上覆荷載作用下紅黏土抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律研究

肖麗娜，黃質(zhì)宏，何逢春，屈文濤

(1.貴州大學(xué) 土木工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025；2.福州大學(xué) 土木工程學(xué)院，福建 福州 350000)

0 引 言

在地基基礎(chǔ)、公路、邊坡、鐵路等工程建設(shè)中常遇到紅黏土，紅黏土具有水敏性，在自然界中受到干濕循環(huán)作用，其抗剪強(qiáng)度也會(huì)受到影響。因此，了解和掌握上覆荷載作用下紅黏土強(qiáng)度變化規(guī)律尤為重要。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)紅黏土進(jìn)行了各種研究，并取得了豐富的研究成果。

陳開(kāi)圣[1-3]、李焱等[4]、張祖蓮等[5]對(duì)紅黏土在干濕循環(huán)作用下的抗剪強(qiáng)度特性、裂隙演化規(guī)律、微結(jié)構(gòu)關(guān)系以及回彈模量等進(jìn)行了大量研究；胡東旭等[6]、楊和平等[7-8]對(duì)干濕循環(huán)下膨脹土脹縮裂隙做了定性、定量分析，并研究了干濕循環(huán)對(duì)膨脹土抗剪強(qiáng)度的影響，為裂隙膨脹土的滲透特性以及整體與局部的應(yīng)力、應(yīng)變研究提供參考；楊和平等[9]、陳開(kāi)圣等[10]結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)有荷條件下膨脹土、紅黏土的干濕循環(huán)脹縮變形和強(qiáng)度變化規(guī)律做了相關(guān)研究，得出荷載作用下干濕循環(huán)對(duì)膨脹土、紅黏土的脹縮幅度及強(qiáng)度衰減具有明顯抑制作用；宋宇等[11]對(duì)重塑紅黏土變形特性和回彈模量做了一定研究，并給出了4種應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)適用模型；張祖蓮等[12]研究紅土特性與庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定性關(guān)系，表明紅土抗剪強(qiáng)度、黏聚力和內(nèi)摩擦角對(duì)紅土型庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定性有顯著影響；胡長(zhǎng)明等[13]對(duì)干濕循環(huán)作用下壓實(shí)黃土強(qiáng)度劣化模型進(jìn)行了研究，建立了綜合考慮干密度、干濕循環(huán)幅度、干濕循環(huán)下限含水量3種影響因素的“壓實(shí)黃土干濕循環(huán)強(qiáng)度劣化模型(CLDM)”，為壓實(shí)黃土干濕循環(huán)強(qiáng)度劣化的分析以及填方邊坡災(zāi)害預(yù)測(cè)提供參考。

上述研究成果大部分是在無(wú)上覆荷載作用情況下研究的，但對(duì)道路等工程建設(shè)或具有一定埋深的紅黏土而言，紅黏土上方往往存在一定的上覆荷載，因此對(duì)紅黏土施加上覆荷載施加更加符合工程實(shí)際情況，故對(duì)上覆荷載作用下紅黏土的抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律研究很有必要。由于紅黏土的水敏性，上覆荷載作用下含水率、壓實(shí)度、干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)紅黏土抗剪強(qiáng)度的影響必然與無(wú)上覆荷載作用下的紅黏土抗剪強(qiáng)度特性存在差異。因此，本文首先測(cè)試紅黏土的基本物理指標(biāo)，然后分別對(duì)有無(wú)上覆荷載作用下的紅黏土進(jìn)行直剪試驗(yàn)，并對(duì)比分析試驗(yàn)結(jié)果，以期獲得符合實(shí)際的變化規(guī)律，為紅黏土地區(qū)的道路等工程建設(shè)提供可靠的技術(shù)參考。

1 試 驗(yàn)

1.1 紅黏土的基本物理性質(zhì)

紅黏土取自某工程邊坡，基于公路土工試驗(yàn)規(guī)程(JTG E40-2007)[14]的試驗(yàn)方法，通過(guò)烘干法測(cè)定紅黏土的天然含水率，采用環(huán)刀法測(cè)定紅黏土的天然密度，界限含水率試驗(yàn)測(cè)定液塑限和塑性指數(shù)指標(biāo)，重型擊實(shí)試驗(yàn)測(cè)定紅黏土的最優(yōu)含水率和最大干密度，顆粒分析試驗(yàn)測(cè)定紅黏土的曲率系數(shù)和不均勻系數(shù)，測(cè)得的紅黏土土樣基本物理指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 紅黏土土樣的基本物理指標(biāo)

