贛南紅砂巖風(fēng)化土路基邊坡力學(xué)特性研究

王 超 王仕紅

0 引言

贛南地區(qū)廣泛分布紅砂巖風(fēng)化土，且近年來(lái)基礎(chǔ)設(shè)施大規(guī)模建設(shè)，因而工程實(shí)際中常常涉及到贛南紅砂巖風(fēng)化土，紅砂巖風(fēng)化土含水率呈周期性變化，土體受到干濕循環(huán)的作用，導(dǎo)致其強(qiáng)度變化。

程佳明等[1]通過對(duì)固化黃土的研究，得出固化黃土經(jīng)過干濕循環(huán)作用后土體質(zhì)量幾乎不變；劉紀(jì)峰等[2]對(duì)不同含水率的殘積土進(jìn)行剪切試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)內(nèi)摩擦角與含水率呈反比例，黏聚力隨著含水率的增加先增大后減小；李建華[3]發(fā)現(xiàn)紅土的密實(shí)度越大，土體黏聚力越大。

本文以贛南紅砂巖風(fēng)化土為研究對(duì)象控制不同的密實(shí)度，通過模擬干濕循環(huán)作用的室內(nèi)試驗(yàn)，然后進(jìn)行剪切試驗(yàn)得到土體的剪切強(qiáng)度，在經(jīng)過計(jì)算得到黏聚力的大小，分析其在不同循環(huán)次數(shù)和不同密實(shí)度與不同初始含水率條件下的變化規(guī)律。

1 贛南紅砂巖風(fēng)化土的黏聚力機(jī)理

土體的黏聚力是衡量土體強(qiáng)度的重要指標(biāo)，主要有靜電引力、范德華力、顆粒間的膠結(jié)、顆粒間接觸點(diǎn)的化合價(jià)鍵和表觀黏聚力。

贛南紅砂巖風(fēng)化土的母巖屬于沉積巖，在經(jīng)過水流和風(fēng)的剝蝕和搬運(yùn)形成了贛南紅砂巖風(fēng)化土，固結(jié)歷史短，工程分類為粉質(zhì)粘土[4]，所以影響贛南紅砂巖風(fēng)化土黏聚力的主要引力有靜電引力、范德華力和顆粒間的膠結(jié)。

2 試驗(yàn)內(nèi)容和步驟

2.1 干濕循環(huán)的室內(nèi)模擬

自然界中的氣候往往發(fā)生周期性的變化，贛南紅砂巖風(fēng)化土的含水率在10%-16%的范圍內(nèi)之間波動(dòng)。為了模擬自然界中土體的干濕循環(huán)，試驗(yàn)步驟如下：

表1不同條件下的試驗(yàn)土樣的黏聚力大小（kPa）

（1）以贛南紅砂巖風(fēng)化土為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，去贛南某工地現(xiàn)場(chǎng)距離地面1.5米處取土，取回后測(cè)試基本物理指標(biāo)。

（2）將試驗(yàn)土樣烘干、碾碎，過2mm篩子，控制密實(shí)度分別為0.95、0.90、0.85和0.80與初始含水率分別為10%和16%的試驗(yàn)土樣。

（3）對(duì)于初始含水率為10%的試驗(yàn)土樣用噴霧器均勻噴灑一定量的水，使含水率達(dá)到16%，再用薄膜覆蓋放在陰涼處24h，使水分均勻分布，以此模擬自然界中土體的增濕過程。

（4）對(duì)于初始含水率為16%的試驗(yàn)土樣，將其放入烘箱內(nèi)恒溫加熱4h，溫度設(shè)置為30℃，如與初始含水率為10%的試驗(yàn)土樣質(zhì)量相差0.1g，則重新制備試樣；

（5）重復(fù)試驗(yàn)步驟（3）和（4）1-7次，即為模擬土體受到1-7次干濕循環(huán)的作用。

2.2 剪切試驗(yàn)

將經(jīng)過不同循環(huán)次數(shù)的試驗(yàn)土樣進(jìn)行剪切試驗(yàn)，常用于剪切試驗(yàn)的儀器一般有直接剪切儀、無(wú)側(cè)限壓力儀、三軸壓縮儀等，直接剪切儀是工程上進(jìn)行剪切試驗(yàn)的常用儀器，因此本試驗(yàn)采用直接剪切儀。試驗(yàn)步驟如下：

