基于干濕循環(huán)作用的紅黏土強(qiáng)度特征分析

朱建群，馮浩，龔琰，陳明，韓美蓮

(1.常州工學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，江蘇常州213032；2.常州市建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司，江蘇常州213001；3.湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南湘潭411201)

基于干濕循環(huán)作用的紅黏土強(qiáng)度特征分析

朱建群1，馮浩1，龔琰2，陳明3，韓美蓮1

(1.常州工學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，江蘇常州213032；2.常州市建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司，江蘇常州213001；3.湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南湘潭411201)

紅黏土是一種典型的特殊土。以經(jīng)歷了干濕循環(huán)作用的紅黏土為研究對(duì)象，通過直剪試驗(yàn)，探討了干濕循環(huán)對(duì)土體強(qiáng)度的影響。研究表明，往復(fù)的干濕作用使紅黏土強(qiáng)度特征發(fā)生變化，主要體現(xiàn)在：在低豎向荷載作用下，紅黏土隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，強(qiáng)度呈減小趨勢(shì)；但在較高的豎向荷載作用下，紅黏土強(qiáng)度隨干濕循環(huán)作用次數(shù)的變化趨勢(shì)不明顯；隨著干濕循環(huán)作用次數(shù)的增加，紅黏土黏聚力不斷減小，并趨于一較小的穩(wěn)定值；內(nèi)摩擦角反而隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而有所提高，同時(shí)也趨于一穩(wěn)定值。

紅黏土；干濕循環(huán)；強(qiáng)度特征；直剪試驗(yàn)

紅黏土是一種典型的特殊土，也是工程中常見的問題土。紅黏土的高含水率、大孔隙比和高塑限等物理性質(zhì)與軟土十分類似，但在力學(xué)性質(zhì)上卻表現(xiàn)出強(qiáng)度高、壓縮性小的特征，紅黏土的這一特性是其被視為特殊土的主要原因[1]。外界環(huán)境的變化是紅黏土災(zāi)變的外因，如地下水位的頻繁變動(dòng)，土體經(jīng)歷頻繁的干濕循環(huán)過程，即由飽和土到非飽和土的交替變化過程。在此過程中，脫濕作用使紅黏土因蒸發(fā)作用而失水開裂，吸濕作用則使紅黏土因泥化現(xiàn)象而強(qiáng)度衰減。而紅黏土浸水后膨脹性輕微，失水后收縮明顯，且土體收縮導(dǎo)致的裂縫成為水分入侵與蒸發(fā)的良好通道，這是紅黏土土體失穩(wěn)破壞的內(nèi)因。顯然，不同氣候環(huán)境和季節(jié)條件下，紅黏土因含水率變化差異導(dǎo)致裂隙形成、發(fā)展，且分布特征也會(huì)有所不同。文獻(xiàn)[2—4]先后對(duì)膨脹土在脫濕狀態(tài)下的強(qiáng)度與變形特性、持水特征等進(jìn)行了較為深入的研究。然而，紅黏土在脹縮性方面明顯區(qū)別于膨脹土，工程中不能將膨脹土的相關(guān)結(jié)論用于紅黏土，因此，許多學(xué)者對(duì)紅黏土強(qiáng)度性狀受干濕循環(huán)的作用開展了一系列的研究和探索[5-6]。

本文對(duì)經(jīng)歷干濕循環(huán)作用的紅黏土試樣進(jìn)行了直剪試驗(yàn)，通過分析強(qiáng)度指標(biāo)，以獲得干濕循環(huán)對(duì)紅黏土強(qiáng)度特征的影響，為紅黏土干濕循環(huán)作用下的力學(xué)特征研究提供了試驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)土樣與試驗(yàn)方案

