結構性對紅黏土土—水特征曲線的影響試驗研究

摘 要：【目的】土—水特征曲線是非飽和紅黏土的重要概念，從結構性出發分析紅黏土的土—水特征曲線對實際工程具有重要意義。【方法】采用離心機對初始狀態相同的原狀和重塑紅黏土進行宏觀土—水特征曲線試驗，獲得原狀和重塑紅黏土的土—水特征曲線，并通過電鏡掃描試驗，觀察原狀和重塑紅黏土的微觀結構特征，分析結構性對紅黏土土—水特征曲線的影響。【結果】試驗結果表明，原狀和重塑紅黏土的基質吸力隨著體積含水率的減小而增加，體積含水率相同的情況下，原狀土的基質吸力較大；原狀土的原生結構沒有破壞，骨架穩定，孔隙較小，重塑土骨架遭到破壞，孔隙較大且分布均勻，因此原狀土失水速率較慢，持水能力較強，進氣值較大。【結論】研究結果揭示了結構性影響紅黏土土—水特征曲線的內在機理，可為解決實際工程問題提供理論支持。

關鍵詞：紅黏土；結構性；土—水特征曲線；電鏡掃描

中圖分類號：TU446" " "文獻標志碼：A" " 文章編號：1003-5168（2024）14-0068-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.14.013

Experimental Study on the Influence of Structural Properties on the Soil—Water Characteristic Curve of Red Clay

Abstract： [Purposes] The soil—water characteristic curve is an important concept of unsaturated red clay， and it is of great significance to analyze the soil—water characteristic curve of red clay from the structural point of view. [Methods] The macroscopic soil—water characteristic curves of the undisturbed and remodeled red clay with the same initial state were tested by centrifuge， and the soil—water characteristic curves of the undisturbed and remodeled red clay were obtained， and the microstructure characteristics of the undisturbed and remodeled red clay were observed by electron microscope scanning test， and the influence of structure on the soil—water characteristic curve of red clay was discussed from the macro and micro perspectives. [Findings] The test results show that the matrix suction of undisturbed and remodeled red clay increases with the decrease of volumetric moisture content， and the matrix suction of undisturbed soil is larger when the volumetric moisture content is the same. The original structure of the undisturbed soil is not damaged， the skeleton is stable， the pores are small， the skeleton of the reshaped soil is damaged，and the pores are large and evenly distributed， so the water loss rate of the undisturbed soil is slow， the water—holding capacity is strong， and the air intake value is larger.[Conclusions] The results reveal the internal mechanism of structural influence on the soil—water characteristic curve of red clay， which can provide theoretical support for solving practical engineering problems.

Keywords： red clay; structural; soil—water characteristic curve; electron microscope scan

0 引言

紅黏土在我國西南地區分布廣泛，是一種區域性特殊性土，主要分布在廣西、貴州、湖南和廣西等地［1］。紅黏土力學性質良好，常被作為路基填料。而工程建設中的紅黏土常處于非飽和狀態，非飽和紅黏土是由土顆粒、水和氣體等組成的三相多孔介質，同時具有高含水量、高孔隙比、高液限等較差的物理特性。

土—水特征曲線是反映土持水特性和力學性質的重要曲線，其主要受應力狀態、微觀孔隙結構、結構性等因素影響。對于同一種土而言，結構性的變化會影響紅黏土的持水能力和力學特性，從而對土的工程性質產生較大的影響。因此，結構性土相關的土—水特征曲線研究對非飽和土理論研究有十分重要的意義。目前，針對紅黏土的結構性，國內外學者開展了大量的研究。陳筠等［2］利用電鏡掃描對微生物礦化紅黏土的微觀結構進行研究，發現微生物處置紅黏土加強了土顆粒間的連接，使抗剪強度有所提高。Zhang等［3］利用掃描電鏡研究原狀和重塑紅黏土的微觀結構，并分析結構性對其宏觀力學性質影響。Chen等［4-5］對不同比例的石灰和碳酸鈣處理紅黏土進行電鏡掃描，發現兩者都會引起土顆粒的團聚并改變紅黏土的孔隙結構，從而引起宏觀力學性質的改變。關于紅黏土土—水特征曲線的研究，何忠明等［6］、張鵬程等［7］通過對非飽和土基質吸力與含水率之間的關系進行研究，發現基質吸力與含水率呈非線性關系。蔡國慶等［8］利用濾紙法、平衡法及飽和鹽溶液法研究泥漿土和壓實土的土—水特征曲線，發現初始孔隙比相同時，泥漿土進氣值更大，持水性更好。陶高梁等［9］采用壓力板儀研究了黏土土—水特征曲線，試驗結果表明，滲透系數隨基質吸力的增大而減小。Wang等［10］研究了干密度對壓實土—土水特征曲線的影響，研究發現，壓實土的土—水特征曲線在高吸力階段與干密度無關，但在低吸力范圍內具有很好的相關性。Yao ［11］研究了土在凍融過程中的土—水特征曲線，發現在含水量、密實度相同的情況下，試驗土的基質吸力隨著凍融循環次數的增加而減小。對于相同的凍融循環次數，密實度越大，土體的基質吸力越大。

