含水率對(duì)桂林重塑紅黏土強(qiáng)度特性的影響研究

梁埔源

（柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545616）

紅黏土是碳酸巖類巖石在濕熱化和紅土化作用下形成的富含鐵鋁氧化物的高塑性黏土，其主要分布在熱帶、亞熱帶南方地區(qū)，包括四川東部、云南高原、兩廣兩湖、江蘇及江西等地區(qū)[1-2]。紅黏土被我國巖土工程勘察等相關(guān)規(guī)范劃分為特殊性土，其具有高含水率、高孔隙比及失水收縮變形量大等特點(diǎn)，在環(huán)境荷載作用下常誘發(fā)邊坡開裂、地基承載力不足及路基下沉等工程問題。

目前，國內(nèi)外學(xué)者從不同的角度探究了紅黏土的物理力學(xué)性質(zhì)。陳鴻賓等[3]通過三軸試驗(yàn)探究了干密度和含水率對(duì)桂林重塑紅黏土抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響；歐傳景等[4]和傅鑫暉等[5]采用壓力板和蒸汽平衡法探究了紅黏土的土-水特征曲線；孫德安等[6]對(duì)廣吸力范圍內(nèi)紅黏土的土-水特征曲線進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)高吸力階段，土-水特征曲線不受土體密實(shí)度的影響；趙穎文等[7]系統(tǒng)性研究了廣西原狀紅黏土的脹縮性指標(biāo)及脫濕過程中孔徑分布的演化規(guī)律；為揭示紅黏土中游離氧化鐵物質(zhì)對(duì)其物理力學(xué)特性的影響規(guī)律及其機(jī)制，牛庚等[8]和劉莉等[9]對(duì)比分析了去除和未去除游離氧化鐵情況下紅黏土持水特性及力學(xué)行為的影響規(guī)律，指出游離氧化鐵的存在可顯著影響紅黏土的物理力學(xué)性質(zhì)。劉順青等[10]研究指出紅黏土與高液限黏土性質(zhì)差異的主要原因在于顆粒間膠結(jié)物質(zhì)。李海龍[11]利用應(yīng)變控制式直剪儀研究了含水率對(duì)高、低液塑限紅黏土強(qiáng)度特性的影響。研究發(fā)現(xiàn)，破壞行為與液塑限的高低有關(guān)，高液塑限紅黏土發(fā)生脆性破壞，而低液塑限紅黏土發(fā)生塑性破壞。非飽和紅黏土的力學(xué)行為相應(yīng)本質(zhì)上是膠結(jié)物與土顆粒界面相互作用和土顆粒、膠結(jié)物與孔隙空間相對(duì)關(guān)系演化的宏觀體現(xiàn)。壓汞（MIP）、電鏡掃描（SEM）是目前探究孔隙結(jié)構(gòu)常用的方法，但這2類方法均需要對(duì)試樣進(jìn)行干燥預(yù)處理。在干燥過程中，不可避免地會(huì)對(duì)土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響，且較高的注入壓力也可能會(huì)對(duì)孔隙造成一定程度的損傷，使得測試的孔隙結(jié)構(gòu)信息在一定程度上失真。為克服上述可能，衛(wèi)國芳[12]基于低場核磁共振技術(shù)，探究了干濕循環(huán)條件下，孔隙結(jié)構(gòu)演化與紅黏土抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律，闡釋了孔隙結(jié)構(gòu)與抗剪強(qiáng)度的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性。

盡管目前國內(nèi)外學(xué)者從試驗(yàn)和理論上對(duì)紅黏土的工程力學(xué)行為都開展了大量的相關(guān)研究工作，并取得了長足的發(fā)展，對(duì)紅黏土力學(xué)特性有了一定的認(rèn)知。但由于紅黏土具有典型的區(qū)域性特征，各地區(qū)紅黏土的工程力學(xué)行為存在明顯差異。桂林地區(qū)紅黏土分布十分廣泛，約占整個(gè)第四系土分布面積的75%[5]。為更好地服務(wù)桂林地區(qū)工程建設(shè)，有必要開展含水率對(duì)桂林紅黏土抗剪強(qiáng)度的影響研究。為此，本文選取桂林紅黏土為試驗(yàn)對(duì)象，利用全自動(dòng)三軸儀，對(duì)非飽和重塑紅黏土開展固結(jié)排水剪切試驗(yàn)，旨在探究不同初始含水率對(duì)其力學(xué)行為的影響，為桂林相關(guān)工程實(shí)踐提供一定的理論參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