本試驗(yàn)測(cè)得的液限為54%，塑限為24.2%，塑性指數(shù)為29.8，因此,可判斷該紅黏土屬于黏質(zhì)土，具有高液限、高塑限、高含水量和分散性等特點(diǎn)。試驗(yàn)土樣最優(yōu)含水率17.8%，最大干密度1.765 g/cm3，不均勻系數(shù)31.58，曲率系數(shù)3.17，判定該紅黏土級(jí)配不良，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果無(wú)影響。

1.2 無(wú)上覆荷載作用下紅黏土干濕循環(huán)試驗(yàn)

1.2.1 干濕循環(huán)試驗(yàn)步驟

由于土樣初始含水率差異較大，因此，先對(duì)紅黏土土樣進(jìn)行烘干處理，烘箱溫度60 ℃，然后過(guò)2 mm篩，分成4份，分別用酒精燃燒法測(cè)出每份紅黏土的初始含水率，根據(jù)式(1)計(jì)算出配置至目標(biāo)含水率需要加入水的質(zhì)量，拌制均勻后燜料24 h，燜料期間完全封閉靜置，最后用靜力壓實(shí)法制出不同含水率、不同壓實(shí)度的試樣，再密封靜置24 h即可完成一次干濕循環(huán)，依此類(lèi)推完成5次干濕循環(huán)，具體干濕循環(huán)流程見(jiàn)圖1。

圖1 干濕循環(huán)流程圖

mw=mi/(1+0.01wi)×0.01×(w-wi),

(1)

式中：mw為所需的加水量；mi為含水率wi時(shí)的土樣質(zhì)量，g；wi為土樣初始含水率，%；w為要求達(dá)到的含水率，%。

采用靜力壓實(shí)法制備4種含水率(18%，22%，26%，30%)，5次干濕循環(huán)，5種壓實(shí)度(80%，85%，90%，93%，96%)的土樣共20組，每組20個(gè)環(huán)刀樣品，共400個(gè)樣品。

1.2.2 直接剪切試驗(yàn)步驟

將每次干濕循環(huán)后的試樣及時(shí)放入剪切盒，采用南京土壤儀器廠(chǎng)生產(chǎn)的四聯(lián)直剪儀進(jìn)行直剪試驗(yàn)，剪切速率為0.08 mm/min，部分剪切試樣見(jiàn)圖2。直剪試驗(yàn)中試樣含水率低于22%時(shí)，剪切面呈明顯的凹凸不平狀態(tài)，且完全被剪切成兩半，見(jiàn)圖2(a)；當(dāng)試樣含水率大于22%時(shí)，破壞面較平滑，且上下兩半未被剪開(kāi)，見(jiàn)圖2(b)。

圖2 直剪試樣

1.3 上覆荷載作用下紅黏土干濕循環(huán)試驗(yàn)

上覆荷載干濕循環(huán)過(guò)程與無(wú)上覆荷載干濕循環(huán)方式相同，區(qū)別為在制備好的試樣上施加一定的上覆荷載，分別為20，40，60，80 kPa，靜置24 h后稱(chēng)量試樣質(zhì)量并做好記錄，試樣施壓結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖3，試樣上依次放置濾紙、透水帶孔膠板、濾石和對(duì)應(yīng)上覆荷載的砝碼。其中上覆荷載為低應(yīng)力階段的20，40 kPa時(shí)，通過(guò)固結(jié)儀上的荷載表轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的重量后進(jìn)行施加，在上覆荷載作用下再次放入60 ℃高溫烘箱進(jìn)行烘干，烘干時(shí)間為早七點(diǎn)至晚七點(diǎn)，晚上關(guān)閉烘箱，可以更好地模擬自然界的溫差現(xiàn)象。直至試樣烘干至含水率為5%左右，繼續(xù)稱(chēng)其質(zhì)量并記錄，兩次質(zhì)量差即為加水的質(zhì)量。用注射器加水至烘干前的質(zhì)量，靜置24 h后做直接剪切試驗(yàn)并記錄數(shù)據(jù)，完成上覆荷載作用下的一次干濕循環(huán)試驗(yàn)。用先干后濕的方式依次進(jìn)行不同上覆荷載作用、不同壓實(shí)度、不同含水率下的2次、3次、4次、5次干濕循環(huán)：共制備土樣3組，含水率分別為18%，22%，26%，每一含水率均制備壓實(shí)度為80%，85%，90%，93%，96%，每組400個(gè)環(huán)刀樣品，上覆荷載施壓及烘干試樣圖見(jiàn)圖4。