綜上所述，國內外學者對紅黏土的微觀結構和土—水特征曲線進行了大量的研究，但通過微觀試驗研究土體的結構性對土—水特征曲線的影響關注還較少。因此，本研究以廣西紅黏土為研究對象，采用離心機法，對初始狀態相同的原狀和重塑紅黏土進行一系列土—水特征曲線試驗研究，并通過電鏡掃描試驗觀察其微觀結構特征，探明了紅黏土結構性對其土—水特征曲線的影響。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗土樣從廣西某高速路基中獲取，取樣深度為2～3 m。將土樣在烘箱中烘干，碾碎過篩，按照《土工試驗方法標準》（GB/T 50123—2019）獲得試驗土樣基本物理指標，見表1。紅黏土天然含水率約為60.4%，比一般黏性土天然含水率常見值（20%～50%）高出將近20個百分點，液限值達到90.3%。所以，紅黏土非常特殊，不僅含水量很高，而且具有高液限的特點。

1.2 試驗原理及方法

1.2.1 離心機法。離心機基本原理是將離心場代替重力場［4］。重力場中的g由離心場的離心加速度代替。能量轉換關系見式（1）至式（4）。

以上式中：r為離心半徑，cm；H為計算基質吸力，bar；n為離心機轉速，r/min；ρ為水的密度，g/cm3。

本次試驗采用H1400pF型高速冷凍離心機，設置8個不同的轉速，分別為500、1 000、2 500、4 500、6 500、8 500、11 000、13 000 r/min。制備初始狀態相同的原狀與重塑紅黏土環刀土樣，并將兩者放入真空飽和容器中進行飽和，完成離心試驗，通過計算得到體積含水率與基質吸力的特征曲線，即紅黏土土—水特征曲線。

1.2.2 電鏡掃描。為研究紅黏土微觀結構對土—水特征曲線的影響，對初始狀態相同的原狀和重塑試樣分別取樣進行電鏡掃描，分析紅黏土收縮過程中微觀形貌、顆粒連結、孔隙分布及等效孔徑大小，通過SEM電鏡掃描試驗對紅黏土微觀幾何形態進行定性分析。基于試驗結果，采用PCAS孔隙識別和定量分析系統對孔隙特征進行定量分析，從微觀角度揭示紅黏土結構性對土—水特征曲線的影響。

2 紅黏土宏微觀試驗

2.1 宏觀離心機試驗及分析

本研究利用離心機進行原狀和重塑土的土—水特征曲線試驗，將含水率相同的試樣分別在上述8個轉速達到穩定條件下計算相應的基質吸力，得到相同含水率下原狀和重塑土的土—水特征曲線，如圖1所示。

由圖1可知，初始狀態相同的原狀與重塑土基質吸力與體積含水率變化規律基本一致，呈現基質吸力隨著體積含水率的減小而逐漸增大的趨勢，體積含水率相同的條件下，原狀土對應的基質吸力較大，這說明了原狀土持水能力相對較強。

2.2 微觀結構試驗及分析

為進一步研究結構性對紅黏土土—水特征曲線影響的內在機理，對初始狀態相同的原狀和重塑紅黏土利用液氮和LC—10N—50A型冷凍干燥機對其進行脫濕。然后，利用液氮將試樣冷凍，采用干燥機進行干燥試驗，其目的是使紅黏土原生結構不被破壞。將干燥后試樣放在載物臺進行噴金處理以增加其導電性，然后進行掃描電鏡試驗，從微觀角度，對紅黏土顆粒形狀及接觸方式、顆粒間連結特征、孔隙特征等進行研究， 試驗結果如圖2所示。

由圖2可知，原狀紅黏土中黏土礦物之間以面—面接觸和邊—面接觸形成球形、橢球形集聚體，并且以一定的角度相交，形成骨架孔隙結構。黏土礦物彼此接觸并且以游離氧化物膠結形成有較強連結力的集聚體結構，由絮狀物質連接集聚體形成集聚體間結構連結，集聚體內部小孔隙較為發育，集聚體間以較大孔隙為主。重塑土經過擾動破壞了原有的原生結構，集聚體間的膠結遭到破壞，結構單元以圓形單一顆粒為主，顆粒間以點接觸為主，顆粒間孔隙相對較大且分布均勻。

