干濕循環(huán)作用下紅黏土裂隙發(fā)育試驗研究

董 薇，黃待望

(1.江蘇建筑職業(yè)技術學院 交通工程學院，江蘇 徐州 221116； 2.中國電建集團 華東勘測設計研究院有限公司，杭州 311122)

高液限紅黏土在江西地區(qū)廣泛分布，一般由碳酸鹽巖經(jīng)風化殘積形成，覆蓋在巖層頂部，殘積層厚度不等，厚的地方可達數(shù)十米。路堤填土受氣候影響顯著，尤其是在中國南方地區(qū)。由江西地區(qū)氣候可知，江西地區(qū)夏季較長，且夏季氣溫很高，降雨較多。在這樣的地區(qū)采用紅黏土填筑路堤時，路基經(jīng)常處于干濕交替作用下。紅黏土在高溫下失水收縮開裂后，又由于降雨使水分隨裂隙滲入，土體遇水后會產(chǎn)生膨脹，導致原有裂隙閉合。但是裂隙附近的土質(zhì)會被軟化，再到高溫干旱天氣，土體再次收縮，裂隙張開，同時還會產(chǎn)生新的裂隙。隨著紅黏土裂隙的發(fā)育，土體的完整性遭到了破壞，土體的強度降低，容易造成路堤邊坡滑動事故。路堤填土在干濕循環(huán)作用下的強度和變形問題，是路基填筑中必須考慮的。

董薇等[1]對江西紅黏土進行了顆粒分析試驗，說明試驗用土具有特殊的團粒結構，強度較好。孟曉宇等[2]研究發(fā)現(xiàn)紅黏土的破壞動應力隨著破壞振次的增加而減小。譚羅榮等[3]研究表明，紅黏土在不同脫水條件下，其工程力學性質(zhì)表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律，紅黏土具有較強的水敏性。張永婷等[4]研究了紅黏土在干濕循環(huán)條件下的脹縮變形特性，得出干濕循環(huán)作用下，紅黏土是以收縮為主，而且紅黏土的水穩(wěn)性明顯優(yōu)于膨脹土。AL-Homoud等[5]指出干濕循環(huán)作用會使高液限土的強度產(chǎn)生疲勞效應，其主要原因是干濕循環(huán)作用改變了土體的結構。土體在經(jīng)歷幾次干濕循環(huán)后，強度和變形會趨于穩(wěn)定，一般3～5次循環(huán)后，土體就基本維持平衡狀態(tài)[6-8]。Guney等[9]通過大量試驗研究了干濕循環(huán)作用對土體力學特性的影響，發(fā)現(xiàn)在初次干濕循環(huán)作用下，土體就已經(jīng)發(fā)生破壞。大約經(jīng)過4～6次干濕循環(huán)后，土體結構趨于穩(wěn)定，力學性能達到穩(wěn)定狀態(tài)。王瑩瑩等[10]對重塑紅黏土進行了無荷條件下的干濕循環(huán)試驗，發(fā)現(xiàn)隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，紅黏土的絕對膨脹率、絕對收縮率的絕對值逐漸增大，而相對膨脹率、相對收縮率均越來越小。因此，由國內(nèi)外相關研究可知，紅黏土在最優(yōu)含水率附近填筑時強度良好，而在初次干濕循環(huán)后，就會產(chǎn)生變形破壞，使強度降低。在經(jīng)歷多次干濕循環(huán)后，紅黏土的強度和變形會趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

《公路路基施工技術規(guī)范》(JTG/T 3610—2019)[11]中規(guī)定，紅黏土可用于高速、一級公路下路堤和二級公路路堤以及三、四級公路下路床、路堤的填筑要求，壓實標準應由試驗路段結合工程經(jīng)驗確定。

本文將針對江西地區(qū)的紅黏土，研究重塑土樣在不同壓實度條件下，從風干到縮限含水率再泡水到穩(wěn)定的干濕循環(huán)作用下，土樣表面裂隙的發(fā)育情況，并對干濕循環(huán)作用造成紅黏土試樣表面出現(xiàn)裂隙的現(xiàn)象和原因進行分析討論，為更好地了解干濕循環(huán)作用對區(qū)域紅黏土的影響提供試驗依據(jù)，為研究紅黏土作為路基填料在干濕循環(huán)作用下的路用性能提供試驗支撐。

1 試驗材料及方案

1.1 試驗材料

試驗所用的土樣取自江西省吉安市吉水縣，屬于灰?guī)r地區(qū)殘積紅黏土。對取回的土樣分別進行顆粒分析試驗、液塑限試驗、比重試驗、自由膨脹率試驗等室內(nèi)試驗，獲得紅黏土的基本物理性質(zhì)指標，見表1。

由試驗結果可知，本試驗用紅黏土屬于高液限黏土。 《公路路基設計規(guī)范》(JTG D30—2015)[12]規(guī)定，紅黏土作為路基填料時，在確定路堤填筑的最優(yōu)含水率、最大干密度時，應采用濕土法重型擊實試驗。本次試驗所用的江西地區(qū)的紅黏土，天然含水率較高，采用濕土法所得的最優(yōu)含水率和最大干密度更符合實際情況。由擊實試驗結果得出紅黏土的最大干密度為1.80 g/cm3，最優(yōu)含水率為17.5%。

