黃 英，張祖蓮，金克盛，劉 鵬

(昆明理工大學(xué)電力工程學(xué)院，云南 昆明 650500)

對于具有特殊性質(zhì)的云南紅土［1］，受含水條件的影響甚為顯著，其工程地質(zhì)特性與含水狀態(tài)密切相關(guān)，含水狀態(tài)的變化必然引起紅土性質(zhì)發(fā)生相應(yīng)的變化，造成紅土性能的損傷劣化，影響紅土的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。云南干濕分明、降雨集中的氣候特點，特別是近幾年極端干旱氣候的作用，造成紅土含水狀態(tài)的變化更為顯著，紅土工程地質(zhì)特性的損傷更為嚴(yán)重，出現(xiàn)了一系列的紅土安全問題。因而，研究含水條件對云南紅土的影響具有現(xiàn)實意義。

目前，關(guān)于含水條件對土體性質(zhì)的影響已開展了較多研究。宋日英等［2-5］分別研究了不同含水條件下黃土和膨脹土的強度變形特性，明確了含水率對黃土和膨脹土強度變形特性的影響。關(guān)于紅土，劉春等［6］通過三軸試驗研究了貴州畢節(jié)紅黏土的強度特性，表明非飽和紅黏土的抗剪強度與含水率之間存在指數(shù)函數(shù)關(guān)系;畢慶濤等［7］通過直剪試驗研究表明，紅黏土的黏聚力與含水率之間存在階梯狀關(guān)系，內(nèi)摩擦角隨含水率的增加變化不顯著;史文兵等［8］根據(jù)貴陽紅黏土的直剪試驗結(jié)果，建立了紅黏土的抗剪強度參數(shù)與含水率的關(guān)系;王中文等［9］研究了廣梧高速云浮段紅黏土抗剪強度的水敏性，表明高含水率和低含水率的紅黏土抗剪強度相差較大，抗剪強度隨著含水率的增加而減小，其中黏聚力隨含水率的增加呈一階指數(shù)衰減，內(nèi)摩擦角隨含水率的增加呈現(xiàn)分段函數(shù)的特征，并提出臨界含水率抗剪強度面的概念來判別土體是否達到抗剪強度;楊慶等［10］探討了非飽和紅黏土的抗剪強度指標(biāo)與含水率之間的相關(guān)關(guān)系;王英輝等［11］通過三軸剪切試驗和無側(cè)限抗壓強度試驗，研究了飽和前后擊實紅黏土的抗剪強度特征，表明脫濕過程或加濕過程中紅黏土的強度隨含水率的變化顯著;王洋等［12］研究了殘積紅黏土在含水率變化模式下力學(xué)性質(zhì)的變異性，表明含水率的變化對紅黏土的黏聚力和內(nèi)摩擦角都有影響，且對黏聚力的影響遠大于對內(nèi)摩擦角的影響;周敏等［13］通過直剪試驗研究了紅黏土水-土作用的力學(xué)效應(yīng)，表明紅黏土的抗剪強度都隨含水率的升高而減小。

但對于云南紅土，由于其特殊的區(qū)域性，目前還缺乏相應(yīng)研究。因此，本文針對云南紅土，考慮含水率、浸泡等不同含水條件，研究含水條件變化對云南紅土性狀的影響。

1 含水率對云南紅土強度壓縮性的影響

本文試驗土樣取自昆明陽宗海紅土，其相對質(zhì)量2.855，粉粒(粒徑d=0.075～0.005 mm)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為55.0%，黏粒(d＜0.005 mm)質(zhì)量分?jǐn)?shù)42.5%，塑限28.7%，液限45.5%，塑限指數(shù)17.2，最大干密度1.40 g/cm3，最優(yōu)含水率26.4%，表明該紅土屬低液限紅黏土。需要說明的是，本文的含水率是指備樣時的含水率，備樣過程和制樣過程是兩個環(huán)節(jié)。備樣是指按照要求的含水率，對給定的松散紅土進行加水、浸潤、拌和，這時土體處于松散狀態(tài);而制樣是指將備好樣的松散紅土按照擊樣法擊實到所要求的干密度，這時土體處于密實狀態(tài)。因為制好樣后及時進行強度試驗，所以黏聚力的變化主要取決于備樣時紅土顆粒自身吸附水的能力和制樣時紅土顆粒之間的吸附能力。

1.1 含水率對紅土抗剪強度指標(biāo)的影響

圖1 含水率對紅土黏聚力和內(nèi)摩擦角的影響Fig.1 Influence of moisture content on cohesion and internal friction angle of laterite

1.1.1 含水率對紅土黏聚力的影響

圖1為干密度分別為1.40 g/cm3和1.00 g/cm3時紅土的抗剪強度指標(biāo)與含水率的關(guān)系。圖1(a)表明，紅土的黏聚力隨含水率的變化存在最大值，這一最大值對應(yīng)的含水率約為27.5%，稍小于塑限，稍大于最優(yōu)含水率26.4%。當(dāng)含水率小于最優(yōu)含水率時，其黏聚力隨著含水率的增大而增大，約在最優(yōu)含水率和塑限之間達到最大;當(dāng)含水率大于塑限時，其黏聚力隨著含水率的增大而減小;干密度越大，黏聚力越大，干密度越小，黏聚力越小，干密度1.40 g/cm3時紅土的黏聚力大于干密度1.00 g/cm3時紅土的黏聚力。這是因為含水條件、干密度不同，水在紅土中的存在方式不同。