本次室內(nèi)試驗(yàn)所使用的土樣取自桂林市雁山區(qū)某大學(xué)工地，取土深度為地下2～3 m。土體取回后，經(jīng)風(fēng)干、碾碎過2 mm篩，取篩下土備用。按照GB/T 50123—2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[13]中介紹的方法對(duì)土樣進(jìn)行基本物理性質(zhì)指標(biāo)測試，各項(xiàng)基本的物性指標(biāo)列于表1中。由表1可知，土體比重（比重瓶法）為2.74，液限為73.56%，塑性指數(shù)為34.46；通過擊實(shí)試驗(yàn)，測定土體最大干密度為1.57 g/cm3，最優(yōu)含水率為22%；顆粒分析（密度計(jì)法）表明，土樣中砂粒（0.075～2 mm）含量為17.6%，粉粒（0.005～0.075 mm）含量為28.6%，黏粒（小于0.005 mm）含量為53.8%。

表1 試驗(yàn)土體的物性指標(biāo)

本次研究采用靜壓法制備重塑非飽和三軸試樣。試驗(yàn)前，根據(jù)目標(biāo)含水率（10%、15%、20%和25%，共4級(jí)）和干密度（1.4 g/cm3），將相應(yīng)質(zhì)量的蒸餾水和冷卻烘干紅黏土在保鮮袋中搓揉均勻；然后將潤濕的重塑土放置于玻璃干燥器中，密封靜置2 d，以確保水分遷移均勻。復(fù)測含水率后，根據(jù)設(shè)定干密度1.4 g/cm3，稱取相應(yīng)質(zhì)量的濕土，填入不銹鋼模具中通過液壓千斤頂逐層壓實(shí)成圓柱形試樣，共4層。為盡可能保證試樣均勻性，每層土料質(zhì)量相同，厚度為20 mm。每層壓實(shí)后，將層間接觸面刨毛，以保證各層間接觸良好。試樣直徑為39.1 mm，高度為80 mm。

將成型的試樣從模具中頂出，套上厚度為0.5 mm的乳膠膜，裝入三軸壓力室中，注水圍壓液。之后，施加目標(biāo)固結(jié)壓力（100、200、400 kPa）進(jìn)行等向固結(jié)。通過圍壓泵測量試樣的體積變化。固結(jié)變形穩(wěn)定的判別標(biāo)準(zhǔn)為圍壓液每小時(shí)的體積變形量小于試樣初始體積的0.1%。固結(jié)變形穩(wěn)定后，進(jìn)行三軸剪切試驗(yàn)，剪切速率設(shè)置為0.06 mm/min。試驗(yàn)儀器為南京土壤儀器廠生產(chǎn)的SLB-1型應(yīng)力-應(yīng)變控制式三軸儀。

2 試驗(yàn)結(jié)果

限于篇幅，本文僅呈現(xiàn)了有效圍壓100 kPa下試樣的偏應(yīng)力q（=σ1-σ3）與軸向應(yīng)變?chǔ)?之間的關(guān)系，如圖1所示。由圖1可見，不同含水率條件下非飽和重塑紅黏土試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線演化趨勢相同，呈現(xiàn)為應(yīng)變軟化型，即在較小的軸向應(yīng)變下達(dá)到峰值應(yīng)力，之后偏應(yīng)力隨軸向應(yīng)變的增加而降低。從圖中還可以看出，隨著含水率的增加，峰值點(diǎn)的應(yīng)力逐漸減小，軟化現(xiàn)象被抑制。李海龍[11]通過直剪試驗(yàn)，報(bào)道了相類似的試驗(yàn)結(jié)果。

