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红粘土在工程地质界被定义为“红粘土为碳酸盐岩系的岩石经红土化作用形成的高塑性粘土。其液限一般大于50%,红粘土经再搬运后仍保存其基本特征,其液限大于45%的土为次生红粘土。”红粘土广泛分布在我国南方的碳酸盐岩系地层上,红粘土与人类、环境有着密切的联系。
红粘土具有上硬下软、含水量高、孔隙比大、高液限、高塑限、低压缩性的特点。其天然含水率、孔隙比、压缩系数等随深度的增加而变大,塑性状态随深度增加而由硬变软以至流塑,地基强度随深度增加而由高到低,纵向上的变化是不均匀的。同时其物理力学性质随地形、地貌及水文条件的不同而改变,如坡岗地带排水条件好的地段地下水埋藏较深,其天然含水率、孔隙比、压缩系数等均较好,地基强度较大承载力较高,岩溶驻地或谷地则相反,尤其在溶沟、溶槽等易于积水的红粘土,往往形成软土性质,红粘土在平面上亦具有不均匀性。
红粘土的抗剪强度与起始含水量具有明显的相关关系,且含水量越大抗剪强度越小;含水量对凝聚力c的影响比对内摩擦角 f 的影响更为明显,因此湿度状态是红粘土的主要物理力学指标,是影响红粘土工程性能的重要因素,是评价地基承载力性能的重要参数。游离氧化铁对红粘土的强度也起着重要作用,红粘土游离氧化铁含量越高,其初始段变形模量就越大。因此,在红粘土地区尽量选择含游离氧化铁较高的红粘土作为地基,可得到较大的允许承载力和引起较小的地基沉降。
由于红粘土土层从上至下为硬塑—软塑状态,因此对于压缩层包括几种状态的红粘土土层,在压缩层范围内,应分别按土层考虑地基的沉降量。因此需要考虑沉降修正系数的问题,而规范中的提供查表的沉降修正系数则比较笼统,不利于工程应用。
在武广高速铁路的建设过程中出现大量的红粘土地基,与以往的粘土路基不同,红粘土路基覆盖在灰岩表面,其表层粘土层含水量较小,呈硬塑态,与基岩交接的地方受裂隙水的影响,含水量较大,呈软塑态,甚至呈流塑态。随着灰岩表面溶蚀起伏不平,易发生不均匀沉降,使得计算该种土层的沉降变得十分困难。通过现场载荷试验、静力触探试验、标准贯入试验、室内直剪试验、三轴剪切试验及沉降观测分析研究,获取了以下成果:
(1)模拟不同路堤高度的填土荷载进行载荷试验和路堑开挖时卸载回弹试验,获得原位载荷试验影响深度范围内的沉降量及回弹量。
(2)通过标准贯入试验获得红粘土地基标贯数N<,i>随深度Z的变化规律经验公式N<,i>(Z)。
(3)通过钻探取样,进行三轴试验、动三轴试验等室内土工试验,获得红粘土地基的压缩变量模量E<,i>等参数随地基深度Z的变化规律经验公式E<,i>(Z)。
(4)根据(2)(3)(4)所获试验结果,根据同一工点,相同深度Z,E<,i>-Q<,i>,E<,i>-N<,i>一一对应关系建立E<,i>-Q<,i>(Z),E<,i>-Ni(Z)经验公式。
(5)根据试验结果及沉降观测数据,获得各层红粘土地基的沉降修正系数,建立了红粘土地基在填土荷载作用下的变形计算经验公式。
(6)根据试验结果及沉降观测数据,获得各层红粘土的回弹变形特性。