圖3 施壓結(jié)構(gòu)圖

圖4 上覆荷載施壓及烘干試樣

2 結(jié)果與討論

由于篇幅限制，且變化規(guī)律類(lèi)似，本文僅列舉在上覆荷載作用下和無(wú)上覆荷載作用下，第3次和第5次干濕循環(huán)中黏聚力和內(nèi)摩擦角隨含水率的變化規(guī)律，以及含水率分別為18%，22%的黏聚力、內(nèi)摩擦角隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律，其中第3次干濕循環(huán)試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 有、無(wú)上覆荷載3次干濕循環(huán)作用下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)值

2.1 抗剪強(qiáng)度隨含水率變化規(guī)律

由圖5可知，有上覆荷載作用的黏聚力隨含水率增加而減小的幅度小于無(wú)上覆荷載作用的黏聚力減小幅度，紅黏土在低應(yīng)力階段上覆荷載20，40 kPa下比高應(yīng)力狀態(tài)上覆荷載60，80 kPa下的黏聚力受含水率影響大，這是由于紅黏土有一定脹縮性，因此低應(yīng)力狀態(tài)時(shí),黏聚力受含水率影響較大，隨著含水率增加，黏聚力下降較快。由圖6可知，紅黏土在低應(yīng)力狀態(tài)上覆荷載20，40 kPa和高應(yīng)力狀態(tài)的上覆荷載60，80 kPa下的內(nèi)摩擦角均呈小范圍波動(dòng)。結(jié)合圖5～6可知，有上覆荷載情況下的黏聚力、內(nèi)摩擦角比無(wú)上覆荷載時(shí)更大，且無(wú)上覆荷載和有上覆荷載的黏聚力、內(nèi)摩擦角均隨含水率增加而逐漸減小。

圖5 n=3時(shí)黏聚力隨含水率變化曲線(xiàn)

圖6 n=3時(shí)內(nèi)摩擦角隨含水率變化曲線(xiàn)

2.2 抗剪強(qiáng)度隨干濕循環(huán)次數(shù)變化規(guī)律

由圖7～8可知，有上覆荷載時(shí)的黏聚力比無(wú)上覆荷載時(shí)大，有無(wú)上覆荷載的黏聚力均隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸減小，但有上覆荷載時(shí)黏聚力隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而衰減的更慢。當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)為2,3,4時(shí)，無(wú)論是低應(yīng)力階段的上覆荷載，還是高應(yīng)力階段的上覆荷載，隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，黏聚力減幅都比較小。

圖7 w=18%時(shí)黏聚力隨干濕循環(huán)次數(shù)變化曲線(xiàn)

由圖9～10可知，有上覆荷載比無(wú)上覆荷載的內(nèi)摩擦角大，且無(wú)上覆荷載和有上覆荷載的內(nèi)摩擦角均隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸減小，當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)為2，3，4時(shí)，無(wú)論是低應(yīng)力階段的上覆荷載20，40 kPa，還是高應(yīng)力階段的上覆荷載60，80 kPa，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，內(nèi)摩擦角也呈現(xiàn)小范圍波動(dòng)，且減小速度明顯低于無(wú)上覆荷載作用下內(nèi)摩擦角的。

圖8 w=22%時(shí)黏聚力隨干濕循環(huán)次數(shù)變化曲線(xiàn)

圖9 w=18%時(shí)內(nèi)摩擦角隨干濕循環(huán)次數(shù)變化曲線(xiàn)

因此，對(duì)具有上覆荷載作用的含紅黏土工程建設(shè)，在誤差允許范圍內(nèi)，紅黏土的內(nèi)摩擦角可根據(jù)其埋藏深度、壓實(shí)度、含水率用對(duì)應(yīng)曲線(xiàn)上的內(nèi)摩擦角平均值代替。

3 結(jié) 論

(1)無(wú)論有無(wú)上覆荷載，進(jìn)行紅黏土直剪試驗(yàn)時(shí)，同等條件下其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)均隨含水率的增大而逐漸減小，隨壓實(shí)度增加逐漸增大，隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加逐漸減小，但上覆荷載作用下，高應(yīng)力階段的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)受含水率、壓實(shí)度、干濕循環(huán)次數(shù)的影響較小。

(2)相較于內(nèi)摩擦角，黏聚力受含水率、壓實(shí)度的影響程度更大。

(3)在相同的含水率、壓實(shí)度、干濕循環(huán)次數(shù)條件下，相較于無(wú)上覆荷載時(shí)，上覆荷載作用下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)更大，且上覆荷載作用下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)受含水率、壓實(shí)度、干濕循環(huán)次數(shù)影響下的變化幅度小于無(wú)上覆荷載作用下的，因此道路建設(shè)可根據(jù)深度，在相應(yīng)的高低應(yīng)力階段曲線(xiàn)上取得其平均抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。