1、一、深部隧道围岩的大变形一、深部隧道围岩的大变形中国科学院研究生院硕士课程什么是软岩？什么是围岩挤压大变形？围岩挤压大变形的预测和分级围岩大变形的机理兰武二线乌鞘岭隧道F7围岩大变形南山集团柳海煤矿巷道大变形长期以来，国内对软岩和弱岩的定义存在较大争议：长期以来，国内对软岩和弱岩的定义存在较大争议：l软岩一般指岩石(intact rock)，即单轴抗压强度为0.520MPa的岩石（ISRM，国际岩石力学学会），或单轴抗压强度小于17MPa的岩石，或饱和单轴抗压强度小于30MPa的岩石（工程岩体分级标准-1994、岩土工程勘察规范-2004）。lHoek & Marinos (2000)将完整岩
2、块（即岩石）单轴抗压强度25MPa定义为弱岩(Weak rock)。l我国煤矿系统在1984年12月的昆明会议上将松软岩层定义为“强度低，空隙大，胶结程度差，受构造切割面及风化影响显著或含有大量膨胀粘土矿物成分的松、散、软、弱岩层”，显然这里的软岩是岩体，是松散软弱岩层的简称。lE. Hoek (1998)对弱岩体进行了如下定义 “弱岩体是由构造运动造成的，微观表现为原岩受到了剪切和压碎，原联结结构受到了扰动，工程特点表现为岩体强度非常低、隧道或边坡开挖很容易诱发失稳破坏”。l顾宝和等(2006)将断层破碎带岩体归为具有不良地质特性并易引发工程事故的“劣质岩”之一。 挤压大变形隧道则主要出现在
3、以泥岩、泥质砂岩挤压大变形隧道则主要出现在以泥岩、泥质砂岩/粉砂岩、粉砂岩、粘土岩、泥灰岩、煤系地层、复理石为主的沉积岩，以粘土岩、泥灰岩、煤系地层、复理石为主的沉积岩，以页岩、片岩、泥质板岩、千枚岩、蛇纹岩、片麻岩等为页岩、片岩、泥质板岩、千枚岩、蛇纹岩、片麻岩等为主的变质岩等这些传统软岩中。断层破碎带岩体与传统主的变质岩等这些传统软岩中。断层破碎带岩体与传统软岩相比，大变形本质相同但影响因素和过程却存在着软岩相比，大变形本质相同但影响因素和过程却存在着显著差别。显著差别。 什么是挤压性围岩？什么是挤压性围岩？国内外学者从不同角度进行了不同定国内外学者从不同角度进行了不同定义。国外对挤压性围
4、岩的研究比较早也比较系统：义。国外对挤压性围岩的研究比较早也比较系统： 1. Terzaghi (1946)挤压性岩石仅仅指那些含有相当多粘土的岩石含有相当多粘土的岩石，粘土可能是原生的如页岩内的，也可以是蚀变产物。这类岩石可能主要是高岭土类，或者蒙脱石类的。因此，挤压性岩石范围可能很宽。挤压性岩石缓慢地向隧道内移动，但并没有明显的体积增加。挤压的首要条件是云母类矿物或粘土矿物含量高但膨胀能力却很低。2. Gioda(1982)挤压意味着时间相依性的变形时间相依性的变形，是由开挖空间周围的剪应力集中造成的。偏应变和体积变形都可能出现，后者与岩土介质的膨胀有关。 3. Tanimoto(1984
5、)则假设挤压变形现象是围岩的一种弹塑性行为弹塑性行为，并认为当岩石应变到其残余塑性状态残余塑性状态时将发生挤压变形 4. ORourke(1984)挤压性地层是指因荷载强度超过其强度荷载强度超过其强度而在隧道附近出现时间相依性变形时间相依性变形的地层。挤压性地层的结果是隧道支护结构将在数周甚至数月内经受比初始荷载高数倍的不断增加的荷载。 5. Singh(1992)挤压意味着岩体应力过大引起的与体积膨胀有关的破坏。挤压条件下隧道收敛可能长期持续，有时超过1年。 7. Kovari(1998)岩石对开挖的挤压响应意味着：地层大变形造成隧道截面收缩，变形持续很长时间，如果变形收到抑制，地层压力可能
