含水率對(duì)不同狀態(tài)紅黏土抗剪強(qiáng)度的影響研究

摘 要：本文以云南省紅河州個(gè)舊至元陽(yáng)高速工程項(xiàng)目為依托，研究含水率對(duì)不同狀態(tài)紅黏土抗剪強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)了堅(jiān)硬、硬塑、可塑和軟塑四種狀態(tài)的紅黏土試樣分別25件、25件、17件和12件，并進(jìn)行直剪試驗(yàn)。根據(jù)最小二乘法原理，將不同狀態(tài)紅黏土的黏聚力、摩擦角與含水率進(jìn)行回歸分析，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析。研究結(jié)果表明：堅(jiān)硬、硬塑、可塑及軟塑含水率分別小于34%、34%、41%及35%時(shí)，隨著含水率的增加，黏聚力分別以2.0、1.01、0.456及0.235的斜率減小，當(dāng)大于此界限含水率后，黏聚力減小速度減緩，逐漸趨于收斂;隨著含水率的增加，硬塑→堅(jiān)硬→可塑→軟塑紅黏土的內(nèi)摩擦角下降速度逐漸變小，對(duì)含水率的敏感程度也逐漸減小，其中軟塑狀紅黏土的內(nèi)摩擦角隨著含水率的變化幾乎不變;不同狀態(tài)紅黏土相鄰一級(jí)的黏聚力差值推薦取值10～15 kPa，內(nèi)摩擦角差值推薦取值1.8～2.5°。

關(guān)鍵詞：紅黏土;抗剪強(qiáng)度;含水率;最小二乘法

中圖分類(lèi)號(hào)：TU446

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

紅黏土是碳酸鹽巖類(lèi)巖石在特殊的濕熱交替作用下經(jīng)歷化學(xué)風(fēng)化作用和紅土化作用形成的高塑性黏土，主要分布在云貴高原、四川東部、兩湖兩廣部分地區(qū)和江西、江蘇等部分地區(qū)。我國(guó)《巖土工程勘察規(guī)范》等將紅黏土劃分為特殊土[1]，紅黏土的一個(gè)典型特征是上硬下軟，主要原因是土體含水率沿深度變化，而土體強(qiáng)度與含水率密切相關(guān)[2-7]。

在云南省紅河州紅黏土發(fā)育極其普遍，紅黏土是工程中主要的天然地基，其抗剪強(qiáng)度對(duì)評(píng)價(jià)地基穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用。影響紅黏土抗剪強(qiáng)度的因素眾多，其中，含水量及其變化的影響是顯著的。目前，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)不同含水率條件下紅黏土的強(qiáng)度特性進(jìn)行了研究。穆銳等[8]運(yùn)用直剪試驗(yàn)儀研究了不同失水程度下紅黏土的力學(xué)性質(zhì)，結(jié)果表明試樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)（黏聚力/內(nèi)摩擦角）隨含水率減小呈先減小后增大;董金玉，趙亞文等[9]通過(guò)不同含水率條件下高、低液塑紅黏土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究，在同一法向壓力下高液塑限紅黏土的抗剪強(qiáng)度和黏聚力值遠(yuǎn)大于低液塑限紅黏土的抗剪強(qiáng)度和黏聚力值，高液塑限紅黏土的內(nèi)摩擦角值略大于低液塑限紅黏土的內(nèi)摩擦角值;梁斌、莫?jiǎng)P等[10]通過(guò)常規(guī)直剪試驗(yàn)分析了含水率條件對(duì)紅黏土黏聚力、內(nèi)摩擦角及各級(jí)法向壓力作用下抗剪強(qiáng)度的影響;趙蕊等[11]對(duì)貴陽(yáng)紅黏土以擊實(shí)法進(jìn)行重塑樣制備，設(shè)計(jì)不同含水量下的三軸不固結(jié)不排水試驗(yàn)，采用特雷斯卡Tresca準(zhǔn)則和p-q曲線的方法求取抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，建立了貴陽(yáng)重塑紅黏土的抗剪強(qiáng)度與含水量之間的函數(shù)關(guān)系，并分析了其抗剪強(qiáng)度隨含水量變化的機(jī)理;武鵬等[12]通過(guò)試驗(yàn)對(duì)寧南地區(qū)紅黏土的強(qiáng)度特性進(jìn)行了研究，分析了含水率與黏聚力、內(nèi)摩擦角、基質(zhì)吸力、膨脹力之間的關(guān)系;王星華等[13]通過(guò)直接快剪試驗(yàn)探討了抗剪強(qiáng)度的額影響因素，得出了黏聚力、內(nèi)摩擦角與孔隙比、含砂率2種因素的相關(guān)方程;趙小龍等[14]通過(guò)直接剪切試驗(yàn)研究了含水率對(duì)重塑黏土力學(xué)特性的影響，研究結(jié)果表明：重塑黏土抗剪強(qiáng)度受含水率和豎向壓力作用影響明顯，隨含水率增大，其抗剪強(qiáng)度逐漸減低，隨垂直壓力逐漸增大，其抗剪強(qiáng)度逐漸增大;陳磊等[15]通過(guò)常規(guī)三軸試驗(yàn)分析強(qiáng)度參數(shù)黏聚力和內(nèi)摩擦角與含水率之間的關(guān)系，得到了非飽和黏土的抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式。

