上覆荷載作用下紅黏土抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律研究

肖麗娜，黃質(zhì)宏，何逢春，屈文濤

(1.貴州大學(xué) 土木工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.福州大學(xué) 土木工程學(xué)院，福建 福州 350000)

0 引 言

在地基基礎(chǔ)、公路、邊坡、鐵路等工程建設(shè)中常遇到紅黏土，紅黏土具有水敏性，在自然界中受到干濕循環(huán)作用，其抗剪強(qiáng)度也會(huì)受到影響。因此，了解和掌握上覆荷載作用下紅黏土強(qiáng)度變化規(guī)律尤為重要。目前，國內(nèi)外學(xué)者對紅黏土進(jìn)行了各種研究，并取得了豐富的研究成果。

陳開圣[1-3]、李焱等[4]、張祖蓮等[5]對紅黏土在干濕循環(huán)作用下的抗剪強(qiáng)度特性、裂隙演化規(guī)律、微結(jié)構(gòu)關(guān)系以及回彈模量等進(jìn)行了大量研究；胡東旭等[6]、楊和平等[7-8]對干濕循環(huán)下膨脹土脹縮裂隙做了定性、定量分析，并研究了干濕循環(huán)對膨脹土抗剪強(qiáng)度的影響，為裂隙膨脹土的滲透特性以及整體與局部的應(yīng)力、應(yīng)變研究提供參考；楊和平等[9]、陳開圣等[10]結(jié)合工程實(shí)例，對有荷條件下膨脹土、紅黏土的干濕循環(huán)脹縮變形和強(qiáng)度變化規(guī)律做了相關(guān)研究，得出荷載作用下干濕循環(huán)對膨脹土、紅黏土的脹縮幅度及強(qiáng)度衰減具有明顯抑制作用；宋宇等[11]對重塑紅黏土變形特性和回彈模量做了一定研究，并給出了4種應(yīng)力-應(yīng)變曲線適用模型；張祖蓮等[12]研究紅土特性與庫岸邊坡穩(wěn)定性關(guān)系，表明紅土抗剪強(qiáng)度、黏聚力和內(nèi)摩擦角對紅土型庫岸邊坡穩(wěn)定性有顯著影響；胡長明等[13]對干濕循環(huán)作用下壓實(shí)黃土強(qiáng)度劣化模型進(jìn)行了研究，建立了綜合考慮干密度、干濕循環(huán)幅度、干濕循環(huán)下限含水量3種影響因素的“壓實(shí)黃土干濕循環(huán)強(qiáng)度劣化模型(CLDM)”，為壓實(shí)黃土干濕循環(huán)強(qiáng)度劣化的分析以及填方邊坡災(zāi)害預(yù)測提供參考。

上述研究成果大部分是在無上覆荷載作用情況下研究的，但對道路等工程建設(shè)或具有一定埋深的紅黏土而言，紅黏土上方往往存在一定的上覆荷載，因此對紅黏土施加上覆荷載施加更加符合工程實(shí)際情況，故對上覆荷載作用下紅黏土的抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律研究很有必要。由于紅黏土的水敏性，上覆荷載作用下含水率、壓實(shí)度、干濕循環(huán)次數(shù)對紅黏土抗剪強(qiáng)度的影響必然與無上覆荷載作用下的紅黏土抗剪強(qiáng)度特性存在差異。因此，本文首先測試紅黏土的基本物理指標(biāo)，然后分別對有無上覆荷載作用下的紅黏土進(jìn)行直剪試驗(yàn)，并對比分析試驗(yàn)結(jié)果，以期獲得符合實(shí)際的變化規(guī)律，為紅黏土地區(qū)的道路等工程建設(shè)提供可靠的技術(shù)參考。

1 試 驗(yàn)

1.1 紅黏土的基本物理性質(zhì)

紅黏土取自某工程邊坡，基于公路土工試驗(yàn)規(guī)程(JTG E40-2007)[14]的試驗(yàn)方法，通過烘干法測定紅黏土的天然含水率，采用環(huán)刀法測定紅黏土的天然密度，界限含水率試驗(yàn)測定液塑限和塑性指數(shù)指標(biāo)，重型擊實(shí)試驗(yàn)測定紅黏土的最優(yōu)含水率和最大干密度，顆粒分析試驗(yàn)測定紅黏土的曲率系數(shù)和不均勻系數(shù)，測得的紅黏土土樣基本物理指標(biāo)見表1。