1.1試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)所用土樣取自貴州凱里境內(nèi)凱羊高速公路某合同段，選取表層植被覆蓋良好處進(jìn)行開挖，開挖深度為地表以下1.5～2.0 m，所揭示的天然土樣呈硬塑狀，褐紅色。將從現(xiàn)場(chǎng)取回的土樣置于黑色橡膠墊上，使其在自然狀態(tài)下風(fēng)干后過2 mm的標(biāo)準(zhǔn)篩，備用。根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL 237—1999)[7]，對(duì)紅黏土土樣進(jìn)行顆分試驗(yàn)、界限含水率試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)和液塑限試驗(yàn)等室內(nèi)試驗(yàn)，以獲得土體的基本物理性質(zhì)指標(biāo)，如表1所示，顆粒累計(jì)曲線見圖1。根據(jù)自由膨脹率和膨脹潛勢(shì)等級(jí)判定標(biāo)準(zhǔn)，可知該紅黏土試樣具有弱膨脹性。

表1 紅黏土基本物理性質(zhì)

圖1 紅黏土顆粒累計(jì)曲線

1.2試驗(yàn)方案

研究中對(duì)試樣(干密度均為1.16 g/cm3)進(jìn)行了4次干濕循環(huán)作用，試樣最終的含水率分別為28%、30%、32%和34%，而后進(jìn)行4種豎向壓力(100、200、300、400 kPa)下的直剪試驗(yàn)。通常，直剪試驗(yàn)所需的試樣大小為φ61.8 mm×20 mm，經(jīng)歷干濕循環(huán)作用后的紅黏土試樣將產(chǎn)生收縮，勢(shì)必影響直剪試驗(yàn)的結(jié)果。因此，將試樣初始大小定為φ75 mm×25 mm。當(dāng)試樣完成干濕循環(huán)作用，并達(dá)到預(yù)定含水率后，用環(huán)刀切取所需的試樣，以滿足直剪試驗(yàn)的要求。

干濕循環(huán)作用的過程：將用擊實(shí)法得到的試樣置于真空飽和缸中抽真空飽和，取出靜置于密封盒內(nèi)1 d，然后將試樣置于室內(nèi)，在室溫條件下使其風(fēng)干，歷時(shí)約6 d，在此過程中間隔一定的時(shí)間對(duì)試樣進(jìn)行稱量，達(dá)到預(yù)定的試樣重量即可認(rèn)為達(dá)到相應(yīng)的含水率，為提高試樣風(fēng)干速度，可在室內(nèi)架設(shè)風(fēng)扇，保持室內(nèi)通風(fēng)流暢。此為一個(gè)干濕循環(huán)過程，如試樣需多個(gè)循環(huán)則重復(fù)上述過程。

2 直剪試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)完成干濕循環(huán)作用的環(huán)形試樣，用內(nèi)徑為61.8 mm的環(huán)刀進(jìn)行切取，此為直剪試驗(yàn)所用土樣。切取后試樣用保鮮膜包裹，待用。

2.1不同循環(huán)次數(shù)下的紅黏土剪切曲線

由圖3可知，不同適應(yīng)活化條件對(duì)酵母菌產(chǎn)氣能力有較大影響，隨活化基質(zhì)中碳源和氮源含量的增加，酵母菌的產(chǎn)氣量基本呈上升趨勢(shì)。盡管有氧呼吸時(shí)CO2的產(chǎn)量遠(yuǎn)高于厭氧條件下，但厭氧條件活化所得酵母菌在隨后的發(fā)酵試驗(yàn)中展現(xiàn)了遠(yuǎn)高于有氧條件活化菌株的產(chǎn)氣能力，這可能是由于厭氧條件下，某些參與TCA循環(huán)的酶仍然保持活性，這些額外的代謝途徑能夠合成細(xì)胞功能所需的重要前體物質(zhì)，并決定最終產(chǎn)氣體積[22]。

試驗(yàn)中，選取剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線上的峰值點(diǎn)或穩(wěn)定值作為抗剪強(qiáng)度值。如無(wú)明顯峰值點(diǎn)，則取剪切位移為4 mm對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力作為抗剪強(qiáng)度。

以初始含水率為32%的紅黏土為例，將剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系繪于圖2。由圖可見，干濕循環(huán)作用未能改變剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線的性質(zhì)，均表現(xiàn)為剪脹特性。因此，土體的剪切特性受干濕循環(huán)作用的影響不明顯。

圖2 剪應(yīng)力-剪切位移曲線(32%，300 kPa)

