重塑紅黏土和粉狀煤系土的水敏感性比較研究*

李 輝，劉順青

(1.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽淮南232001;2.江蘇科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212005)

隨著我國各種基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的縱向延伸，在西南山嶺重丘區(qū)進(jìn)行大量公路及隧道工程施工，但該地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，沿線廣泛分布紅黏土和粉狀煤系土等特殊土。

紅黏土含水率高、裂隙發(fā)育，遇水后膨脹量小，失水后劇烈收縮，為黏土［1］;粉狀煤系土含水率低、黏結(jié)能力差、遇水膨脹軟化、結(jié)構(gòu)易破壞而喪失強(qiáng)度等特點(diǎn)，其作為路基土或路塹邊坡土是一種不良土質(zhì)［2］。目前為止，很多學(xué)者對不同含水條件下土體的強(qiáng)度及變形特性進(jìn)行了研究，如黨進(jìn)謙等［3］研究了不同含水率條件下黃土的強(qiáng)度特性;李保雄等［4］重點(diǎn)研究了不同沉積年代黃土抗剪強(qiáng)度的水敏感性機(jī)制;胡昕等［5］研究了含水率對礫狀煤系土抗剪強(qiáng)度的影響;趙穎文等［6］系統(tǒng)研究了原狀紅粘土脹縮特性隨脫濕過程的演化規(guī)律;王軍等［7］對不同含水率下膨脹砂巖的強(qiáng)度特性進(jìn)行了試驗研究;劉順青等［8］采用室內(nèi)試驗系統(tǒng)研究了高液限土和紅黏土抗剪強(qiáng)度的水敏感性。迄今為止，紅黏土的研究主要集中在紅黏土的工程力學(xué)特性及其作為路基土方面［9－14］，有關(guān)粉狀煤系土的研究主要集中在其物理力學(xué)特性方面［2］。

為進(jìn)一步了解西南山嶺重丘區(qū)沿線各特殊土之間的力學(xué)性能差異，促進(jìn)土力學(xué)理論的發(fā)展以及滿足工程實踐的需要，應(yīng)加強(qiáng)紅黏土和粉狀煤系土的水敏性特征的試驗研究與理論探討。本文對取自廣梧高速公路沿線的紅黏土和粉狀煤系土進(jìn)行了一系列的室內(nèi)試驗，探討并對比分析了兩者的水敏感性，得到了一些有益結(jié)論。研究結(jié)果為廣梧高速公路沿線紅黏土和煤系土路塹邊坡以及路堤的養(yǎng)護(hù)提供了建議。

1 測試土料及方法

1.1 測試土料的基本特性

測試紅黏土取自廣梧高速公路沿線。紅黏土以細(xì)顆粒為主，小于0.075 mm的顆粒達(dá)到86.17%，具體見表1所示。原狀紅黏土的基本物理性能指標(biāo)為:干密度1.53 g/cm3;含水率25.5%;壓縮系數(shù)為0.45 MPa－1;滲透系數(shù)為 3.2×10－7cm/s;該紅黏土屬于次生紅黏土［15］。

測試粉狀煤系土取自廣梧高速公路沿線。粉狀煤系土以砂粒為主，其中0.075～2.000 mm的含量達(dá)到62.7%，具體粒組成分見表2所示。按照國家標(biāo)準(zhǔn)分類［16］，此土屬于粉土質(zhì)砂，其不均勻系數(shù)為27.8，曲率系數(shù)為2.5，表明該粉狀煤系土的級配良好。粉狀煤系土的基本物理性能指標(biāo)為:干密度1.55 g/cm3;含水率為11.1%;壓縮系數(shù)為0.089 MPa－1;滲透系數(shù)為 2.1 ×10－6cm/s。

由于粉狀煤系土十分松散，現(xiàn)場取樣較困難，為方便比較紅黏土與粉狀煤系土的力學(xué)性能指標(biāo)，本文試驗統(tǒng)一采用重塑樣品，樣品配置時嚴(yán)格按照《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》 (GBT50123－1999)進(jìn)行，試樣物理性能指標(biāo)參照原狀土試驗結(jié)果。

表1 紅黏土的顆粒組成Table 1 Grain size composition of red clay

表2 粉狀煤系土的顆粒組成Table 2 Grain size composition of powdered soil of coal measure strata

1.2 測試方法

為比較紅黏土與粉狀煤系土兩種土質(zhì)的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，選用ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀進(jìn)行常規(guī)直接剪切試驗。試驗紅黏土制樣干密度為1.53 g/cm3，按含水率分別為10.3%、14.8%、20.6%、24.0%、26.5%制備5組試樣，每組試樣4個，為防止低含水率下上覆壓力偏小以及高含水率下上覆壓力偏大而造成土體溢出，所以施加壓力時，低含水率采用200、300、400和500 kPa，高含水率則采用100、200、300和400 kPa。粉狀煤系土制樣干密度為1.55 g/cm3，按含水率4.5%、8.2%、12.2%、16.3%、18.1%制備試樣5組，每組試樣4個，壓力采用100、200、300和400 kPa。試驗結(jié)果如表3、表4所示。

