不同含水率下重塑紅黏土抗剪強度特性的研究

梁斌 莫凱

紅黏土在我國南方地區分布廣泛,其具有高液限、上硬下軟等特點,我國《巖土工程勘察規范》等將紅黏土劃分為特殊土[1]。引起紅黏土上硬下軟的主要因素是土體含水率沿深度變化大,而土體強度特性與含水率密切相關[2]。研究表明:隨土中含水率增大,土體抗剪強度減小。研究不同含水率條件下紅黏土的強度特性具有重要意義。

目前,國內外許多學者對不同含水率條件下土體的強度特性進行了研究,如國內黨進謙、李靖等曾采用直剪儀對不同含水率條件下黃土的強度特性進行了試驗研究[3],試驗結果表明,含水率條件對土體粘聚力影響顯著,對內摩擦角影響不大。但關于紅黏土在不同含水率條件下的強度特性規律研究較少,為此,本文擬對其進行試驗研究,以期獲取有益的結論。

1 試驗方案

1.1 取樣與制樣

1)在長沙市南部某工程場地中取紅黏土50 kg;2)用標準篩篩選5 mm以下土樣,等分十份,1號土樣保持天然含水率,其余土樣按25 mL的水逐級增加注入;3)試驗土樣加水調勻后,密封靜置24 h后采用烘干法測量土樣含水率;4)采用環刀制樣,環刀高為20 mm,直徑為61.8 mm。

1.2 試驗過程

1)含水率測試試驗[4,5]:首先從土樣中選取具有代表性的試樣10 g～20 g,分別放入兩個稱量盒(恒質量、鋁制),立即蓋上盒蓋,稱盒加濕土質量,準確至0.01 g。打開盒蓋,將試樣和盒一起放入烘箱內,在溫度105℃～110℃下烘10 h。將烘干后試樣和盒從烘箱中取出,蓋上盒蓋,放入干燥器內冷卻到室溫,稱盒加干土質量,準確至0.01 g,然后根據式(1)計算含水率:

其中,w為試樣含水率,%;m為試樣濕質量,g;md為試樣干質量,g。

2)直剪試驗[6,7]:將制備好的試樣裝入應變控制式直接剪切儀的剪力盒中,試樣上下兩面均依次為不透水的薄塑料墊和透水石。由于土樣處于非飽和狀態,剪切盒上的活塞周圍用與試樣含水率相近的濕棉布圍住,以防止試樣水分發生較大變化。試樣裝好后分別加載,每組試驗取4個試樣,分別在100 kPa,200 kPa,300 kPa和400 kPa的垂直壓力下,以0.8 mm/min～1.2 mm/min的速率進行剪切(4 r/min～6 r/min的均勻速度旋轉手輪),使試樣在3 min～5 min內剪損,獲得每級垂直荷載下的最大剪力。

1.3 試驗結果與分析

室內試驗的測試數據如表1～表3所示。因含水率對土體內摩擦角影響不大,故表3中僅列出土體粘聚力值的測試結果。由表3中可見,隨著紅黏土含水率的增大,其抗剪強度減小。根據非飽和土理論可知,這是由于含水率增大導致土體基質吸力減小引起的。

表1 含水率測試結果

表2 試驗用土物理性質指標

相應于不同法向壓力條件,各土樣抗剪強度隨含水率的變化關系如圖1所示。由圖1可知,各級法向壓力條件下,土樣抗剪強度與含水率間線性關系較好,用直線擬合后相關系數均達到0.96以上,可以近似的認為在某一法向應力下,抗剪強度與含水率成正比。這一規律符合非飽和土抗剪強度基本公式。

表3 剪切試驗結果

2 結語

1)進行了不同含水率條件下紅黏土抗剪強度試驗。試驗結果表明,非飽和土的抗剪強度隨含水率的增大而減小。2)隨著紅黏土含水率的增大,其粘聚力呈減小的趨勢。3)各級法向應力作用下,土體的抗剪強度與含水率之間可近似用直線關系描述。

[1]GB 50021-2001,巖土工程勘察規范[S].

[2]《工程地質手冊》編寫委員會.工程地質手冊[M].第4版.北京:中國建筑工業出版社,2008.

[3]黨進謙,李 靖.非飽和黃土的強度特征[J].巖土工程學報,1997,19(2):56-61.

[4]高大釗,袁聚云.土質學與土力學[M].北京:人民交通出版社,2007.

[5]TG E40-2007,公路土工試驗規程[S].

[6]J SL123-1999,土工試驗規程[S].

[7]劉福臣,成自勇,崔自治.土力學[M].北京:中國水利水電出版社,2005.