红黏土及其特征

红黏土及其特征
一、红黏土的定义与分布
1.定义
我国红黏土的研究始于20世纪50年代后期，不同研究阶段对红黏土有过相应的描述和定义，最新的研究认为：红黏土是碳酸盐岩系出露区的岩石，经过更新世以来在湿热的环境中，由岩变土一系列的红土化作用，形成并覆盖于基岩上，呈棕红、褐黄等色的高塑性黏土。

其土性特征是液限w
L
大于55%，湿度状态的垂向变化有明显上部硬下部软的规律，失水后具有较大收缩性，土体中裂隙发育等。

已形成的红黏土，经后期水流搬运，仍然保留着红黏土的基本特征，其w
L
一般大于45%，称为次生红黏土。

早期研究对红黏土的特征概括为：红黏土成土母岩是碳酸盐类岩石，系由化
学风化或残坡积而形成，塑性指数I
P
大于20，天然含水率接近塑限，天然孔隙
比大于1.0，饱和度S
r
大于85%以及土的压缩性低等。

在以后的研究中，是基于一些考虑才予以调整的。

关于成土母岩，鉴于在碳酸盐岩分布区内，经常夹杂着一些非碳酸盐类岩石，它们的风化物与碳酸盐类岩石的风化物是混杂的，都构成了这些地段红黏土成土的物质来源，因此，定义红黏土的成土母岩时，把由碳酸盐类岩石扩大为碳酸盐岩系岩石更确切。

提出红黏土是红土化作用的产物，是考虑到“红土化”一词在第四纪地质学、土壤学中早已赋予固有的含义，用它来概括红黏土的成因，既表征了红黏土成土的介质环境、由岩到土的一系列地球化学过程及成土之后新生黏土矿物再演变的全过程，它较之笼统地称之为化学风化或残坡积成因要明确全面得多。

红黏土虽然塑性高，但其中有一部分土的液限和塑限都很高，以致塑性指数与一般黏土、老黏土相近，相关分析表明，液限在反映
红黏土特征上比较敏感，故而用w
L 取代I
P
作为反映土性的特征指标。

从w
L
—e
相关图中，对应于w
L
为45与50时的孔隙比e值为0.9与1.0，因此，只要确定
了液限w
L
值，也就无需再提孔隙比e。

统计表明，红黏土的湿度状态大部分为坚硬与硬塑状，但仍有占总量25%者为可塑、软塑以至流塑状态。

为此，简单地说它的天然含水率接近塑限不全面。

用“上硬下软”取代之，既说明了湿度状态的分布规律，也提示当用其作天然地基时，宜尽量用上部硬土作基础持力层。

土体中既有一部分呈可塑以至更软的状态，也就不必强调土的“压缩性低”作为特征
而提出。

关于饱和度问题，以往标明其值大于85%，从调查统计知，仅在近代气候早期较长的云南、广东局部地方，部分红黏土饱和度小于此值，而大于和小于85%之土，在自然界也无明显界线。

本来，作为土类判别特征指标，是为了避免其他不良土类混入而给工程造成损失，但这部分S
小于85%的红黏土，在指示性
r
大于85%的土。

据此，定义中也就不必再指标值相同时，对应的力学性能优于S
r
强调饱和度了。

2.分布
红黏土的形成与分布主要取决于地质历史的气候湿热条件，我国南方更新世以来曾经过较长的湿热气候时期，在不同岩性的母岩上，经红土化作用形成了各类红土，在碳酸盐岩系出露区形成了红黏土。

统计知，在我国108万km2的这一出露区内，均可能分布有红黏土。

显然，红黏土主要集中分布在我国长江以南，即北纬33°以南的地区，在江北以至我国东北一带，早期形成的红黏土大多受到后期营力的侵蚀或其他沉积物所覆盖，除沿海及一些较温湿的岩溶盆地，如陕南、鲁南、辽东等地有零星分布外，已经很难见到。

在南方，红黏土的分布西起云贵高原，经四川盆地南缘、鄂西、湘西、广西向东延伸到粤北、湘南、皖南、浙西等丘陵山地。

在西部云贵高原，红黏土主要分布在较低的溶蚀夷平面及岩溶洼地、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部位；在东部主要分布在高阶地以上的丘陵区。