2 結(jié)果分析

2.1 含水率對黏聚力的影響

不同含水率下紅黏土和粉狀煤系土黏聚力的關(guān)系曲線如圖1所示。由圖1中可看出，紅黏土和粉狀煤系土的黏聚力隨著含水率的增加總體上均呈減小趨勢，但變化趨勢有較大不同。研究結(jié)論與文獻(xiàn)［6］中廣西原狀紅黏土的黏聚力隨著含水率的變化有所區(qū)別，區(qū)域的不同是兩者變化趨勢不同的主要原因。紅黏土黏聚力與含水率的關(guān)系近似用指數(shù)函數(shù)表示為

表3 不同含水率時紅黏土的強(qiáng)度指標(biāo)Table 3 Strength index of red soil under different water contents

表4 不同含水率時粉狀煤系土的強(qiáng)度指標(biāo)Table 4 Strength index of powered soil of coal measure strata under different water contents

粉狀煤系土黏聚力與含水率之間的回歸關(guān)系近似用指數(shù)函數(shù)表示為

式中，c為黏聚力，kPa;w為含水率，%。

通常情況下，土粒間的相互吸引、水膜聯(lián)結(jié)及膠結(jié)作用等是黏聚力的主要來源［17］，其中水膜聯(lián)結(jié)和膠結(jié)作用是最重要的兩個部分，而兩者都與含水率有關(guān)。含水率的增加時，土粒表面弱結(jié)合水膜增厚，聯(lián)結(jié)力減弱，直到土體飽和時水膜聯(lián)結(jié)完全消失［18］。膠結(jié)作用是在礦物溶解和重析出過程中產(chǎn)生的［19］，膠結(jié)物只有當(dāng)土中自由水增加到某一值后才開始被溶蝕，并逐漸喪失?？梢钥闯?，只要含水率變化水膜聯(lián)結(jié)就會響應(yīng)，而膠結(jié)作用只有含水率超過某一值后才逐漸減小并不可恢復(fù)。因此，土體黏聚力隨著含水率的增大減小趨勢具有分段性。從圖1可以看出，紅黏土黏聚力減小趨勢具有分段性，含水率在10.3%～20.6%之間時下降最為明顯，當(dāng)黏聚力在接近飽和含水率24.0%時已相對穩(wěn)定。發(fā)生這一現(xiàn)象的主要原因是紅黏土中游離氧化鐵與黏土礦物相互吸附，對團(tuán)粒的膠結(jié)起到重要作用，但膠結(jié)聯(lián)結(jié)會隨含水率增大到某一臨界值時出現(xiàn)驟然破壞，黏聚力明顯下降。相對于紅黏土而言，粉狀煤系土黏聚力減小的分段性不明顯，主要因為該土為粉土質(zhì)砂，顆粒之間的膠結(jié)力較小，水膜聯(lián)結(jié)作用占主要因素。

圖1 不同含水率下紅黏土和粉狀煤系土黏聚力的關(guān)系曲線Fig.1 Curve of cohesion and water content of red clay and powered soil of coal measure strata

2.2 含水率對內(nèi)摩擦角的影響

不同含水率下紅黏土和粉狀煤系土內(nèi)摩擦角的關(guān)系曲線如圖2所示。由圖2可看出，含水率變化對紅黏土內(nèi)摩擦角的影響顯著，對粉狀煤系土內(nèi)摩擦角的影響不顯著。紅黏土內(nèi)摩擦角與含水率的關(guān)系近似用分段函數(shù)表示為