6、增大，有时导致支护系统破坏。并且指出，持续大变形通常不是膨胀的结果，在节理化岩体中发生的、因为支护能力不足的、且局限于顶部和侧墙的大变形不是挤压变形，岩爆与挤压不是同一类。 6. Einstein(1990)挤压本质上是因超过极限剪应力而产生的蠕变超过极限剪应力而产生的蠕变，只要应力和材料特性的特殊组合使隧道周围的某些区域超过蠕变开始所需的临界剪应力，任何岩土介质中均可发生挤压现象任何岩土介质中均可发生挤压现象。挤压机制是岩土体中完整材料颗完整材料颗粒粒的蠕变或/和沿着完整材料颗粒边界颗粒边界的蠕变，沿着大型不连续面大型不连续面如层面、片理面、节理和断层的蠕变 8. 国际岩石力学协会(ISRM
7、,1995)“Squeezing of rock is the time dependent large deformation which occurs around the tunnel and is essentially associated with creep caused by exceeding a limiting shear stress. Deformation may terminate during construction or continue over a long time period.”喻渝（1998）认为挤压性围岩就是指高地应力下的软弱围岩（包括断层破碎
8、带岩体），挤压变形的发生的两个必要条件是高地应力和高地应力和围岩软弱围岩软弱，充分条件是支护刚度不足支护刚度不足。赵旭峰（2007）提出挤压现象是一种在隧道开挖过程中与时间有关的大变形，与岩体的弹粘塑性时效力学行为具有相当程度的关联性，表现为在工程扰动力作用下，当岩体所承受的剪应力超过某极限值时，所发生的随时间发展的显著粘弹塑性变形随时间发展的显著粘弹塑性变形。 挤压性围岩应具有下列特征：挤压性围岩应具有下列特征：a-只要应力和材料特性的特殊组合使隧道周围的某些区域超过蠕变开始所需的临界剪应力，任何岩土介质中均可发生挤压现象；b-隧道挤压收敛变形量、变形速率、洞周塑性区范围，取决于地质条件、强
9、度应力比、地下水流量、孔隙水压力以及岩体性质；c-在节理化岩体中可能发生因为支护能力不足的、局限于顶部和侧墙的大变形不包括在挤压变形范畴内；d-与时间相关的变形也可能发生在膨胀岩体中，挤压变形通常不意味着体积增加；e-挤压变形与隧道开挖和支护技术及步序密切相关，若支护滞后，岩体将向洞内移动并造成应力重分布，相反，若岩体变形被抑制，挤压将导致支护结构遭受长期加载。 如何进行大变形的预测和程度分级？如何进行大变形的预测和程度分级？ 从预测方法上：经验方法和半定量半经验方法经验方法和半定量半经验方法。前者本质上是基于岩石质量分类来进行的，后者则使用圆形隧道静水压力条件下的解析解及经验统计分析，提出估
10、计预期变形量的方法。 3/1350 QH1）经验方法 Singh等(1992)提出根据Q值预测挤压变形的临界隧道埋深的公式：其中，H为隧道顶拱埋深(m)，Q为Barton的Q值。133. 0275BNH 1SRFQN Goel等(1995)根据99个隧道的跨度(B)、岩体质量数(N)和隧道埋深(H)的统计数据，提出的如下经验公式：2）半经验半定量方法可根据所设定的判定标准差异，分为3类：单纯强度应力比法单纯强度应力比法，极限变形量极限变形量/相对变形量法相对变形量法，及应力应变强度等多指标结合法应力应变强度等多指标结合法。 强度应力比法Muirwood(1972)首先建议使用能力因子(Comp
11、etency factor)即岩石单轴抗压强度与垂直应力的比值来评价隧道的稳定性。Nakano (1979)利用该参数来认识日本软岩隧道的挤压变形潜势。其后，Jethwa等(1984)、Singh等(1992) 、Hoek (2000) 等学者均根据岩体强度与应力的比值来量化隧道围岩的“挤压变形潜势”。 Jethwa等(1984)提出挤压变形分类的公式及划分标准 HpNcmcmc0指标大变形分级高度挤压中等挤压微弱挤压无挤压岩体强度应力比1.0极限变形量/相对变形量法Aydan等(1993)认为，只要岩体没有完全饱和，围岩大变形不可能完全由矿物的膨胀引起，认识到日本原来认为是膨胀诱发的隧道围岩