在地质剖面上，除见到全剖面红黏土分布外，还常见有它被泥砾堆积及更新世后期的各类沉积物所覆盖。

在河流冲积低洼处，常见有经过迁移和再搬运的次生红黏土，覆盖在基岩或其他沉积物之上。

次生红黏土的分布面积约占总量的10%～40%，由西部向东部逐渐增多。

应该指出，即使在我国南方，各地区红黏土不论在外观颜色、土性上，还是分布厚度等特征上都有一定的变化。

例如，土的塑性、黏粒含量有自西向东逐渐降低之势；土中粉粒、砂粒含量则有向东增多之趋势，这些都是源于成土过程、成土物质等差异所致。

二、红黏土的成因与组成
经红土化作用与过程，使碳酸盐岩系岩石的成分与性状逐渐发生变化，逐次
的水溶液长期溶蚀作用下，首先微量的碱金属地由岩石演变成的黏土。

在含CO
2
以及作为岩石主要成分的碱土金属相继溶出流失，之后硅酸盐、硅铝酸盐分解形成的硅酸逐渐游离，惰性元素（铁、铝）在原地相对富集。

在酸性介质中，岩石经历了一系列的水化、碳酸化、脱硅与富铁铝化作用之后，完成了由岩到土的演变，形成了富铁的硅铝酸盐为主的次生黏土矿物。

成土以后，土中成分的调整与适应新的外部环境而发生的演变一直没有中断，直至与之相适应才处于暂时的稳定。

这点可从土的化学成分变化较大，如颗粒小于2μm胶粒的硅铝比为1.3～
3.3、R
2O
3
为30%～50%可得以证实。

在岩体的各个部位上，红土化作用的过程也
是参差不齐。

在水流作用受阻、成土作用不完善的那部分红黏土中，可以见到残存的岩块、岩屑和演变中间产物的形迹，它在外观形态上常表现为土中的团块、条纹与花斑等。

经红土化后形成的新生物，主要是以胶体形式存在，以致红黏土的粒组构成是以细粒为主，其中胶粒含量冠于中国第四纪黏土之首，小于2μm粒组含量多在50%以上，已见土中小于1μm粒组含量最高可达93%。

红黏土已经鉴定出的黏土矿物是以高岭石、伊利石、绿片石为主，它与成土的介质环境特征、化学组分与交换容量相符。

表1-26列举了红黏土各项组分的综合分析结果。

表1-26 红黏土的组成成分
红黏土形成之后，还可近距离坡积，其间多无明显界面，由于所处地形地貌条件的不同，可被后期的各种外力一次或多次搬运到适合停积的部位上。

因此，还可见到洪积、冲积与岩溶洞穴沉积等成因的次生红黏土。

由于在迁移中外来物质的掺入，粉粒和砂粒含量相对增加，黏粒含量相对减少，塑性降低，色相变浅。

力学性能相对较差，但仍然保留着红黏土的基本特征，其土性仍有别于一般黏性土与老黏土，见表1-27。

表1-27 次生红黏土主要土性指标与其他土类的比较
三、红黏土的工程特征
1.地貌特征
红黏土一般分布在盆地、洼地、山麓、山坡、谷地或丘陵等地区，形成缓坡、陡坎、坡积裙等微地貌。

有的地区，地表存在着因塌陷而形成的土坑、碟形洼地。

2.颜色特征
颜色除棕红色外，还有褐黄、褐红等色。

3.厚度分布特征
由成土特性、母岩岩性决定了红黏土层总的平均厚度不大。

在高原或山区，它的分布较零星，一般厚度约5～8m，少数达15～30m；在准平原或丘陵地区，分布较连续，一般厚度为10～15m，最厚达30余m。

红黏土因受基岩起伏的影响和分化深度的不同，厚度变化很大，水平方向上虽相隔咫尺，而厚度却相差可达10m。

土厚变化与母岩岩性有一定联系。

在厚层及中厚层石灰岩、白云岩分布区，由于岩体表部岩溶化强烈，岩面起伏大，导致红黏土厚薄不一；在泥灰岩、薄层灰岩分布区，岩面稍微平整，土层厚度变化相对较小。

在地貌横剖面上，坡丘（顶）、坡谷（底）土层较薄，坡麓则较厚；在古夷平面及岩区洼地、槽谷中央，土层相对较厚。

就地区论，红黏土的厚度变化也很大。

贵州约为3～6m，超过10m者较少；云南约为7～8m，个别地方可达10～20m以上；湖南、粤西、广西等地多在10m 左右，个别地带可达20～30m。

4.状态特征
土的状态从地表往下有逐渐变软的规律。

上部呈坚硬或硬塑状态。

硬塑状态的土，占红黏土层的大部分，构成有一定厚度的地基持力层。

软塑、流塑状态的土多埋藏在溶沟或溶槽底部。

深度在6m以下的红黏土一般呈软塑状态，强度很低，特别是在盆地中间较深地带及岩石溶沟中的红黏土，往往呈流塑状态。

这种由上至下状态变化的原因，一方面系地表水往下渗滤过程中，靠近地表部分易受蒸发，愈往深部则愈集聚保存下来；另一方面可能直接由下卧基岩裂隙水的补给和毛细管作用所致。

5.土体结构特征
自然状态下的红黏土呈致密状，无层理，尤其表部易受大气影响已呈坚硬、硬塑状态，当失水后的含水率超过缩限，土中就开始出现裂缝，接近地表的裂隙呈竖向开口状，往深处逐渐减弱，呈网状微裂隙且闭合。

