含水率對紅土結(jié)構(gòu)強度影響的試驗研究

成果，黃書嫻，湯紅英

（1.江西水利職業(yè)學(xué)院，江西南昌，330013；2.南昌大學(xué)工程建設(shè)學(xué)院，江西南昌，330031；3.江西省水利科學(xué)院，江西南昌，330029）

0 引言

沈珠江院士[1]曾指出：土體的結(jié)構(gòu)性是指土體顆粒和孔隙的性狀和排列形式（或稱組構(gòu)）及顆粒之間的相互作用，土都具有一定的結(jié)構(gòu)性，特別是天然土的結(jié)構(gòu)性對其土工特性有非常大的影響。土的結(jié)構(gòu)強度是用來衡量土體結(jié)構(gòu)性強弱的力學(xué)參數(shù)，它是指保持土體原生結(jié)構(gòu)不被破壞的土顆粒之間聯(lián)接處的聯(lián)接強度。徐耘野[2]對非飽和原狀土進行結(jié)構(gòu)性研究，結(jié)果顯示引入結(jié)構(gòu)性參數(shù)的修正K-G 模型能夠更好的擬合出實際土樣的變形規(guī)律。張祖蓮[3]研究認為干濕循環(huán)作用導(dǎo)致紅土微結(jié)構(gòu)的改變，從而引起紅土宏觀力學(xué)性質(zhì)的變化。廖勝修[4]，吳侃等[5]指出：非飽和黃土能否發(fā)生濕陷變形、發(fā)生濕陷變形的大小，主要取決于其土體的結(jié)構(gòu)強度是否發(fā)生損失以及損失的程度。張伯平[6]、劉海松等[7]人指出：黃土的強度包括兩個方面：一是由黃土的原生結(jié)構(gòu)性所形成的結(jié)構(gòu)強度；二是由土體在固結(jié)壓密時土顆粒間所形成的固結(jié)強度，此部分強度不受土體結(jié)構(gòu)性的影響。非飽和黃土的結(jié)構(gòu)強度可用其原生結(jié)構(gòu)破壞后土體損失的強度大小來衡量。在具體地確定強度時，結(jié)構(gòu)強度的大小應(yīng)該用原狀黃土應(yīng)力～應(yīng)變曲線轉(zhuǎn)點處所對應(yīng)的原狀黃土與重塑黃土的應(yīng)力之差來表示。黨進謙、李靖[8]分析了非飽和黃土強度的組成和結(jié)構(gòu)強度的來源，給出了結(jié)構(gòu)強度的確定方法，研究了結(jié)構(gòu)強度的變化規(guī)律。結(jié)果表明：非飽和黃土的結(jié)構(gòu)強度可用其天然結(jié)構(gòu)破壞后所喪失的強度衡量，結(jié)構(gòu)強度與初始含水量間具有冪函數(shù)關(guān)系；結(jié)構(gòu)強度與不穩(wěn)定凝聚力具有良好的線性關(guān)系；提出了非飽和黃土結(jié)構(gòu)強度終止含水量的概念；并給出了非飽和黃土抗剪強度的計算公式。高建偉等[9]對22 種不同含水率、干密度組合的黃土試樣進行了室內(nèi)無側(cè)限抗壓強度試驗。結(jié)果表明：隨著含水率的增加，黃土試樣的彈性模量隨含水率增加而線性降低，降低速率隨干密度的增加而呈線性增長；黃土試樣的無側(cè)限抗壓強度與彈性模量之間具有良好的線性相關(guān)性。范軍立[10]從室內(nèi)試驗及理論分析方面總結(jié)分析了黃土在微觀結(jié)構(gòu)研究方面的現(xiàn)狀。研究表明：黃土的空隙結(jié)構(gòu)以及粘結(jié)強度是影響黃土濕陷特性的主要內(nèi)因。郝延周等[11]對不同干濕循環(huán)條件下壓實黃土試樣進行固結(jié)排水三軸剪切試驗。結(jié)果表明：不同結(jié)構(gòu)狀態(tài)壓實黃土的三軸剪切力學(xué)特性差異明顯，表現(xiàn)出明顯的結(jié)構(gòu)性。

