含水率對桂林重塑紅黏土強度特性的影響研究

梁埔源

（柳州鐵道職業(yè)技術學院，廣西 柳州 545616）

紅黏土是碳酸巖類巖石在濕熱化和紅土化作用下形成的富含鐵鋁氧化物的高塑性黏土，其主要分布在熱帶、亞熱帶南方地區(qū)，包括四川東部、云南高原、兩廣兩湖、江蘇及江西等地區(qū)[1-2]。紅黏土被我國巖土工程勘察等相關規(guī)范劃分為特殊性土，其具有高含水率、高孔隙比及失水收縮變形量大等特點，在環(huán)境荷載作用下常誘發(fā)邊坡開裂、地基承載力不足及路基下沉等工程問題。

目前，國內外學者從不同的角度探究了紅黏土的物理力學性質。陳鴻賓等[3]通過三軸試驗探究了干密度和含水率對桂林重塑紅黏土抗剪強度參數(shù)的影響；歐傳景等[4]和傅鑫暉等[5]采用壓力板和蒸汽平衡法探究了紅黏土的土-水特征曲線；孫德安等[6]對廣吸力范圍內紅黏土的土-水特征曲線進行了研究，發(fā)現(xiàn)高吸力階段，土-水特征曲線不受土體密實度的影響；趙穎文等[7]系統(tǒng)性研究了廣西原狀紅黏土的脹縮性指標及脫濕過程中孔徑分布的演化規(guī)律；為揭示紅黏土中游離氧化鐵物質對其物理力學特性的影響規(guī)律及其機制，牛庚等[8]和劉莉等[9]對比分析了去除和未去除游離氧化鐵情況下紅黏土持水特性及力學行為的影響規(guī)律，指出游離氧化鐵的存在可顯著影響紅黏土的物理力學性質。劉順青等[10]研究指出紅黏土與高液限黏土性質差異的主要原因在于顆粒間膠結物質。李海龍[11]利用應變控制式直剪儀研究了含水率對高、低液塑限紅黏土強度特性的影響。研究發(fā)現(xiàn)，破壞行為與液塑限的高低有關，高液塑限紅黏土發(fā)生脆性破壞，而低液塑限紅黏土發(fā)生塑性破壞。非飽和紅黏土的力學行為相應本質上是膠結物與土顆粒界面相互作用和土顆粒、膠結物與孔隙空間相對關系演化的宏觀體現(xiàn)。壓汞（MIP）、電鏡掃描（SEM）是目前探究孔隙結構常用的方法，但這2類方法均需要對試樣進行干燥預處理。在干燥過程中，不可避免地會對土體內部結構產(chǎn)生一定的影響，且較高的注入壓力也可能會對孔隙造成一定程度的損傷，使得測試的孔隙結構信息在一定程度上失真。為克服上述可能，衛(wèi)國芳[12]基于低場核磁共振技術，探究了干濕循環(huán)條件下，孔隙結構演化與紅黏土抗剪強度的影響規(guī)律，闡釋了孔隙結構與抗剪強度的內在關聯(lián)性。

盡管目前國內外學者從試驗和理論上對紅黏土的工程力學行為都開展了大量的相關研究工作，并取得了長足的發(fā)展，對紅黏土力學特性有了一定的認知。但由于紅黏土具有典型的區(qū)域性特征，各地區(qū)紅黏土的工程力學行為存在明顯差異。桂林地區(qū)紅黏土分布十分廣泛，約占整個第四系土分布面積的75%[5]。為更好地服務桂林地區(qū)工程建設，有必要開展含水率對桂林紅黏土抗剪強度的影響研究。為此，本文選取桂林紅黏土為試驗對象，利用全自動三軸儀，對非飽和重塑紅黏土開展固結排水剪切試驗，旨在探究不同初始含水率對其力學行為的影響，為桂林相關工程實踐提供一定的理論參考依據(jù)。

1 試驗概況

本次室內試驗所使用的土樣取自桂林市雁山區(qū)某大學工地，取土深度為地下2～3 m。土體取回后，經(jīng)風干、碾碎過2 mm篩，取篩下土備用。按照GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》[13]中介紹的方法對土樣進行基本物理性質指標測試，各項基本的物性指標列于表1中。由表1可知，土體比重（比重瓶法）為2.74，液限為73.56%，塑性指數(shù)為34.46；通過擊實試驗，測定土體最大干密度為1.57 g/cm3，最優(yōu)含水率為22%；顆粒分析（密度計法）表明，土樣中砂粒（0.075～2 mm）含量為17.6%，粉粒（0.005～0.075 mm）含量為28.6%，黏粒（小于0.005 mm）含量為53.8%。

