壓實度和含水率對紅黏土無側(cè)限抗壓強度的影響研究

胡永亮

(遼寧省公路勘測設計公司 沈陽市 110006)

0 引言

紅黏土集中分布在中國南方地區(qū),分布面積達到了108×104km2[1-3],因此在實際道路工程中,不可避免的會碰到紅黏土。紅黏土在正常情況下強度能夠達到路基填料的要求,但是由于紅黏土中含有高嶺石、蒙脫石和伊利石等親水礦物[4],使其水穩(wěn)定性較差,過多的水會使紅黏土強度快速衰減[5],導致紅黏土路基發(fā)生崩裂、滑坡等工程地質(zhì)災害[6]。

無側(cè)限抗壓強度是表征土強度最重要的指標之一,因此很多學者對紅黏土的無側(cè)限抗壓強度進行了研究。陳議城、方娟和王海湘等[6-8]研究了含水率對紅黏土無側(cè)限抗壓強度的影響,方娟和王海湘研究發(fā)現(xiàn)紅黏土的無側(cè)限抗壓強度隨著含水率的增加呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律,陳議城研究發(fā)現(xiàn)隨著含水率的增加紅黏土的無側(cè)限抗壓強度呈現(xiàn)連續(xù)減小的規(guī)律,且通過擬合發(fā)現(xiàn)含水率和無側(cè)限抗壓強度呈指數(shù)型關系。徐科宇[9]研究了干密度對紅黏土無側(cè)限抗壓強度的影響,研究發(fā)現(xiàn)隨著紅黏土干密度的增加,紅黏土無側(cè)限抗壓強度呈現(xiàn)遞增的趨勢。

基于此,以三明將樂動車站右側(cè)的紅黏土作為研究對象,通過室內(nèi)無側(cè)限抗壓強度試驗,獲得不同含水率和不同壓實度條件下紅黏土的無側(cè)限抗壓強度數(shù)據(jù),探討不同含水率和不同壓實度對紅黏土無側(cè)限抗壓強度的影響,以期為實際公路工程提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗紅黏土取自福建省三明將樂動車站附近,通過界限含水率試驗可知,該場地紅黏土塑限32.10%、液限63.56%、塑性指數(shù)31.46。通過擊實試驗可知,該場地紅黏土最大干密度1.662g.cm-3,最佳含水率為23%。

1.2 試驗方案

試驗以含水率和壓實度作為變量,含水率以最佳含水率為基準,按3%上下浮動,選擇四個含水率數(shù)值進行試驗,壓實度分別選擇86%、90%、93%作為數(shù)值進行試驗,具體試驗方案見表1。

表1 試驗方案

1.3 試驗方法

將紅黏土風干碾碎,過2mm篩,按照規(guī)定含水率加水均勻拌和,然后將拌合土裝入袋子中靜置24h,保證水分均勻遷移,最后根據(jù)規(guī)定壓實度將土樣制成3.91cm×8cm的三軸試樣,將試樣在恒溫恒濕條件下養(yǎng)護28d,根據(jù)《土工試驗方法標準》(GBT 50123—2019)中的無側(cè)限抗壓強度試驗方法進行試驗[10]。

2 試驗結果與分析

通過無側(cè)限抗壓強度試驗可以得到應力與應變曲線關系圖,根據(jù)所得到的關系圖,可以得到其峰值處的無側(cè)限抗壓強度,也可以得到其試驗結束后的無側(cè)限抗壓強度(簡稱殘余強度),以這兩個指標來分析含水率和壓實度對紅黏土力學性能的影響,試驗結果如表2所示。

表2 三明紅黏土強度特性

2.1 不同含水率對紅黏土無側(cè)限抗壓強度和殘余強度的影響分析

以含水率作為x軸,無側(cè)限抗壓強度和殘余強度作為y軸,變化規(guī)律如圖1、圖2所示。

圖1 不同含水率下紅黏土無側(cè)限抗壓強度變化規(guī)律

圖2 不同含水率下紅黏土殘余強度變化規(guī)律

由圖1和圖2可知:

(1)三明地區(qū)紅黏土在不同含水率條件下無側(cè)限抗壓強度和殘余強度變化趨勢大致相同。

(2)紅黏土的無側(cè)限抗壓強度和殘余強度均隨著含水率的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢,當含水率達到最佳含水率時二者達到最大值。

(3)當紅黏土含水率為20%時,無側(cè)限抗壓強度和殘余強度最低。

(4)當含水率從26%變到29%時,紅黏土無側(cè)限抗壓強度和殘余強度變化幅度最小。

之所以無側(cè)限抗壓強度和殘余強度在不同含水率條件下會呈現(xiàn)出這種規(guī)律,主要是因為當土中含水率較低時,土中顆粒的膠結物質(zhì)較少,土顆粒無法較好的黏結在一起,導致土體難以被壓實。當含水率達到最佳含水率的時候,土顆粒容易膠結在一起,并且由于水的潤滑作用,使土顆粒直剪的摩擦力減小,土顆粒容易被移動壓實。但是當含水過多時,土顆粒之間的結合水膜過厚,又導致土顆粒難以被壓實,導致強度降低。

2.2 不同壓實度對紅黏土無側(cè)限抗壓強度和殘余強度的影響分析

以壓實度作為x軸,無側(cè)限抗壓強度和殘余強度作為y軸,變化規(guī)律如圖3、圖4所示。

圖3 不同壓實度下紅黏土無側(cè)限抗壓強度變化規(guī)律

圖4 不同壓實度下紅黏土殘余強度變化規(guī)律

由圖3和圖4可知:

(1)三明地區(qū)紅黏土在不同壓實度條件下無側(cè)限抗壓強度和殘余強度變化趨勢大致相同。

(2)紅黏土的無側(cè)限抗壓強度和殘余強度均隨著壓實度的增大而增大。

(3)當含水率為20%時,紅黏土在三種壓實度下的無側(cè)限抗壓強度和殘余強度均是最小值。

當含水率為最佳含水率23%時,紅黏土在三種壓實度下的無側(cè)限抗壓強度和殘余強度均達到最大值,且兩種強度的增加幅度也最大。

之所以無側(cè)限抗壓強度和殘余強度在不同壓實度條件下會呈現(xiàn)出這種規(guī)律,主要是因為當壓實度較小時,土顆粒之間的接觸較為稀疏,會導致土體內(nèi)部的孔隙過多,并且存在較大孔隙,這會導致土樣的完整性較差,最終結果就是無側(cè)限抗壓強度和殘余強度偏低;當壓實度較大時,土顆粒之間緊密接觸,土體內(nèi)部的大孔隙幾乎消失,土樣的完整性較好,最終結果就是無側(cè)限抗壓強度和殘余強度變大。

3 結論

通過對三明將樂地區(qū)紅黏土進行無側(cè)限抗壓強度試驗,以無側(cè)限抗壓強度和殘余強度作為指標,分析不同含水率和不同壓實度條件下紅黏土力學性能的變化規(guī)律,得到以下結論:

(1)紅黏土的力學性能同時受到含水率和壓實度兩個方面的影響。

(2)紅黏土的無側(cè)限抗壓強度和殘余強度隨著含水率的增加呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律。

(3)紅黏土的無側(cè)限抗壓強度和殘余強度隨著壓實度的增加呈現(xiàn)持續(xù)增大的規(guī)律。

(4)當含水率達到最佳含水率的時候,紅黏土的無側(cè)限抗壓強度和殘余強度均達到最大值,此時紅黏土的力學性能最好。