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浅谈红黏土对工程性质的影响

2019/11/08 阅读:

摘要:文章以庆阳隧道工程中出现的红黏土作为研究对象,分析红黏土对工程性质的影响。通过对红黏土进行实验研究,研究红黏土的基本物理性质,然后再研究红黏土的含水率不同对其力学性能的影响。结果表明:该地区的红黏土是棕红色的,由于该地区的地理环境不一样,红黏土的膨胀性属于弱膨胀性;剪切强度和粘聚力随着含水率的增大而减小,且当含水率小于20%时,含水率的变化对剪切强度的影响较小。

关键词:红黏土;工程性质;含水率;剪切强度

红黏土是碳酸盐类岩石经过化学物理作用所形成的粘性土,需要有合适的气候条件和地质条件才可以形成,比如其形成的必要条件就是潮湿、多雨和高温[1]。红黏土是一种比较特殊的土,其物理性质和力学性能也比较特殊。随着我国经济的快速发展,北方进行了很多的工程项目开发,当在开发过程中遇到红黏土,就需要对红黏土的工程性质进行研究分析[2]。抗剪强度作为红黏土的重要性力学性能,当红黏土的含水率有所变化时就会影响其力学性能,换言之,含水率是影响红黏土的强度变化的主要因素[3]。文章将针对庆阳隧道工程中遇到红黏土进行分析,分析红黏土工程地质性质,然后通过实验验证不同含水率对红黏土的力学性能的影响。

1庆阳隧道工程红黏土的介绍

1.1红黏土的工程地质特征

红黏土的组成颗粒非常小,并且排列整齐均匀,大部分的红黏土颗粒小于0.002mm。红黏土也包含着铁质或者铝质胶结矿物组成,其氧化物的成分较高。半倍氧化物中Fe2O3多于A1203。红黏土之间的的矿物质具有稳定的结构,是一种结晶格架,该结构为层状或者链状,而且红黏土中含有结合水,该结合水数量不一,所以红黏土的具有比较高的含水率、孔隙率等。而且由于红黏土的结构组成不一样,其力学性能也有较大的差别。一般情况下,红黏土的力学性能如下:塑性较高、分散性高、含水率较高、密度比较下、强度大、压缩性质低、收缩明显。红黏土的具有很弱的透水性,所以红黏土的水量会很小,而且水量对混凝土不会具有腐蚀作用。

1.2庆阳隧道工程简介

银西铁路庆阳隧道于2018年7月11日顺利贯通,该隧道是国内最长、断面最大的红黏土施工工程,是由中铁隧道局集团承建的,庆阳隧道全长14,其最大的开挖断面是164.09m2,隧道工程中红黏土就长达12.54km,红黏土的长度在隧道长度中占用了90,创造了红黏土长度和断面最大的隧道工程记录。本隧道施工过程中,发现局部段落底板有隆起、膨胀现象,在施工过程中采取优化开挖断面(矢跨比)处理。出现该现象应该是红黏土膨胀性所影响的。表1为勘察阶段和施工阶段红黏土的自由膨胀率平均值,从表中可以看出膨胀性参数勘察阶段与正常开挖后红黏土的膨胀性化学指标几乎没有变化。因此,初步分析造成局部段落底板隆起等膨胀现象的原因在于红黏土的含水率。

2含水率对红黏土特性的影响

2.1实验方式

实验目的在于研究不同含水率的红黏土的工程性质变化规律,能给同类隧道工程建设提供一定的参考依据。制备红黏土试样时将其干密度控制在1.38g/cm3,然后按照含水率分别为10%,15%,20%,25%,30%,35%制备试样,需要将每一个含水率的试样制作成三个,因为会对含水率相同的试样分别进行加压,压力分别为100kPa、200kPa、300kPa。

2.2实验结果

2.2.1含水率对剪应力与位移的影响从图1可以看出,红黏土的含水率对剪应力与位移的关系影响是比较大的。从图中可以看出当含水率为20%时是一个分界线,当含水率小于20%时,从曲线可以看出试样曲线是剪切软化型,当剪应力达到300kPa时,剪切位移越来越大后,剪应力时迅速变小了,最后才慢慢的稳定。当含水率大于20%时,从曲线可以看出试样曲线是剪切硬化型,当剪切位移比较小时,剪应力增加比较快,剪切位移慢慢变大后,剪应力慢慢趋于稳定。这种现象主要产生的原因在于红黏土中有基质吸力,当含水率较小时基质吸力比较多,当含水率较大时基质吸力比较少。

2.2.2含水率对红黏土粘聚力的影响红黏土的含水率不同,其粘聚力也会受到影响。图2为含水率不同时,粘聚力的变化情况。从图中可以看出含水率与粘聚力成反比关系,即当含水率越来越大时,红黏土的粘聚力越来越小,当水率越来越小时,红黏土的粘聚力越来越大。而且它们之间是非线性变化的。从图2中还可以看出当含水率小于20%时,含水率对粘聚力的影响较大,当红黏土的含水率大于20%时,含水率对粘聚力的影响较小。

2.2.3含水率对红黏土抗剪强度的影响图3为含水率不同时红黏土的抗剪强度的变化情况。从图5可以看出红黏土的抗剪强度和含水率是存在非线性关系的,当含水率越来越大时,红黏土的抗剪强度越来越小。而且当含水率小于20%时,含水率的变化对红黏土的抗剪强度的影响较小,当含水率大于20%时,含水率的变化对红黏土的抗剪强度的影响比较大。

3结语

庆阳隧道作为我国第一个红黏土最长、断面面积最大的隧道工程,对其进行研究具有深远的意义。通过上文的分析,含水率对工程的膨胀现象有所影响,会影响红黏土的力学性能。通过实验研究得出含水率与剪切强度和粘聚力成反比关系,当含水率小于20%时,含水率对剪切强度的影响比较小,含水率对粘聚力的影响较大,当含水率大于20%,含水率对剪切强度的影响较大,含水率对粘聚力的影响较小。剪切强度与剪切位移成正比关系,当含水率小于20%时,剪切应力与剪切位移的曲线属于剪切软化型,当含水率大于20%时,剪切应力与剪切位移的曲线属于剪切硬化型。希望文章中所述能够对同类的隧道工程起到一定的参考作用。

参考文献

[1]赵立敏.红黏土的成因及其对工程性质的影响[J].中国科技纵横,2017(14):121-123.

[2]王英辉,张全秀,田鹏程,等.含水量变化对红黏土变形和强度特性的影响研究[J].工程勘察,2009,37(7):10-13.

[3]李光耀,李卫民.贵州不同地区红土地质化作用的差异性对红黏土基本性质影响分析[J].工程勘察,2010(s1):127-132.

[4]武鹏.红黏土的工程地质性质与滑坡形成机理——以宁夏六盘山东麓地区为例[D].西安:长安大学,2015.

[5]王洋,汤连生,高全臣,等.水土作用模式对残积红黏土力学性质的影响分析[J].中山大学学报(自然科学版),007,46(1):128-132.

作者:梁树文 单位:中铁第一勘察设计院集团有限公司

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