昆明原狀與重塑紅黏土剪切特性對比分析研究

羅聰聰，龔愛民，徐興倩，謝 非，劉安堯，栗瑞珺

(云南農業大學水利學院，云南 昆明 650201)

0 引 言

云南是我國典型的多山地區，干濕季節明顯，區內紅黏土廣泛分布，昆明盆地周邊紅黏土較為發育[1]。紅黏土是由石灰巖、玄武巖等巖石經強烈的紅土化作用形成的棕紅色、褐黃色的區域性特殊土，具有高液限、高塑性、大孔隙比、低壓實性等特征[2-3]。隨著云南山區建設步伐不斷加快，高速公路、鐵路、水利水電等大型工程項目不斷增多，紅黏土型工程問題日益凸顯，尤其是紅土型滑坡問題。區域內存在大量的紅土型邊坡，在地震、降雨條件下常引發工程滑坡問題，嚴重影響實際工程的順利開展和安全運行[4]。

紅黏土的抗剪強度是評判邊坡穩定性的重要參數，其測試的準確性直接影響邊坡穩定性評價結果及滑坡工程防治效果。近年來，很多學者開展了原狀與重塑紅黏土剪切特性的對比分析研究。唐益群等[5]探討了貴州石漠化地區原狀與重塑紅黏土抗剪強度受含水率控制的變化規律，得出含水率的變化是影響紅黏土水土流失的重要因素。張彥召等[6-7]利用三軸試驗得出貴陽原狀紅黏土抗剪強度明顯高于重塑土，兩者的差異性取決于土體中孔隙的微觀維度和尺度。聶慶科等[8]對比分析廣西靖西擊實原狀與重塑紅黏土剪切特性表明，紅黏土具有很強的結構性，呈現出應變硬化特征。陳佳雨等[9]討論了廣西桂林原狀和重塑紅黏土強度特性，揭示了土體微觀結構性能對宏觀力學性質的影響機理。

目前，針對云南紅黏土剪切強度特性的研究取得了很多成果，主要集中于非飽和紅黏土強度特性[10]、干濕循環條件下抗剪強度變化規律[11-12]、污染紅黏土抗剪強度特性[13-14]、抗剪強度網絡模型[15]、改良紅黏土強度特性[16]、室內滑坡模型試驗[17-18]等方面。上述研究主要集中于對云南原狀或重塑紅黏土強度特性的研究，針對原狀與重塑土的剪切特性的差異性對比分析研究相對較少，尚缺兩者的差異性量化關系分析。為此，本文通過取自云南昆明市區代表性紅黏土樣，以含水率和粒徑級配為變量，基于室內直剪試驗對比分析了原狀與重塑土樣的抗剪強度差異性，提出了差異性量化關系，初步探討了差異性存在的主要原因，可為昆明市區紅黏土抗剪強度的取值提供參考。

1 試驗方法

1.1 取樣及物理指標

為研究粒徑級配對于抗剪強度的影響，試驗紅黏土取自昆明市4個不同的地點，共取4個原狀土樣，標記為A、B、C、D。根據GB/T 50123—1999《土工試驗方法標準》[19]進行物理力學性質試驗，試驗結果見表1。同時，按照顆分試驗結果，繪制4個土樣的粒徑級配曲線，見圖1。從圖1可知，此次試驗土樣土顆粒較為均勻，級配良好。

表1 粒徑級配試驗原狀土樣參數

圖1 紅黏土粒徑級配累積曲線

為研究含水率對于土樣抗剪強度的影響，試驗所取的紅黏土來自于云南昆明某山向陽坡，在山頂、山腰、山腳分別取了一定量的紅黏土，分別標記為1、2、3號，將所取回的土樣進行基礎物理力學性質試驗，試驗結果見表2。

表2 含水率試驗原狀土樣參數

1.2 試驗方法

根據GB/T 50123—1999，在4個點取回的土樣中每個點取3組、每組500 g共12組進行試驗。烘干后，使用振動篩進行顆分試驗，同時測出土樣的含水率，方便以后用以作為配制含水率相同的重塑土樣。以含水率為影響因素的試驗中，在3個不同的地點所取回的土樣中隨機各稱取3組、每組500 g共9組進行烘干，測得土樣的天然含水率。

土樣制備完成后，使用袋子將土樣進行短時間密封且將其放入保濕環境內，以便后續的使用。完成試驗后，把原狀土土樣進行烘干和碾碎后，自然風干一定時間，之后按照GB/T 50123—1999中重塑土樣的制備方法，將其制備成與原狀土樣的原位密度、含水率、粒徑級配相同的重塑土樣，將重塑土樣再一次進行與原狀土樣完全相同的直接剪切試驗。

試驗采用ZJ型應變控制式直剪儀進行直剪試驗。按照GB/T 50123—1999，施加50、100、200 kPa和300 kPa的豎向荷載，直剪儀的轉數為4 r/min，以剪切位移為6 mm作為試驗結束的依據。

2 試驗結果

2.1 不同粒徑級配紅黏土剪切試驗

對于4個原狀土試樣進行剪切特性試驗，繪制剪應力和剪切位移的關系曲線，同時以抗剪強度為縱坐標，垂直壓力為橫坐標，繪出抗剪強度曲線。較為典型的土樣A相應曲線見圖2、3。