表1 紅黏土土樣的基本物理指標(biāo)

本試驗(yàn)測得的液限為54%，塑限為24.2%，塑性指數(shù)為29.8，因此,可判斷該紅黏土屬于黏質(zhì)土，具有高液限、高塑限、高含水量和分散性等特點(diǎn)。試驗(yàn)土樣最優(yōu)含水率17.8%，最大干密度1.765 g/cm3，不均勻系數(shù)31.58，曲率系數(shù)3.17，判定該紅黏土級配不良，對試驗(yàn)結(jié)果無影響。

1.2 無上覆荷載作用下紅黏土干濕循環(huán)試驗(yàn)

1.2.1 干濕循環(huán)試驗(yàn)步驟

由于土樣初始含水率差異較大，因此，先對紅黏土土樣進(jìn)行烘干處理，烘箱溫度60 ℃，然后過2 mm篩，分成4份，分別用酒精燃燒法測出每份紅黏土的初始含水率，根據(jù)式(1)計(jì)算出配置至目標(biāo)含水率需要加入水的質(zhì)量，拌制均勻后燜料24 h，燜料期間完全封閉靜置，最后用靜力壓實(shí)法制出不同含水率、不同壓實(shí)度的試樣，再密封靜置24 h即可完成一次干濕循環(huán)，依此類推完成5次干濕循環(huán)，具體干濕循環(huán)流程見圖1。

圖1 干濕循環(huán)流程圖

mw=mi/(1+0.01wi)×0.01×(w-wi),

(1)

式中：mw為所需的加水量；mi為含水率wi時(shí)的土樣質(zhì)量，g；wi為土樣初始含水率，%；w為要求達(dá)到的含水率，%。

采用靜力壓實(shí)法制備4種含水率(18%，22%，26%，30%)，5次干濕循環(huán)，5種壓實(shí)度(80%，85%，90%，93%，96%)的土樣共20組，每組20個(gè)環(huán)刀樣品，共400個(gè)樣品。

1.2.2 直接剪切試驗(yàn)步驟

將每次干濕循環(huán)后的試樣及時(shí)放入剪切盒，采用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的四聯(lián)直剪儀進(jìn)行直剪試驗(yàn)，剪切速率為0.08 mm/min，部分剪切試樣見圖2。直剪試驗(yàn)中試樣含水率低于22%時(shí)，剪切面呈明顯的凹凸不平狀態(tài)，且完全被剪切成兩半，見圖2(a)；當(dāng)試樣含水率大于22%時(shí)，破壞面較平滑，且上下兩半未被剪開，見圖2(b)。

圖2 直剪試樣

1.3 上覆荷載作用下紅黏土干濕循環(huán)試驗(yàn)

上覆荷載干濕循環(huán)過程與無上覆荷載干濕循環(huán)方式相同，區(qū)別為在制備好的試樣上施加一定的上覆荷載，分別為20，40，60，80 kPa，靜置24 h后稱量試樣質(zhì)量并做好記錄，試樣施壓結(jié)構(gòu)圖見圖3，試樣上依次放置濾紙、透水帶孔膠板、濾石和對應(yīng)上覆荷載的砝碼。其中上覆荷載為低應(yīng)力階段的20，40 kPa時(shí)，通過固結(jié)儀上的荷載表轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的重量后進(jìn)行施加，在上覆荷載作用下再次放入60 ℃高溫烘箱進(jìn)行烘干，烘干時(shí)間為早七點(diǎn)至晚七點(diǎn)，晚上關(guān)閉烘箱，可以更好地模擬自然界的溫差現(xiàn)象。直至試樣烘干至含水率為5%左右，繼續(xù)稱其質(zhì)量并記錄，兩次質(zhì)量差即為加水的質(zhì)量。用注射器加水至烘干前的質(zhì)量，靜置24 h后做直接剪切試驗(yàn)并記錄數(shù)據(jù)，完成上覆荷載作用下的一次干濕循環(huán)試驗(yàn)。用先干后濕的方式依次進(jìn)行不同上覆荷載作用、不同壓實(shí)度、不同含水率下的2次、3次、4次、5次干濕循環(huán)：共制備土樣3組，含水率分別為18%，22%，26%，每一含水率均制備壓實(shí)度為80%，85%，90%，93%，96%，每組400個(gè)環(huán)刀樣品，上覆荷載施壓及烘干試樣圖見圖4。