2.2不同循環(huán)次數(shù)下的紅黏土強(qiáng)度

以豎向荷載為橫坐標(biāo)，剪應(yīng)力為縱坐標(biāo)，將不同含水率的紅黏土強(qiáng)度繪于其中，以反映干濕循環(huán)次數(shù)和初始含水率對(duì)土體強(qiáng)度的影響，如圖3所示。

由圖可見，紅黏土試樣具有較高的強(qiáng)度。在低豎向荷載作用下，紅黏土隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，強(qiáng)度呈減小趨勢(shì)；但在較高的豎向荷載作用下，隨著干濕循環(huán)作用次數(shù)的增加，強(qiáng)度變化趨勢(shì)不明顯。黏性土抗剪強(qiáng)度源于內(nèi)摩擦角和黏聚力，可以判斷，干濕循環(huán)對(duì)強(qiáng)度指標(biāo)的影響作用應(yīng)該是存在不同的。

2.3干濕循環(huán)作用下的紅黏土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

為了更清晰地反映紅黏土強(qiáng)度隨干濕循環(huán)作用的影響，利用直剪試驗(yàn)得到的強(qiáng)度包線，采用庫(kù)倫公式表示，如式(1)。

τ=c+σtanφ

(1)

由此可得相應(yīng)的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c、φ，分析它們的變化規(guī)律。各試樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)如表2所示。

(a)初始含水率28%的試樣

(b)初始含水率30%的試樣

(c)初始含水率32%的試樣

(d)初始含水率34%的試樣

將黏聚力、內(nèi)摩擦角隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化趨勢(shì)顯示于圖4、圖5中。

由圖4可見，隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加，紅黏土的黏聚力呈現(xiàn)出明顯的變化，具體表現(xiàn)為：

①黏聚力隨干濕循環(huán)的作用而不斷降低，尤其在較高的初始含水率條件下，黏聚力下降明顯。如初始含水率為28%的紅黏土，經(jīng)歷1～4次循環(huán)后黏聚力依次下降了10.8%、27.3%、42%和71.6%；而初始含水率為34%的紅黏土，經(jīng)歷1～4次循環(huán)后黏聚力依次下降了69.4%、69.6%、76.5%和86%。

表2 不同循環(huán)次數(shù)下紅黏土的強(qiáng)度指標(biāo)

圖4 黏聚力隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線

圖5 內(nèi)摩擦角隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線

②經(jīng)歷干濕循環(huán)作用后的紅黏土黏聚力將趨于相近，約為5 kPa，與初始含水率無(wú)關(guān)。這表明干濕循環(huán)作用將使試樣結(jié)構(gòu)進(jìn)行重塑，在一定的次數(shù)后趨于穩(wěn)定。

③具有最優(yōu)含水率的紅黏土在干濕循環(huán)作用下黏聚力衰減最為迅速，如初始含水率為32%的的紅黏土，經(jīng)歷1～4次循環(huán)后黏聚力依次下降了82.6%、88.1%、90.7%和94.9%；而初始含水率為30%的紅黏土，經(jīng)歷1～4次循環(huán)后黏聚力依次下降了76.7%、80%、86%和92.1%?？梢?，源于顆粒及粒團(tuán)間分子引力與膠結(jié)作用等形成的黏結(jié)力，即為黏聚力，在經(jīng)歷干濕循環(huán)作用后，這種黏結(jié)力因水與顆粒及粒團(tuán)相互作用的弱化而減弱。

由圖5可見，隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加，紅黏土的內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)如下變化：

①紅黏土的內(nèi)摩擦角在經(jīng)歷干濕循環(huán)后有較大幅度提高，但與作用次數(shù)關(guān)系不明顯。如初始含水率為34%的的紅黏土，經(jīng)歷1～4次循環(huán)后內(nèi)摩擦角依次增加了38%、29%、57%和41%。

②經(jīng)歷干濕循環(huán)作用后的紅黏土內(nèi)摩擦角將趨于相近，在29°附近波動(dòng)，與初始含水率無(wú)關(guān)。這也表明干濕循環(huán)作用使試樣結(jié)構(gòu)進(jìn)行重塑，在一定的次數(shù)后趨于穩(wěn)定。