12、大变形实际上大部分是挤压变形。并根据岩土材料应力应变曲线中应变硬化阶段、屈服阶段、应变软化阶段的极限应变与弹性极限应变的比值作为预测挤压变形严重程度的评判标准，与实际量测得到的洞周相对切向应变比较。 Goel & Singh(1999) 根据相对变形对围岩挤压变形程度进行了分级。 指标大变形分级微弱挤压中等挤压高度挤压相对变形/u/r%1.03.03.05.05.0Singh等(2007)认为极限应变值的确定应当取决于岩块和岩体的性质，并将其定义为隧道周边切向应变的经验值隧道周边切向应变的经验值，可通过数值模拟或现场监测分析得到，然后监测得到的应变值与极限应变值之比可被用来量化挤压变形潜势和修
13、改支护设计。 craauSI/极限应变观测或预期变形率63. 012. 088. 084. 5icicrEQ分级挤压程度描述SI无挤压SI1.0轻度挤压1.0SI2.0一般挤压2.0SI3.0严重挤压3.0SI5.0非常严重挤压5.010.0双车道公路隧道/cm2035356060单线铁路隧道/cm1525254545指标大变形分级应力强度比3.05.05.08.08.0初始地应力5.010.010.015.015.0相对变形/u/r%4.07.07.010.010.0中铁二局（中铁二局（2000）挤压性隧道的大变形分级标准）挤压性隧道的大变形分级标准 指标大变形分级一般估判变形量/mm5.0
14、10.010.015.015.0相对变形量/%2.53.03.05.05.0徐林生（徐林生（2002）的公路隧道围岩大变形分级划分方案）的公路隧道围岩大变形分级划分方案 指标大变形分级强度应力比0.50.250.250.1515.0刘志春等刘志春等(2008)施工阶段大变形分级标准的综合指标判定法施工阶段大变形分级标准的综合指标判定法指标大变形分级相对变形/u/r%35588强度应力比0.50.250.250.1515.0弹性模量E/GPa21.51.51.01.0综合系数6030301515围岩及支护特征开挖后洞壁围岩位移较大，持续时间较长；一般支护开裂或破损较严重开挖后围岩位移大，持续时间
15、长；一般支护开裂或破损严重开挖后围岩位移很大，持续时间很长；一般支护开裂或破损很严重刘志春等刘志春等(2008)设计阶段的大变形分级标准设计阶段的大变形分级标准岩体岩体双线隧道初期支护极限相对位移（水平收敛和拱顶下沉）双线隧道初期支护极限相对位移（水平收敛和拱顶下沉）围岩级别埋深(m)埋深(m)5030030050050300300500拱脚水平相对净空变化（%）拱顶相对下沉（%）0.200.800.701.200.080.400.300.800.402.001.803.000.141.100.801.40铁路隧道喷锚构筑法技术规范铁路隧道喷锚构筑法技术规范（TB10108-2002, J15
16、9-2002） 现有设计施工规范远远滞后于工程实践研究的结果！现有设计施工规范远远滞后于工程实践研究的结果！围岩大变形的机理围岩大变形的机理何满潮教授提出的软岩大变形的力学机制何满潮教授提出的软岩大变形的力学机制修建于18961906年、连接瑞士和意大利的辛普伦1#隧道是世界上最早出现严重挤压变形的交通隧道。此后，世界范围内先后出现了奥地利Tauern隧道和Arlberg隧道、瑞士Furka隧道、日本Enasan隧道、中国家竹菁隧道、中国乌鞘岭隧道、印度隧道Maneri隧道、伊朗Taloun隧道、土耳其Bolu隧道、委内瑞拉Yacambu隧道等一系列典型挤压性隧道。 围岩挤压大变形工程实例围岩
