红黏土地基的岩土工程评价

第19章 红黏土地基的岩土工程评价

19.1 红黏土的形成、分布与研究意义

红黏土：碳酸盐系的岩石经红土化作用形成的高塑性黏土。

红黏土分为原生红黏土和次生红黏土。

原生红黏土：颜色为棕红或褐黄，覆盖于碳酸盐岩系之上，其液限大于或等于50%的高塑性黏土。

次生红黏土：原生红黏土经搬运、沉积后仍保留其基本特征，且其液限大于45％的黏土。

红土化作用：在炎热湿润气候条件下一种特定的成土化学风化作用。

红黏土是指在亚热带湿热气候条件下，碳酸盐类岩石及其间夹的其他岩石，经红土化作用形成的高塑性黏土。

红黏土一般呈褐红、棕红等颜色，液限大于50％。经流水再搬运后仍保留其基本特征，液限大于45％的坡、洪积路上，称为次生红黏土，在相同物理指标情况下，其力学性能低于红黏土。

红黏土及次生红黏土广泛分布于我国的云贵高原、四川东部、广西、粤北及鄂西、湘西等地区的低山、丘陵地带顶部和山问盆地、洼地、缓坡及坡脚地段。黔、挂、滇等地古溶蚀地面上堆积的红黏土层，由于基岩起伏变化及风化深度的不同，造成其厚度变化极不

均匀，常见为5～8m，最薄为0.5m，最厚为20m，在水平方向常见咫尺之隔，厚度相差达10m之巨，土层中常有石芽、溶洞或土洞分布其间，给地基勘察、设计工作造成困难。

红黏土的基本特性为：

①高塑性，但塑限也高；

②天然含水量高，饱和度大；

③天然孔隙比大；

④土性和土层分布变化大；

⑤浸水膨胀量小，但失水收缩强烈，易产生裂隙。

红黏土的一般特点是天然含水量和孔隙比很大，但其强度高，压缩性低，工程性能良好，它的物理力学性质间具有独特的变化规律，不能用其他地区的、其他黏性土的物理、力学性质相关关系来评价红黏土的工程性能。

19.2 红黏土的成分、物理力学特征及其变化规律

1．红黏土的组成成分

由于红黏土系碳酸盐类及其他类岩石的风化后期产物，母岩中的较活动性的成分和离子SO42-，Ca2+，Na+，K+留经长期风化淋滤作用相继流失，SiO2部分流失，此时地表则多集聚含水铁铝氧化物及硅酸盐矿物，并继而脱水变为氧化铁铝Fe2O3，和Al2O3或

A1(OH)3使土染成相红至砖红色。因此,红黏土的矿物成分除仍含有一定数量的石英颗粒外，大量的黏土颗粒则主要为多水高岭石、水云母类、SiO2胶体及赤铁矿、三水铝土矿等组成，如表19-1，表19-2。

其中多水高岭石的性质与高岭石基本相同，它具有不活动的结晶格架，当被浸湿时，晶格间距极少改变，故与水结合能力很弱。而三水铝土矿、赤铁矿、石英及胶体二氧化硅等铝、铁、硅氧化物，也都是不溶于水的矿物，它们的性质比多水高岭石更稳定。贵阳附近有一种红黄色黏土，其黏土粒主要由胶体二氧化硅和水云母两种矿物组成，其中尤以胶体二氧化硅为主(占50％～60％)对于红黏土的物理力学性质的影响，也是比较好的。

