摻砂對紅黏土增濕強(qiáng)度特性的影響研究

周明凱 徐福增 穆璇

摘 要：通過對不同干密度紅黏土無砂和加砂試樣分別進(jìn)行增濕與不增濕直接剪切試驗(yàn)，通過試驗(yàn)對不增濕條件下無砂與加砂紅黏土的抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律及增濕條件下對無砂與加砂紅黏土抗剪強(qiáng)度的影響展開研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：加砂對紅黏土粘聚力的影響大于對內(nèi)摩擦角的影響。不增濕條件下土樣抗剪強(qiáng)度受到初始含水率、干密度及摻砂的影響。在相同增濕條件下加砂試樣比無砂試樣的強(qiáng)度較低，且加砂試樣的內(nèi)摩擦角相對于無砂土樣變化小。

關(guān)鍵詞：紅黏土；抗剪強(qiáng)度；試驗(yàn)；摻砂；增濕

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.10.207

1 引言

云南省位于我國西南邊陲，地形復(fù)雜，自然環(huán)境千差萬別，每年11月至次年4月為干季，天氣干燥少雨，夏季受西南季風(fēng)影響，降水充沛，雨量大，雨水滲透到土體中，導(dǎo)致含水率上升，基質(zhì)吸力不斷減小[1-2]，當(dāng)土體由非飽和狀態(tài)變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)時(shí)，土體的抗剪強(qiáng)度逐漸減小，并可能誘發(fā)滑坡泥石流等地質(zhì)災(zāi)害[3-4]，從而給建筑物和構(gòu)筑物的安全帶來威脅。因此，深刻認(rèn)識增濕條件下，土體的強(qiáng)度特性對解決工程問題具有十分重要的意義。

紅黏土在省內(nèi)分布十分廣泛，因其具有高粘粒含量、高含水率、高塑性指數(shù)、低壓實(shí)性的特點(diǎn)，故不能完全滿足施工對填料的要求，因而常需要對其進(jìn)行人工改良使用。目前對紅黏土的改良，主要有化學(xué)改性和物理改性兩種方法。化學(xué)改性通常是在紅黏土中摻入水泥、石灰、粉煤灰等粉體材料[5-8]，通過一系列化學(xué)反應(yīng)，生成膠凝材料，提高土體的粘聚力，降低含水率，易于壓實(shí)并具有較高的強(qiáng)度；物理改性通常是在紅黏土中摻入砂礫、碎石等顆粒狀材料，改善紅黏土的水理性質(zhì)，并利用砂礫、碎石產(chǎn)生的摩阻力改良紅黏土的性能[9-12]。

目前，諸多學(xué)者對紅黏土改良后抗剪強(qiáng)度及其主要影響因素有了較為深入的研究，而對紅黏土摻砂后增濕強(qiáng)度的研究較少。本文針對紅黏土摻砂后增濕強(qiáng)度研究中的不足，通過對重塑土樣進(jìn)行“風(fēng)干”處理，利用ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀對不同干濕條件下?lián)缴凹t黏土的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析摻砂對紅黏土增濕強(qiáng)度特性的影響，對工程實(shí)踐中紅黏土的改良處理具有參考價(jià)值。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 供試材料

試驗(yàn)用土取自云南省昆明市盤龍區(qū)某施工場地，砂土為淺黃色，紅黏土為紅褐色，經(jīng)過風(fēng)干、碾碎后過2mm的篩備用。紅黏土的基本物理指標(biāo)如表1所示：

取2mm篩下土充分拌勻作為試驗(yàn)用土，試樣分為4組，干密度1.3 g/cm3摻砂比例為0、10%，干密度1.4 g/cm3摻砂比例為0、10%，每組8個(gè)樣分別進(jìn)行不增濕與增濕直剪試驗(yàn)。為方便試樣擊實(shí)，按30%的含水率用噴霧器均勻噴灑于土樣上充分拌勻后，裝入保鮮袋內(nèi)扎緊袋口，并將保鮮袋放入密封盒中蓋緊，置于避光處潤濕一晝夜，以保證土樣中的水分均勻。用烘干法測定潤濕土樣不同位置的含水率，按所需干密度稱取所需土樣質(zhì)量。為進(jìn)行增濕直剪試驗(yàn)，需要控制試樣的初始含水率，把制好的試樣置于室外進(jìn)行二次風(fēng)干，試驗(yàn)時(shí)，試樣的含水率為3.5±0.5%。

2.2 增濕條件下的直剪試驗(yàn)