17、挤压大变形工程实例在我国水电、交通等工程领域，近年来有越来多的深埋长大隧道进入施工期，地下洞室“长、大、深、群”的特点也将愈加明显，带来许多深部岩石力学问题，其中尤以岩爆最为突出。岩爆不仅破坏地下工程结构，损坏生产设备，而且严重威胁人身安全，已成为我国未来深部或深埋地下工程中的一大技术瓶颈问题（谭以安，1989、1991；Jenkins, Williams, Wideman，1990；谢和平、Pariseau ，1993；Young，1993；费鸿禄，1993；周爱民，1996；康德安，1996；冯夏庭、王泳嘉，1998；唐春安，2004）。 二、深部隧道围岩的岩爆二、深部隧道围岩的岩爆n岩爆
18、是高应力地区地下洞室中围岩脆性破坏时应变能突然释放造成的一种动力失稳现象, 属于高应力地区洞室开挖中常见的一种地质问题（教科书）。n通过岩爆室内实验资料分析，岩爆是高能量岩体在开挖形成的临空条件下能量突然释放的地球物理现象（何满潮）。n岩爆通常被定义为能够导致地下洞室严重损坏的微震事件(P. Kaiser)。n由于开挖洞室，使原有的地应力平衡被打破,不仅地应力将重新分布，而且往往造成局部围岩应力跃升及能量进一步集中，并可能导致围岩变形局部化现象,诱发岩石中的微破裂，使围岩由静态平衡向动态失稳发展，释放大量弹性能，形成岩爆（唐春安）。n岩爆是宏观上处于低应力、小变形状态(相对于静力破坏极限)的硬
19、质脆性围岩中初始损伤的渐进性扩展，引起裂纹周围(尤其是尖端)局部应力环境恶化，并最终导致裂纹大规模快速动力扩展的结果（徐林生）。岩爆的定义岩爆的定义因此，岩爆是一种由渐进破坏诱发突变的过程，其力学机制极其复杂，目前有关它的研究还多停留在假说和经验阶段。Brown（1988）曾指出：“甚至在岩爆定义上达到一致意见都是困难的，岩爆这个问题的成功答案，目前正在全世界很多研究中心进行着研究，它的进展将代表着岩石力学这门学科的发展和重大突破”。Hoek和和Brown（1986）也曾指出：“目前对这种渐进破坏过程还很不清楚，它是岩石力学研究工作者所面临的一个挑战性难题”。 依据岩爆发生的原因，岩爆可分为断
20、层滑动、矿柱破坏和应变型岩爆。根据岩爆发生的时间，岩爆可分为瞬时岩爆和滞后岩爆。两者的形成机理有所不同：n 瞬时岩爆的最大应力水平远远大于岩体强度，当开挖形成临空面侧限压力解除时，应力不能及时调整，切向应力来不及增加的情况下发生了岩爆的现象。n 滞后岩爆的最大应力水平接近于岩体强度，当开挖形成临空面侧限压力解除时，应力能够调整，切向应力迅速增加的情况下发生了岩爆的现象。 岩爆的分类岩爆的分类无论是瞬时岩爆，还是滞后岩爆，都要经历岩爆应力演岩爆应力演化过程化过程和岩爆板裂结构演化过程岩爆板裂结构演化过程。 岩爆应力演化过程岩爆应力演化过程 岩爆板裂结构演化过程岩爆板裂结构演化过程 瞬时岩爆的应力
21、路径瞬时岩爆的应力路径 滞后岩爆的应力路径滞后岩爆的应力路径 瞬时岩爆和滞后岩爆的应力路径差异瞬时岩爆和滞后岩爆的应力路径差异岩石剥落岩石剥落是一种可以在开挖面附近显著看到的岩石渐进破坏过程，包括延伸或张拉破坏（裂纹扩展图a）以及剪切破坏过程（明显沿着既存弱结构面b）。剥落破坏可能是逐步发展，也可能以应变型岩爆的方式突然出现。 延伸型剥离延伸型剥离 沿弱面剪切破坏沿弱面剪切破坏 片麻岩中应力导致的破坏片麻岩中应力导致的破坏 岩石剥落和岩石碎胀岩石剥落和岩石碎胀岩体碎胀岩体碎胀是由于大块或中等块度节理岩体破坏而导致的体积增长过程。由于侧向收缩，岩体破碎成块状并沿径向朝洞内移动。这种情况会大大增加
