒占比大于黄土，根据颗粒组成情况，判别该地区红黏土为风成堆积后沉积形成。

2  基本物理、力学性质

采用烘干法测定含水率，用比重瓶法测定颗粒比重，利用液塑限联合测定仪测定液塑限、含水率为现场取样中取新鲜开挖土样测定。测试结果如表2、表3所示。

从表中可以看出，该地层红黏土接近饱和，孔隙率较低，密度、颗粒比重较大，单轴抗压强度大，可以认为具有部分沉积成岩的趋势。

3  上新统红黏土崩解过程

红黏土土样采自庆阳隧道掌子面，取样位置埋深240m，其中土样下部靠近标尺一侧为开挖过程中自然破裂面，上部为取样过程中人工破开面。

实验过程首先烘干土样24h，后放入水中浸泡24h，定义为一次干湿循环。首次放入水中，土样表面产生细碎粉末剥落，有1～3mm厚鳞片状碎末与少量泥状物，如图1所示位置连续缓慢冒出气泡，土体处于吸水饱和的过程，未发现块状剥落的现象。

持续浸泡72h，表面产生极细裂纹，不易辨认，从水中取出时，土样断裂且明显可看出有断裂模式有一致性规律如图2所示。

可以判断在土样增湿过程中内部产生肉眼不可见的贯通裂纹。黏粒含量高，粒间黏结力大导致崩解速率缓慢。土樣增湿过程中罕见整块剥落，但从水中取出的瞬间往往发生断裂，并暴露层状结构如图3所示。与层理面垂直位置为层内断裂。

120h后形成大小混杂的岩块，崩解过程几乎停滞，重复干湿循环仅见表面剥落与气泡产生，未见继续崩开的情况。其中砾块用力手捻即碎同时形成大量泥状物。

4  崩解过程现象分析

崩解过程在土工范畴称为湿化，即含水量增加过程中发生的土体原始块状碎散解体，块粒表面剥落的现象。研究者认为崩解过程受到黏土矿物与水间的物理化学作用影响。天然含水量、土颗粒胶结作用、自然沉积情况、土体中某些矿物成分膨胀作用都会影响增湿崩解特性。

红黏土增湿过程中原有层间强度丧失，层内结构性退化。可以认为是部分成岩沉积物由于胶结力减弱、膨胀性矿物撑开、土颗粒间气体协助劈裂逐渐还原为不同粒径颗粒的渐进过程过程。其沉积模式、膨胀性矿物含量及天然孔隙率对其崩解不同阶段的崩解类型有着至关重要的作用。针对该红黏土崩解过程可以划分为三个阶段。这三个阶段中都伴随着表层红黏土黏质被水溶解，干燥—增湿过程中类似黄土崩解形成泥状、粉状剥落的情况。

第一阶段（24h、一次干湿循环）：土体表面呈现的的泥状崩落与鱼鳞状剥落体与黄土遇水崩解的特性类似。

第二阶段（72h、两次干湿循环）：内部孔隙被水填充过程中，根据气泡冒出快慢可以认为层间渗水速度大于层内渗水速度，表面肉眼极难发现贯通裂纹，但内部存在较大裂纹，说明在这个阶段，红黏土崩解的主导因素为层间黏质减少，黏结力下降，其自身弱膨胀性对崩解过程影响不大。

第三阶段（120h、三次干湿循环）：土体已沿层间薄弱面崩解完成，在取出土样过程中发生土样断裂，这个现象说明层间黏结力已不能维持土样基本形态。土样发生层内断裂，层内结构面出露，说明层内黏聚在无外力扰动的情况下仍可保持土样形态不改变，但扰动过程中发生断裂说明其黏聚效果已达到临界状态。总的来说，该层红黏土有明显的泥岩特征。由于胶接连接紧密且有部分成岩作用，其崩解产物多以块粒为主。结合1节可以看出，该层红黏土在颗粒分布上与黄土有着类似的特性，但盖层固结历史长，固结深度大，从物理指标与崩解产物的结构上又体现出了泥岩的特性。

5  结论

本研究属银西高铁庆阳隧道所穿越地层工程性质先期研究。通过现场取样、室内土工试验、图像处理等手段，研究了该地区红黏土的工程特性，得出以下结论：

①甘肃庆阳红黏土属于次生古土壤范畴，由于沉积历史较长，<0.002颗粒占绝大部分，可从颗粒、塑性指数角度认定为黏土，从密度、孔隙率及崩解产物可以认定该层红黏土为部分成岩作用的极硬质土。

②浸水过程中初始崩解过程类似于黄土崩解过程。无外力扰动的情况下，层间黏聚力能维持土样形态，层间黏聚力在无外力扰动的情况下可以维持土样形态，崩解产物表面有类似泥岩崩解的明显层状结构。

参考文献：

[1]刘冬，杨果林.中南地区红粘土工程力学特性研究[J].公路交通技术，2009（02）：26-29.

[2]丁仲礼，孙继敏，朱日祥，等.黄土高原红粘土成因及上新世北方干旱化问题[J].第四纪研究，1997（02）：52-62.

[3]王敏杰，郑乐平，郑洪波，等.中国北方红黏土研究进展及问题[J].海洋地质动态，2010，26（09）：11-18，34.

[4]彭华，吴志才.关于红层特点及分布规律的初步探讨[J].中山大学学报（自然科学版），2003（05）：109-113.

[5]张彦召，左双英，季永新.红黏土在原状及重塑状态下的力学性质试验研究[J].地下空间与工程学报，2017，13（06）：1477-1482.

[6]黄丁俊，张添锋，孙德安，等.干湿循环下压实红黏土胀缩特性试验研究[J].水文地质工程地质，2015，42（01）：79-86.

[7]陈开圣.荷载作用下红黏土干湿循环试验[J].公路，2018，63（02）：208-212.

[8]王海湘.广西贺州红黏土的工程性质研究[J].公路，2018，63（01）：13-19.

[9]余虔.贵州某高填方机场红黏土地基强夯置换法处理试验研究[J].价值工程，2017，36（32）：127-130.