南北方红土工程地质特性对比分析

曹福明① CAO Fu-ming；刘文连② LIU Wen-lian

摘要： 在前人研究成果的基础上，以北方三趾马红土和南方网纹红土为例对比总结了北方三趾马红土与南方网纹红土的工程特性，并总结出两者之间工程地质特性的不同之处，为在南北方红土区工程地质活动的不同提供参考。

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关键词 ： 三趾马红土；网纹红粘土；工程地质特性

中图分类号：K903 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）03-0280-02

作者简介：曹福明（1987-），男，甘肃平凉人，昆明理工大学地质工程专业硕士研究生在读，研究方向为工程地质与水文地质。

0 引言

红土在我国南、北方均有分布。在北方的陕西、甘肃东部、宁夏、山西、内蒙西部的广大地区分布的红土因为富含三趾马化石而被称为三趾马红土；红土在南方的主要分布区域是在长江以南的低山丘陵区，包括湖南、江西、云南南部等地，以网纹红土为主。公路、铁路、水利、建筑等很多工程地质活动过程中都会遇到红土，但是由于所处环境的不同，南、北方红土表现出不同的工程地质特性。本文通过对北方三趾马红土和南方网纹红土工程特性的对比，揭示它们的工程特性的异同。

1 形成时代及成因

三趾马红土裂隙发育，裂隙面常分布有黑褐色铁质胶膜和斑点，并且红土层富含碳酸钙，这与上新世中国北方处于相对稳定的近似亚热带氧化为主的古气候环境相吻合，因此，说明三趾马红土是在相对湿润的第三纪上新世形成[1]。三趾马红土主要分布在第三纪上新世的沉积盆地中，以泥质沉积物为主，这表明三趾马红土是以湖相沉积为主。

在我国长江以南地区广泛分布着一种特殊的红粘土，因铁质迁移而具有鲜明的网纹状结构，因此被称为网纹红粘土[2]。它们是在第四纪更新世期间高温湿润的气候条件下，原来存在于地表浅部的土受到特定的地质作用而形成的。对于网纹红粘土的形成，一般认为其首先经历了红土化，再经历网纹化[3]。网纹红粘土有多种成因类型，总体分为水成说和风成说[2，4]。

2 物质组成成分特征

通过对黄土高原甘肃、陕西、山西、河南四省数十个样品三趾马红土矿物成分的分析结果表明，三趾马红土中的主要的粘土矿物为蒙脱石与伊利石类矿物，伴生少量高岭石，且蒙脱石所占比例高于伊利石，有效蒙脱石含量高（一般为15%～35%），其化学成分以富钙铁氧化物和碱性物质为主[5]。

网纹红粘土一般呈块状、胶斑状结构，粘土成分含量较高，主要矿物成分以高岭石类矿物为主，含少量伊利石和极少量蒙脱石类矿物，这些矿物成分都是经母岩风化演变而来的。网纹红土的化学成分主要以富铁铝氧化物和贫碱及碱土金属为特征[2-4]。

3 工程特性

3.1 基本物理水理指标

根据曲永新[5]对黄土高原四省区三趾马红土所做的几十个原状样的性质指标统计结果和王清[4]、黄英[6]等在对湖南、江西、湖北等地的网纹红粘土物理性质指标统计结果整理，如表1所示。

由表1可见较高的粘聚力是三趾马红土的最大特点，其粘聚力主要来自三趾马红土中大量游离氧化铁的胶结作用，三趾马红土中Fe2O3的含量可达3.12%～7.16%，其氧化铁的存在形式主要为针铁矿和赤铁矿。

由于含水量不稳定，网纹红粘土的塑性指数变化范围较大，粘聚力相对较小。

3.2 结构和构造

三趾马红土地层中含有大量碳酸钙质结核或结核层，多者可达数十层，碳酸钙质结核形状各异，大小不等，如果结核出露于地层表面，风化后呈多孔状海绵结构。此外，三趾马红土中裂隙较多，裂隙面常分布有黑褐色的铁质胶膜和斑点。根据扫描电镜（SEM）的观察显示，三趾马红土中粘土矿物与其它碎屑颗粒具有混杂堆积的特点，并呈紧密排列状态。碎屑颗粒磨圆度很差，多呈棱角状和次棱角状。粘土矿物有集中分布现象，粘土矿物成分在土体中，主要以粘粒片形式出现，多以“面—面”叠聚为主，粘粒片较薄，边角多呈翘卷状，并以连续的非定向密集排列组成粘粒基质[1，6]。

