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| 編輯推薦： |
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《压实红黏土工程》可供公路、水利和建筑等有关专业的本科生、研究生和工程技术人员参考。
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| 內容簡介： |
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《压实红黏土工程》以湖南省公路修建中遇到的红黏土为主要研究对象，《压实红黏土工程》研究方法与结论可推至其他地区的红黏土工程。《压实红黏土工程》共8章，第1章和第2章介绍国内外红黏土的工程特性和湿热耦合研究现状，以及红黏土的形成过程及其特殊性；第3章研究红黏土水理特性与孔隙结构的互馈关系；第4章重点分析红黏土的击实和承载比强度的水敏性特征；第5章系统介绍压实红黏土水分传输的湿热耦合效应；第6章主要研究改良红黏土的力学特性及其长期力学性能演化过程；第7章介绍典型红黏土现场碾压试验情况和结论，并提出红黏土的利用原则和压实填筑控制建议；第8章是对《压实红黏土工程》的总结。
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| 目錄：
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目录
前言
第1章绪论1
1.1研究目的与意义1
1.2红黏土的工程特征研究现状2
1.3土体湿热耦合效应研究现状6
1.3.1湿热耦合传输模型研究现状6
1.3.2湿热耦合试验研究现状7
1.4石灰改良红黏土的力学性能10
1.5本书的主要内容12
参考文献13
第2章红黏土的认识过程回顾20
2.1红黏土的定义20
2.1.1根据硬化特征定义20
2.1.2化学定义的方法20
2.1.3形态学定义的方法21
2.2红黏土形成与演化环境21
2.2.1形成红黏土的母岩22
2.2.2红黏土形成的气候条件22
2.2.3植被的影响25
2.2.4地形和排水条件的影响27
2.2.5红黏土次生矿物的形成环境27
2.3黏土的天然结构31
2.3.1沉积黏土结构31
2.3.2残积土的结构34
2.3.3红黏土的结构35
2.4“问题”红黏土的判别和评价35
2.4.1“问题”红黏土的显著演变特性35
2.4.2标准土壤分类试验的局限性36
2.4.3红黏土的地质剖面判别方法36
2.4.4“问题”红黏土的工程特性37
2.5小结39
参考文献39
第3章压实红黏土水理特性与孔隙结构的互馈关系43
3.1概述43
3.2压实红黏土的孔隙分布特征44
3.2.1试样和试验方法44
3.2.2试验结果及分析45
3.3多功能土水特征曲线试验仪的研制48
3.3.1土水特征曲线试验方法48
3.3.2多功能土水特征曲线试验仪组成50
3.3.3仪器优点59
3.3.4操作规程及注意事项59
3.4压实红黏土的持水性能61
3.4.1试验概况61
3.4.2试验结果及分析62
3.4.3拟合方程与参数的确定65
3.5压实红黏土的恒体积膨胀力与细观机制66
3.5.1试验概况66
3.5.2膨胀力试验结果分析70
3.5.3吸水膨胀的细观机制71
3.6压实红黏土失水收缩过程的孔隙演化规律74
3.6.1试验概况74
3.6.2收缩试验结果与分析76
3.6.3收缩过程的孔隙演化规律78
3.7小结83
参考文献84
第4章压实红黏土的工程力学特性88
4.1概述88
4.2红黏土的击实特性89
4.2.1试验概述89
4.2.2试验结果89
