干密度對重塑紅黏土變形特性的影響

宋　宇,肖桂元,陳學軍,黃　翔,齊運來

(1.桂林理工大學 a.土木與建筑工程學院;b.廣西巖土力學與工程重點實驗室,廣西 桂林　541004;2.中國有色金屬長沙勘察設計研究院有限公司, 長沙　410007)

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干密度對重塑紅黏土變形特性的影響

宋宇1,肖桂元1,陳學軍1,黃翔1,齊運來2

(1.桂林理工大學 a.土木與建筑工程學院;b.廣西巖土力學與工程重點實驗室,廣西 桂林541004;2.中國有色金屬長沙勘察設計研究院有限公司, 長沙410007)

摘要：為研究不同干密度下紅黏土剪切變形特性,采用人工方法制備不同干密度的紅黏土試樣,進行了重塑紅黏土的不排水三軸剪切試驗。研究結果表明:飽和重塑紅黏土隨干密度的增加應力-應變曲線表現出4種不同類型,由弱塑性類型依次向硬化性、強塑性、軟化性類型發展,剪切峰值提高;微觀孔隙的平均孔徑逐漸減小,微觀結構從粒斑狀結構發展至疊片狀,在高干密度情況出現剪切帶;分別對不同應力-應變曲線類型進行擬合分析,并討論了各種曲線類型的數學模型的適用性。

關鍵詞：干密度;重塑紅黏土;應力-應變曲線;微觀結構;數學模型

紅黏土是碳酸鹽巖風化殘坡積并經過紅土化作用而形成的棕紅、褐黃等色的高塑性粘土,主要分布在北緯 30°與南緯 30°之間的熱帶與亞熱帶地區。紅黏土在我國中西部地區分布廣泛,尤其在桂林地區,紅黏土約占整個第四系分布面積的75%,為桂林市主要建筑活動區[1-2]。

紅黏土作為一種工程力學性質特殊的結構性黏土, 國內外眾多學者對其物質成分、 結構特征及工程力學特性進行了大量研究。 李建紅等[3]從結構性土的微觀結構出發研究其微觀破損機理;蔣明鏡等[4]研究了軟土的微觀結構剪切帶變形特性; 趙穎文等[5]對廣西原狀紅粘土力學性狀與水敏性特征進行了試驗研究; 聶慶科等[6]通過擊實試驗和擊實后土樣的壓縮和剪切試驗研究紅黏土的變形和強度特性; 黃質宏等[7]采用不同應力路徑試驗分析了紅粘土的力學特性； 但以干密度為控制指標進行重塑紅黏土變形、 強度特性試驗的研究較少。 本文通過常規三軸試驗研究重塑紅黏土在不同干密度下宏、 微觀土樣破壞形式和應力-應變關系, 并給出了4種應力-應變曲線適用模型, 對模型進行擬合, 探討干密度對重塑紅黏土變形特性的影響規律, 為工程設計和施工提供理論依據。

1土樣基本物理性質及最大干密度的確定

紅黏土的物理性質與其化學成分、礦物成分及結構特性等有關,不同區域的紅黏土存在一定的差異。本次試驗土樣取自桂林市疊彩區某工地,為該地區典型的碳酸鹽類紅黏土,其基本物理性質指標見表1。

最大干密度試驗中采用濕法與干法兩種備樣方法進行對比,干法又分為100 ℃、60 ℃烘干及風干3種,根據試驗過程的失水程度研究其擊實特性,確定最大干密度。由表2可見,由于紅黏土烘干后破壞了結合水與顆粒間的結合力與分子結構,失水后不完全可逆,尤其是100 ℃烘干,造成了試驗結果的嚴重偏差, 而風干與濕法試驗結果相差不大, 但風干試驗操作簡單且誤差小, 故本次試驗土樣采用風干法, 最優含水率取值為29%,最大干密度為1.60 g/cm3。