同时，由表19-2可见，红黏土的有机物含量极少或无，因在湿热气候条件下，土中有机质很易分解。

红黏土颗粒周围的吸附阳离子成分也以水化程度很弱的Fe3+，Al3+为主，见表19-3。

红黏土的粒度较均匀，呈高分散性，黏土粒(粒径＜0.005mm)含量很高，一般达60％～70％，最大达80％，如表19-4。

2．红黏土的一般物理力学特征

1、天然含水量高，一般为40％～60％，高可达90％。

2、密度小，天然孔隙比一胶为1.4～1.7，最高2.0，具有大孔性。

3、塑性界限高。液限一般为60％～80％，高达110％；塑限一般为40％～90％；塑性指数一般为20～50。

4、由于塑限很高。尽管天然含水量高，一般仍处于坚硬或硬可塑状态，液性指数IL一般小于0.25。

5、饱和度一般在90％以上，甚至坚硬黏土也处于饱水状态。

6、有较高的强度和较低的压缩性，固结快剪内摩擦角＝8°～18°。内聚力c＝40～90kPa；

7、不具有湿陷性，其相对湿陷系数SSH=0.0004～0.0008＜＜0.015。

8、原状土浸水后膨胀量很小(＜2％)，但失水后收缩剧烈，原状土体积收缩率25％扰动土体积收缩率达40％～50％。

天然含水量高，孔隙比很大，但却具有较高的力学强度和较低的压缩性，表明红黏土乃是一种具有特殊工程性质的黏土。红黏土之所以具有这种特殊的工程性质、主要在于其生成环境及其相应的组成物质和坚固的粒间联结特性。

红黏土呈现高孔隙性首先在于其颗粒组成的高分散性，黏土颗粒含量特别多和组成这些细小黏粒的含水铁铝硅氧化物在地表高湿条件下很快失水而相互凝聚胶结，从而较好地保存了它的絮状结构的结果。因此，红黏土有较高的强度，主要是因为这些铁、铝、硅氧化物颗粒本身性质稳定及互相胶结所造成的。特别是在风化后期，有些氧化物的胶体颗粒会变成结晶的铁、铝、硅氧化韧，而且他们是抗水的、不可逆的，故其粒间联结强度更大。红黏土颗粒周围吸附阳离子成分主要为Fe3+、Al3+这些铁、铝化的颗粒外围的结合水膜很薄，也加强了其粒间的联结强度。

红黏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结果。故这种土中孔隙是被结合水，并且主要是被强结合水(吸着水)所充填。这种结合水，由于受土颗粒的吸附力很大，分子排列很密，不但不具有从一个土粒移向另一个土粒的能力，而且具有很大的黏滞性和抗剪强度。反映土的塑限

p值很高。因此，红黏土的天

然含水量虽然很高，且处于饱和状态，但它的天然含水量一般只接近其塑限值，而且所含水的性质不同，故使之具有较高的强度和较低的压缩性。

同时，另一个重要因素是由于分布地区环境地表温度高，又处于明显的地壳上升阶段，对于一般分布在山坡、山岭或坡脚地势较高地段的红黏土，其地表水和地下水的排泄条件好，使土的天然含水量也只接近于塑限，而离其液限的差值很大（达30％～50％），必然使土体处于坚硬或硬可塑状态。

以上所述红黏土的组成成分及粒间联结和含水特性，也是它所以呈现高孔隙和大孔性，而又不具有浸水湿陷性的主要原因。

3．红黏上的物理力学性质变化范围及其规律性

从各地区已有资料可知，红黏土本身的物理力学性质指标又有相当大的变化范围，以贵州省的红黏土为例(见表19-5)。其天然含水量()的变化范围达25％～88％，天然孔隙比(e)0.7～2.4，液限(L)36～125，塑性指数(

Ip)18～75，液性指数(IL)0.45～1.4。内摩

擦角()2°～31°，内聚力(c)10～140kPa，变形模量(E0)4～35.8MPa。其物理力学性质变化如之大，承载力自然会有显著的差别。貌似均一的红黏土，其工程性能的变化却十分复杂，这也是红黏土的一个重要特点。因此，为了作出正确的工程地质评价，仅仅掌握红黏土的一般特点是不够的，还必须弄清决定其物理力学性质的因素，掌握它的物理力学指标的变化规律。

1、在沿深度方向，随着深度的加大，其天然含水量、孔隙比和压缩性都有较大的增高，状态由坚硬、硬塑可变为可塑、软塑以至流塑状态，因而强度则大幅度降低。如图19-1所示。1m处的内聚力为190kPa，到11m则降为9kPa，只及1m处的1／20。

又如，贵阳某地红黏土在接近地表3m以内处于坚硬和硬塑状态，强度—般高达250～300kPa以上，变形模量E0＞15MPa；随着深度增加，红黏土的含水量增大，孔隙比增加，在3～6m深度范围成可塑状态，强度降至200kPa左右，E0为8～12MPa；深度6m以下一般呈软塑状态，强度很低，特别是在四周高起的盆地中间较深地带及岩石溶沟中的红黏土，含水量往往大于液限，成流塑状态，对工程影响较大。

