含水率對紅粘土強度特性的影響

張培培，羅保才，劉娉慧，王明龍，王 闖

(1.華北水利水電大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，河南鄭州450046；2.河南省水利勘測有限公司，河南鄭州450003；3.深圳市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測中心，廣東深圳518034)

0 引 言

紅粘土是由碳酸鹽類巖石經(jīng)物理、化學(xué)的風(fēng)化作用形成的棕紅、褐紅及褐黃色的特殊的粘性土，具有特殊的物理性質(zhì)和力學(xué)特性，如高含水率、高塑性、高強度、低密度、低壓縮性、裂隙發(fā)育以及擁有明顯的脹縮性(遇水膨脹量小，失水后強烈收縮)等。紅粘土的結(jié)構(gòu)性由于其含水率、顆粒組成、孔隙、排列方式以及顆粒間接觸和聯(lián)結(jié)方式的不同，導(dǎo)致其力學(xué)性質(zhì)差別較大[1]。而抗剪強度是用來表征土體力學(xué)性質(zhì)的一個重要指標(biāo)，也是各種工程應(yīng)用的重要參數(shù)。在實際工程中，由于受降雨、蒸發(fā)、灌溉等因素的影響，土體的含水率變化較大，嚴(yán)重影響其抗剪強度，故對特定區(qū)域土體而言，其強度變化主要受含水率的影響[2]。

目前，國內(nèi)外很多學(xué)者針對含水率對土體抗剪強度的影響進行了大量的試驗研究，邊加敏等[3]對粉質(zhì)粘土進行不同含水率下的直接剪切試驗發(fā)現(xiàn)，非飽和土含水率與粘聚力的關(guān)系近似呈二次曲線，與內(nèi)摩擦角近似呈線性關(guān)系；陳小龍等[4]對三峽庫區(qū)的滑坡黃土進行不同含水率條件下的滑帶土直剪試驗發(fā)現(xiàn)，滑帶土粘聚力及內(nèi)摩擦角均隨含水率的增大近似呈線性減小的趨勢；王闖等[5]對三峽庫區(qū)粉土進行不同含水率下的直剪試驗發(fā)現(xiàn)，土體塑限為其抗剪強度減小快慢的分界點；苗世超等[6]以新型高分子材料SH固化劑固化黃土為研究對象，剖析了不同含水率和干密度條件下固化黃土的抗剪強度特性；王亮等[7]采用十字板剪切儀研究重塑淤泥在不同含水率下的不排水強度性質(zhì)；李雪江等[8]以真三軸試驗為基礎(chǔ)，研究并分析了不同含水率對加筋土強度的影響；劉順青等[9]通過直剪試驗，研究了含水率對高液限土和紅粘土抗剪強度的影響，并對比分析了高液限土和紅粘土的水敏感性；畢慶濤等[10]由室內(nèi)直剪試驗發(fā)現(xiàn)含水率與紅粘土粘聚力存在階梯狀相關(guān)關(guān)系，并依據(jù)最小二乘法原理將其擬合為函數(shù)的多項式表達式；傅鑫暉等[11]采用直剪試驗儀對重塑紅粘土進行抗剪強度試驗發(fā)現(xiàn)，紅粘土的強度、粘聚力隨著含水率的變化出現(xiàn)了“雙峰”現(xiàn)象，且內(nèi)摩擦角基本保持不變；趙蕊等[12]對貴陽地區(qū)的紅粘土進行不同含水率下的三軸試驗發(fā)現(xiàn)，隨著含水率的減小，紅粘土由鼓脹破壞逐步過渡為剪切破壞，粘聚力和內(nèi)摩擦角隨含水率的增大呈現(xiàn)出階梯式減??；楊慶等[13]通過直剪試驗對紅粘土進行探索發(fā)現(xiàn)，紅粘土內(nèi)摩擦角和粘聚力與含水率之間的聯(lián)系，分別可以近似用對數(shù)和二次拋物線來表示；李濤等[14]對廣州紅粘土進行室內(nèi)剪切試驗發(fā)現(xiàn)，該類紅粘土的粘聚力隨含水率的增加與Gauss函數(shù)變化規(guī)律吻合，內(nèi)摩擦角隨含水率的增加與Sigmoidal函數(shù)相符，且當(dāng)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0時，其達到最大值。

表1 紅粘土物理力學(xué)參數(shù)

本文在綜合分析前人關(guān)于含水率與土體抗剪強度關(guān)系的試驗研究的基礎(chǔ)上，以云南省臨滄市耿馬灌區(qū)某邊坡紅粘土為研究對象，采用室內(nèi)非飽和直剪儀，對不同含水率的紅粘土進行抗剪強度試驗，研究不同含水率的土體強度的變化規(guī)律，以期為該地區(qū)的工程設(shè)計和邊坡治理提供一定的參考依據(jù)。

1 試驗設(shè)計

1.1 紅粘土基本物理指標(biāo)