表1 試驗土體的物性指標

本次研究采用靜壓法制備重塑非飽和三軸試樣。試驗前，根據(jù)目標含水率（10%、15%、20%和25%，共4級）和干密度（1.4 g/cm3），將相應質量的蒸餾水和冷卻烘干紅黏土在保鮮袋中搓揉均勻；然后將潤濕的重塑土放置于玻璃干燥器中，密封靜置2 d，以確保水分遷移均勻。復測含水率后，根據(jù)設定干密度1.4 g/cm3，稱取相應質量的濕土，填入不銹鋼模具中通過液壓千斤頂逐層壓實成圓柱形試樣，共4層。為盡可能保證試樣均勻性，每層土料質量相同，厚度為20 mm。每層壓實后，將層間接觸面刨毛，以保證各層間接觸良好。試樣直徑為39.1 mm，高度為80 mm。

將成型的試樣從模具中頂出，套上厚度為0.5 mm的乳膠膜，裝入三軸壓力室中，注水圍壓液。之后，施加目標固結壓力（100、200、400 kPa）進行等向固結。通過圍壓泵測量試樣的體積變化。固結變形穩(wěn)定的判別標準為圍壓液每小時的體積變形量小于試樣初始體積的0.1%。固結變形穩(wěn)定后，進行三軸剪切試驗，剪切速率設置為0.06 mm/min。試驗儀器為南京土壤儀器廠生產(chǎn)的SLB-1型應力-應變控制式三軸儀。

2 試驗結果

限于篇幅，本文僅呈現(xiàn)了有效圍壓100 kPa下試樣的偏應力q（=σ1-σ3）與軸向應變ε1之間的關系，如圖1所示。由圖1可見，不同含水率條件下非飽和重塑紅黏土試樣的應力-應變曲線演化趨勢相同，呈現(xiàn)為應變軟化型，即在較小的軸向應變下達到峰值應力，之后偏應力隨軸向應變的增加而降低。從圖中還可以看出，隨著含水率的增加，峰值點的應力逐漸減小，軟化現(xiàn)象被抑制。李海龍[11]通過直剪試驗，報道了相類似的試驗結果。

圖1 不同含水率下紅黏土的應力-應變曲線

根據(jù)圖1中的應力-應變關系曲線，可以求出土的楊氏模量E。本研究中，取軸向應變ε1=1%處的應力與相應的應變之比來確定楊氏模量。結果表明，當有效圍壓為100 kPa時，含水率為10.2%、15.1%、20.3%和25.1%所對應的楊氏模量E為645、447、369.7、283.5 MPa。這意味著，試樣的含水率對楊氏模量影響顯著，其原因可能與含水率對顆粒間游離氧化物形成的膠結物（水穩(wěn)性）的影響有關。

抗剪強度反映了試樣抵抗破壞的能力。為進一步對比分析不同含水率對試樣剪切強度qf（=（σ1-σ3）f）的影響，圖2中給出了不同凈圍作用下，重塑非飽和紅黏土的qf與含水率w的關系。本研究中，對于qf的取值如下，如果q-ε1曲線有峰值點（即應變軟化型），取其峰值；如果q-ε1曲線無峰值點（即應變硬化型），取ε1=15%處的偏應力值。

圖2 不同有效圍壓下含水率對紅黏土抗剪強度的影響

由圖2可以看出，當有效圍壓一定時，含水率顯著影響試樣的抗剪強度。隨著含水率的增加，試樣的抗剪強度單調降低。此外，當含水率一定時，有效圍壓越大，重塑非飽和紅黏土試樣的抗剪強度越高，即成正比例關系。采用線性函數(shù)對圖2中的強度和含水率的關系進行回歸分析，可以得到抗剪強度與含水率之間存在如下線性關系