红黏土的天然含水量(以至孔隙比)从上往下得以增大的原因，一方面系地表水往下渗滤过程中，靠近地表部分易受蒸发，愈往深部则愈易集聚保存下来，另—方面可能直接受下部基岩裂隙水的补给及毛细作用所致。

除了状态变化之外，红黏土的塑性指数也有随深度增加而增大的趋势(由于塑限随深度增加而减小更显著，如图19-1所示)。

如上所述红黏土的物理力学性质在深度方向的变化，使它作为建筑地基时具有成层性，在勘察设计时应将其划分为不同的土质单元，进行地基计算。

2、在水平方向，随着地形地貌及下伏基岩的起伏变化，红黏土的物理力学指标也有明显的差别。地势较高的部位，由于排水条件好，其天然含水量、孔隙比和压缩性均较低，强度较高，而地势较低的则相反。而在地势低洼地带，由于经常积水，即使上部土层，其强度也大为降低。

在古岩溶面或风化面上堆积的红黏土，由于其下伏基岩顶面起伏很大，造成红黏土厚度急剧变化。如图19-2所示，相距不过1m，厚度相差达5～8m；同时处于溶沟、溶槽洼部的红黏土因易于积水，往往呈软塑至流塑状态。因此，在地形或基岩面起伏较大的地段，红黏土的物理力学性质在水平方向也是很不均匀的。

平面分布上次生坡积红黏土与红黏土的差别，如表19-6所示：

原生残积红黏土土质致密，含水比L一般小于0.7，自然边坡角一般大于40°，快剪c，

平均值分别可达35kPa及16.5°，相应算得p1/4达240kPa。

次生坡积红黏土颜色较浅，其物理性质与残积土有时相近，但较松散，结构强度较差，故雨、旱季土质变化较大。其含水比一般为0.7一0.8，自然边被角远小于30°，强度指标较残积土有明显降低：快剪c，平均值各为30kPa和9°10′，p1/4=170kPa。

4．裂隙对红黏土强度和稳定性的影响 ．

红黏土具有较小的吸水膨胀性，但具有强烈的失水收缩性。故裂隙发育也是红黏土的一大特征。

坚硬、硬可塑状态的红黏土，在近地表部位或边被地带，往往裂隙发育，土体内保存许多光滑的裂隙面。这种土体的单独土块强度很高，但是裂隙破坏了土体的整体性和连续性，使土体强度显著降低，试样沿裂隙面成脆性破坏。当地基承受较大水平荷载、基础埋置过浅、外侧地面倾斜或有临空面等情况时，对地基的稳定性有很大影响。并且裂隙发育对边坡和基槽保护与土洞形成等有直接或间接的联系。

5、红黏土力学指标与物理指标间的变化关系

如前所述，红黏土的力学性质是由各方面的因素决定的，而各方面的因素基本上体现在其物理指标上，亦即它和其他各种黏性土一样，它的物理力学性质指标之间有它自己一定的相互关系。

红黏土的组成成分对其工程特性的影响是通过其亲水性表现的，液限、塑限等指标即反映其亲水性。面天然含水量和孔隙比反映其湿度和密度。红黏土的力学特征主要决定于它的成分、湿度和密度，前者是内因，是它的固有性质；后者还取决于外界条件，取决于所处的自然环境，并随环境的变化而变化。因此，必须同时考虑这两方面的因素，才能正确评价红粕土的力学性质。

已有的分析研究表明，液限、塑限、含水量或孔隙比与力学指标间存在着较好的相互关系。

(1)图19-3是在塑性指数为25～35、孔隙比e＞1、饱和皮Sr≥80的条件下，红黏土的

三轴快剪凝聚力c(其相应=0)与孔隙比和液限之间的相互关系曲线。图中表示：

1)当液限一定时，凝聚力随孔限比的增大而降低；

2)当孔隙比一定时，凝聚力随液限的增大而增加。

对图19-3相关曲线，通过中国建筑科学研究院和西南建科所等单位实践试用结果，较为满意，可供勘察设计参考使用。

(2)压缩模量Es和凝聚力c一样，与孔隙比，液限或塑限存在相似的关系(图19-4)。

(3)表19-7是根据贵阳地区红黏土的试验资料：压缩试验1362件、剪切试验901件与大量相应的物理性质试验资料，经综合统计编制的地基算指标表。根据该综合指标关系表，对十四层以下民用建筑、轻型工业厂房，便可按液限和天然含水量指标提出的相关强度、压缩性和天然重度计算指标经适当修正（见表注）后，用以计算地基强度和变形。