由于裂隙的存在，使土体的整体性遭到破坏，呈碎裂状或镶嵌状结构，使土的总体强度大为削弱。

此外，裂隙的赋存，又为深部土体失水开拓了一条通道，促使深部土的收缩，进而使原有的裂隙加宽加深，有的甚至可形成地裂。

土中裂隙发育深度一般为2～4m，已见最深可达8m。

由于不均匀的胀缩，裂面相对位移而出现光滑镜面，时可见擦痕。

由于后期水流的作用，裂面附近常有铁锰质侵染，在新近开挖的陡峻剖面上，当气候条件有利，裂隙的发生和发展迅速，数周之内即可将坡面切割成支离破碎。

裂隙的张开或闭合受外界条件及季节影响十分明显。

6.土中地下水的特征
当红黏土为致密结构时，可视为不透水的。

粒间孔隙饱和，浸水或雨季含水率也不会明显增加。

天然土在无压条件下充分浸水，胀限含水率只较天然时增加1%～3%。

由于土中裂隙的存在，碎裂、碎块或镶嵌状的土块周边便具有较大的透气或透水性，大气降水或地表水可渗入其中，使土体形成依附网状裂隙赋存的“含水层”。

其含水特性随所处的地形地貌、裂隙发育状况、补给条件等而异。

这种
土中水的存在极不稳定，一般无统一水面，随补给条件而变。

只有补给充分，埋藏位置低洼时，才可测到初见与稳定水位，一般水量不大，属重碳酸钙型水。

四、红黏土的工程性质
红黏土的物理力学性质指标，在其分布的不同地区有差异，一般数值见表1-28和表1-29，由此可以看出，红黏土具有下述工程性质。

表1-28 红黏土物理力学性质指标
注含水比a
w ＝w/w
L。

表1-29 红黏土的物理力学性质指标统计表
1.物理特性
（1）天然含水率较高，一般情况下接近于塑限，范围一般为30%～60%。

（2）液限、塑限和塑性指数均较高，液限一般在50%～80%之间，塑限一般在30%～50%之间，塑性指数一般在16～30之间。

（3）饱和度较大，一般在85%以上。

（4）天然孔隙比大，密度小，孔隙比一般大于1。

（5）颗粒细而均匀，黏粒含量（粒径小于0.002mm的颗粒含量）较高，一般在30%～60%之间，具有高分散性。

（6）液性指数一般较小，多数小于0.25，属坚硬状态或半坚硬状态。

（7）有机质含量非常小，一般小于1%。

2.力学特性
（1）最大干密度和最佳含水率
红黏土的压实性差，在一定击实功能下，最大干容重低而最佳含水率高。

即使增大击实功能，干容重的增量也很有限，造成干容重低的原因是这种土料具有稳固的团粒结构，在压实过程中粘结牢固，其内部的孔隙不会改变，而且团粒之间也存在着孔隙，故压实干密度较低，一般在 1.2～1.50g/cm3之间，有些甚至
只达1.15g/cm3。

这种土料的天然含水率一般都很高，填筑时常需降低土料的含水率，在做击实试验时，应尽量模拟实际的施工状态，正确调配土样的含水率。

（2）压缩性
红黏土的压缩性一般不高，按照分类标准，属中等或中等偏低压缩性土。

（3）渗透性
由于红黏土中的游离氧化铁胶结作用水稳性较好，胶结体在水中不易分散，故其抗渗性比较好。

又由于该类土中存在着大小集合体，集合体间存在较大孔隙，故其渗透系数比分散性黏土的渗透系数相对要大。

（4）抗剪强度
红黏土虽然天然含水率较高，干容重较低，孔隙比较大，但其抗剪强度较高。

3.胀缩特性
红黏土由于组成矿物的亲水性不强，交换容量不高、交换阳离子以Ca＋＋、Mg ＋＋为主、无天然含水率接近胀限及孔隙呈饱和水状态，以致表现在胀缩性能上是以收缩为主，在天然状态下膨胀量很小，收缩率很高，其值冠于全国各类土之首，见表1-30、表1-31、表1-32。

红黏土的自由膨胀率为25%～69%，且多小于40%，其膨胀势较低，无荷载膨胀率均小于20%，50kPa压力下膨胀率均小于0.5%，膨胀压力为10～90kPa，一般小于30kPa，故红黏土的膨胀性极弱。

红黏土液限时的扰动体缩率较大，可达20%～40%，说明具有中到强收缩势，原状土的线缩率为1%～10%，其中3%～7%最多，体缩率为5%～28%，其中7%～15%最多，收缩系数为0.1～0.8，其中0.2～0.5最多，可见红黏土具有弱到中收缩性，部分可能具有强收缩性。

表1-30 广西红黏土某些特性及胀缩性指标统计
表1-31 贵阳地区红黏土的胀缩性指标统计表1-32 典型膨胀土与红黏土某些指标比较。