圖3 施壓結(jié)構(gòu)圖

圖4 上覆荷載施壓及烘干試樣

2 結(jié)果與討論

由于篇幅限制，且變化規(guī)律類似，本文僅列舉在上覆荷載作用下和無上覆荷載作用下，第3次和第5次干濕循環(huán)中黏聚力和內(nèi)摩擦角隨含水率的變化規(guī)律，以及含水率分別為18%，22%的黏聚力、內(nèi)摩擦角隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律，其中第3次干濕循環(huán)試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表2 有、無上覆荷載3次干濕循環(huán)作用下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)值

2.1 抗剪強(qiáng)度隨含水率變化規(guī)律

由圖5可知，有上覆荷載作用的黏聚力隨含水率增加而減小的幅度小于無上覆荷載作用的黏聚力減小幅度，紅黏土在低應(yīng)力階段上覆荷載20，40 kPa下比高應(yīng)力狀態(tài)上覆荷載60，80 kPa下的黏聚力受含水率影響大，這是由于紅黏土有一定脹縮性，因此低應(yīng)力狀態(tài)時(shí),黏聚力受含水率影響較大，隨著含水率增加，黏聚力下降較快。由圖6可知，紅黏土在低應(yīng)力狀態(tài)上覆荷載20，40 kPa和高應(yīng)力狀態(tài)的上覆荷載60，80 kPa下的內(nèi)摩擦角均呈小范圍波動(dòng)。結(jié)合圖5～6可知，有上覆荷載情況下的黏聚力、內(nèi)摩擦角比無上覆荷載時(shí)更大，且無上覆荷載和有上覆荷載的黏聚力、內(nèi)摩擦角均隨含水率增加而逐漸減小。

圖5 n=3時(shí)黏聚力隨含水率變化曲線

圖6 n=3時(shí)內(nèi)摩擦角隨含水率變化曲線

2.2 抗剪強(qiáng)度隨干濕循環(huán)次數(shù)變化規(guī)律

由圖7～8可知，有上覆荷載時(shí)的黏聚力比無上覆荷載時(shí)大，有無上覆荷載的黏聚力均隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸減小，但有上覆荷載時(shí)黏聚力隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而衰減的更慢。當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)為2,3,4時(shí)，無論是低應(yīng)力階段的上覆荷載，還是高應(yīng)力階段的上覆荷載，隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，黏聚力減幅都比較小。

圖7 w=18%時(shí)黏聚力隨干濕循環(huán)次數(shù)變化曲線

由圖9～10可知，有上覆荷載比無上覆荷載的內(nèi)摩擦角大，且無上覆荷載和有上覆荷載的內(nèi)摩擦角均隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸減小，當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)為2，3，4時(shí)，無論是低應(yīng)力階段的上覆荷載20，40 kPa，還是高應(yīng)力階段的上覆荷載60，80 kPa，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，內(nèi)摩擦角也呈現(xiàn)小范圍波動(dòng)，且減小速度明顯低于無上覆荷載作用下內(nèi)摩擦角的。

圖8 w=22%時(shí)黏聚力隨干濕循環(huán)次數(shù)變化曲線

圖9 w=18%時(shí)內(nèi)摩擦角隨干濕循環(huán)次數(shù)變化曲線

因此，對具有上覆荷載作用的含紅黏土工程建設(shè)，在誤差允許范圍內(nèi)，紅黏土的內(nèi)摩擦角可根據(jù)其埋藏深度、壓實(shí)度、含水率用對應(yīng)曲線上的內(nèi)摩擦角平均值代替。

3 結(jié) 論

(1)無論有無上覆荷載，進(jìn)行紅黏土直剪試驗(yàn)時(shí)，同等條件下其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)均隨含水率的增大而逐漸減小，隨壓實(shí)度增加逐漸增大，隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加逐漸減小，但上覆荷載作用下，高應(yīng)力階段的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)受含水率、壓實(shí)度、干濕循環(huán)次數(shù)的影響較小。

(2)相較于內(nèi)摩擦角，黏聚力受含水率、壓實(shí)度的影響程度更大。

(3)在相同的含水率、壓實(shí)度、干濕循環(huán)次數(shù)條件下，相較于無上覆荷載時(shí)，上覆荷載作用下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)更大，且上覆荷載作用下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)受含水率、壓實(shí)度、干濕循環(huán)次數(shù)影響下的變化幅度小于無上覆荷載作用下的，因此道路建設(shè)可根據(jù)深度，在相應(yīng)的高低應(yīng)力階段曲線上取得其平均抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。