高压缩性红土的真空预压实验设计

    尹虹 李涛 王丹

    摘 要：红土有着其特有的不良土工特性，影响了工程的安全性。为此，在测试研究区红土土工特性的基础上，设计了真空预压加固红土的实验。结果表明研究区红土有高压缩性和低强度特性，设计了红土的真空预压实验装置。为研究真空预压技术处理贵州西部红土提供了基础。

    关键词：红土；高压缩性；真空预压；六盘水

    DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.10.222

    0 前言

    被誉为红土高原的云贵高原，是世界上红土分布最广、规模较大的地区之一 。因此就研究红土的性质特点而言，云贵高原是世界上比较理想的天然地带。当然，贵州省六盘水市红土分布也是较为广阔的，此次就以其高压缩性特点进一步探索。

    红土是由岩石在湿热气候条件下经历了一定的风化作用，而形成的一种含较多粘粒，高强度、高压缩性且富含铁、锌氧化物胶结的红色粘性土。并且是一种处于饱和状态、孔隙比较大、以硬塑和可塑状态为主、高压缩性。处于亚热带湿润季风气候条件下的六盘水市红土为碳酸盐类岩石，经残积或局部坡积而形成的红褐色的粘性土。

    目前，国内外对红土的研究较多，有开展力学特性研究，有开展工程特性研究，其相关的处理措施也比较丰富，但很少见采用真空预压处理红土的室内研究，特别是缺少相关的室内实验研究装置。

    由于红土的特性，本文计划基于六盘水地区红土物理特性测试的基础上，开展针对红土真空预压实验设计。

    1 研究区红土特性

    为有针对性开展真空预压实验，对研究区红土的基本特性进行了研究，分别进行了含水率和固结实验的测试。具体内容如下：

    1.1 含水率测试

    对4组红土的含水率进行了测试，4组红土分别取自六盘水师范学院区域内的表层红土，取样深度在0.2～2m，取样的时间前后2天内没有降水。取样后在室内进行含水率测试，测试结果如表1所示。

    1.2 固结实验

    在研究区获取红土，通过重塑得到密度1.75 g/cm3，比重2.6 g/cm3，含水率40.18%，高度2cm，孔隙比1.11，颗粒净高0.95cm的试样。对该试样进行快速固结实验。实验结果如表2所示。

    1.3 室内实验分析

    综合以上实验，结合研究区的地质条件可以分析得出：

    （1）六盘水地区的红土由于平均降水量在300～400毫米，导致红土液限较大、含水较多，饱和度常大于80%，土常处于硬塑至可塑状态，故具有较高的压缩性；

    （2）研究区红土孔隙比一般较大，变化范围也大，尤其是残积红土的孔隙比常超过0.9，甚至达2.0。前期固结压力和超固结比很大，除少数软塑状态红土外，均为超固结土，一般常具有中等偏低的压缩性[1]；

    （3）研究区强度变化范围大，且比淤泥质土强度高，需区分对待红土与淤泥质土[2]；

    （4）研究区红土膨胀性极强，且具有较高收缩性，这与粒度、矿物、胶结物等情况有关。

    1.4 研究区区紅土可能存在的工程问题

    在土地质化作用的差异化影响下，贵州东部与中部地区红土的土性分布较为均匀，具有含水率高、孔隙比高、塑性高、强度高及较高压缩性等特点；相比之下，贵州西部地区的分布情况不均匀，存在软土具有压缩性高、强度低等特性，其中最为突出的是，同一块场地中的地层压缩性能存在不均匀分布的情况。红土主要的工程地质问题为具有一定的膨胀性、底部常有软土，容易引起地基变形和地面塌陷，且六盘水红土地区雨量大，降雨集中，有时一次降雨可达300毫米以上，水土流失会比较严重，强烈的失水收缩会使红土的裂缝较为发育，破坏了红土体本有的性质和完整性，降低了土的强度及其压缩性，也影响了土体所原具有的稳定性。