22、支护的变形量。如果没有支护的话，碎胀系数可以达到35%。而如果设置适当的支护体系，碎胀系数可以降低到5-10%(Kaiser et al. 1996)。 岩爆弹射现象岩爆弹射现象岩爆从洞壁弹射出的岩块及靠近岩爆裂面残留下来的断块多为棱块状、透镜状、磷片状、片状, 少数为板状。经过长期研究，人们发现岩爆一般仅发生于坚硬的脆性岩石中，隧道横断面上的应力分量的和( 1+3)的量级一般较高。有研究者指出，应力接近岩体强度的高储能体的存在，是岩爆产生的内因，某些附加荷载的触发是其产生的外因。目前被广泛采用的岩爆预测判据：切应力()与单轴抗压强度( c )之比，强调的主要是“荷载接近强度荷载接近强度”，这
23、被称为岩爆发生机制的静荷载理论。岩爆发生机制岩爆发生机制大多数岩爆都是在 低于甚至远低于c的情况下发生的；尽管隧道开挖诱发的应力重分布可以使开挖轮廓面附近的q s 有所增大，但根据摩尔-库仑准则，增大的幅度还不足以将围岩压爆。在大块或中等块度的节理脆性岩体中，破坏深度起自于开挖处最大应力超过由完整岩芯获得的UCS值大约40%时。 如果试验所得的UCS值低于实际岩石的真实强度（可能是来自于破坏了的钻孔岩芯），这将造成对岩爆深度的误判。岩爆的烈度分级岩爆的烈度分级水力水电工程地质勘水力水电工程地质勘察规范察规范(50287-2006)岩爆的烈度分级岩爆的烈度分级水力水电工程地质勘水力水电工程地质勘
24、察规范察规范(50287-2006)从小的岩块剥落到严重的破碎岩体剥离，围岩破坏在剧烈程度或严重程度上有所不同。岩爆破坏的动力特性意味着在破坏过程中存在着潜在的有可能导致已支护和未支护洞室严重破坏或完全垮塌的能量释放。Kaiser et al. (1996) 采用破坏深度(Depth of Failure)和沿巷道周界的侧向破坏长度定义岩爆的严重程度。 岩爆的烈度分级岩爆的烈度分级岩体强度岩体结构岩性工程断面尺寸效应、形状效应开挖方式与开挖速度支护类型与施工质量 岩爆影响因素岩爆影响因素地应力条件，包括重力、构造应力、工程扰动应力等岩爆是否可以预测呢？两个部分：（1）岩爆的破坏位置能够预测吗？
25、（2）岩爆发生的时间能够预测吗？ Kaiser认为，精确预测隧道岩爆发生的时间或者位置以便有选择地设置防岩爆支护几乎是不可能的几乎是不可能的。然而基于大量数据的收集数据的收集，在掘进循环中建立岩爆发生时间的判断准则是有可能的判断准则是有可能的。 岩爆的预测岩爆的预测改善岩爆条件改善岩爆条件:采用超前径向钻孔减压。在产生岩爆位，打风钻孔或放小炮震裂，并可同时在风钻孔内灌水，人为造成应力扩敬，改变应力集中状态。改善岩爆发生的爆破振动诱因改善岩爆发生的爆破振动诱因:在岩爆易发生洞段，采用短进尺，多循环的开挖方式，控制一次爆破用药量，有利于应力的逐步释放，减轻爆破展动对围岩极限应力状态的破坏。加强支护
26、加强支护:对需要永久衬砌的地段，岩爆部位可增设锚杆，同时挂网喷混凝土;对不需要永久衬砌的地段，采用临时钢木排架支护，听到爆裂声，立即进行支护。 回避的方法回避的方法:对强岩爆洞段，各种处理办法都来不及用上或难以用上时，等待围岩应力自行调整达到稳定，有时也不失为一种方法。岩爆的防治岩爆的防治红粘土：红粘土：碳酸盐岩系出露区的岩石，经红土化作用形成的棕红或褐黄等色的高塑性粘土称为原生红粘土。经再搬运、沉积后仍保留红粘土基本特征，液限大于45%的粘土称为次生红粘土。l红黏土的定义红黏土的定义中国科学院研究生院工程地质学硕士课程1977年版工业与民用建筑和地基基础设计规范:红粘土红粘土是碳酸盐类岩石经
27、风化后残积、坡积形成的褐红色、棕红色、黄褐色粘土。玄武岩、花岗岩、碎屑岩、粉砂岩及某些黏土岩都有可能风化形成红粘土红粘土主要分布在北纬北纬30与南纬与南纬30之间的热带、亚热带地区。我国红粘土分布广泛, 主要分布区在我国南方各省区南方各省区, 总出露面积达20余万平方公里。如云贵高原、四川东部、广西、粤北及鄂西、湘西等地区的低山、丘陵地带顶部和山间盆地、洼地、缓坡及坡脚地段。红黏土分布红黏土分布中国科学院研究生院工程地质学硕士课程黔、桂、滇等地古溶蚀地面上堆积的红粘土层，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勾常见为58m，最薄为0.5m，最厚为20m。在水平方向常见咫尺之隔，
