壓實紅粘土抗剪強度特性研究?

武澤華，陳開圣

(貴州大學土木工程學院，貴州貴陽550025)

壓實紅粘土抗剪強度特性研究?

武澤華，陳開圣?

(貴州大學土木工程學院，貴州貴陽550025)

紅粘土的強度特性直接關系到路基的穩(wěn)定和邊坡坡度的選取，是紅粘土地基工程、邊坡工程和洞室工程設計計算的重要參數(shù)。直剪試驗與三軸試驗是室內(nèi)測定土的抗剪強度指標最常用的兩種試驗方法。試驗所用的土樣取自貴州大學西校區(qū)某基坑，采用直剪試驗與三軸試驗測定紅粘土抗剪強度，并進行了比較。結果表明，粘聚力隨含水率的增大而減小，最佳含水率前，減小幅度較小，超過最佳含水率后，減小幅度較大;粘聚力隨壓實度的增大而增大，同一壓實度下，最佳含水率前的粘聚力遠遠大于最佳含水率后的粘聚力。內(nèi)摩擦角隨含水率的增大而減小，隨壓實度的增大而增大;粘聚力隨含水率、壓實度的變化幅度遠遠大于內(nèi)摩擦角的變化幅度。同一含水率同一壓實度下，不固結不排水三軸試驗得到的粘聚力和內(nèi)摩擦角比直剪(快剪)試驗的結果要大。

壓實紅粘土;直剪試驗;三軸試驗;抗剪強度

直剪試驗與三軸試驗是室內(nèi)測定土的抗剪強度指標最常用的兩種試驗方法[1][2][3]。土的抗剪強度是研究土的強度特性的重要指標之一，是建筑物穩(wěn)定與安全關系最大的力學性質(zhì)指標[4][5]。偏高或偏低的估計土的抗剪強度，都會給工程帶來破壞和浪費。因此，提供準確可靠的抗剪強度指標、合理地使用抗剪強度指標都非常重要。巖土工程勘察中通常要求采用直接快剪或三軸不固結不排水(uu)試驗測定土的抗剪強度指標[6][7]。這兩種試驗方法雖然都是不固結不排水剪切，但是試驗結果卻存在很大差異。紅粘土的強度特性直接關系到路基的穩(wěn)定和邊坡坡度的選取，是紅粘土地基工程、邊坡工程和洞室工程設計計算的重要參數(shù)[8][9]。

1 紅粘土基本物理性質(zhì)

本試驗所用的土樣取自貴州大學西校區(qū)某基坑。土料特征為:棕紅色，較濕，土質(zhì)均勻，結構較致密，有少量碎石及植物根莖存在，從顆粒組成上講以粉質(zhì)粘土為主。依據(jù)公路土工試驗規(guī)程(JTG E40-2007)方法，土料基本物理指標見表1。

表1 紅粘土基本物理指標

2 試驗方案

2.1 樣品制備

采用實驗室制備環(huán)刀和三軸試樣制成一定含水率和一定壓實度下的土樣各16組，每組4個，樣品見表2。

2.2 試驗方法

2.2.1 直剪試驗

將制備的試樣放在四聯(lián)直剪儀上進行快剪實驗，分別施加100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa的壓應力[10]，不同剪切位移時記錄百分表讀數(shù)，按公路土工試驗規(guī)程(JTG E40-2007)方法計算各個試樣的剪應力。百分表示數(shù)增長越快說明應力增長越快，計算得到的應力最大值即為該試樣的抗剪強度。

表2 樣品制備表

2.2.2 三軸實驗

將配制好的同樣的含水率壓實度的試樣放在常規(guī)三軸壓縮儀上進行不固結不排水實驗，分別施加100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa的圍壓，由于三軸實驗采用電腦和采集系統(tǒng)進行，所以開始試驗后電腦會自動記錄對應應變時的應力數(shù)值并自動生成應力應變曲線和莫爾圓。

3 試驗結果

3.1 直剪試驗結果

表3 直剪試驗結果

圖1 粘聚力與含水率關系

圖2 內(nèi)摩擦角與含水率關系

圖3 粘聚力與壓實度關系

圖4 內(nèi)摩擦角與含水率關系

3.2 三軸試驗結果

表4 三軸試驗結果

圖5 粘聚力與含水率關系

圖6 內(nèi)摩擦角與含水率關系

圖7 粘聚力與壓實度關系

圖8 內(nèi)摩擦角與含水率關系

由圖1-圖8可知，粘聚力隨含水率的增大而減小，最佳含水率前，減小幅度較小，超過最佳含水率后，減小幅度較大；粘聚力隨壓實度的增大而增大，同一壓實度下，最佳含水率前的粘聚力遠遠大于最佳含水率后的粘聚力；內(nèi)摩擦角隨含水率的增大而減小，隨壓實度的增大而增大；粘聚力隨含水率、壓實度的變化幅度遠遠大于內(nèi)摩擦角的變化幅度。