表1　桂林紅黏土的基本物理性質指標Table 1　Basic physical indexes of red clay in Guilin

表2　不同備樣方法下紅黏土的最大干密度確定Table 2　Maximum dry density of red clay by different preparation methods

2試驗方案

采用南京土壤儀器廠有限公司生產的28-T0401/AC全自動飽和土三軸儀，分別測試4種不同干密度下重塑紅黏土應力-應變特征及相應的抗剪強度,觀察剪切后土樣特征。用牛津掃描電鏡SEM-model 7585，觀察不同干密度下重塑紅黏土剪切前后的微觀結構。美國康塔儀器公司生產的壓汞儀，測試不同干密度下重塑紅黏土的孔隙分布特征及孔徑大小。

由于三軸試驗的結果受土樣制備因素影響較大, 所以試樣的制備采用固定初始含水率的方法, 將所有重塑土樣的初始含水率控制為最優含水率29%, 以便于進行控制擊實質量變化對比試驗。 因最優含水率對應的最大干密度為1.60 g/cm3, 故選取干密度為1.32、 1.40、 1.47、 1.55 g/cm3作為擊實控制標準, 對應標準三軸試樣質量為163、 172、182、 188 g, 其中163 g試樣分4層擊實, 其余依次分5、 6、 7層擊實至目標質量。 將擊實后的紅黏土試樣飽和, 再進行三軸不排水剪切試驗。 針對不同的土樣破壞形式選取不同破壞標準, 出現峰值時取剪切峰值的偏應力作為破壞標準, 未出現峰值時取15%軸向應變的偏應力作為破壞標準。 由于桂林紅黏土工程特性主要為膨脹性,且收縮性較弱, 風干對土體收縮影響相對較小, 因此用風干法脫水處理。 分別取試驗前及剪切破壞后的土樣, 用自然風干法脫水風干后的土樣做電鏡掃描。 另取擊實后不同干密度的試樣進行壓汞試驗。

3試驗結果分析

3.1剪切特征的宏觀分析

對本次試驗的數據進行處理分析, 重塑紅黏土三軸剪切試驗結果出現了4種類型的應力-應變曲線, 按照彈塑性、強化與軟化規律可以分別描述為弱塑性、 硬化性、 強塑性和軟化性。

通過本次試驗發現,不同干密度下紅黏土剪切特性有著顯著差異。由圖1可知,以干密度為控制指標的紅黏土三軸試驗中出現了4種應力-應變曲線類型：a類弱塑性重塑紅黏土在剪切開始之初即達到峰值,剪切峰值為4類土中最低；b類硬化性重塑紅黏土在達到拐點之前近似發生彈性形變,達到拐點之后剪切曲線呈線性提高；c類強塑性重塑紅黏土的偏應力在平緩達到峰值或在達到15%軸向應變后仍未達到峰值,表現出極強的塑性能力；d類軟化性重塑紅黏土因干密度已接近最大干密度,在偏應力達到剪切峰值后發生脆性破壞,曲線陡降。

紅黏土抗剪強度特征值及剪切峰值分布特點見表3： a類弱塑性重塑紅黏土干密度為1.32 g/cm3, 試驗土樣最大干密度為1.60 g/cm3, 干密度在4類土中最小, 剪切峰值、 黏聚力和內摩擦角相對較小,綜合表現為試樣的抗剪強度較小; b類硬化性重塑紅黏土干密度為1.40 g/cm3,土樣的剪切峰值、黏聚力和內摩擦角相對a類弱塑性重塑紅黏土增強； c類強塑性重塑紅黏土干密度為1.47 g/cm3, 剪切峰值、 黏聚力和內摩擦角進一步提高； d類軟化性重塑紅黏土干密度為1.55 g/cm3, 剪切峰值略大于c類強塑性重塑紅黏土,黏聚力和內摩擦角達到4類土中的最大值。

