壓實度和含水率對紅黏土無側限抗壓強度的影響研究

胡永亮

(遼寧省公路勘測設計公司 沈陽市 110006)

0 引言

紅黏土集中分布在中國南方地區,分布面積達到了108×104km2[1-3],因此在實際道路工程中,不可避免的會碰到紅黏土。紅黏土在正常情況下強度能夠達到路基填料的要求,但是由于紅黏土中含有高嶺石、蒙脫石和伊利石等親水礦物[4],使其水穩定性較差,過多的水會使紅黏土強度快速衰減[5],導致紅黏土路基發生崩裂、滑坡等工程地質災害[6]。

無側限抗壓強度是表征土強度最重要的指標之一,因此很多學者對紅黏土的無側限抗壓強度進行了研究。陳議城、方娟和王海湘等[6-8]研究了含水率對紅黏土無側限抗壓強度的影響,方娟和王海湘研究發現紅黏土的無側限抗壓強度隨著含水率的增加呈現先增大后減小的規律,陳議城研究發現隨著含水率的增加紅黏土的無側限抗壓強度呈現連續減小的規律,且通過擬合發現含水率和無側限抗壓強度呈指數型關系。徐科宇[9]研究了干密度對紅黏土無側限抗壓強度的影響,研究發現隨著紅黏土干密度的增加,紅黏土無側限抗壓強度呈現遞增的趨勢。

基于此,以三明將樂動車站右側的紅黏土作為研究對象,通過室內無側限抗壓強度試驗,獲得不同含水率和不同壓實度條件下紅黏土的無側限抗壓強度數據,探討不同含水率和不同壓實度對紅黏土無側限抗壓強度的影響,以期為實際公路工程提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗紅黏土取自福建省三明將樂動車站附近,通過界限含水率試驗可知,該場地紅黏土塑限32.10%、液限63.56%、塑性指數31.46。通過擊實試驗可知,該場地紅黏土最大干密度1.662g.cm-3,最佳含水率為23%。

1.2 試驗方案

試驗以含水率和壓實度作為變量,含水率以最佳含水率為基準,按3%上下浮動,選擇四個含水率數值進行試驗,壓實度分別選擇86%、90%、93%作為數值進行試驗,具體試驗方案見表1。

表1 試驗方案

1.3 試驗方法

將紅黏土風干碾碎,過2mm篩,按照規定含水率加水均勻拌和,然后將拌合土裝入袋子中靜置24h,保證水分均勻遷移,最后根據規定壓實度將土樣制成3.91cm×8cm的三軸試樣,將試樣在恒溫恒濕條件下養護28d,根據《土工試驗方法標準》(GBT 50123—2019)中的無側限抗壓強度試驗方法進行試驗[10]。

2 試驗結果與分析

通過無側限抗壓強度試驗可以得到應力與應變曲線關系圖,根據所得到的關系圖,可以得到其峰值處的無側限抗壓強度,也可以得到其試驗結束后的無側限抗壓強度(簡稱殘余強度),以這兩個指標來分析含水率和壓實度對紅黏土力學性能的影響,試驗結果如表2所示。

表2 三明紅黏土強度特性

2.1 不同含水率對紅黏土無側限抗壓強度和殘余強度的影響分析

以含水率作為x軸,無側限抗壓強度和殘余強度作為y軸,變化規律如圖1、圖2所示。

圖1 不同含水率下紅黏土無側限抗壓強度變化規律

圖2 不同含水率下紅黏土殘余強度變化規律

由圖1和圖2可知:

(1)三明地區紅黏土在不同含水率條件下無側限抗壓強度和殘余強度變化趨勢大致相同。

(2)紅黏土的無側限抗壓強度和殘余強度均隨著含水率的增大呈現出先增大后減小的趨勢,當含水率達到最佳含水率時二者達到最大值。

(3)當紅黏土含水率為20%時,無側限抗壓強度和殘余強度最低。

(4)當含水率從26%變到29%時,紅黏土無側限抗壓強度和殘余強度變化幅度最小。

之所以無側限抗壓強度和殘余強度在不同含水率條件下會呈現出這種規律,主要是因為當土中含水率較低時,土中顆粒的膠結物質較少,土顆粒無法較好的黏結在一起,導致土體難以被壓實。當含水率達到最佳含水率的時候,土顆粒容易膠結在一起,并且由于水的潤滑作用,使土顆粒直剪的摩擦力減小,土顆粒容易被移動壓實。但是當含水過多時,土顆粒之間的結合水膜過厚,又導致土顆粒難以被壓實,導致強度降低。

2.2 不同壓實度對紅黏土無側限抗壓強度和殘余強度的影響分析

以壓實度作為x軸,無側限抗壓強度和殘余強度作為y軸,變化規律如圖3、圖4所示。

圖3 不同壓實度下紅黏土無側限抗壓強度變化規律

圖4 不同壓實度下紅黏土殘余強度變化規律

由圖3和圖4可知:

(1)三明地區紅黏土在不同壓實度條件下無側限抗壓強度和殘余強度變化趨勢大致相同。

(2)紅黏土的無側限抗壓強度和殘余強度均隨著壓實度的增大而增大。

(3)當含水率為20%時,紅黏土在三種壓實度下的無側限抗壓強度和殘余強度均是最小值。

當含水率為最佳含水率23%時,紅黏土在三種壓實度下的無側限抗壓強度和殘余強度均達到最大值,且兩種強度的增加幅度也最大。

之所以無側限抗壓強度和殘余強度在不同壓實度條件下會呈現出這種規律,主要是因為當壓實度較小時,土顆粒之間的接觸較為稀疏,會導致土體內部的孔隙過多,并且存在較大孔隙,這會導致土樣的完整性較差,最終結果就是無側限抗壓強度和殘余強度偏低;當壓實度較大時,土顆粒之間緊密接觸,土體內部的大孔隙幾乎消失,土樣的完整性較好,最終結果就是無側限抗壓強度和殘余強度變大。

3 結論

通過對三明將樂地區紅黏土進行無側限抗壓強度試驗,以無側限抗壓強度和殘余強度作為指標,分析不同含水率和不同壓實度條件下紅黏土力學性能的變化規律,得到以下結論:

(1)紅黏土的力學性能同時受到含水率和壓實度兩個方面的影響。

(2)紅黏土的無側限抗壓強度和殘余強度隨著含水率的增加呈現先增大后減小的規律。

(3)紅黏土的無側限抗壓強度和殘余強度隨著壓實度的增加呈現持續增大的規律。

(4)當含水率達到最佳含水率的時候,紅黏土的無側限抗壓強度和殘余強度均達到最大值,此時紅黏土的力學性能最好。