4.2.3讨论与分析93
4.3红黏土的承载比特性96
4.3.1试验概述96
4.3.2试验原理与步骤96
4.3.3试验结果与分析97
4.3.4标准试验方法存在的问题109
4.4压实红黏土的剪切强度110
4.4.1饱和红黏土三轴强度110
4.4.2非饱和红黏土三轴强度112
4.4.3黏聚力增大机制分析117
4.5压实红黏土的压缩性特征118
4.5.1试验概况118
4.5.2试验备样119
4.5.3试验过程120
4.5.4试验结果及分析121
4.6小结129
参考文献130
第5章红黏土水分传输的湿热耦合效应132
5.1概述132
5.2红黏土水分传输的毛细效应133
5.2.1试验概况133
5.2.2试验结果与分析136
5.2.3压实红黏土水分毛细上升数值模拟138
5.3非饱和土的热导率预估模型140
5.3.1预估模型140
5.3.2模型验证144
5.4温度驱动水分传输145
5.4.1试验装置146
5.4.2试验准备149
5.4.3试验结果分析150
5.4.4非饱和土热湿扩散系数157
5.5压实红黏土的增湿变形162
5.5.1试验概况162
5.5.2湿化变形计算方法及模型165
5.5.3试验结果与湿化变形分析167
5.6红黏土路基边坡的湿热耦合效应数值分析171
5.6.1数学模型171
5.6.2模型与边界条件173
5.6.3试验结果与分析176
5.7小结180
参考文献182
第6章改良红黏土的力学性能演化特征186
6.1概述186
6.2改良红黏土的击实与承载比特性187
6.2.1试验材料187
6.2.2试验步骤187
6.2.3击实试验结果与分析188
6.2.4承载比试验结果分析196
6.2.5红黏土的水敏性与石灰处治机制分析210
6.3红黏土承载比强度的土团尺寸效应212
6.3.1试验概况212
6.3.2试验结果分析214
6.3.3土团尺寸的影响机制分析216
6.4石灰稳定红黏土强度的碳化效应218
6.4.1试验概况218
6.4.2试验方案220
6.4.3试验结果与讨论222
6.5重塑石灰红黏土的力学性能225
6.5.1试验概况225
6.5.2试验结果及分析227
6.5.3重塑石灰土的性能劣化分析231
6.6重塑石灰土强度的恢复方法与机制初探233
6.6.1试验方案233
6.6.2试验结果分析234
6.6.3讨论与分析237
6.7小结241
参考文献242
第7章红黏土现场碾压试验与填筑控制建议245
7.1概述245
7.1.1研究意义和目的245
7.1.2路基填筑压实影响因素245
7.2试验路建设案例248
7.2.1郴宁高速248
7.2.2洞新高速259
7.2.3长韶娄高速267
7.3压实度降低的依据和参考标准274
7.4红黏土的利用原则276
7.4.1天然含水量高、CBR大于3%的填料277
7.4.2天然含水量高、CBR小于3%的填料278
7.5红黏土填筑控制建议280
7.6小结281
第8章主要结论与展望282
8.1主要结论282
8.2展望283
后记285
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| 內容試閱：
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第1章绪论
1.1研究目的与意义
红黏土属于一种特殊性黏土，因其具有裂隙性、收缩性和空间分布不均匀性等不良特征，从工程处置角度来看属于一种难以对付处理的土，即“问题土”（problematicsoil）。但红黏土在我国分布较广，如贵州、云南、湖南和广西等地区均覆盖有大量的红黏土。因此，在国家交通基础设施建设中将不可避免地遭受这类“问题土”的困扰，而其中水对红黏土路基的影响问题乃是关键技术难题之一。