紅土作為一種特殊土壤，在工程建設(shè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，其宏觀結(jié)構(gòu)強度也具有一定的特殊性，研究其結(jié)構(gòu)性和結(jié)構(gòu)強度，對認識紅土力學(xué)性質(zhì)同樣具有重要意義。盡管在含水率對紅土結(jié)構(gòu)強度的影響這一問題上，已經(jīng)有一些研究，但這些研究對紅土小變形階段的強度變化、不同含水率下紅土的抗剪強度差異以及含水率對紅土結(jié)構(gòu)強度的影響機理等方面仍存在著爭議和不明確之處。因此，本文將分別研究原狀、重塑紅土在直接剪切條件下應(yīng)力應(yīng)變發(fā)展規(guī)律及含水率變化對以上規(guī)律的影響。通過比較原狀-重塑應(yīng)力差，研究含水率對紅土結(jié)構(gòu)強度的影響。

1 研究方案

1.1 試驗土樣

土樣來源于江西省撫州市東鄉(xiāng)區(qū)詹圩鎮(zhèn)幕塘村，土樣呈磚紅色，天然含水率為20.6%，天然干密度為1.49g/cm3，土樣物理特性見表l。

表1 土樣物理特性

1.2 實驗方案

為了明確比較原狀-重塑紅土應(yīng)力差，并研究含水率對紅土結(jié)構(gòu)強度影響，試樣在制備過程中需要嚴格控制其含水量和密度兩個參數(shù)，同一類土各試樣的干密度為1.49g/cm3。從現(xiàn)場取回的原狀土樣被分為兩組，第一組被制成初始含水量各不相同的原狀試樣，第二組被制成與第一組各試樣的含水率、密度參數(shù)一一對應(yīng)的重塑土樣。

重塑試樣的制備：先將風(fēng)干土樣碾碎、過篩、拌勻，充分破壞土樣的天然結(jié)構(gòu)，然后按所需含水量均勻加水?dāng)嚢?，保濕靜置一晝夜，分層擊實至要求的密度，再切取試樣，要求含水量和密度的制樣誤差不超過1.0%，初始含水量分別控制為15.0%、19.0%、23.0%、27.0%、31.0%，共5 種，試驗前稱重反算各試樣的初始含水量，以反算的初始含水量為準(zhǔn)。

試驗采用DJY.4 型四聯(lián)等應(yīng)變直剪儀，采用固結(jié)快剪法，剪切歷時3～5min。剪切速率為1.2mm/min，垂壓分別為100/200/300/400kPa。分別測定每組初始含水率的原狀、重塑土樣的剪應(yīng)力以及剪切位移曲線。

試驗結(jié)束后，分析含水率的變化和試樣的抗剪強度及各強度參數(shù)變化之間的關(guān)系。比較運用直剪試驗的結(jié)果分析原狀紅土與重塑紅土的強度隨垂直壓力及含水率作用下的變化規(guī)律，并分析變化原因。

2 含水率對紅土力學(xué)性質(zhì)影響

2.1 紅土剪切過程曲線

分別對含水量為15%、19%、23%、27%、31%的原狀、重塑紅土試樣進行剪切，其剪切過程中應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系發(fā)展曲線如圖1所示。受限于文章篇幅，只給出部分應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系發(fā)展曲線。

圖1 紅土剪切過程曲線

由圖1 分析可得：無論是原狀紅土還是重塑紅土，其剪切過程曲線都表現(xiàn)為“剪切硬化”型曲線，在達到破壞標(biāo)準(zhǔn)（剪應(yīng)變6mm）前，剪應(yīng)力隨著剪切位移的增加而增大，剪切位移達到3～4mm 時，各曲線逐漸達到峰值并趨于穩(wěn)定。本文取剪應(yīng)變達到6mm 時的剪應(yīng)力為土樣抗剪強度。