网纹红土属于粘土和粉质粘土（亚粘土），具有粒膜结构或团聚结构。在网纹红土中，砂粒及砂土粒通常彼此之间不是直接接触的状态，而是被粘土颗粒所隔离[8]。因此，网纹红粘土的强度和遇水稳定程度与粘土颗粒成分及其排列方式有关。网纹红土的粘土颗粒成分主要为在淡水环境中形成的高岭石。故推测其具有定向性好、排列紧密的分散型结构，密度和抗压强度较高。

网纹状构造是网纹红土一个最明显的特征，表现为红色土中夹有大量蠕虫状、树枝状、条带状或网格状斑纹[7]。颜色上的差异是由Fe2O3含量不同造成的，Fe2O3含量越高则颜色越深，Fe2O3含量越低颜色越浅。

3.3 力学性质

土力学的观点认为三趾马红土是超固结硬粘土，粘塑性强。它的力学性质受含水量控制，含水量较高时具有质软的特点，自然风干后，土质坚硬、较致密、似脆性。常规三轴压缩试验发现随着围岩和含水量的增加变形增加，破坏时相应的变形增大，流动变形显著，比某些断层泥破坏时相应的变形还要大[8]。

三趾马红土中存在许多粘粒富集的微细层理，这些微细层理的含水量高于土体中其它部分的含水量，这就导致了微细层理变形大于土体中其它部分，首先进入粘塑性变形状态，微细层理的存在，使三趾马红土的工程力学特性更加复杂化了。这些微细层理成为三趾马红土中的软弱面，容易沿它产生滑移和侧墙鼓胀，导致滑坡和隧洞变形等灾害[9]。

不同成因的网纹红土的在垂直剖面上自上而下一般有如下规律：含水量、液性指数有逐渐增大的趋势，上部多呈坚硬状态，往下中部渐变为硬塑状，下部则渐变为可塑状，软塑状的网纹红土少见分布。工程性质在水平方向变化极小[10]。网纹红土黏性土颗粒间存在较强相互作用力，这些作用力主要有范德华力、静电引力、颗粒间的胶结、颗粒间接触点的化合价键等。由于在湿热化过程中粘土颗粒间富集了较多的游离铁胶，在一定的环境条件下，逐渐脱水、重结晶、固化，在土粒之间形成了结构强度强、抗水能力高的固化铁胶键，这是网纹红土具有较高强度的主要原因[11]。胶结物的固化是成岩作用的一个象征，网纹红土可视为进行了一定程度岩化的黏性土。

3.4 胀缩性

三趾马红土与网纹红粘土的涨缩性如表2所示。

三趾马红土胀缩性较强，它的自由膨胀率在40%以上，此外，三趾马红土失水收缩性也较明显，其体缩率在11.3%以上，由此可见，三趾马是具有较大胀缩性的膨胀土[1，12]。在风干条件下发生明显收缩，失水程度越高，收缩越明显，同时，失水程度越高，吸水膨胀能力也越强。

网纹红粘土土质坚实致密，难溶于水，胶结物的抗水能力强，土体强度高，属于具有特殊结构的高强度“超固结土”。自由膨胀率小于40%，膨胀力<10kPa，即具有极弱的膨胀性。扰动土具有弱～中等收缩势（液限时体缩率常见值为22%～33%，收缩指数20%～30%），但由于胶结好，较紧密，故原状土体缩率一般为0.8%～3.2%，只具有极弱的收缩性[4]。因此，网纹红土的其膨胀性和收缩性一般情况下可以忽略不计。

4 结论

分布于北方地区的三趾马红土与分布于南方地区的网纹红土工程特性具有诸多不同之处，所以在建筑地基、边坡、隧洞等工程地质活动中应当区别对待，以免造成不必要的危害。①三趾马红土和网纹红土由于形成时代不同，所以结构成分均有差异，三趾马红土以高岭石为主，而网纹红土以伊利石与蒙脱石为主。②三趾马红土分布于半干旱的北方地区，含水量较低，所以粘聚力较强，而网纹红土地处湿润的南方地区，所以粘聚力较弱。③三趾马红土含有钙质结核，具多孔状海绵结构，粘粒非定向排列。网纹红土具有团聚结构和粒膜结构，定向性好，密度和抗压强度较高。④网纹红粘土一般情况下不考虑其膨胀性和收缩性，而三趾马红土则具有较强的膨胀性和收缩性。

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参考文献：

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