圖1 不同含水率下紅黏土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

根據(jù)圖1中的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，可以求出土的楊氏模量E。本研究中，取軸向應(yīng)變?chǔ)?=1%處的應(yīng)力與相應(yīng)的應(yīng)變之比來確定楊氏模量。結(jié)果表明，當(dāng)有效圍壓為100 kPa時(shí)，含水率為10.2%、15.1%、20.3%和25.1%所對(duì)應(yīng)的楊氏模量E為645、447、369.7、283.5 MPa。這意味著，試樣的含水率對(duì)楊氏模量影響顯著，其原因可能與含水率對(duì)顆粒間游離氧化物形成的膠結(jié)物（水穩(wěn)性）的影響有關(guān)。

抗剪強(qiáng)度反映了試樣抵抗破壞的能力。為進(jìn)一步對(duì)比分析不同含水率對(duì)試樣剪切強(qiáng)度qf（=（σ1-σ3）f）的影響，圖2中給出了不同凈圍作用下，重塑非飽和紅黏土的qf與含水率w的關(guān)系。本研究中，對(duì)于qf的取值如下，如果q-ε1曲線有峰值點(diǎn)（即應(yīng)變軟化型），取其峰值；如果q-ε1曲線無峰值點(diǎn)（即應(yīng)變硬化型），取ε1=15%處的偏應(yīng)力值。

圖2 不同有效圍壓下含水率對(duì)紅黏土抗剪強(qiáng)度的影響

由圖2可以看出，當(dāng)有效圍壓一定時(shí)，含水率顯著影響試樣的抗剪強(qiáng)度。隨著含水率的增加，試樣的抗剪強(qiáng)度單調(diào)降低。此外，當(dāng)含水率一定時(shí)，有效圍壓越大，重塑非飽和紅黏土試樣的抗剪強(qiáng)度越高，即成正比例關(guān)系。采用線性函數(shù)對(duì)圖2中的強(qiáng)度和含水率的關(guān)系進(jìn)行回歸分析，可以得到抗剪強(qiáng)度與含水率之間存在如下線性關(guān)系

式中：qf為抗剪強(qiáng)度，kPa；w為含水率，%；a和b為擬合參數(shù)，可通過擬合圖中數(shù)據(jù)確定。擬合結(jié)果見表2。

表2 擬合參數(shù)匯總

根據(jù)摩爾-庫倫準(zhǔn)則可知，土體的強(qiáng)度是由黏聚強(qiáng)度和摩擦強(qiáng)度組成。因此，強(qiáng)度的變化受上述二者變化的綜合影響。根據(jù)三軸試驗(yàn)結(jié)果可知，含水率變化對(duì)黏聚力和內(nèi)摩擦角影響顯著。含水率為10.2%、15.1%、20.3%和25.1%所對(duì)應(yīng)的黏聚力分別為265.2、250.2、195.0、136.3 kPa；對(duì)應(yīng)的內(nèi)摩擦角分別為30.8°、29.2°、28.1°和27.2°。

3 分析與討論

土體是由形態(tài)、大小各異的粒團(tuán)顆粒單元、聚集體及膠結(jié)物質(zhì)堆積而成[14]。對(duì)于由碳酸鹽巖風(fēng)化形成的紅黏土，土體中除了硅鋁富集外，還有鐵（主要來源于赤鐵礦、針鐵礦等造巖礦物）富集所生成的氧化物。游離的氧化鐵顆粒細(xì)小，與水反應(yīng)生成氫氧化鐵膠體，充填于土體孔隙中[9]，膠結(jié)顆粒，增強(qiáng)顆粒之間的相互作用。但由于這種連接具有水穩(wěn)定性[15]，對(duì)力學(xué)行為的貢獻(xiàn)程度取決于土體含水率的大小，具體表現(xiàn)為對(duì)黏聚力和內(nèi)摩擦角的影響。