（1）將直接剪切儀各個(gè)部位進(jìn)行調(diào)零，用銷釘固定剪切盒，平衡杠保持水平；

（2）按順序把試驗(yàn)土樣、不透水薄膜盒透水石放入到剪切盒內(nèi)；

（3）放置砝碼，拔去銷釘，按4轉(zhuǎn)/min的速度設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)輪的速度；

（4）當(dāng)試驗(yàn)土樣達(dá)到破壞要求，記錄不同豎向應(yīng)力作用下量力環(huán)百分表的讀數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

每組試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)平行試樣，其數(shù)據(jù)結(jié)果求平均值，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

3.2 規(guī)律分析

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)繪制不同含水率和不同密實(shí)度的試驗(yàn)土樣的黏聚力和循環(huán)次數(shù)的關(guān)系圖，如圖1和圖2所示。

圖1不同初始含水率的試驗(yàn)土樣的黏聚力與循環(huán)次數(shù)關(guān)系圖

從圖1和圖2中可以看出：

（1）隨著干濕循環(huán)作用次數(shù)的增加，試驗(yàn)土樣的黏聚力逐漸減小；曲線的斜率逐漸增大，走勢(shì)趨于平坦，說明干濕循環(huán)的作用在前期影響明顯，后期越來(lái)越小，到了第7次黏聚力變化很小。

（2）初始含水率、循環(huán)次數(shù)相同時(shí)，密實(shí)度較大的曲線的縱坐標(biāo)均在密實(shí)度較小的曲線的縱坐標(biāo)的上面，這說明密實(shí)度越大，試驗(yàn)土體的黏聚力越大，而且初始含水率為10%密實(shí)度分別為0.95、0.90、085和0.80的試驗(yàn)土體在沒有經(jīng)過干濕循環(huán)作用時(shí)黏聚力大小分別為25.79、21.27、19.37和15.73kPa，在第7次循環(huán)作用黏聚力變化較小時(shí)黏聚力大小分別為19.94、15.47、13.22、9.89kPa，分別為原來(lái)的77.32%、72.73%、68.25%和62.87，初始含水率為16%的密實(shí)度分別為0.95、0.90、0.85和0.80的試驗(yàn)土體在第7次黏聚力變化較小時(shí)黏聚力分別為沒有經(jīng)過干濕循環(huán)作用的黏聚力的75.41%、69.03%、63.00%和54.48%，這說明試驗(yàn)土體的密實(shí)度越大，受干濕循環(huán)作用的影響越小；

（3）密實(shí)度相同時(shí)，初始含水率為10%的試驗(yàn)土樣的黏聚力均比初始含水率16%的試驗(yàn)土樣的黏聚力更大，這說明含水率越低的土體黏聚力越大，密實(shí)度分別為0.95、0.90、0.85和0.80初始含水率為10%的試驗(yàn)土體黏聚力在第7次黏聚力變化很小時(shí)分別為沒有經(jīng)過干濕循環(huán)作用時(shí)黏聚力大小的差值分別為5.85、5.8、6.15和5.84kPa，初始含水率為16%的試驗(yàn)土體其差值則為5.86、5.82、6.19、5.86kPa，均相差不大，在5.9kPa上下波動(dòng)，說明在干濕循環(huán)作用下黏聚力下降的幅度不受含水率的影響，也不受密實(shí)度的影響，只與干濕循環(huán)作用次數(shù)有關(guān)。

4 結(jié)論

（1）黏聚力隨著循環(huán)次數(shù)的增加逐漸減小，前期降低快，后期降低慢。

（2）密實(shí)度越小，干濕循環(huán)作用越大，試驗(yàn)土樣黏聚力降低越大，要經(jīng)過更多次循環(huán)次數(shù)黏聚力才能變化很小。

（3）試驗(yàn)土體的黏聚力與干濕循環(huán)作用降低的幅度與初始含水率的大小和密實(shí)度大小無(wú)關(guān)。