19.3 红黏土地基的承载力

1．确定红黏土地基承载力的几个原则问题

1、在确定红黏土地基承载力时，应按地区的不同，随埋深变化的湿度和上部结构情况，分别确定之。因为各地区的地质地理条件有一定的差异，使得即或同一省内各地（如：水城与贵阳、贵阳与遵义等）同一成因和埋藏条件下的红黏土的地基承载力也有所不同。

2、为了有效地利用红黏土作为天然地基，针对其强度具有随深度递减的特征，在无冻胀影响地区、无特殊地质地貌条件和无特殊使用要求的情况下，基础宜尽量浅埋，把上层

坚硬或硬可塑状态的土层作为地基的持力层．，既可充分利用表层红黏土的承载能力，又可节约基础材料，便于施工。

同时，从红黏土地基的强度破坏特征看，基础浅埋能够保证一般条件下建筑物的稳定性。根据图19-5所示荷载试验，在承压板无埋深条件下，实测离承压板中心1.8倍承压板宽度范围内的地表变形表明，当荷载小于局部破坏荷载p2时，地表出现少量下沉；当荷载达到p2值时，地表才开始出现微量(＜0.25mm)隆起；当荷载继续增大，地表仍无明显隆起。这表明，在中心荷载下，即使基础无埋深，且荷载很大(超过一般建筑物设计荷载1.5～2倍)，地基仍不发生开展到地表的连续滑动面，而保持基础稳定，亦即红黏土地基在中心荷载下，不出现所谓全部破坏，而呈现局部破坏的特征。因此，在荷载偏心不大或水平力不大的情况下，浅埋基础的稳定性不是控制因素。

此外，根据红黏土大气影响带的野外实侧结果，雨季同旱季相比，土的含水量变化深度最大为60cm。在40cm以下，含水量的变化不超过3％。因此，基础浅埋也不致由于地基土受大气变化影响而产生附加变形和强度问题(实际基础下大气影响带深度要比野外暴露地区为小)。

基于以上理由，一般建筑物基础的埋深可采用40～50cm(自室外地坪算起)。

3、红黏土一般强度高，压缩性低，对于一般建筑物，地基承载力往往由地基强度控制，而不考虑地基变形。但从贵州地区的情况来看，由于地形和基岩面起伏往往造成在同一建筑地基上各部分红黏土厚度和性质很不均匀，从而形成过大的差异沉降往往是天然地基上建筑物产生裂缝的主要原因。在这种情况下，按变形计算地基对于合理地利用地基强度，正确反映上部结构使用要求具有特别重要的意义，特别对五层以上建筑物及重要建筑物应按变形计算地基。同时，还须根据地基、基础与上部结构共同作用原理，适当配合以加强

上部结构刚度的措施，提高建筑物对不均匀沉降的适应能力。

4、不论按强度还是按变形考虑地基承载力，必须考虑红黏土物理力学性质指标的垂向变化，按多层地基进行计算。

关于红黏土地基承载力的确定方法，一般也不外有：用地基规范通过一定的物理指标查表；通过载荷试验；通过室内或野外剪切试验测定红黏土的抗剪强度指标，用强度公式计算；按变形计算及利用已有力学指标同物理指标之间的相关分析资料或参考当地和附近建筑经验值近似求得。

2．确定红帖土地基承载力的一般方法

1、通过规范查表确定

按《地基规范》(GBJ7-)规定：当基础宽度小于或等于3m，埋置深度之0.5m时，

LIpL和液塑比红黏土地基承载力基本值，可根据土的含水比按表19-8确定。

表中红黏土承载力基本值以含水比和液塑比Ir作为指标指标的依据：

（1）从定性的方面来看，本章19-2已经表明，处于饱和状态的红黏土的液限和天然含水量(或孔隙比)，既清楚地反映了由组成成分所决定的红黏土的固有性质，又反映了由于所处环境条件而使之具有的不同密度和状态。因此，两者与其力学指标之间存在着较好的相关关系。