    介于此，研究区红土分布区可能会发生各种地质灾害，需要进行处理，否则地基稳定性、洞室稳定性和边坡稳定性都需要提高。因此，尝试开展真空预压的实验。

    2 真空预压红土设计

    2.1 真空预压红土的原理

    真空预压是通过抽取真空来降低含水率，然后提高有效应力原理。随着抽气的延续， 设0

    2.2 真空预压红土设计

    如图1所示，本次实验的设计为：在拟加固的边长为50cm立方体玻璃箱内，先设竖向抽气管和铺设砂垫层，并在其上覆盖滤纸层形成封闭。将红土加入玻璃箱内的滤纸层上并用不透气薄膜密封，利用埋在玻璃箱内的竖向抽气管将薄膜与土体间、滤纸与砂垫层间的气和水同时抽出，形成真空的负压界面，使箱内土体进行排水固结从而达到加固作用。抽真空之后，薄膜内的压力逐渐下降，稳定后的压力为pv，薄膜内外形成一个压力差△p=p0-pv，称为真空度[3]。此时，模型中形成负的超静孔隙水压力，使红土排水固结。

    真空预压装置整体由密封装置和抽取真空装置两大部分组成。在边长为50厘米的立方体玻璃箱中，四根竖向抽气管分别在四个角落区域设置一根，便于在玻璃箱不同的位置进行抽气与排水；铺设砂垫层有利于加速土层的表层排水，同时形成一个积水空间；覆盖滤纸层可允许土体中水分向下流动通过，并阻止土颗粒的下渗；铺设不透气薄膜是为了使整个土体在薄膜内形成密封，应注意在竖向抽气管周围也需形成密封，必要时可使用密封胶再次进一步密封，并在实验前进行密封检验。

    四根排水排气管与真空泵的连接可选用胶管，且密封装置中的每个排水排气管上均设有活塞，便于进行抽真空实验。真空预压红土试验可由单个到多个排水排气管逐步进行试验，并形成对比。试验时可慢慢加大抽真空力度，逐渐保持不变，在形成真空度后，观察排水情况，记录相应的数据。实验结束后，进行数据分析，并与未经处理的红土性质形成对比得出结论。

    本实验装置的使用方法是：第一步在野外获取红土样品，备用。第二步安置前述的排水排气管；第三步铺设砂垫层；第四步铺设滤纸层；第五步把第一步制备的红土放入空腔；第六步在红土表面按照不透气薄膜；第七步开挖密封沟；第八步铺设密封膜；第九步密封够回填压膜；第十步安装真空泵；第十一步检查密封性；第十二步开始实验。依据实验过程中对红土下沉量进行观察，对红土排水量进行观测。在实验结束后取样对比测试，检验真空预压效果。以上实验的结果可以指导工程防灾减灾工程。

    3 结论

    （1）通过以往大量的研究，真空预压加固红土实验能发现，真空预压法能改善红土的特性，预压强度越强，改善红土的特性能力越强。土体地其容许承载力的高低取决于土的变形性和强度，由于红土属于“超固结土”，压缩性中等偏低，因此，除对少数建筑物沉降量要求严格和次生软塑红土外，红土的变形问题是不严重的。

    （2）介于研究区红土的物理力学和水力学特性，本次设计了一种区别于传统的淤泥土真空预压实验装置的红土用的真空预压实验装置，实验装置由密封装置和抽取真空装置两大部分组成。并在此基础上给出了合理的实验操作步骤。

    参考文献：

    [1]唐大雄，刘佑荣，张文殊，王清.工程岩土学[M].北京：地质出版社，2014（07）：126-127.

    [2]吴凯，徐律.贵州红岩土的工程特性研究[J].科学之友，2011（08）：

    08-09.

    [3]莫海鸿，杨小平.基础工程（第三版）[M].中国建筑工业，2013（02）：

    212-213.

    基金项目：贵州省大学生创新创业训练计划项目（2018521001），六盘水师范学院重点学科项目（LPSSYZDXK201802），六盘水师范学院教学内容与课程体系改革项目（LPSSYjg201813）、贵州省教育厅青年科技人才成长项目（黔教合KY字[2018]376）、贵州省教育厅青年科技人才成长项目（黔教合KY字[2018]386）

    作者简介：尹虹（1998-），女，四川绵阳人，本科在读，研究方向：土木工程。

    *为通讯作者