2.2 不同含水率下紅土的力學(xué)參數(shù)變化

剪切完成后，用摩爾庫侖定律整理試驗所得數(shù)據(jù)，可以得到，原狀土樣和重塑土樣的力學(xué)參數(shù)如表2 和圖2所示。

圖2 紅土強度參數(shù)隨含水率變化規(guī)律

表2 紅土強度參數(shù)表

從圖2 可知，隨著含水率的增加，紅土的粘聚力和內(nèi)摩擦角都逐漸減小，且關(guān)系曲線的斜率也隨著含水率的增大而減小。

3 含水率對紅土結(jié)構(gòu)強度影響

在受到力的作用時，土體的原生結(jié)構(gòu)可以抵抗一部分力的作用。紅土的剪切結(jié)構(gòu)強度表示的就是紅土在受到剪切應(yīng)力破壞時，其原生結(jié)構(gòu)對剪應(yīng)力的抵抗作用。紅土的原生結(jié)構(gòu)性越強，對這種抵抗能力就越大，即結(jié)構(gòu)強度越大。

本文根據(jù)相關(guān)學(xué)者的研究成果，在同一剪應(yīng)變下，用原狀紅土的剪應(yīng)力減去重塑紅土的剪應(yīng)力，得到的結(jié)果即為在直接剪切條件下紅土的原狀-重塑應(yīng)力差。如圖3所示。

圖3 原狀-重塑應(yīng)力差計算示意圖

原狀-重塑應(yīng)力差可用以下關(guān)系式計算：

式中：τq為原狀-重塑應(yīng)力差；τ1、τ2為一定剪切應(yīng)變下原狀、重塑紅土的剪應(yīng)力。

3.1 原狀—重塑紅土剪切應(yīng)力差

根據(jù)剪切試驗結(jié)果，首先分別繪制出在相同垂直壓力、不同含水率狀態(tài)的原狀－重塑紅土的剪切應(yīng)力差，如圖4所示。

圖4 不同含水率下原狀-重塑紅土剪切應(yīng)力

然后繪制每一含水率狀態(tài)下，承受不同垂直壓力的原狀－重塑紅土的剪切應(yīng)力差如圖5所示。

圖5 不同壓力下原狀-重塑紅土剪切應(yīng)力差

分析圖4、圖5 可得：

（1）在剪切變形較小的階段（2mm 以內(nèi)）時，原狀與重塑紅土抗剪強度差既存在正值也存在負值，說明在小變形階段，原狀紅土與重塑紅土的強度數(shù)值大小不具有絕對的可比性。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是：一是由于垂直壓力的固結(jié)作用影響，原狀土體在固結(jié)后，其顆粒排列、膠結(jié)情況等結(jié)構(gòu)性存在一定程度的破壞；在開始剪切的小變形階段，土體內(nèi)部顆粒狀態(tài)開始調(diào)整，隨著剪切的開展，原狀紅土的強度均大于重塑紅土，說明土體內(nèi)部顆粒在經(jīng)過調(diào)整后，原狀紅土的結(jié)構(gòu)性強度開始發(fā)揮作用。原狀-重塑紅土剪切應(yīng)力差隨著變形的發(fā)展逐漸變大或穩(wěn)定，也說明這種土體內(nèi)部顆粒的調(diào)整整體是有序的。

（2）通過圖4 可以發(fā)現(xiàn)：同一壓力下，當(dāng)剪切應(yīng)變相同時，紅土在低含水狀態(tài)（17%、21%）的抗剪強度差均大于高含水狀態(tài)，表明在含水率較低的情況下，原狀土樣顆粒之間的膠結(jié)作用明顯強于重塑土樣。隨著土樣含水率的提高，抗剪強度差均出現(xiàn)不同程度減少，隨著剪切作用的發(fā)展，其大小關(guān)系也產(chǎn)生交替現(xiàn)象，說明水對土體顆粒之間膠結(jié)作用產(chǎn)生較大影響，此時土體的抗剪強度主要產(chǎn)生于土顆粒之間的排列與咬合作用，由于土體的排列與咬合存在較大隨機性，對土體抗剪強度產(chǎn)生了影響，因此原狀-重塑抗剪強度應(yīng)力差產(chǎn)生了較混亂的表現(xiàn)形式。