圖9 粘聚力對比

圖10 內(nèi)摩擦角對比

3.3 直剪試驗結果與三軸試驗結果的比較

由圖9-圖10可知，同一含水率同一壓實度下，不固結不排水三軸試驗得到的粘聚力和內(nèi)摩擦角比直剪(快剪)試驗的結果要大。這是由于直接快剪試驗剪切面是固定的，而剪切面積隨剪切位移的增加而減小，剪切力和剪應變分布都不均勻，且不能嚴格控制排水。而三軸(uu)試驗的剪切面是不固定的，剪切面是試樣抗剪能力最弱的面，剪應力和剪應變分布均勻，而且能嚴格控制排水。在受力條件上，三軸試驗是空間受力，這一受力條件更接近于土樣的天然狀態(tài)，更真實，而直剪試驗是單向受力，與土的實際狀態(tài)有很大差別，試驗結果更接近于土樣的實際理論值。

4 結論

(1)粘聚力隨含水率的增大而減小，最佳含水率前，減小幅度較小，超過最佳含水率后，減小幅度較大；粘聚力隨壓實度的增大而增大，同一壓實度下，最佳含水率前的粘聚力遠遠大于最佳含水率后的粘聚力。

(2)內(nèi)摩擦角隨含水率的增大而減小，隨壓實度的增大而增大；粘聚力隨含水率、壓實度的變化幅度遠遠大于內(nèi)摩擦角的變化幅度。

(3)同一含水率同一壓實度下，不固結不排水三軸試驗得到的粘聚力和內(nèi)摩擦角比直剪(快剪)試驗的結果要大。

[1]公路土工試驗規(guī)程(JTG E40-2007).

[2]劉春，吳緒春.非飽和紅粘土強度特性的三軸試驗研究[J].四川建筑科學研究，2003，29(2):65-73.

[3]畢慶濤，姜國萍，丁樹云.含水量對紅粘土抗剪強度的影響[J1.地球與環(huán)境，2005，33(3):144-147.

[4]劉龍武，楊和平，康石磊等.紅粘土填料的路用性質(zhì)研究[J].公路，2002(6):125-128.

[5]陳開圣，殷源.貴陽-清鎮(zhèn)高速公路紅粘土強度指標性能試驗[J].公路交通科技，2011，28(3):61-66.

[6]李景陽.貴州殘積紅粘土的力學強度特征[J].貴州工業(yè)大學學報，1997，26(2):73-78.

[7]沈珠江.當前非飽和土力學研究的若干問題[C].見:區(qū)域性土的巖土工程問題學術討論會論文集.南京:原子能出版社，1996:1-9.

[8]盧肇鈞，吳肖茗，孫玉珍，等.膨脹力在非飽和土強度理論中的作用[J].巖土工程學報，1997，19(5):20-27.

[9]徐永福.非飽和膨脹土的強度理論與工程應用[D].河海大學博士論文，1997.

[10]黃質(zhì)宏，朱立軍，廖義玲.不同應力路徑下紅粘土的力學特性[J].巖石力學與工程學報，2004，23(15):2599-2603.

(責任編輯:王先桃)

Study on Shear Strength of Com pacted Red Clay

WU Zehua CHEN Kaisheng?
(College of Civil Engineering，Guizhou University，Guiyang 550025，China)

The strength characteristics of red clay is directly related to the stability of the roadbed and the selection of slope，it is an important parameter for the red clay foundation engineering，slope engineering and the design calculation of the tunnel engineering.Direct shear test and three axis test are the two most commonly used methods for the determination of shear strength of soil in laboratory.The soil samples used in the experimentwere taken from a foundation pit in West Campus of Guizhou University.The shear strength of red clay was determined by the direct shear test and the three axle test.The results show that the cohesion with moisture content increases，the optimum moisture content，decreased slowly，more than the optimum water content and decrease greatly；cohesion increaseswith the increase of degree of compaction，the same degree of compaction，optimum moisture content of cohesion is far greater than the cohesive force of the optimum moisture content after.The internal friction angle decreaseswith the increase ofwater content，and increaseswith the increase of the degree of compaction，and the variation range of cohesion withmoisture contentand compaction degree ismuch larger than that of internal friction angle.With the samemoisture content，the cohesive force and the internal friction angle of the three-axis test of non-drainage consolidation are larger than that of the direct shear test.

compacted red clay；direct shear test；three axis test；shear strength

TU411.7

A

1000-5269(2016)04-0118-05

10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2016.04.24

2016-04-30

國家自然科學基金項目(51368010)，貴州科技廳-貴州大學聯(lián)合資金項目(黔科合LH字[2014]7663)

武澤華(1991-)，男，在讀碩士，研究方向:巖土工程，Email:1085451862＠qq.com.

?通訊作者:陳開圣，Email:chen_kaisheng＠163.com.