紅黏土有堅(jiān)硬、硬塑、可塑和軟塑等多種狀態(tài)，不同狀態(tài)紅黏土的黏聚力和內(nèi)摩擦角與含水率變化之間的關(guān)系存在不同的變化規(guī)律，上述研究并未將紅黏土進(jìn)行狀態(tài)劃分，而是統(tǒng)一研究;為了弄清楚含水率對(duì)不同狀態(tài)紅黏土抗剪強(qiáng)度的影響，本文以云南省紅河州個(gè)舊至元陽(yáng)高速公路工程項(xiàng)目為背景，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)分為堅(jiān)硬、硬塑、可塑及軟塑4種狀態(tài)，研究含水率對(duì)不同狀態(tài)紅黏土抗剪強(qiáng)度的影響，以期獲得有益的結(jié)果，為個(gè)舊至元陽(yáng)高速公路工程項(xiàng)目及后續(xù)研究和工程實(shí)踐提供參考。

1 直剪試驗(yàn)及數(shù)據(jù)

1.1 直剪試驗(yàn)

直剪試驗(yàn)采用南京寧曦土壤儀器有限公司生產(chǎn)的ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀（四聯(lián)剪），測(cè)力計(jì)率定系數(shù)C=1.843 kPa/0.01 mm，試驗(yàn)操作依據(jù)土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50123-1999快剪試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)云南省紅河州個(gè)舊至元陽(yáng)高速工程項(xiàng)目初詳勘鉆孔取樣，試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)了堅(jiān)硬、硬塑、可塑及軟塑四種狀態(tài)的紅黏土試驗(yàn)，其中堅(jiān)硬狀態(tài)紅黏土試驗(yàn)25件，天然含水率在22.0%～39.2%范圍，黏聚力在9.90～22.31 kPa范圍，內(nèi)摩擦角在3209～8630°范圍，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示;硬塑狀黏土25件，天然含水率范圍在24.3%～48.7%，黏聚力在27.10～53.03 kPa范圍，內(nèi)摩擦角在8.43～17.90°范圍，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

2 數(shù)據(jù)分析整理

2.1 最小二乘法原理

最小二乘法（又稱(chēng)最小平方法）是一種數(shù)學(xué)優(yōu)化技術(shù)。它通過(guò)最小化誤差的平方和尋找數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)配。利用最小二乘法可以簡(jiǎn)便地求得未知的數(shù)據(jù)，并使得這些求得的數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)之間誤差的平方和為最小，可用于曲線擬合。

根據(jù)最小二乘法原理，對(duì)不同狀態(tài)下含水率與黏聚力和內(nèi)摩擦角分別進(jìn)行回歸分析。

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸分析

2.2.1 堅(jiān)硬狀紅黏土試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸分析

3 結(jié)論

本文以云南省紅河州個(gè)舊至元陽(yáng)高速工程項(xiàng)目為研究背景，研究含水率對(duì)不同狀態(tài)紅黏土抗剪強(qiáng)度的影響，采用最小二乘法原理對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析并總結(jié)，全文得出如下主要結(jié)論：

（1）隨著含水率的增加，堅(jiān)硬狀紅黏土黏聚力下降速度最快，對(duì)含水率的敏感程度也最大，可塑狀、堅(jiān)硬狀次之，軟塑狀紅黏土的黏聚力對(duì)含水率的敏感程度最小。

（2）隨著含水率的增加，硬塑狀紅黏土的內(nèi)摩擦角下降速度最快，對(duì)含水率的敏感程度也最大，堅(jiān)硬狀、可塑狀次之，軟塑狀紅黏土的內(nèi)摩擦角隨著含水率的變化幾乎不變，對(duì)含水率的敏感程度也最小。

（3）不同狀態(tài)紅黏土黏聚力平均值的差值為12.2 kPa、11.6 kPa和11.2 kPa，考慮到試驗(yàn)樣本的有限性，推薦取值10～15 kPa;不同狀態(tài)紅黏土內(nèi)摩擦角平均值的差值均為2.1°，推薦取值1.8～25°。

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（責(zé)任編輯：于慧梅）