式中：qf為抗剪強度，kPa；w為含水率，%；a和b為擬合參數(shù)，可通過擬合圖中數(shù)據(jù)確定。擬合結果見表2。

表2 擬合參數(shù)匯總

根據(jù)摩爾-庫倫準則可知，土體的強度是由黏聚強度和摩擦強度組成。因此，強度的變化受上述二者變化的綜合影響。根據(jù)三軸試驗結果可知，含水率變化對黏聚力和內摩擦角影響顯著。含水率為10.2%、15.1%、20.3%和25.1%所對應的黏聚力分別為265.2、250.2、195.0、136.3 kPa；對應的內摩擦角分別為30.8°、29.2°、28.1°和27.2°。

3 分析與討論

土體是由形態(tài)、大小各異的粒團顆粒單元、聚集體及膠結物質堆積而成[14]。對于由碳酸鹽巖風化形成的紅黏土，土體中除了硅鋁富集外，還有鐵（主要來源于赤鐵礦、針鐵礦等造巖礦物）富集所生成的氧化物。游離的氧化鐵顆粒細小，與水反應生成氫氧化鐵膠體，充填于土體孔隙中[9]，膠結顆粒，增強顆粒之間的相互作用。但由于這種連接具有水穩(wěn)定性[15]，對力學行為的貢獻程度取決于土體含水率的大小，具體表現(xiàn)為對黏聚力和內摩擦角的影響。

研究表明，非飽和紅黏土的黏聚力主要來源于土顆粒間的水膜連接、相互吸引及膠結作用，且以水膜連接和膠結連接占主導[2]。在低含水率時，首先產(chǎn)生膠結作用，而后形成結合水。土體孔隙中的游離氧化鐵與土顆粒間形成較強的連接力，從而表現(xiàn)出較高的黏聚力。隨著含水率的增加，水穩(wěn)性膠結物的連接強度由于含水量的增加而減弱，更甚者在較高的含水率下將使得膠結強度發(fā)生破壞，致使非飽和紅黏土黏聚力急劇下降。此外，增加含水率的同時，黏土礦物表面的結合水膜增厚，尤其是弱結合水膜的出現(xiàn)，增大了顆粒間的間距，同時形成潤滑，進一步導致顆粒間水膜連接強度的減弱，致使土體黏聚力降低。

傅鑫暉等[16]指出，紅黏土內摩擦角主要受控于顆粒結構、密實度及大小。在密實度一定的情況下，紅黏土摩擦角受控于顆粒結構。通常，紅黏土中游離氧化鐵有2種賦存形式，即結晶態(tài)和膠結態(tài)。因此，可以通過分析含水率對游離氧化物的賦存形態(tài)的影響來解釋其對摩擦強度的影響機制。在較低的含水率時，土顆粒在游離氧化物的膠結作用下，形成穩(wěn)定的團粒結構；加之，顆粒間結合水膜發(fā)育程度較低，以強結合水形式存在，水膜黏結力較強。在二者（水膜黏結力和膠結作用力）綜合作用下，形成了牢固的團聚體結構，土體整體結構性強且密實，故該情況下內摩擦角相對較大。當土中含水率的增加，上述具有水穩(wěn)特性的膠結作用力和水膜連結力均有不同程度的降低，土體的團聚體結構性減弱。此外，增加含水率的同時，黏土礦物表面的結合水膜增厚，尤其是弱結合水膜的出現(xiàn)，增大了顆粒間的間距，咬合作用力也隨之減弱，且起到潤滑作用，致使土體內摩擦角降低。綜上，在低含水率范圍內，紅黏土試樣的內摩擦角較大，隨著含水率的增加而降低。

4 結論

本文以桂林紅黏土為研究對象，利用靜壓法制備了不同含水率的非飽和試樣，通過一系列固結排水三軸剪切試驗，初探了含水率對桂林紅黏土抗剪強度的影響。基于本文研究工作，取得了如下主要結論。

（1）不同含水率的試樣應力應變曲線呈應變軟化型，即呈現(xiàn)為脆性破壞；隨著含水率的增加，峰值偏應力降低，應變軟化現(xiàn)象被抑制。

（2）含水率對楊氏模量影響顯著，其原因與含水率對顆粒間游離氧化物形成的膠結物（水穩(wěn)性）的影響有關。

（3）在本文研究條件下，剪切強度隨含水率的增加近似呈線性變化；強度隨含水率增加而降低可歸因于含水率致使提供黏聚力和內摩擦角的水穩(wěn)性膠結物的貢獻降低。