论文摘要
红粘土是我国分布最广泛的特殊土类型之一,其自身不良的物理、水理性质为我国公路、铁路、桥、隧工程沿线地质灾害的发生带来了很大隐患。工程实践发现,红粘土工程性质的劣化、其发育区路堑边坡的失稳、崩塌、路基不均匀沉降等工程地质问题的产生与爆发在很大程度上都是为水体长期或周期性或突发性作用结果。水的性质、存在形式及其与红土的作用方式、作用程度是影响红土化作用程度及红粘土发育特征、工程性质的关键因素。本文即以三峡库区发育的典型南方红粘土为对象,总结杭兰高速公路线路区红粘土发育地质背景、发育条件、分布规律,调查研究线路区红土诱发地质灾害类型及其特点,总结分析其发育区主要工程地质问题及其特点。在此基础上,开展关于红粘土土水特征的研究。传统意义上关于红土的研究多是集中在宏观领域,关注其物理性质及工程病害性的程度。随着越来越多难以应用经典土力学解释的工程问题的爆发与岩土工程师们对非饱和问题的关注,开展关于特殊土问题的非饱和特性研究就具有了实践意义与前沿性。本文不仅采用宏观分析方法,应用物理、力学实验,探讨了工作区红粘土物理性质规律；同时开展了非饱和土土水特征曲线试验,探讨三相介质中,土水相互作用特征及其影响因素；并且采用X-衍射试验、化学全分析、环境扫描电镜、热重/差热分析等微观试验方法,从微观领域解释与分析土水相互作用机理；最后应用门限分割法进行微观定量化分析、应用VG模型对土水特征曲线进行预测,也在不同状态土体饱和土渗透试验的基础上,应用数学方法对非饱和土渗透特性进行了预测。主要研究成果有：（1）红粘土物理、力学性质受成岩环境、地理位置、形成条件等因素影响。研究范围内,沿深度方向,红粘十的含水率、孔隙比、压缩性系数、自由膨胀率总体上表现出随深度增加而增高,粘聚力、内摩擦角等强度指数随深度增加而降低,稠度状态由硬塑变为可塑、软塑。水平方向上,地势较高处相对低洼地带,红粘土含水率、压缩性等指标均较低,强度参数较高。沿深度方向,其物性指数存在一明显分界点,在此分界点处,其物理、力学性质达到最差,为边坡易滑带。（2）红粘土土水效应受红土微观物相、结构特征影响。其自身的粒度细分散性、假粒性、假粉性等特点,使得其电镜下微观结构表现出团聚效应,是红粘土孔隙比、液塑限等物理性质增高；胶结、结构连接强度高与低压缩性力学效应；表面活性与水敏感性表现强烈的主要原因。（3）红粘土中主要粘物矿物为蒙脱石、伊利石、高岭石。主要化学成分为硅、铝、铁的氧化物,红土化作用特征显著。微结构上,表现出单粒、集粒联合发育的特征；面-面边-面、点-面接触关系均有发育；集粒间的连接强度较单粒间的连接强度要弱,水敏感性较强,常随降雨入渗作用,是影响土体稳定性的主要原因。（4）红粘土土水特征曲线受土体初始状态影响。随初始含水率的不同,同一基质吸力下对应的水分状态总体上呈现出“八”字型发展。在设计初始含水率为最优含水率时,土体储水系数最低,脱水速率最慢,储水性能最好。以设计最优含水率为基点,随初始含水率递增或递减,同一基质吸力下对应的饱和度均呈规律性的递减趋势。而随干密度的增大,不同含水状态表达所反应的规律并不相同。分析证明了在探讨密度状态与基质吸力的关系时,对于由密度状态不同所导致的土体本身孔隙空间不等,导致吸水量不等的问题,应用与吸水量密切相关的重力含水率来表示与衡量土水特征曲线的变化规律是不合理的,而应用饱和度与基质吸力的关系曲线来探讨与研究此问题更为合适。因此,同一基质吸力条件下,随干密度增大,虽然土体中含水量降低,但是失水率降低,饱和度增大,失水困难,脱水速率减弱,对水的吸附能力强,持水性能好。随细粒含量的减少、土粒尺寸的增大,土体进气值减小,储水系数增大。在小于0.05mm粒径范围内,土颗粒的团聚效应在一定程度上影响了土体三相介质作用关系。（5）采用微观试验方法,定性与定量分析均证明了土体孔隙结构及土中结合水在红粘土土水相互作用中的贡献,并解释与分析了土水相互作用机理。（6）采用野外单环法与室内变水头渗透试验,量测了不同状态土体渗透系数,并应用土水特征曲线计算分析了不同状态非饱和土体渗透系数。结果显示,从饱和土体到非饱和土体,红粘土渗透系数均有不同程度的降低。其非饱和渗透系数并不是一单一值,同时受到土颗粒孔隙结构、饱和度、基质吸力的影响。基本作用规律与土水特征影响因素量测结果吻合。（7）应用VG数学模型,进行非饱和土体土水特征曲线预测拟合精度高,方法可行。