红黏土的水敏性是其裂隙性和收缩性发生的诱导因素，“吸水软化，失水开裂”是其典型的水敏性特征\[1~4\]，如图1.1所示。红黏土路基土在不利水分的侵蚀下，其物理力学性质将发生急剧变化，而这些变化是导致路基沉陷、纵裂、浅层滑塌等病害发生的根本原因。修筑在地表浅层的路基与大气和地下水发生强烈的相互作用，为了研究温度场和水分场对路基强度及其变形的影响，应对土体含水量分布随初始压实状态的变化过程及规律进行研究，进一步认识水分对红黏土的作用规律和红黏土路基应力场与变形场特征，这些都是有效预防路基病害的前提条件。
图1.1红黏土的典型特征
红黏土作为路基填料很难达到重型击实标准的压实度，目前规范处理该问题的思路：首先，根据路堤采用的特殊填料或所处的特殊气候地区，压实度标准依据试验路在保证路基强度要求的前提下可适当降低；其次，掺适量的生石灰或其他稳定材料进行改性处理，以满足规范规定的含水量和压实度等要求。但对压实度依据什么降低及降低多少没有给出参考意见。另外，有些红黏土路基填筑时压实度和承载比都能达到规范的要求，但后期营运期间却频频出现路面开裂、路肩滑塌等病害。为此，需要进一步探讨如下问题：路基在营运期间其性能与填筑时相比是否出现了弱化？如果弱化，产生弱化的根本原因是什么以及如何防治？
初始填筑状态是影响路基性能的内在因素；水分则是路基病害致灾因子，而环境因素却是促使水分变化的动力源泉。因此，需要了解路基在后期营运中，气候、交通荷载等外部营力引起的水分迁移模式，弄清水分对路基土体性状产生影响的机制，提出切实可行的防治方法。为此，开展水分传输对红黏土的工程性状影响及其现场碾压试验研究，既紧密围绕红黏土公路路基填筑的实际需求，又深化了湿热耦合作用的机理认识，具有十分重要的研究价值。
1.2红黏土的工程特征研究现状
红黏土属于一类典型的特殊土，其独特的工程性质主要表现为一方面具有高含水量、高塑性、高孔隙比、密度低、压实性差等不良物理性质；另一方面却具有高强度、中低压缩性的力学特性。在被普遍认为是比较好的天然地基和较好建筑材料的同时，却因胀缩性、裂隙性与分布不均匀性（主要指上硬下软）等工程地质特性而存在很大的工程隐患。高岱等\[5\]描述了贵州地区碳酸盐岩红黏土的特殊工程特征，并首次将其作为一种特殊土对待。1977年纳入《工业与民用建筑和地基基础设计规范》并给予了红黏土正式的定义。其工程特征主要包括渗透、压缩、收缩、强度与变形等特性。
压实是加固土体的一种古老而又经济的工程处理方法，Quinones\[6\]在分析大量的红黏土现场和室内试验基础上，指出影响压实试验结果的主要因素分为两大类：①红黏土的红土化过程；②试样的配置与试验方法。Gidigasu发现残积红黏土的黏粒含量与**干密度和**含水量之间存在相关性。Tubey认为受云母矿物与非云母矿物的形状影响，击实功一定情况下，红黏土中的云母减少了**干密度而增大了**含水量。非云母矿物颗粒尺寸基本相近，而云母矿物类似扁平状、体表面积率大。云母含量低时云母颗粒零星分布对压实效果影响不明显；对于粒径较大的土，云母颗粒充填在颗粒之间的孔隙提高了密度。云母含量增大一定程度后则增大了自身的孔隙，反而降低了密度。片状云母在土颗粒之间形成了一种弹性效应，压实荷载移去后具有回弹的趋势，振动压实比较符合高云母含量的红黏土。压实试验的试样配置方法对试验结果影响也很明显，Willis**个注意到火山岩红黏土湿法备样和干法备样对击实曲线的影响。Tateishi报道了同一种红黏土初始含水量不同，由此得到的含水量干密度曲线有很大的差异。通过对红黏土自然风干到不同的含水量，然后再加水静置进行系列击实试验，获得的试验曲线随初始脱湿状态的不同而不同，类似的规律在其他类别的红黏土中也能找到。水化红黏土每进行一次脱湿都能对土体形成不可逆的改变，这是红黏土中的倍半氧化物从可变的亚铁向稳定的三价铁转变而引起的结果。Newill等指出烘干试样得到的**干密度要比自然风干试样的干密度大，但前者得到的**含水量要比后者小，而风干土体再加水配样与自然风干试样的试验结果差别不大，说明试样脱水方法与程度对压实指标的影响主要表现为对土体结构的损伤。