圖1　紅黏土應力-應變曲線分類Fig.1　Stress-strain curves classification of red clay

紅黏土類型干密度ρd/(g·cm-3)剪切峰值(σ1-σ3)f/kPa峰值位置/%黏聚力c/kPa內摩擦角φ/(°)a類弱塑性1.3259.2～99.12.4～6.116.084.18b類硬化性1.40147.3～333.11523.779.52c類強塑性1.47321.2～471.714～1547.9415.47d類軟化性1.55327～4836.2～10.164.7119.28

注:c、φ值皆取4組平行試驗平均值。

不同干密度的重塑紅黏土剪切后形態見圖2。整個試驗過程中出現的破壞形式主要有3種:側脹破壞、多縫破壞、單縫破壞。a類弱塑性土在土體剪切過程中出現了明顯的剪脹現象,土樣發生塑性變形,形狀由原來的圓柱形被壓成中部鼓出形;b類硬化性土在剪切結束后土樣呈現微剪脹的特點,發生明顯的塑性變形, 形狀由原來的圓柱形被壓成中下部輕微鼓脹形;c類強塑性土剪切結束后土樣內部已發生破壞,出現細小剪切裂縫,發生多縫破壞;d類軟化性土的干密度已接近最大干密度1.60 g/cm3,類似于脆性材料,在峰值時出現應變軟化現象,發生單縫破壞,剪切結束后可觀察到斜向劈裂型剪切帶。

3.2剪切特征的微觀分析

為研究不同干密度對重塑紅黏土孔隙分布的影響,有必要對孔隙大小和分布情況作定量化分析。壓汞法是巖土工程中測試多孔介質微觀結構的一種有效的研究方法,不同類型的重塑紅黏土孔隙分布特征見表4。

上海、北京在多個領域均處于領先地位。上海在機構養老服務、養老人才、養老產業、行業信用、老年公益5方面優勢突出，尤其是老年公益政策創新優勢明顯，出臺了老年教育專項發展規劃、建立老年人服務信息管理系統等相關政策。

圖2　重塑紅黏土試樣剪切形態Fig.2　Shear characteristic of remolded red clay

可見,隨著干密度的增加,測試土樣孔徑為0.01～0.1 μm范圍內的孔隙比例逐漸增大,從34%增大至83%。孔徑大于10 μm的孔隙比例逐漸減小,從52%減少到3%,表明干密度在1.32 g/cm3的弱塑性土以大于10 μm孔徑的孔隙為主,其余3類土孔隙以0.01～0.1 μm孔徑孔隙為主。d類軟化性土干密度因接近最大干密度,孔徑大于1 μm的孔隙已經很少(占總體積的7%), 因此孔隙主要是以小孔徑為主的微觀孔隙。 a類弱塑性土的平均孔徑最大,b類硬化性土次之, c類強塑性土最小, 弱塑性土的平均孔徑分別是硬化性、 強塑性、 軟化性土的1.5、 2.1、 3倍。

各類型重塑紅黏土試驗前后微結構的電鏡掃描結果見圖3。

(1)a類弱塑性重塑紅黏土的微觀結構呈粒斑狀, 結構松散, 顆粒間存在較多孔隙, 土樣經過固結剪切, 土骨架首先被塑性壓縮, 達到較低主應力峰值后, 土粒間的孔隙結構吸力增大, 孔隙結構逐漸變得均勻、 被壓密, 宏觀上表現出弱塑性特點。

表4　不同類型重塑紅黏土孔隙分布特征Table 4　Different types of remolded red clay pore distribution

圖3　不同類型重塑紅黏土試驗前后微結構電鏡掃描圖Fig.3　SEM different microstructure types of remolded red clay before and after the test

(2)b類硬化性重塑紅黏土由于在較小干密度條件下剪切,存在較多孔隙,試驗過程中內部孔隙被壓縮,直至孔隙水共同承壓而形成拐點。隨著軸向位移的增加,由于顆粒間接觸面逐漸增多,土骨架密實,總體呈現粒斑狀,局部片狀,微觀孔隙相對弱塑性紅黏土少,試驗后微觀結構變化主要為孔隙減少、片狀結構增多,土顆粒之間接觸面積增大,宏觀上表現出應變硬化的特點。