28、厚度相差达10m之巨。上层中常有石芽、溶洞或土洞分布其间，给地基勘察、设计工作造成困难。中国科学院研究生院工程地质学硕士课程对红粘土的成因: 红粘土化过程基本上是一个化学、物理化化学、物理化学学的变化或母岩中矿物的迁移、过渡、交代、沉淀迁移、过渡、交代、沉淀的过程, 并归纳为下列三个发展阶段:第一阶段: (最初风化) 原始矿物部分地或完全地物理或化学的风化, 基本元素、倍半氧化物胶体的“释放”。第二阶段: (次生风化或红粘土化) 母岩部分地或完全地淋滤。一些矿物分解、迁移、矿物间部分的重新组合。第二阶段的风化程度与原始矿物的化学风化程度及本质有关。第三阶段: 部分的或完全的水合胶体, 氧化铁、
29、铝的脱水。 红黏土成因红黏土成因红粘土的一般特点是含水量高、孔隙比大，塑性强，却具有较高的力学强度和较低的压缩性。红粘土红粘土的含水量高、孔隙比大，塑性强等物理指标与软黏土软黏土相似，但是其较高的力学强度和低压缩性，与软粘土差别巨大。中国科学院研究生院工程地质学硕士课程红黏土基本物理力学性质红黏土基本物理力学性质中国科学院研究生院工程地质学硕士课程红黏土基本物理力学性质红黏土基本物理力学性质在液限孔隙比散点图上，可看出红粘土的液限比软土液限上限大很多。中国科学院研究生院工程地质学硕士课程红黏土与软土工程力学特性比较红黏土与软土工程力学特性比较在压缩系数孔隙比散点图上，可看出相同孔隙比条件下，红
30、粘土的压缩系数比软土压缩系数下限低很多。中国科学院研究生院工程地质学硕士课程在无侧限抗压强度孔隙比散点图上，可看出红粘土的抗压强度比软土抗压强度的上限大很多。红黏土与软土工程力学特性比较红黏土与软土工程力学特性比较中国科学院研究生院工程地质学硕士课程在剪应力孔隙比散点图上，可看出红粘土的抗剪强度比软土抗剪强度上限要大。红黏土与软土工程力学特性比较红黏土与软土工程力学特性比较虽然虽然红粘土红粘土的含水量高、孔隙比大，塑性强等物理指标比软黏土软黏土差，但是其工程性能却远比软土要好。这一特性是红粘土被视为特殊土的主要原因。p红粘土的组成成分红粘土的组成成分p红粘土的一般物理力学特征红粘土的一般物理力
31、学特征p红粘土的物理力学性质变化范围及其规律性红粘土的物理力学性质变化范围及其规律性p裂隙对红粘土强度和稳定性的影响裂隙对红粘土强度和稳定性的影响红粘土的成分、物理力学特征及其变化规律红粘土的成分、物理力学特征及其变化规律红粘土的主要工程性质与评价中国科学院研究生院工程地质学硕士课程由于红粘土系由于红粘土系碳酸盐类及其他类岩石的风化后期产碳酸盐类及其他类岩石的风化后期产物物，母岩中的较活动性的成分，母岩中的较活动性的成分SOSO2-2-4 4、CaCa2+2+、NaNa+ +、K K+ +经经长期风化淋滤作用相继流失，长期风化淋滤作用相继流失，SiOSiO2 2部分流失，此时部分流失，此时地表
32、则多集聚地表则多集聚含水铁铝氧化物及硅酸盐矿物含水铁铝氧化物及硅酸盐矿物，并继并继而脱水变为氧化铁铝而脱水变为氧化铁铝，使土染成褐红至砖红色。，使土染成褐红至砖红色。因此，红土化过程同时也是脱硅富铝铁的地球化学因此，红土化过程同时也是脱硅富铝铁的地球化学过程。过程。中国科学院研究生院工程地质学硕士课程红粘土的矿物成分除仍含有一定数量的石英颗粒外，大红粘土的矿物成分除仍含有一定数量的石英颗粒外，大量的粘土颗粒则主要为量的粘土颗粒则主要为多水高岭石、水云母类、胶体二多水高岭石、水云母类、胶体二氧化硅及赤铁矿、三水铝土矿氧化硅及赤铁矿、三水铝土矿等组成，等组成，不含或极少含有不含或极少含有机质机质。