直剪試驗(yàn)所用試樣直徑61.8mm、高20mm，在ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀上進(jìn)行，垂直壓力分別為100、200、300、400kPa，以0.8mm/min的速率剪切[13]，每組分為不增濕和增濕兩種情況，增濕方案為：用注射器吸取10ml水，當(dāng)試樣開始剪切時(shí)，從剪切盒頂蓋的縫隙向試樣中加水，加水速度盡量緩慢均勻，不宜過快，注水時(shí)間控制在3min以內(nèi)。增濕過程中試樣含水率分布不均勻且隨時(shí)間不斷變化，因此本次試驗(yàn)中的應(yīng)力變量采用總應(yīng)力[14]，不測量基質(zhì)吸力。

3 結(jié)果與討論

3.1 摻砂對紅黏土強(qiáng)度影響

圖1給出不同干密度下加砂與無砂兩種土樣在不增濕條件下抗剪強(qiáng)度與垂直壓力的關(guān)系曲線，從圖中可以看出，加砂后強(qiáng)度包線在τ-σ坐標(biāo)上會(huì)往下移，即：試樣在相同干密度，且垂直壓力小于400kPa時(shí)，無砂土樣的強(qiáng)度包線總是位于加砂土樣的上方。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是盡管兩種土樣的初始含水率相同，但紅黏土中摻入10%砂后，砂的含水率較紅黏土低得多，使加砂土樣紅黏土含水率有所提高，紅黏土顆粒之間的相互引力受到影響而減弱，最終導(dǎo)致?lián)缴巴翗拥目辜魪?qiáng)度偏低。

3.2 摻砂對紅黏土增濕強(qiáng)度影響

不同干密度下加砂與無砂兩種土樣在增濕條件下抗剪強(qiáng)度與垂直壓力的關(guān)系曲線如圖2，從圖中可以看出，在增濕條件下，相同干密度的加砂土樣的強(qiáng)度包線總是位于無砂土樣的下方，這是因?yàn)楸M管兩種土樣的初始干密度相同，但紅黏土中摻入10%砂后，砂的滲透系數(shù)較紅黏土高得多，在相同的增濕條件下，加砂土樣的含水率更高，紅黏土顆粒之間的粘聚作用受到影響而減弱，最終導(dǎo)致?lián)缴巴翗釉谠鰸駰l件下的抗剪強(qiáng)度偏低。

3.3 抗剪強(qiáng)度參數(shù)變化

加砂與無砂土樣在不增濕（NW）和增濕（W）條件下的抗剪強(qiáng)度參數(shù)如表2所示。

在不增濕條件下，紅黏土摻砂后能夠使土體粘聚力c值減小，內(nèi)摩擦角φ值增大，且摻砂對紅黏土粘聚力的影響大于對內(nèi)摩擦角的影響。粘聚力減小的主要原因是紅黏土中摻入一定量的砂后，砂分散于土顆粒中，自身沒有粘聚力，降低了紅黏土顆粒之間的聯(lián)結(jié)力，使顆粒之間的膠凝作用減弱。摻砂后，紅黏土中的膠凝物質(zhì)與砂礫經(jīng)過團(tuán)粒化的作用，一部分砂礫被紅黏土包裹形成較大的粗糙團(tuán)粒，其余未被紅黏土包裹的砂礫填充在紅黏土與團(tuán)粒之間孔隙中，增強(qiáng)了顆粒之間的咬合程度，從而導(dǎo)致紅黏土摻砂后內(nèi)摩擦角增大。

在增濕條件下，增濕使加砂和無砂兩種土樣c、φ值都下降，且加砂土樣相對于無砂土樣的內(nèi)摩擦角φ變化較小，這是因?yàn)樵谙嗤脑鰸駰l件下，入滲到土體內(nèi)的水分不斷增多，顆粒間的膠結(jié)作用逐漸減弱，使土顆粒之間有一定的潤滑作用，導(dǎo)致土顆粒間的摩擦強(qiáng)度降低，因加砂后砂分散在土顆粒中，而砂的摩擦強(qiáng)度較紅黏土高，從而出現(xiàn)加砂土樣比無砂土樣的內(nèi)摩擦角φ變化較小的現(xiàn)象。

4 結(jié)論

本文主要對不增濕及增濕條件下紅黏土加砂與無砂的強(qiáng)度特性展開研究，結(jié)果表明紅黏土中摻砂削弱了土顆粒之間的聯(lián)結(jié)能力，增強(qiáng)了紅黏土顆粒之間的內(nèi)摩擦能力，且對紅黏土粘聚力的影響程度大于對內(nèi)摩擦角的影響。不增濕條件下土樣抗剪強(qiáng)度受到初始含水率及摻砂量的影響。在相同增濕條件下加砂土樣比無砂土樣的抗剪強(qiáng)度較低，土樣c、φ值都減小，且加砂土樣的內(nèi)摩擦角φ相對于無砂土樣變化小。

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云南農(nóng)業(yè)大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目資助。

作者簡介：周明凱（1993-），男，山東濰坊人，碩士研究生在讀，主要從事巖土工程方面的研究。