(3)c類強塑性重塑紅黏土的微觀結構形式總體為疊片狀，部分粒斑狀,土顆粒孔隙率低,土顆粒接觸愈發緊密,土水之間的相互作用增強,從而使剪切峰值、內摩擦角和黏聚力進一步增大,綜合表現為土體的抗剪強度提高,試驗后土顆粒排列更為緊湊密實,土顆粒排列表現出明顯的方向性,宏觀表現為應變強塑性。

(4)d類軟化性重塑紅黏土的微觀結構中, 土顆粒呈致密的疊片狀結構, 土體經過剪切之后, 剪切面上土顆粒之間的聯結力受到破壞, 土顆粒排列齊整, 土體結構密實性變差, 土骨架損傷,因此剪切峰值僅比c類強塑性峰值略大, 宏觀上出現了達到峰值土樣曲線陡降的特點, 即應變軟化。 但由于d類軟化性土的干密度為4類土中的最大值, 土顆粒孔隙率極低, 自由水最少, 土中水多以弱結合水形式存在, 隨著試驗的進行, 孔隙進一步減小, 部分自由水轉化為弱結合水, 使得自由水對土顆粒間的潤滑作用減弱[8], 內摩擦角有所增大。

綜上,隨著干密度的增大,從弱塑性土到軟化性土(a到d類)試樣由塑性破壞向脆性破壞轉化, 孔隙的平均孔徑變小, 微觀孔隙由大而多向致密變化, 微觀結構從粒斑狀發展至疊片狀, 土顆粒由不規則排列逐漸變得齊整和有方向性, 試驗前后各類型土樣的微觀結構對比尤為明顯。

3.3應力-應變曲線特征

土的應力-應變關系描述是研究土體各種力學性質的核心問題[9]。為更好地了解桂林地區重塑紅黏土剪切變形特性,對試驗數據進行處理分析,繪制了各類土應力-應變曲線(圖4),剪切峰值分布特點見表3。由表3、圖4可知:

(1) a類弱塑性土干密度控制值為1.32 g/cm3,剪切峰值59.2～99.1 kPa，峰值位置為軸向應變的2.4%～6.1%。圖4為典型弱塑性重塑紅黏土應力-應變關系曲線，該類土在100、150 kPa的低圍壓時處在塑性變形階段，應力-應變曲線近似保持水平發展。而在較高圍壓條件下(200、250 kPa)， 在發生塑性變形的同時， 已有逐漸向弱塑性類土(b類硬化性土)發展的趨勢，圍壓越大轉化現象越明顯。 (2) b類硬化性土干密度控制值為1.40 g/cm3,剪切峰值為147.3～333.1 kPa,峰值位置為軸向應變的15%,其強化拐點位置為0.5%～2%。當曲線到達拐點之前發生彈性形變,高圍壓條件下土樣應力-應變曲線向強塑性類型發展。

(3) c類強塑性土干密度控制值為1.47 g/cm3,剪切峰值為321.2～471.7 kPa,峰值位置為軸向應變的15%左右,其應力-應變曲線為標準土體破壞曲線。在250 kPa的高圍壓下,軸向應變14%處出現剪切峰值,有向d類軟化性土曲線發展的趨勢。

圖4　不同類型重塑紅黏土應力-應變曲線Fig.4　Stress-strain curves of different types of remolded red clay

(4)d類軟化性土應力-應變曲線是超固結黏土三軸試驗中的典型曲線,干密度控制值為1.55 g/cm3,剪切峰值為327～483 kPa,此時土樣塑性較小,土樣在軸向應變6.2%～10.1%就形成峰值后剪切破壞,曲線陡降,具有明顯的剪切破壞面。圍壓越大,出現剪切峰值的位置越靠后,即峰值對應的軸向應變增大。