33、红粘土的主要矿物有红粘土的主要矿物有: : 高岭石、伊利石、针铁矿、褐铁高岭石、伊利石、针铁矿、褐铁矿、蒙脱石、石英、绿泥石和水铝英石等。矿、蒙脱石、石英、绿泥石和水铝英石等。中国科学院研究生院工程地质学硕士课程红粘土颗粒周围的吸附阳离子成分也以水化程度很弱的红粘土颗粒周围的吸附阳离子成分也以水化程度很弱的三三价铁、铝价铁、铝为主。为主。红粘土的粒度较均匀，呈高分散红粘土的粒度较均匀，呈高分散性性。粘粒含量一般为。粘粒含量一般为6070，最大达，最大达80。1、天然含水量高，一般为天然含水量高，一般为4060，高达，高达90。红粘土的一般物理力学特征红粘土的一般物理力学特征2、密度小，天然孔隙
34、比一般为、密度小，天然孔隙比一般为1.4-1.7，最高，最高2.0，具有大孔性。，具有大孔性。5、一般呈现较高的强度和较低的压缩性，固结快剪内摩擦角为、一般呈现较高的强度和较低的压缩性，固结快剪内摩擦角为8。18。，内聚力，内聚力4090kPa。压缩系数。压缩系数a0.2-0.3=0.1-0.4MPA-1，变形模，变形模量量10-30MPa，最高可达，最高可达50MPA，荷载试验比例界限，荷载试验比例界限200300kPa。3、高塑性。液限一般为、高塑性。液限一般为6080，高达，高达110；塑限一般为；塑限一般为4060，高达，高达90；塑性指数一般为；塑性指数一般为2050。4、由于塑限很
35、高，所以尽管天然含水量高，一般仍处于坚硬或硬、由于塑限很高，所以尽管天然含水量高，一般仍处于坚硬或硬可塑状态，液性指数一般小于可塑状态，液性指数一般小于0.25。但是其饱和度一般在。但是其饱和度一般在90以上，以上，因此，甚至坚硬粘土也处于饱水状态。因此，甚至坚硬粘土也处于饱水状态。6、不具有湿陷性，其湿陷系数、不具有湿陷性，其湿陷系数0.00040.00080.015。原状土浸水。原状土浸水后膨胀量很小后膨胀量很小(2)，但失水后收缩剧烈，原状土体积收缩率，但失水后收缩剧烈，原状土体积收缩率25，而扰动土可达而扰动土可达4050。红粘土：虽然天然含水量高，孔隙红粘土：虽然天然含水量高，孔隙比
36、很大，但却具有较高的力学强度比很大，但却具有较高的力学强度和较低的压缩性和较低的压缩性生成环境及其相应的组成物质和坚生成环境及其相应的组成物质和坚固的粒间连结特性。固的粒间连结特性。 原因原因中国科学院研究生院工程地质学硕士课程红粘土呈现高孔隙性首先在于其颗粒组成的高分散性，是粘粒含量特别多和组成这些细小粘粒的含水铁铝硅氧含水铁铝硅氧化物化物在地表高温条件下很快失水而相互凝聚胶结凝聚胶结，从而较好地保存了它的絮状结构絮状结构的结果。因此，红粘土有较高的强度，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、硅氧化物，粒间
37、连结强度大。另外，由于红粘土颗粒周围吸附阳离子成分吸附阳离子成分主要为三价三价铁和铝铁和铝，这些铁、铝化的颗粒外围的结合水膜很薄结合水膜很薄，也加强了其粒间的连结强度。中国科学院研究生院工程地质学硕士课程红粘土的高天然含水量的原因：红粘土的高天然含水量的原因：颗粒高分散性，表面能很大，吸附了大量水分子。红粘土的高塑限值的原因：红粘土的高塑限值的原因：土中孔隙是被强结合水(吸着水)所充填，而强结合水由于受土颗粒的吸附力很大，分子排列很密，具有很大的粘滞性和抗剪强度。由于分布地区环境地表温度高，分布在山坡、山岭或坡脚地势较高地段的红粘土，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