③具有最優(yōu)含水率的紅黏土試樣內(nèi)摩擦角的改變最大，初始含水率為32%的紅黏土，經(jīng)歷1～4次循環(huán)后內(nèi)摩擦角依次增加了126%、116%、136%和115%；初始含水率為30%的紅黏土，經(jīng)歷1～4次循環(huán)后內(nèi)摩擦角依次增加了45.6%、39.4%、52.8%和50.4%。內(nèi)摩擦角涉及顆?；蛄F(tuán)之間的相對(duì)移動(dòng)，因此，在干濕循環(huán)作用后顆?；蛄F(tuán)粒徑變小，同時(shí)顆粒磨圓度降低，使滑動(dòng)摩擦和咬合摩擦得到加強(qiáng)。

3 結(jié)論

自然界中紅黏土受氣候影響而經(jīng)受干濕循環(huán)作用，往復(fù)變化于非飽和土和飽和土之間，使土體強(qiáng)度發(fā)生變化。通過本研究可得到以下結(jié)論：

1)干濕循環(huán)作用未能改變紅黏土剪切性狀，其仍取決于土體的密實(shí)度和排水條件。

2)同一含水率的紅黏土，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，土體強(qiáng)度值總體有所減小，且隨著豎向荷載的增大，各循環(huán)下的紅黏土強(qiáng)度差異有所增加。

3)隨著干濕循環(huán)作用次數(shù)的增加，紅黏土黏聚力不斷減小，并趨于一較小的穩(wěn)定值。與之相反的是，內(nèi)摩擦角卻隨著干濕循環(huán)作用而得到提高，同時(shí)也趨于一穩(wěn)定值。

[1]譚羅榮，孔令偉.特殊巖土工程土質(zhì)學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社,2006.

[2]孔令偉，李雄威，郭愛國(guó)，等.脫濕速率影響下的膨脹土工程性狀與持水特征初探[J].巖土工程學(xué)報(bào),2009，31(3):335-340.

[3]李雄威，王愛軍，王勇，等.持續(xù)蒸發(fā)作用下膨脹土裂隙和濕熱特性室內(nèi)模型試驗(yàn)[J].巖土力學(xué)，2004,35(S1)：141-148.

[4]王愛軍，李雄威，代國(guó)忠.脫濕狀態(tài)對(duì)膨脹土膨脹變形和強(qiáng)度特性的影響[J].工程勘察，2012(10):1-4,26.

[5]龔琰.干濕循環(huán)作用下紅黏土的變形和強(qiáng)度特性研究[D].湘潭：湖南科技大學(xué)，2015.

[6]易亮.紅黏土土水特征及濕化特性試驗(yàn)研究[D].湘潭：湖南科技大學(xué)，2015.

[7]中華人民共和國(guó)水利部.土工試驗(yàn)規(guī)程：SL 237—1999[S].北京：中國(guó)水利水電出版社，1999.

責(zé)任編輯：唐海燕

AnalysisofStrengthCharacteristicsofRedClayBasedonWettingandDryingCycle

ZHUJianqun1,FENGHao1,GONGYan2,CHENMing3,HANMeilian1

(1.School of Civil Engineering and Architecture,Changzhou Institute of Technology,Changzhou 213032; 2.Changzhou Institute of Building Science Group Limited by Share Ltd.,Changzhou 213001;3.School of Civil Engineering,Hunan University of Science and Technology,Xiangtan 411201)

Red clay is a typical special soil.Red clay has been studied by direct shear test after undergoing a wetting and drying cycle to analyze the influence of wetting and drying cycle on soil strength.The results show that the cycle changes the strength characteristics:Under low vertical load,soil strength decreases with the wetting and drying cycle increases.Under higher vertical load,soil strength shows no considerable change with the cycle going on.With the increase of wetting and drying cycle,cohesion of red clay decreases and tends to stabilize at a small value.The internal friction angle increases with the increase of wetting and drying cycle and stabilizes at a value.

red clay;wetting and drying cycle;strength characteristic;direct shear test

10.3969/j.issn.1671- 0436.2017.03.001

2017- 05- 05

常州工學(xué)院科研基金項(xiàng)目(YN1501)；江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目(201611055026Y)；常州工學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目(J150080)

朱建群(1975— )，女，博士，教授。

TU411

：A

：1671- 0436(2017)03- 0001- 05