Ruddock\[7\]研究原状红黏土和重塑红黏土的渗透特征时发现红黏土的渗透系数与其母岩类型、土质、孔隙率、备样方法等有关。deGraft\|Johnson等\[8\]总结了热带不同地区的原状红黏土和压实红黏土的渗透性，不同地区的红黏土渗透系数变化差异很大，总的说来，原状样的渗透系数较压实样的渗透系数大。deGraft\|Johnson等\[9\]通过研究击实含水量和干密度对残积红黏土渗透性的影响，发现击实含水量越高，渗透系数越小。Wallace\[10\]研究结果也表明：失水程度对某些红黏土的渗透系数有明显影响。Lumb\[11\]指出原状残积红黏土的渗透系数主要受红黏土的风化程度、土质、初始孔隙比影响。
很多学者研究了不同风化程度的原状、重塑、击实红黏土的强度特征，认为强度主要受红黏土的组成成分、试样的制备方法等因素控制。Vargas\[12\]发现排水条件对红黏土的三轴剪切强度莫尔包络线有影响。Lamb\[13\]指出红黏土的剪切强度大小取决于母岩种类和风化程度，不同风化程度的花岗岩在相同击实功作用下抗剪强度参数不同，弱风化土具有较高的内摩擦角。Baldovin\[14\]的研究表明，红土化程度越高越有利于提高其强度参数，但强度参数对含水量和饱和度非常敏感。Lohnes等\[15\]观察到随着降雨入渗量增大，红黏土的黏聚力减小而孔隙比将会增大。然而，Terzaghi\[16\]指出含水量对压实黏土的不排水三轴剪切强度参数没有显著的影响。Matyas\[17\]得到的结论略有不同，他认为含水量对内摩擦角没有影响，但黏聚力则受土体的含水量和干密度双重影响。Lumb\[18\]在研究香港不同母岩红黏土的基础上，根据考虑工程特征的剪切强度将残积红黏土分为三类：①摩擦型或自由排水型；②摩擦\|黏聚型或渗透型；③黏聚型或非渗透型。其中第二类又可细分为摩擦\|黏聚型和黏聚\|摩擦型，主要取决于剪切强度中摩擦力和黏聚力的相对大小。
路基和机场建设中利用加州承载比（California bearing ratio，CBR）来评价压实土体的强度，试验条件应与当地的气候相联系。Ackroyd\[19\]指出在半干旱地区，CBR试验试样浸泡24~48h就足以模拟现场的含水量条件。vanGanse发现压实砂砾红黏土浸泡96h后的CBR值大小取决于压实度、砂砾含量与细粒含量，其CBR值可达80%以上。含砂砾红黏土用做路基填料，当其砂砾含量约为75%、细粒含量为25%、塑性指数为7%时，能得到*为理想的压实效果。Remillon\[20\]指出砂砾红黏土中的细粒组分起着联结砂砾的作用，过多或过少都不利于路基的强度。砂砾红黏土偏干时具有很高的强度，但吸水后强度会急剧丧失。Evans\[21\]针对典型的砂砾红黏土开展研究，揭示了红黏土的CBR值对含水量变化的敏感性；得到重型击实和轻型击实试样的CBR值与含水量的关系，前者的**CBR值超过了100%，后者也超过了50%。当含水量超过该点以后，其对应的强度出现了急剧衰减。击实试样经过浸泡96h后，红黏土的CBR值减小很多，但要高于以该含水量直接击实的试样强度。压实度和含水量对CBR值的影响十分显著，当试样含水量增大后，压实功越大强度就减少得越多\[9\]。以上的研究似乎表明，所有的红黏土CBR值对重塑含水量或浸泡含水量十分敏感。但Gidigasu和Bhatia\[22\]认为浸水并不是对所有红黏土的强度都有那么明显的影响。Nixon和Skipp\[23\]发现细粒红黏土浸泡吸水养护后，其强度得到了提高。强度的增长归因于针铁矿中的氧化铁获得了更高的强度\[24\]。deGraft\|Johnson等\[25\]提出黏土的浸水CBR值是其塑性指数（Ip）和干密度（ρd）的函数：