1.2 試驗方案

利用初始含水率為17.8%(接近最優(yōu)含水率)的重塑土樣進行干濕循環(huán)試驗?？紤]采用環(huán)刀試樣進行干濕循環(huán)試驗時，環(huán)刀試樣表面積過小，為了更便于觀察試樣裂隙開展情況，采用擊實筒制備靜壓試樣。利用初始含水率為17.8%(接近最優(yōu)含水率)的重塑土樣，制備不同壓實度的靜壓試樣(直徑為15.2 cm，高為4 cm)進行干濕循環(huán)試驗。然后對經(jīng)歷過不同干濕循環(huán)次數(shù)后的試樣進行紅黏土表面裂隙發(fā)育情況研究。

1.2.1 壓實度設定

為了解試驗所用紅黏土的強度，得到紅黏土的CBR(California bearing ratio，加州承載比)強度、抗剪強度、壓縮系數(shù)，對壓實度為87%～93%的紅黏土試樣分別進行了CBR試驗、快剪試驗和固結試驗，試驗結果見表2。

由表2可知，試驗所用的紅黏土試樣強度較好，即使壓實度降低到87%，試樣強度也可滿足規(guī)范對于高速、一級公路下路堤和二級公路路堤以及三、四級公路下路床、路堤的填筑要求。

表2 紅黏土在不同壓實度下的CBR強度、抗剪強度參數(shù)、壓縮系數(shù)

《公路路基施工技術規(guī)范》(JTG/T 3610—2019)[11]中規(guī)定土質(zhì)路基下路堤壓實度，高速、一級公路≥93%，二級公路≥92%，三、四級公路≥90%。但路堤采用紅黏土作為填料時，壓實度標準在保證路基強度要求的前提下根據(jù)試驗路段和當?shù)毓こ探?jīng)驗確定，且滿足壓實度不得低于重型壓實標準的90%。因此，進行干濕循環(huán)試樣的壓實度設定為90%和93%。

1.2.2 干濕循環(huán)次數(shù)設定

依據(jù)前人的研究成果，經(jīng)過4～6次干濕循環(huán)后，土體結構趨于穩(wěn)定。因此，在進行干濕循環(huán)試驗過程中，將不同壓實度的土樣設定進行6次干濕循環(huán)。

靜壓試樣干濕循環(huán)過程為：對備好的靜壓試樣，在40 ℃的烘箱(模擬夏季高溫天氣)中脫濕至預定含水率(縮限含水率)后，用氣壓噴壺給土樣噴水(模擬降雨)，至水面覆蓋土樣，且2 h內(nèi)土樣表面水不再入滲視為吸濕至穩(wěn)定狀態(tài)。第一次干濕循環(huán)為土樣由初始含水率失水至縮限含水率。此后的干濕循環(huán)為土樣由縮限含水率吸濕至穩(wěn)定狀態(tài)，再失水至縮限含水率。

2 試驗結果分析

2.1 不同壓實度下紅黏土表面裂隙發(fā)育情況

通過對不同壓實度的紅黏土試樣展開1～6次反復干濕循環(huán)試驗，對干濕循環(huán)作用下試樣的裂隙發(fā)育情況進行觀察。每次干濕循環(huán)后，不同壓實度的土樣上表面和側(cè)面裂隙形態(tài)發(fā)育分別如圖1和圖2所示。

圖1 90%壓實度土樣表面裂隙發(fā)育情況

圖2 93%壓實度土樣表面裂隙發(fā)育情況

從圖1、圖2可以看出，裂隙隨干濕循環(huán)作用次數(shù)的增加而逐步增多，且趨于一種網(wǎng)狀裂隙狀態(tài)。90%壓實度的土樣在第1次脫濕至縮限時，試樣表面只在邊緣產(chǎn)生少許細微裂隙。邊緣由于制樣原因，有一條約為1 mm的裂縫。試樣側(cè)面產(chǎn)生未貫穿的細小裂隙。在第2次脫濕至縮限時，試樣表面邊緣部分有少許的土塊掉落，靠近中間部位產(chǎn)生細微裂隙，所包裹的網(wǎng)狀土塊面積較大。邊緣處的約1 mm的裂縫，由于第2次由縮限狀態(tài)吸濕至飽和穩(wěn)定狀態(tài)，入滲造成土體浸濕，不利于張裂縫的發(fā)展，裂隙閉合，裂縫僅在靠近邊緣處約為1 mm，往中心處越來越細微。試樣側(cè)面發(fā)育縱橫交叉裂隙。在第3次脫濕至縮限時，試樣表面邊緣處的裂隙進一步發(fā)育。由于第2次的吸濕，邊緣處的裂縫閉合，再脫濕后，裂縫變成寬約為0.1 mm的裂隙。試樣側(cè)面出現(xiàn)從試樣頂面貫穿到底面的豎向裂隙，橫向裂隙也進一步加長、加寬。在第4次、第5次脫濕至縮限時，可看出試樣表面裂隙進一步發(fā)育，邊緣處出現(xiàn)面積更小的網(wǎng)狀裂隙，靠近中間部位的裂隙塊狀更加明顯。試樣側(cè)面裂隙逐漸變多，裂隙向試樣內(nèi)部發(fā)展。在第6次脫濕至縮限時，試樣表面邊緣處的裂隙往中間發(fā)展，裂隙變寬、變長。試樣表面、側(cè)面產(chǎn)生的裂隙相互連接貫通。