試驗所用紅粘土取自云南省臨滄市耿馬灌區(qū)某邊坡，取土深度約1.5～2.0 m，土樣呈棕紅色或褐黃色，土質(zhì)均勻，有少量植物根莖。通過液塑限試驗，該土為高液限粘土。物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

紅粘土試樣的顆粒粒徑組成見表2。顆粒級配見圖1。從顆粒分析試驗結(jié)果可知，試樣粉粒含量(0.075～0.05 mm)最高，占61.6%；粘粒含量(<0.005 mm)占31.4%；不均勻系數(shù)Cu=20.69>5，曲率系數(shù)Cc=1.21，試樣級配良好。

表2 顆粒粒徑組成 %

圖1 顆粒級配

1.2 試驗方法

制備試樣時，控制紅粘土的干密度為1.38 g/cm3，按含水率w為8%、12%、14%、20%、24%、28%、32%和36%制備試樣，每個含水率分別制備3個土樣。將制備好的土樣分別在不同垂直壓力(100、200、300 kPa)下施加水平剪應(yīng)力，獲得土樣破壞時的剪切應(yīng)力，進而求得該土樣的抗剪強度。

1.3 試驗儀器

試驗采用FDJ-ZO型非飽和土直剪儀，剪切速率設(shè)置為0.8 mm/min?？辜魪姸鹊娜≈狄罁?jù)為：若剪切位移在6 mm的范圍內(nèi)呈現(xiàn)出峰值強度，則該級垂直壓力下的抗剪強度即為該峰值強度；否則，選取4 mm剪切位移時所對應(yīng)的剪應(yīng)力作為該級垂直壓力下的抗剪強度。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 應(yīng)力與位移關(guān)系曲線

試樣的剪應(yīng)力—剪切位移曲線見圖2。從圖2可知，土體的含水率w對剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線影響較大。w<20%時，剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線在不同豎向壓力下呈現(xiàn)出剪切軟化型，在剪應(yīng)力增長至峰值后，隨著剪切位移的繼續(xù)增大，剪應(yīng)力迅速減小，最后逐漸趨于穩(wěn)定；w>20%時，土樣的剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線則呈現(xiàn)出剪切硬化的特性，初始剪切時剪應(yīng)力增長迅速，待剪切達到一定水平后，其剪切強度逐步趨于穩(wěn)定，即剪切強度基本上處于一恒值。

圖2 不同含水率下剪應(yīng)力—剪切位移關(guān)系

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因可以用基質(zhì)吸力來闡述。含水率較低時，土體中由于基質(zhì)吸力的存在，土體穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)力增大，在抵抗外力作用時體現(xiàn)出土體強度的增加，當(dāng)外力作用使土體發(fā)生破壞時，這種結(jié)構(gòu)力產(chǎn)生一定程度的損失，強度顯著下降，即呈現(xiàn)出軟化現(xiàn)象。隨著含水率的增加，土體中基質(zhì)吸力逐步降低，而結(jié)構(gòu)力也相應(yīng)減小，土體在外力作用下發(fā)生破壞時，與高基質(zhì)吸力的情況相比，相應(yīng)的強度下降呈現(xiàn)并不明顯，因此在剪切過程中可能看不到顯著的軟化。

此外，從圖2還可以看出，含水率較低時，不同豎向壓力下的剪應(yīng)力—剪切位移關(guān)系曲線表現(xiàn)出不同的變化趨勢。以w=12%時的位移關(guān)系曲線為例，豎向壓力為100 kPa時，剪應(yīng)力-剪切位移曲線呈現(xiàn)出剪切軟化現(xiàn)象，隨著豎向壓力的增長，其軟化現(xiàn)象逐步減??；豎向壓力達到300 kPa時，剪應(yīng)力-剪切位移曲線的剪切軟化現(xiàn)象基本消失。

2.2 粘聚力

一般認(rèn)為，土的粘聚力主要來源于土粒之間的相互吸引、顆粒間的膠結(jié)及水膜連結(jié)等，而顆粒間水膜連結(jié)對土的粘聚力具有重要的作用，故粘聚力隨著含水率的不同而變化較大[13]，紅粘土的粘聚力與含水率的關(guān)系見圖3。從圖3可知，隨著含水率的增加，粘聚力相應(yīng)地減小，且呈非線性變化。尤其在w=8%～20%這一區(qū)段時，含水率對粘聚力的削減作用是異常顯著的；而當(dāng)w=24%后，粘聚力相對較為穩(wěn)定，變化不顯著。產(chǎn)生這類現(xiàn)象的原因是：在含水率較低時，水在土體中是以結(jié)合水為主要形式存在的，具有一定的抗剪性，同時也存在毛細水基質(zhì)吸力的影響，致使土樣的粘聚力較大；隨著含水率的增加，結(jié)合水膜厚度在土顆粒表面相應(yīng)增厚，水的粘滯性削弱，自由水比例逐漸增高，且土中的基質(zhì)吸力隨含水率的增大而逐步減小，致使粘聚力減小。