由以上應力-應變特征可知,不同干密度對紅黏土剪切變形特性影響較大。隨著干密度的增加,紅黏土土顆粒密實,骨架變得堅硬,剪切峰值增大,曲線類型也由弱塑性逐漸向硬化性、強塑性、軟化性發展;在同一干密度條件下,圍壓對土樣應力-應變類型影響較小,但在高圍壓下出現應變轉化為下一類型的趨勢;d類軟化性土的圍壓越大,出現剪切峰值的位置越靠后,即峰值對應的軸向應變增大。

3.4各類型土應力-應變曲線關系的數學描述

在分析了不同干密度下桂林重塑紅黏土不同應力-應變類型的曲線特征和轉化現象后,為尋找各曲線關系適宜的數學表達方式,對不同類型的應力-應變曲線進行了擬合分析,進而為下一步研究做準備,圖5～圖7分別為a類弱塑性土、b類硬化性土、c類強塑性土的數學函數擬合曲線,各數學模型常數值見表5～表8。

圖5　a類弱塑性土應力-應變雙曲線擬合Fig.5　Stress-strain relations hyperbolic fitting of soil a

圖6　b類硬化性土應力-應變冪函數擬合Fig.6　Stress-strain relations power function fitting of soil b

圖7　c類強塑性土應力-應變雙曲線擬合Fig.7　Stress-strain relations hyperbolic fitting of soil c

σ3/kPaa1/10-2b1/10-2R21000.31.670.99841500.141.470.99782000.311.20.99872500.351.020.9976

表6　b類硬化性土冪函數模型常數值Table 6　Constant value of power function mode

表7　c類強塑性土雙曲線函數模型常數Table 7　Constant value of hyperbolic mode

表8　d類軟化性土軟化型曲線擬合參數Table 8　Parameter values of softening curve fitting

康納[10](Konder)提出可用雙曲線擬合一般土的三軸試驗,適用于a類弱塑性重塑紅黏土擬合,其形式為

(1)

式中: a、 b為常數; a為起始變形模量 (σ1-σ3)ult的倒數; b為雙曲線的漸近線對應的極限偏應力Ei的倒數。

a類弱塑性重塑紅黏土應力-應變曲線關系擬合見圖5,擬合參數見表5。根據試驗成果繪制的ε1(σ1-σ3)-1-ε1直線求得a1、b1值,由此可知,不同圍壓作用下的a類弱塑性土應力-應變關系曲線可取主應力差漸進值(σ1-σ3)ult作為歸一化因子[10],其歸一化條件為

(2)

式中: M、 N為常數, (σ1-σ3)ult與Ei成正比。

劉祖典[11]提出硬化性黏土的應力-應變曲線可用冪函數擬合,對b類硬化性重塑紅黏土同樣適用

(3)

式中: α、 β為常數,可根據試驗成果繪制的lg(σ1-σ3)-lgε1直線求得。

c類強塑性重塑紅黏土應力-應變擬合見圖7, 擬合參數見表7, 該類曲線同樣可用式(1)擬合。根據試驗成果繪制的ε1(σ1-σ3)-1-ε1直線, 求得雙曲線函數模式的常數值a3、b3值。

d類軟化性重塑紅黏土的應力-應變曲線可利用原南京水利科研院模型進行擬合[13-14], 該模型將在后期試驗中作進一步研究, 探討其對紅黏土應變軟化類型的適用性, 應力-應變關系曲線的數學描述為

(4)

式中: a、 b、 c 為試驗確定的曲線擬合參數, 軟化型曲線擬合參數見表8。

對于以干密度為控制指標, 具有應力-應變關系轉型的重塑紅黏土, 可利用上述4種數學模型進行初步的數值分析。本文給出的數學關系表達式, 能較好地反映桂林重塑紅黏土不同應變類型的轉化現象, 但仍有待對應力-應變曲線類型作進一步的歸一化分析。