本研究采用PCAS對電鏡掃描圖片進行定量化分析，二值化處理如圖3所示，黑色代表孔隙，白色代表土顆粒。由圖3可知，原狀紅黏土含較多的微小孔隙，重塑土孔隙相對較大且分布較為均勻。孔隙定量化參數見表2。對比二者孔隙分布均勻系數，重塑樣偏大，量化結果與分析一致。

宏觀和微觀研究結果表明，在初始狀態相同的條件下，重塑紅黏土內部具有明顯的尺寸較大的顆粒間孔隙，孔隙分布較為均勻，這些相對較大的孔隙能夠儲存較多自由水，因此大量顆粒間孔隙的存在使得土樣在相同吸力時會以較快的速度失水，故失

水速率較快且進氣值相對較小；相反，原狀紅黏土存在原生結構，集聚體間孔隙較小，集聚體內部小孔隙較多，儲存的結合水量相對較高，土體持水性能較強，具有相對較低的失水速率和較大的進氣值。此外，對于黏性土而言，土中孔隙孔徑分布及數量對其在不同基質吸力下的失水狀態有很大影響。不同結構性的紅黏土其內部孔隙結構具有明顯差異，具有不同的持水特性，結構性通過影響土體的內部孔隙結構來影響土—水特征曲線。因此，結構性是影響紅黏土—土水特征曲線的重要因素。

3 結論

本研究采用離心機法，將初始狀態相同的原狀和重塑紅黏土的土—水特征曲線進行試驗，同時利用電鏡掃描對其微觀結構進行分析，得出以下結論。

①原狀與重塑土基質吸力與體積含水率變化規律基本一致，呈現基質吸力隨著體積含水率的減小而逐漸增大的趨勢。在體積含水率相同的條件下，原狀土對應的基質吸力較大，持水能力相對較強。

②通過對原狀和重塑土進行電鏡掃描發現，原狀紅黏土的原生結構沒有被破壞，存在明顯的集聚體內相對較小的孔隙；重塑紅黏土集聚體間連結遭到破壞，多為均勻分布相對較大的孔隙。

③由宏微觀試驗結果可知，結構性通過影響紅黏土的孔隙結構來影響土—水特征曲線的變化規律，重塑土內部具有顆粒間相對較大的孔隙結構，儲存自由水較多，失水速率較快，進氣值相對較低。原狀土多為集聚體內相對較小的孔隙，其儲存結合水較多，持水能力較強，進氣值較大。

參考文獻：

［1］廖義玲，朱立軍.貴州碳酸鹽巖紅土［M］.貴陽：貴州人民出版社，2004.

［2］陳筠，施鵬超，白文勝，等.微生物礦化作用對紅黏土的影響研究［J］.中國巖溶，2019，38（4）：612-618.

［3］ZHANG Y Z，PU S Y ，LI M Y R ， et al.Microscopic and mechanical properties of undistributed and remoulded red clay from Guiyang， China.［J］.Scientific Reports，2020，10（1）：18003-18003.

［4］CHEN L J，CHEN X J，WANG H，et al. Mechanical properties and microstructure of lime-treated red clay［J］.KSCE Journal of Civil Engineering，2020，25（1）：1-8.

［5］CHEN L J，CHEN X J，YANG X，et al.Effect of calcium carbonate on the mechanical properties and microstructure of red clay［J］.Advances in Materials Science and Engineerin，2020.

［6］ 何忠明，劉雅欣，曾新發，等.非飽和粗粒土基質吸力與含水率及級配關系試驗研究［J］.中南大學學報（自然科學版），2019，50（3）：712-718.

［7］張鵬程，湯連生，姜力群，等.基質吸力與含水量及干密度定量關系研究［J］.巖石力學與工程學報，2013，32（S1）：2792-2797.

［8］蔡國慶，劉祎，徐潤澤，等.干化—濕化路徑下紅黏土微觀結構演化規律研究［J］.中國科學：技術科學，2021，51（2）：221-230.

［9］陶高梁，羅晨晨，李麗華，等.一種基于VG模型的變形土進氣吸力值預測方法［J］.長江科學院院報，2021，38（1）：84-88，102.

［10］WANG Y，LI T L，LI P，et al. Measurement and uniform formulation of soil-water characteristic curve for compacted loess soil with different dry densities［J］.Advancesin Civil Engineering，2021.

［11］YAO Y S.Soil-water characteristics of the low liquid limit silt considering compactionand freeze-thaw action［J］.Advancesin Civil Engineering，2020.