圖3 粘聚力與含水率的關(guān)系

針對粘聚力與含水率之間的變化關(guān)系進行回歸分析，可以近似用冪函數(shù)形式來表示

c=9.396w-0.794

(1)

式中，c為紅粘土的粘聚力。

2.3 內(nèi)摩擦角

圖4 內(nèi)摩擦角與含水率的關(guān)系

紅粘土含水率與內(nèi)摩擦角關(guān)系見圖4。從圖4可以看出，內(nèi)摩擦角整體上隨含水率的增加而變小，作用較為明顯，且呈現(xiàn)出非線性的變化規(guī)律，與含水率對粘聚力的影響相似。當(dāng)w=8%～24%時，內(nèi)摩擦角降低非常顯著，原因是隨著土樣中水分的增多，粘附在土顆粒表面的水膜增厚，促使顆粒間的摩擦系數(shù)減小，導(dǎo)致內(nèi)摩擦角隨含水率的增加而降低；在w=24%后，內(nèi)摩擦角降低較小，這是因為含水率較高的土樣在剪切過程中易被壓縮導(dǎo)致干密度變大及土樣中的水被壓出，進而引起內(nèi)摩擦角減小較少。從基質(zhì)吸力的角度分析發(fā)現(xiàn)，由于土體飽和度逐步增加，原有的負孔隙水壓力相應(yīng)減小，表面張力也漸漸消失，在表面張力的作用下，土體顆粒與顆粒間的擠密作用也隨之逐步消失，致使內(nèi)摩擦角下降[9]。

針對內(nèi)摩擦角與含水率之間的關(guān)系進行回歸分析，可以近似用二次拋物線形式來表示

φ=-44.68w2-37.493w+28.162

(2)

式中，φ為紅粘土的內(nèi)摩擦角。這與張?zhí)礓h等[15]對桂林壓實紅粘土內(nèi)摩擦角隨含水率變化的研究結(jié)論相同。土的內(nèi)摩擦角與土的顆粒結(jié)構(gòu)、大小、形狀及密實度有關(guān)。此外，紅粘土由于游離氧化鐵的膠結(jié)作用而形成一定的團粒結(jié)構(gòu)，團粒間的結(jié)合狀態(tài)也與內(nèi)摩擦角有一定的關(guān)系[16]。

2.4 抗剪強度

紅粘土在不同豎向壓力作用下的抗剪強度隨含水率的變化見圖5。從圖5可知，在相同豎向壓力作用下，紅粘土的抗剪強度隨含水率的增加呈非線性減小。當(dāng)w=8%～20%時，紅粘土的抗剪強度減小不明顯；而在w=20%后，抗剪強度顯著降低。這種試驗結(jié)果可用基質(zhì)吸力來解釋，基質(zhì)吸力受含水率的影響，當(dāng)土體處于非飽和狀態(tài)時，由于吸力的存在，使土體穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)力增強，而結(jié)構(gòu)在抵抗外力作用時，表現(xiàn)為土體強度的增加，但隨著飽和度的增加，基質(zhì)吸力逐漸消失，結(jié)構(gòu)力相應(yīng)減少，外力作用下強度下降，這是紅粘土抗剪強度隨著含水率的增加而降低的主要原因之一[16]。

圖5 不同豎向壓力下抗剪強度隨含水率的變化

2.5 強度指標(biāo)

不同含水率下紅粘土的強度指標(biāo)見表3。從表3可知，相同含水率狀態(tài)下，豎向壓力從100 kPa增加至300 kPa時，土樣的抗剪強度可提升1.5～2倍。其主要作用機理是由于高豎向壓力剪切過程中，在豎向應(yīng)力與剪應(yīng)力共同作用下，土中孔隙水滲透至上剪切盒土樣表面，使上、下剪切盒接觸面的非飽和紅粘土含水率降低，剪切面土體顆粒之間的咬合越來越密實，土中孔隙水壓力下降，土顆粒之間有效應(yīng)力增加，抗剪強度隨之提高[17]。

表3 不同含水率下紅粘土的強度指標(biāo)

3 結(jié) 語

本文對云南耿馬灌區(qū)不同含水率下的紅粘土進行直剪試驗研究，得出如下結(jié)論：

(1)含水率對紅粘土的剪應(yīng)力-剪切位移曲線的影響表現(xiàn)為：當(dāng)w<20%時，紅粘土的剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線表現(xiàn)為剪切軟化型；隨著含水率的增加，當(dāng)w>20%后，其剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線則趨向于剪切硬化型。

(2)紅粘土的抗剪強度隨含水率的增大表現(xiàn)為非線性變化，w=8%～20%時，抗剪強度降低不明顯，而當(dāng)w=20%～36%時，抗剪強度降低顯著，w=20%表現(xiàn)為抗剪強度減小快慢的分界點。

(3)紅粘土的粘聚力和內(nèi)摩擦角隨含水率的增加均表現(xiàn)為非線性減小，且粘聚力隨著含水率的增加呈二次多項式形式變化，而內(nèi)摩擦角則隨含水率的增加呈冪函數(shù)形式減小。