研究表明，非飽和紅黏土的黏聚力主要來源于土顆粒間的水膜連接、相互吸引及膠結(jié)作用，且以水膜連接和膠結(jié)連接占主導(dǎo)[2]。在低含水率時(shí)，首先產(chǎn)生膠結(jié)作用，而后形成結(jié)合水。土體孔隙中的游離氧化鐵與土顆粒間形成較強(qiáng)的連接力，從而表現(xiàn)出較高的黏聚力。隨著含水率的增加，水穩(wěn)性膠結(jié)物的連接強(qiáng)度由于含水量的增加而減弱，更甚者在較高的含水率下將使得膠結(jié)強(qiáng)度發(fā)生破壞，致使非飽和紅黏土黏聚力急劇下降。此外，增加含水率的同時(shí)，黏土礦物表面的結(jié)合水膜增厚，尤其是弱結(jié)合水膜的出現(xiàn)，增大了顆粒間的間距，同時(shí)形成潤滑，進(jìn)一步導(dǎo)致顆粒間水膜連接強(qiáng)度的減弱，致使土體黏聚力降低。

傅鑫暉等[16]指出，紅黏土內(nèi)摩擦角主要受控于顆粒結(jié)構(gòu)、密實(shí)度及大小。在密實(shí)度一定的情況下，紅黏土摩擦角受控于顆粒結(jié)構(gòu)。通常，紅黏土中游離氧化鐵有2種賦存形式，即結(jié)晶態(tài)和膠結(jié)態(tài)。因此，可以通過分析含水率對(duì)游離氧化物的賦存形態(tài)的影響來解釋其對(duì)摩擦強(qiáng)度的影響機(jī)制。在較低的含水率時(shí)，土顆粒在游離氧化物的膠結(jié)作用下，形成穩(wěn)定的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)；加之，顆粒間結(jié)合水膜發(fā)育程度較低，以強(qiáng)結(jié)合水形式存在，水膜黏結(jié)力較強(qiáng)。在二者（水膜黏結(jié)力和膠結(jié)作用力）綜合作用下，形成了牢固的團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，土體整體結(jié)構(gòu)性強(qiáng)且密實(shí)，故該情況下內(nèi)摩擦角相對(duì)較大。當(dāng)土中含水率的增加，上述具有水穩(wěn)特性的膠結(jié)作用力和水膜連結(jié)力均有不同程度的降低，土體的團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)性減弱。此外，增加含水率的同時(shí)，黏土礦物表面的結(jié)合水膜增厚，尤其是弱結(jié)合水膜的出現(xiàn)，增大了顆粒間的間距，咬合作用力也隨之減弱，且起到潤滑作用，致使土體內(nèi)摩擦角降低。綜上，在低含水率范圍內(nèi)，紅黏土試樣的內(nèi)摩擦角較大，隨著含水率的增加而降低。

4 結(jié)論

本文以桂林紅黏土為研究對(duì)象，利用靜壓法制備了不同含水率的非飽和試樣，通過一系列固結(jié)排水三軸剪切試驗(yàn)，初探了含水率對(duì)桂林紅黏土抗剪強(qiáng)度的影響?；诒疚难芯抗ぷ?，取得了如下主要結(jié)論。

（1）不同含水率的試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線呈應(yīng)變軟化型，即呈現(xiàn)為脆性破壞；隨著含水率的增加，峰值偏應(yīng)力降低，應(yīng)變軟化現(xiàn)象被抑制。

（2）含水率對(duì)楊氏模量影響顯著，其原因與含水率對(duì)顆粒間游離氧化物形成的膠結(jié)物（水穩(wěn)性）的影響有關(guān)。

（3）在本文研究條件下，剪切強(qiáng)度隨含水率的增加近似呈線性變化；強(qiáng)度隨含水率增加而降低可歸因于含水率致使提供黏聚力和內(nèi)摩擦角的水穩(wěn)性膠結(jié)物的貢獻(xiàn)降低。