圖2 原狀土樣A剪應力與剪切位移的關系

圖3 原狀土樣A抗剪強度與垂直壓力的關系

之后，將完成剪切試驗的原狀土制備成與原狀土原狀密度和含水率相同的重塑土樣，進行剪切特性試驗，并進行與原狀土樣相同的操作方式。重塑土樣A相應曲線見圖4、5。

圖4 重塑土樣A剪應力與剪切位移的關系

圖5 重塑土樣A抗剪強度與垂直壓力的關系

根據粒徑級配曲線以及4個土樣原狀土樣和重塑土樣剪應力與剪切位移關系曲線及抗剪強度曲線，分別計算原狀土樣和重塑土樣的粒徑級配指標，即不均勻系數Cu、曲率系數Cc、平均粒徑d50，以及抗剪強度指標，即內摩擦角φ的正切值和黏聚力c。計算結果見表3。

表3 土樣參數及抗剪指標

2.2 不同含水率紅黏土剪切試驗

將3個原狀土試樣1、2、3號進行剪切特性試驗，繪制剪應力和剪切位移的關系曲線，同時以抗剪強度為縱坐標，垂直壓力為橫坐標，繪出抗剪強度曲線。原狀土樣1號相應曲線見圖6、7。

圖6 原狀1號土樣剪應力與剪切位移的關系

圖7 原狀1號土樣抗剪強度與垂直壓力的關系

將完成剪切試驗的原狀土制備成與原狀土原狀密度和含水率相同的重塑土樣，再次進行剪切特性試驗，繪制出剪應力和剪切位移的關系曲線及抗剪強度曲線。重塑土樣1號相應曲線見圖8、9。

圖8 重塑1號土樣剪應力與剪切位移的關系

圖9 重塑1號土樣抗剪強度與垂直壓力的關系

根據3個不同含水率的原狀土樣和重塑土樣剪應力與剪切位移關系曲線及抗剪強度曲線，分別計算原狀土樣和重塑土樣的抗剪強度指標，即內摩擦角φ的正切值和黏聚力c。計算結果見表4。

表4 不同含水率原狀與重塑紅黏土抗剪強度指標

3 試驗分析及討論

3.1 不同粒徑級配紅黏土剪切特性對比分析

根據表3繪制原狀土樣和重塑土樣的不均勻系數Cu與內摩擦角φ的正切值和黏聚力c之間的關系，見圖10。從圖10可知：

圖10 不均勻系數Cu與抗剪指標的關系

繪制原狀土樣與重塑土樣的曲率系數Cc與抗剪指標的關系，見圖11。從圖11可知：

圖11 曲率系數Cc與抗剪指標的關系

繪制原狀土樣與重塑土樣的平均粒徑d50與抗剪指標的關系，見圖12。從圖12可知：

圖12 平均粒徑d50與抗剪指標的關系

3.2 不同含水率紅黏土剪切特性對比分析

根據表4原狀土樣與重塑土樣含水率與內摩擦角φ和黏聚力c之間的關系，繪制含水率與抗剪指標的關系，見圖13。從圖13可知：

圖13 含水率與抗剪指標的關系

(1)重塑土樣和原狀土樣的含水率與內摩擦角成線性關系，說明無論是原狀土樣還是重塑土樣，其含水率對內摩擦角的影響不是很明顯。根據擬合曲線，用原狀土擬合多項式減去重塑土擬合多項式得出，原狀土樣與重塑土樣之間的差異關系式為Δtanφ=-0.003 7ω+0.061 1。

(2)隨著含水率的增大，原狀土樣的黏聚力先增大后減?。慌c之相反，隨著含水率的增大，重塑土樣的黏聚力先減小后增大，說明含水率對黏聚力有著顯著的影響。根據擬合曲線，用原狀土擬合多項式減去重塑土擬合多項式得出，原狀土樣與重塑土樣之間的差異關系式為Δc=-0.471 5ω2+20.796 2ω-216.101。

原狀土樣與重塑土樣的含水率與抗剪強度的關系見圖14。從圖14可知，在豎向荷載的壓力條件下，土樣抗剪強度與含水率間線性關系較好，用線性擬合后，相關系數R2均達到0.98以上。因此，在一定的程度上，可以近似地認為在某一豎向荷載下，抗剪強度與含水率成正比，用原狀土擬合多項式減去重塑土擬合多項式得出，原狀土樣與重塑土樣之間的差異關系式為Δτ=-0.675 7ω+24.679。

圖14 含水率與抗剪強度的關系

4 結 語

本文基于直接剪切試驗，對不同級配和含水率的昆明原狀與重塑紅黏土的剪切特性進行了研究，得出以下結論：

(1)紅黏土級配指標(不均勻系數、曲率系數、平均粒徑)與原狀和重塑土的剪切特性之間存在著一定的關系。對于天然紅黏土，級配指標不均勻系數、曲率系數、平均粒徑發生改變會對紅黏土的剪切特性產生較大影響。因此，粒徑級配是影響原狀與重塑紅黏土剪切特性的主要因素。

(2)以含水率作為主要研究對象對剪切特性的探討，在不同的豎向荷載下，紅黏土土樣的抗剪強度與含水率之間的線性關系擬合程度較為理想，采用線性擬合后，所得到的相關系數R2均可以達到0.98以上。因此，在一定的程度上可以近似認為在一定的豎向荷載下，紅黏土的抗剪強度與其含水率之間成正比關系。

(3)在試驗的過程中，隨著土體不均勻性增強，土體連續性會發生改變，從而使土體內部結構組成形式發生改變，土顆粒間的變化對剪切特性會產生較大影響。因此，下一步可以采用一些可以觀察其微觀結構的儀器，進一步從微觀結構探討土體顆粒之間的變化對于紅黏土的抗剪強度影響。