（3）通過圖5 可以發(fā)現(xiàn)：直接剪切條件下，含水量較低（17%、21%）紅土隨著剪切的發(fā)展而逐漸提高；隨著含水率的提高，在較低的剪切應(yīng)力下原狀-重塑紅土剪切應(yīng)力差即達到最大值，隨后不再提高。這是由于水的作用，使得高含水狀態(tài)土體的結(jié)構(gòu)性從固結(jié)和剪切開始的階段就已被完全發(fā)揮，隨著剪切作用的發(fā)展，不再提高。

3.2 紅土的結(jié)構(gòu)強度

從圖4 和圖5 可知原狀-重塑紅土剪切應(yīng)力差表現(xiàn)為兩種形式：一是應(yīng)力差隨著剪應(yīng)變的發(fā)展而逐漸提高并穩(wěn)定至峰值，直至試樣破壞；二是應(yīng)力差隨著剪切應(yīng)變的增加而緩慢升高一直到土體破壞。存在峰值時，表明紅土的結(jié)構(gòu)性充分發(fā)揮，之后應(yīng)力差隨應(yīng)變量的增加基本不再變化；當(dāng)原狀-重塑紅土剪切應(yīng)力差仍隨著剪切的發(fā)展增加時，說明紅土的結(jié)構(gòu)性強度仍在不斷發(fā)揮作用。本文取原狀-重塑紅土剪切應(yīng)力差的最大值為紅土的結(jié)構(gòu)強度。

紅土在不同含水率和垂直壓力下的結(jié)構(gòu)強度見表3 和圖6。

圖6 紅土的結(jié)構(gòu)強度

表3 不同含水率、垂直壓力下紅土結(jié)構(gòu)強度 kPa

可以看出：不論其垂直壓力如何變化，紅土的結(jié)構(gòu)強度總是隨著含水率的增加而逐漸降低隨后趨于穩(wěn)定。在垂直壓力較低的情況下，其結(jié)構(gòu)強度也較低。隨著垂直壓力升高，結(jié)構(gòu)強度一般也逐漸趨于穩(wěn)定，在高含水狀態(tài)下表現(xiàn)尤為明顯。

通過以上研究表明：紅土的結(jié)構(gòu)強度與土體含水狀態(tài)和固結(jié)狀態(tài)密切相關(guān)，結(jié)構(gòu)強度隨著含水率的增加和固結(jié)作用的減少而降低；隨著含水率的減少和固結(jié)作用的增加而升高。

在實際工程應(yīng)用中，當(dāng)土體的天然含水率較低，且承受的自然固結(jié)壓力較大時，應(yīng)該充分考慮紅土結(jié)構(gòu)強度可能會產(chǎn)生的變化，利用重塑紅土的強度代替原狀土的強度會產(chǎn)生較大誤差。但當(dāng)土體天然含水率較高，且承受的自然固結(jié)壓力較小時，土體結(jié)構(gòu)強度一般較低，可以利用重塑紅土的強度代替原狀土的強度。

4 結(jié)論

本文通過直接剪切試驗，研究了不同含水率對紅土結(jié)構(gòu)強度的影響及其規(guī)律，得到如下結(jié)論：

（1）原狀紅土與重塑紅土在小變形階段強度不能直接比較，但剪切應(yīng)力差會隨著變形逐漸增大或趨于穩(wěn)定。

（2）水對紅土顆粒膠結(jié)作用影響顯著，在相同壓力下，低含水狀態(tài)的抗剪強度差大于高含水狀態(tài)；高含水狀態(tài)的結(jié)構(gòu)強度在剪切開始階段已充分發(fā)揮。

（3）紅土結(jié)構(gòu)強度與含水率和固結(jié)狀態(tài)密切相關(guān)，含水率增加、固結(jié)減少會降低結(jié)構(gòu)強度；含水率減少、固結(jié)增加會提高結(jié)構(gòu)強度。

綜上，含水率是影響紅土結(jié)構(gòu)強度的關(guān)鍵因素。工程設(shè)計應(yīng)充分考慮紅土的含水率和固結(jié)狀態(tài)，以準(zhǔn)確評估其結(jié)構(gòu)強度和穩(wěn)定性。