4結論與建議

(1)按彈塑性、強化與軟化規律把重塑紅黏土的剪切變形分為弱塑性、硬化性、強塑性、軟化性4種類型。隨干密度的增加, 紅黏土由弱塑性逐漸向軟化性發展。在同一干密度下, 圍壓對應力-應變曲線類型影響較小, 但在高圍壓下不同應力-應變曲線存在向下一類型轉化的趨勢。相同圍壓不同類型的重塑紅黏土的剪切峰值隨干密度的增大而增大, 隨著干密度的提高, 紅黏土的黏聚力和內摩擦角相應增大。應變軟化性重塑紅黏土的圍壓越大, 剪切峰值對應的軸向應變越大。

(2)三軸剪切條件下重塑紅黏土破壞形式主要有3種:側脹破壞、多縫破壞、單縫破壞。紅黏土在干密度較小時, 剪切破壞后剪脹現象明顯, 隨著干密度的增加剪脹現象減弱, 出現明顯的剪切破壞帶。隨干密度的增大, 紅黏土微觀孔隙的平均孔徑逐漸減小, 微觀結構形式由粒斑狀向疊片狀發展, 土顆粒由不規則排列逐漸變得齊整和有方向性。

(3)對不同干密度下4種重塑紅黏土的應力-應變曲線類型進行擬合, 討論了各種曲線類型的數學模型適用性。分析表明, 硬化性應力-應變曲線適用冪函數模型擬合, 弱塑性、強塑性類型適用雙曲線函數模型擬合, 應變軟化性重塑紅黏土應力-應變曲線適用性還有待進一步討論。

(4)對重塑紅黏土三軸剪切試驗中出現的4種應力-應變曲線類型作了初步分析, 對紅黏土的剪切特性與應力-應變特征有了一定了解, 在三軸剪切試驗的基礎上, 有必要結合變形特性深入探究紅黏土強度特性, 分析其強度損傷演化規律, 推導出應力-應變曲線歸一化方程。

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文章編號:1674-9057(2016)02-0264-07

doi:10.3969/j.issn.1674-9057.2016.02.011

收稿日期：2014-11-05

基金項目：國家自然科學基金項目(41262011);廣西重點實驗室基金項目(11-kf-02;11-CX-01;12-A-01-02);廣西高校科學技術研究項目(KY2015YB119)

作者簡介：宋宇(1981—),女,碩士,講師,巖土工程專業,songyu119@126.com。

通訊作者：肖桂元，男, 高級實驗師, 研究方向:特殊土路基及成災機理, xiaoguiyuangit@163.com。

中圖分類號：TU411.7

文獻標志碼：A

Dry density effect on deformation characteristics in remolded red clay

SONG Yu1,XIAO Gui-yuan1,CHEN Xue-jun1,HUANG Xiang1,QI Yun-lai2

(1.a.College of Civil Engineering and Architecture;b.Guangxi Key Laboratory of Geotechnical Engineering,Guilin University of Technology, Guilin 541004, China; 2.China Nonferrous Metals, Changsha, Survey and Design Institute Co., LTD, Changsha 410007,China)

Abstract:In order to study the effects of dry density on red clay deformation characteristics,remolded red clay samples at different dry density levels are made in undrained triaxial tests.Results show that the stress-strain curves of saturated remolded red clay exhibited four different types with the increase of dry density. Curves developed from weak plastic type towards softening type, and the shearing strength increased. The average pore size of microscopic pores decreases with dry density increasing, and the microstructure developed from granule status to lamination status, the shearing band appeared at high dry density.Different types curves are matched and analyzed, and the applicability of mathematical model about different types curves are discussed.

Key words:dry density; remolded red clay; stress-strain curve; microstructure; mathematical model

引文格式：宋宇, 肖桂元, 陳學軍, 等.干密度對重塑紅黏土變形特性的影響[J].桂林理工大學學報， 2016, 36(2):264-270.