38、，使土体处于坚硬或硬可塑状态。这些红粘土的组成成分及其粒间连结和含水特性，也是它所以呈现高孔隙性和大孔性，而又不具有浸水湿陷性的主要原因。已有资料分析知，红粘土本身的物理力学性质指标又有相当大的变化范围。以贵州省的红粘土为例：天然含水量2588；天然孔隙比0.72.4；液限36l25；塑性指数1875；液性指数0.451.4；内摩擦角231度，内聚力10140kPa，变形模量436MPa。其物理力学性质变化如此之大，承载力自然会有显著的差别。貌似均匀的红粘土，其工程性能的变化却十分复杂，这也是红粘土的一个重要特点。红粘土的物理力学性质变化范围及其规律性红粘土的物理力学性质变化范围及其规律性中国
39、科学院研究生院工程地质学硕士课程1）在深度方向，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。1m处的内聚力为190kPa，到11m则降为9kPa，只及1m处的120。上硬下软。上硬下软。 2）在水平方向，随着地形地貌及下伏基岩的起伏变化，红粘土的物理力学指标也有明显的差别。在地势较高的部位，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，而地势较低处则相反。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。水平各向异性。水平各向异性。中国科学院研究生院工程地质学硕士课程红粘土物理力学特
40、征在空间上的变化规律红粘土物理力学特征在空间上的变化规律由于红粘土中细粒粘土矿物含量高，且主要是以高岭高岭石、伊利石石、伊利石（少量的蒙脱石、绿泥石和水铝英石）为主，塑性强，膨胀特性膨胀特性表现很弱或不明显。但是，红粘土失水收缩的特性失水收缩的特性最明显。中国科学院研究生院工程地质学硕士课程红粘土的胀缩特性红粘土的胀缩特性红粘土失水收缩性而发育裂隙也是红粘土的一大特征。坚硬、硬可塑状态的红粘土，在近地表部位或边坡地带，往往裂隙发育，土体内保存许多光滑的裂隙面。裂隙对红粘土强度和稳定性的影响裂隙对红粘土强度和稳定性的影响中国科学院研究生院工程地质学硕士课程确定红粘土地基承载力的几个原则问题确定红
41、粘土地基承载力的几个原则问题红粘土的主要工程性质与评价1、在确定红粘土地基承载力时，要随埋深变化的湿度和上部结构情况，分别确定。因为红粘土物理力学特性变化范围很大，即使同一成因和埋藏条件下的、红粘土的地基承载力也有所不同。2、为了有效地利用红粘土作为天然地基，针对其强度具有随深度递减的特征，基础宜尽量浅埋，把土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粘土的承载能力，又可节约基础材料，便于施工。中国科学院研究生院工程地质学硕士课程3、红粘土一般强度高，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，不考虑地基变形。但由于同一建筑地基上各部分红粘土厚度和性质很不均不均匀
42、匀，从而形成过大的差异沉降差异沉降，往往是天然地基上建筑物产生裂缝裂缝的主要原因。此时，按变形计算地基变形计算地基对于合理地利用地基强度，正确反映上部结构及使用要求具有特别重要的意义。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。中国科学院研究生院工程地质学硕士课程4、无论按强度还是按变形考虑地基承载力，必须考虑红粘土物理力学性质指标的垂直向变化，划分土质单元，分层统计、确定设计参数，按多层地基进行计算。 中国科学院研究生院工程地质学硕士课程关于红粘土地基承载力的确定方法，一般有：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粘土的抗剪强度指标，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。中国科学院研究生院工程地质学硕士课程确定红粘土地基承载力的方法确定红粘土地基承载力的方法