粉狀煤系土內(nèi)摩擦角與含水率的關(guān)系近似用線性函數(shù)表示為

式中，φ為內(nèi)摩擦角，(°);w為含水率，%。

當(dāng)紅黏土的含水率從10.3%增加到26.5%，其內(nèi)摩擦角在52°～15°之間變化;而當(dāng)粉狀煤系土的含水率從4.5%增加到18.1%，其內(nèi)摩擦角在30.3°～28.0°之間變化。隨著含水率的增加，紅黏土的內(nèi)摩擦角具有顯著的分段性特征，而粉狀煤系土的內(nèi)摩擦角的分段性不明顯。這主要是受紅黏土黏粒比例較高，土體比表面積大，水膜聯(lián)結(jié)作用顯著的影響［8］。因此顆粒結(jié)構(gòu)、大小、形狀及密實度是影響土體內(nèi)摩擦角的重要因素［17］。因紅黏土?xí)蛎浭湛s，所以含水率變化時會引起其結(jié)構(gòu)、大小和密實度變化。同時隨著含水率的增大，紅黏土中團(tuán)粒結(jié)構(gòu)中孔隙結(jié)構(gòu)逐漸增大，導(dǎo)致咬合度逐漸降低，宏觀方面表現(xiàn)為內(nèi)摩擦角的減小［20］。從非飽和土力學(xué)中基質(zhì)吸力方面可解釋為隨著紅黏土飽和度的逐漸增大，負(fù)孔隙水壓力逐漸減小，引起表面張力的逐漸消失，同時顆粒間的擠壓作用也隨之消失，相應(yīng)的摩擦作用減?。?1］。粉狀煤系土相對于黏性土而言粗顆粒含量較高，含水率變化時不會引起其顆粒結(jié)構(gòu)、大小及密實度的明顯變化，所以，含水率對粉狀煤系土內(nèi)摩擦角的影響相對較小。

圖2 不同含水率下紅黏土和粉狀煤系土內(nèi)摩擦角的關(guān)系曲線Fig.2 Curve of internal friction angle and water content of red clay and powered soil of coal measure strata

2.3 含水率對抗剪強(qiáng)度包線的影響

不同含水率下紅黏土與粉狀煤系土的抗剪強(qiáng)度包線如圖3、圖4所示。由圖3和圖4可看出，紅黏土和粉狀煤系土的抗剪強(qiáng)度均具有顯著的水敏感性。紅黏土的抗剪強(qiáng)度隨著含水率的增加變化趨勢具有明顯的階段性:先小幅降低，后急劇降低。但粉狀煤系土的抗剪強(qiáng)度變化趨勢的階段性不明顯。兩者抗剪強(qiáng)度水敏感性變化趨勢的不同主要原因是兩者粒組成分和顆粒間膠結(jié)物質(zhì)的不同。

圖3 不同含水率下紅黏土的抗剪強(qiáng)度包線Fig.3 Shear strength envelope of red clay under different water contents

圖4 不同含水率下粉狀煤系土的抗剪強(qiáng)度包線Fig.4 Shear strength envelope of powered soil of coal measure strata under different water contents

3 討論

紅黏土比粉狀煤系土更具有的水敏感性，同時由于兩者粒組成分以及顆粒間膠結(jié)物質(zhì)的不同，表現(xiàn)出不同的規(guī)律性。現(xiàn)階段廣梧高速公路已處于營運(yùn)養(yǎng)護(hù)階段，為保證養(yǎng)護(hù)期相應(yīng)路塹、路堤邊坡的穩(wěn)定性，應(yīng)當(dāng)采取措施減少含水率的變化。根據(jù)本文的研究結(jié)論，給出了以下幾點(diǎn)處理建議:

1)紅黏土以細(xì)顆粒為主，小于0.075 mm的顆粒達(dá)到86.17%，在干濕循環(huán)條件下表層容易形成裂縫，這不僅增大了土體的滲透性，而且也增加了雨水通道，所以裂縫的存在會影響紅黏土邊坡的穩(wěn)定性。廣梧高速公路沿線的紅黏土邊坡應(yīng)定期進(jìn)行現(xiàn)場踏勘，完善排水系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)裂縫及時封堵。

2)粉狀煤系土顆粒間聯(lián)結(jié)較弱、強(qiáng)度低、具有水敏感性，含水率增大后抗剪強(qiáng)度下降明顯。對于廣梧高速沿線的粉狀煤系土路塹和路堤邊坡，應(yīng)做好表層防水并完善排水系統(tǒng)。

3)邊坡穩(wěn)定性時，紅黏土黏聚力可按指數(shù)函數(shù)形式取值，而其內(nèi)摩擦角則按分段形式取值:小于某含水率時，視為常數(shù);大于該含水率時，按與含水率成指數(shù)關(guān)系取值。

4)邊坡穩(wěn)定性時，粉狀煤系土黏聚力可按指數(shù)函數(shù)形式取值，而其內(nèi)摩擦角則按線性函數(shù)取值。

4 結(jié)論

1)紅黏土和粉狀煤系土均具有水敏感性，其中紅黏土水敏感性更顯著，起始含水率越大兩者的抗剪強(qiáng)度越小。

2)紅黏土的黏聚力在某一含水率范圍內(nèi)下降最為明顯，當(dāng)接近飽和含水率時，則趨于穩(wěn)定;其內(nèi)摩擦角則隨著含水率的增加先保持穩(wěn)定，而后急劇減小。

3)粉狀煤系土的黏聚力隨著含水率的增加呈指數(shù)函數(shù)形式減小，其內(nèi)摩擦角則成線性函數(shù)形式減小。

4)顆粒間膠結(jié)物質(zhì)以及粒組成分的不同是紅黏土和粉狀煤系土水敏感性不同的主要原因。

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