以上讨论表明，红黏土的强度变化范围很大，影响的因素很多，包括红黏土的母岩种类、颗粒级配分布、风化程度、细粒含量、制样含水量、压实度等。
不同地区的红黏土具有不同的工程特性，垂直方向也往往具有上硬下软的特点，红黏土下伏基岩的起伏较大。这些水平与垂直方向的分布不均为红黏土工程造成了一定的隐患。随着我国红黏土地区高层、超高层建筑的兴建，红黏土分布不均所带来的工程隐患将越发突出。陈之禄\[26\]根据多年工程地质勘察工作，总结了红黏土中软土的分布特点、形成条件、地基工程注意问题，并进行了室内渗透试验。韩贵琳\[27\]将贵阳红黏土按洪积型与残坡积型分类，总结了两类红黏土的工程地质特征，提出基础浅埋原则与填土覆盖保护等建议。张英等\[28\]以重庆红黏土为例验证了四种本构模型，并提出了相应的模型参数。袁志英等\[29\]根据静载试验结果建立回归方程，筛选出直接反映红黏土力学性质的三个指标：塑限、液限与压缩系数。欧钊元等\[30\]验证了泰山地区红黏土与我国南方典型红黏土属同一类，除黏粒含量偏低以外，其他主要物理指标与南方典型红黏土一致。黄质宏\[31\]通过三轴试验得出应力路径对红黏土强度指标与变形特征有较大的影响。袁绚\[32\]总结了云南红黏土的基本性状与工程特性，虽然其孔隙比、含水量、黏粒含量和塑性指数等指标不符合防渗土料的技术要求，但其具有足够的稳定性、高强度和低压缩性，是较好的筑坝材料。
Haliburton等\[33\]在俄克拉何马州高速公路开展为期6年的膨胀土路基含水量研究，认为路基水分主要以聚集和变动两种不同的模式存在。毛细上升是引起水分积聚的主要原因，经历大约两年时间积聚的含水量从**含水量增大到某一平衡状态，*终的含水量为塑限的1.1~1.3倍。另外，在不透水层和路肩防护措施的封闭作用下，路基含水量的变动主要受季节性水位和排水条件控制；而在透水路面和路肩未作任何处置的条件下，其含水量变化则是由降雨和蒸发而引起，后者引起的含水量变化幅度至少是前者的两倍。Hall和Rao\[34\]认为路基稳定含水量主要受土的基本性质（液塑限、渗透系数、土的级配）控制，降雨和地下水是引起路基水分变动的主要来源。因为路基位于路面层以下，因降雨入渗而引起的变化量受到了质疑，同时引起很多研究者对该问题的关注。其中，大部分研究者认为降雨不会影响路基的水分，Thron\[35\]、Cumberledge等\[36\]、Hall等\[34\]、Rainwater等\[37\]发现降雨只影响集料层，而不影响路基。也有部分研究者坚持认为降雨影响路基含水量，Yoder和Witczak\[38\]的研究表明，长期的低降雨强度对路基水分的影响程度大于集中的强降雨对路基水分的影响，因为在前者条件下土体吸水量**。Bandyopadhyay和Frantzen\[39\]则认为路基含水量直接受降雨影响，并估计降雨对路基水分影响的滞后时间约为3周。除了降雨，地下水也是影响路基土体水分变化的一个主要因素。Russam\[40\]总结了地下水影响路基水分的三种模式：①路基下的地下水水位非常接近地表时，影响含水量变化的主要因素是地下水水位，如果地下水水位离地表的距离小于50.8cm时，这种情况具有一定的主导性。对于这种情形，*终的稳定含水量可以利用土的吸力原理来估算；②路基下的地下水水位距离地表大于50.8cm时，地下水位对路基*终的含水量影响很小。对于这种
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