(2)从室内试验资料的统计分析，得出临塑荷载

pkp与含水比和

pkp、与液性指数IL的

线性相关系数对比，说明含水比与液性指数IL对红黏土的强度影响基本是一致的。所以用取代IL，从而省掉了塑限试验工作量及试验操作中的人为误差。

所以对红黏土可用划分土的状态，经IL与的相关分析，并考虑到用与IL确定的承载力应基本一致，得出两者的转换关系为：

0.550.45IL（19-1）

当≤0.55，为坚硬 0.55＜≤0.70，为硬塑 0.70＜≤0.85，为可塑 0.85＜≤1.00，为软塑

＞1.00，为流塑

(3)液塑比Ir是表现土质特征的指标之一，对于其他土类被动范围不大，但对红黏土其被动范围常达1.4～2.3。以Ir分档，再按某一区间统计承载力值，呈现较好的规律性。此外，液塑比还与红黏土的胀细特性等有较密切的关系。这些表明浓塑比是反映红黏土土质特征的敏感指标，选作为指示指标是适宜的。

2、按载荷试验确定

通过载荷试验，到目前为止仍是确定红黏土地基承载力的比较主要的方法，并以其结果作为其他方法的鉴别标准。试验的加荷等级和稳定标准，对不同状态的红黏土可参照本教材第9章的相应规定。

红黏土地基承载力取值一般为比例界限压力p0，此值具有很大的安全系数；也有采用“破坏荷载”(实际为局部破坏荷载)除以安全系数1.5的，其值根据贵州省及原水城煤矿设计院的资料，对硬塑土层相当于按固结快剪强度指标算得的p1/4对可塑、软塑土层相当于按0.75固结快剪指标的p1/4经与变形验算结果比较，如此取值标准足以满足要求。

19.4 红黏土地基岩土工程勘察要点

******《岩土工程勘察规范》（GB50021—2001）中红黏土的的勘察要求和方法

1．红黏土的分类

红黏土地区的岩土工程勘察，应着重查明其状态分布、裂隙发育特征及地基的均匀性。

红黏土的状态除按液性指数判定外，还可按含水比判定。

红黏土的结构可根据其裂隙发育特征分为致密状的、巨块状的和碎块状的三类。

红黏土的地基均匀性分为两类：地基压缩层范围内的岩土全部由红黏土组成的为均匀地基，由红黏土和岩石组成的为不均匀地基。

2．红黏土的勘探

红黏土地区勘探点的布置，应取较密的间距，查明红黏土厚度和状态的变化。初步勘察勘探点间距宜取30～50m；详细勘察勘探点间距，对均匀地基宜取12～24m，对不均匀地基宜取6～12m。厚度和状态变化大的地段，勘探点间距还可加密。对不均匀地基，勘探孔深度应达到基岩。不均匀地基、有土洞发育或采用岩面端承桩时，宜进行施工勘察，其勘探点间距和勘探孔深度根据需要确定。当岩土工程评价需要详细了解地下水埋藏条件、运动规律和季节变化时，应在测绘调查的基础上补充进行地下水的勘察、试验和观测工作。

3．红黏土的试验方法

红黏土的室内试验除应满足常规要求外，对裂隙发育的红黏土应进行三轴剪切试验或无侧限抗压强度试验。

必要时，可进行收缩试验和复浸水试验。

当需评价边坡稳定性时，宜进行重复剪切试验。

4．红黏土的岩土工程评价

1）红黏土的地基承载力应结合地区经验综合确定。当基础浅埋、外侧地面倾斜、有临

空面或承受较大水平荷载时，应结合以下因素综合考虑确定红黏土的承载力：

①土体结构和裂隙对承载力的影响；

②开挖面长时间暴露，裂隙发展和复浸水对土质的影响。

2）建筑物应避免跨越地裂密集带或深长地裂地段；

3）轻型建筑物的基础埋深应大于大气影响急剧层的深度。炉窑等高温设备的基础应考虑地基土的不均匀收缩变形。开挖明渠时应考虑土体干湿循环的影响。在石芽出露的地段，应考虑地表水下渗形成的地面变形。

4）选择适宜的持力层和基础形式，在满足上一条要求的前提下，基础宜浅埋，利用浅部硬壳层，并进行下卧层承载力的验算。当承载力和变形要求不能满足时，应建议进行地基处理或采用桩基础。

5）基坑开挖时宜采取保湿措施，边坡应及时维护，防止失水干缩。