93%壓實度的土樣在第1次脫濕至縮限時，試樣表面幾乎沒有肉眼可見裂隙產(chǎn)生，試樣側(cè)面也無明顯裂隙發(fā)育。在第2次脫濕至縮限時，試樣表面邊緣部分出現(xiàn)細小裂隙。試樣側(cè)面出現(xiàn)細小縱向裂隙。在第3次、第4次、第5次脫濕至縮限時，試樣表面邊緣裂隙逐漸發(fā)育密集，土樣中間部分逐漸發(fā)育細小裂隙。試樣側(cè)面出現(xiàn)的豎向裂隙從試樣頂面貫穿到底面。至第6次脫濕至縮限時，試樣表面只發(fā)育細小裂隙，邊緣土粒跌落很少，土樣完整性良好。試樣側(cè)面產(chǎn)生的裂隙和表面的裂隙相互連接，裂隙延伸至土樣中間部位。

93%壓實度的土樣相比90%壓實度的土樣，裂隙發(fā)育寬度更細，網(wǎng)狀裂隙包裹的土塊面積大，邊緣土體跌落少，完整性更好。但提高壓實度不能防止裂隙的發(fā)育，只能抑制裂隙的進一步發(fā)育。

2.2 紅黏土干縮裂隙發(fā)育機理

紅黏土失水收縮開裂是其最突出的特性。紅黏土產(chǎn)生膨脹與收縮的原因很復雜，它是紅黏土與水在相互作用中發(fā)生的物理化學反應轉(zhuǎn)化為宏觀力學效應的結果，即紅黏土的脹縮是紅黏土的特殊內(nèi)在因素在外部適當?shù)臍夂颦h(huán)境條件下共同作用的結果。因此，紅黏土發(fā)生脹縮變形的基本條件有兩條：一是巖土體具備自身能夠發(fā)生脹縮的內(nèi)在因素；二是要有能夠發(fā)生水分轉(zhuǎn)移的外部條件。

紅黏土中黏粒含量很高，土粒很細小，比表面積大，擴散層的總體積較大。紅黏土中的膠體礦物(針鐵礦、褐鐵礦等)和黏土礦物(伊利石等)，使得黏粒表面帶電荷數(shù)量較多，擴散層厚度較大。礦物成分和顆粒組成，決定了紅黏土具有較強的親水性。脫濕過程中，當紅黏土中的水分蒸發(fā)散失時，土粒表面的結合水膜變薄，基質(zhì)吸力變大。當土體中的基質(zhì)吸力大于土體的抗拉強度時，土體表面便會產(chǎn)生裂隙。吸濕過程中，裂隙為水分的滲入提供了良好的通道，水分會進一步滲入到土體內(nèi)部，造成土體結構軟化。再一次失水時，土體的裂隙會沿著原有的方向向土體深部發(fā)育，又由于土顆粒之間的連結作用減弱，土體的抗拉強度降低，裂隙會進一步加寬。

3 結論

通過研究不同壓實度下的紅黏土試樣在經(jīng)歷多次干濕循環(huán)作用后表面裂隙的發(fā)育情況，可得到如下結論：

1)試樣裂隙隨干濕循環(huán)作用次數(shù)的增加而逐步增多，且趨于一種網(wǎng)狀裂隙狀態(tài)。無論是90%壓實度還是93%壓實度的試樣，在經(jīng)歷第1次干濕循環(huán)后即產(chǎn)生裂隙，說明紅黏土在經(jīng)歷初次干濕循環(huán)后就已經(jīng)發(fā)生變形破壞。

2)隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，裂隙由試樣邊緣逐漸向中間發(fā)展，且最終形成貫穿裂隙。紅黏土作為路基填料時，若不采取相應措施，路基在經(jīng)歷多次干濕循環(huán)后會產(chǎn)生比較嚴重的變形破壞，進而使路基喪失強度。

3)93%壓實度的土樣相比90%壓實度的土樣，裂隙發(fā)育寬度更細，網(wǎng)狀裂隙包裹的土塊面積大，邊緣土體跌落少，完整性更好。工程上采取提高路基壓實度的方法保證路基質(zhì)量，對于紅黏土而言是有效的。在南方多雨地區(qū)，可以通過適量提高壓實度的方法，來減少降雨對于紅黏土變形的影響。

4)對于在干濕循環(huán)作用下的紅黏土，提高壓實度不能防止裂隙的發(fā)育，只能抑制裂隙的進一步發(fā)育。因此，對于紅黏土路基，若要提高其長期的路用性能，不能只靠提高壓實度，還要采取其他的防排水措施，避免降雨入滲對路基產(chǎn)生較大的影響。