若含水率較小，備樣時，紅土顆粒表面吸附的水膜較薄，水在紅土中以強結(jié)合水方式存在，紅土顆粒自身吸附水的能力較強。制樣時，土體偏干，強結(jié)合水的存在導(dǎo)致顆粒之間的吸附能力較弱，顆粒移動困難，需要較大擊實功才能達到要求的干密度，這時，土體處于偏干的半固態(tài)，孔隙以氣體為主，氣體隔開了紅土顆粒，導(dǎo)致顆粒之間缺乏有效連接，因而連接較弱，表現(xiàn)為黏聚力較小。

隨著含水率增大，備樣時，紅土顆粒表面吸附的水膜增厚，水在紅土中的存在方式轉(zhuǎn)化為以弱結(jié)合水為主，紅土顆粒自身吸附水的能力減弱。制樣時，土體濕潤，弱結(jié)合水的存在導(dǎo)致顆粒之間的吸附能力較強，顆粒較易移動，只要較小擊實功就能達到要求的干密度，這時，紅土由半固態(tài)向可塑態(tài)轉(zhuǎn)化，孔隙中的氣體減少，顆粒之間由于弱結(jié)合水的存在連接作用增強，因而黏聚力增大;接近塑限，孔隙氣體的減少導(dǎo)致以弱結(jié)合水為主的水膜恰好增厚到足以使紅土顆粒之間的連接作用達到最強，因而黏聚力最大。

當(dāng)含水率進一步增大，備樣時，紅土顆粒表面吸附的水膜進一步增厚，水在紅土中的存在方式轉(zhuǎn)化為以自由水為主，紅土顆粒自身吸附水的能力進一步減弱。制樣時，土體偏濕，自由水的存在導(dǎo)致顆粒之間的吸附能力減弱，水的潤滑作用增強，顆粒更易移動，這時，紅土處于偏濕的可塑態(tài)，孔隙中的氣體越來越少，顆粒之間由于自由水的存在連接作用越來越弱，因而黏聚力越來越小。

同樣含水條件下，由于試驗土樣的體積、土質(zhì)相同，因而干密度越大，土樣越密實，孔隙越小，孔隙占據(jù)的空間越少，相應(yīng)的，土顆粒占據(jù)的空間越多，表明土顆粒越多，顆粒之間的距離越小，引力越大，粒間連接作用越強，因而黏聚力越大。

1.1.2 含水率對紅土內(nèi)摩擦角的影響

圖1(b)表明，含水率的增大損傷了紅土的內(nèi)摩擦阻力。紅土的內(nèi)摩擦角隨著含水率的增大逐漸減小，干密度越小，內(nèi)摩擦角越大，這是因為干密度小的紅土試樣在外荷載作用下易發(fā)生瞬時錯動變形，導(dǎo)致粒間咬合作用增強的緣故。

干密度相同，含水率較低時，土體偏干，紅土顆粒吸附水的能力強，顆粒粗糙度大，摩擦阻力較大，顆粒錯動困難，需要較大的外荷載才能促使顆粒移動，因而內(nèi)摩擦角較大;隨著含水率的增大，紅土顆粒的粗糙度降低，水在紅土顆粒間的潤滑作用加強，摩擦阻力減小，因而內(nèi)摩擦角減小。

含水率相同，干密度越小，孔隙越多，土體越松散，顆粒間多以點接觸連接為主，咬合程度較低，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，外荷載作用下極易發(fā)生瞬時錯動變形，導(dǎo)致較小顆粒或團粒立即充填在較大孔隙中，促使原有顆粒間的點接觸連接瞬時轉(zhuǎn)向以面接觸連接為主，粒間咬合程度陡然增強，顆粒錯動困難，摩擦能力提高，內(nèi)摩擦角增大。干密度越大，孔隙越小，土體越密實，顆粒間以面接觸連接為主，咬合程度較弱，連接力較強，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好，外荷載作用主要用于克服顆粒間的連接力，摩擦能力減弱，內(nèi)摩擦角減小。

1.2 含水率對紅土抗剪強度的影響

圖2(a)反映了干密度分別為1.40 g/cm3和1.00 g/cm3時紅土的加權(quán)抗剪強度與含水率的關(guān)系。圖2(a)表明，紅土的抗剪強度隨含水率的增大逐漸減小，干密度越大，抗剪強度越大。

干密度相同，含水率較低時，強結(jié)合水的存在使紅土處于半固態(tài)，顆粒之間的連接力弱，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性強，能夠承受較大的外荷載，因而抗剪強度大，且顆粒粗糙導(dǎo)致紅土顆粒之間的內(nèi)摩擦阻力大;隨著含水率的增大，強結(jié)合水外弱結(jié)合水的存在使紅土由半固態(tài)向可塑態(tài)轉(zhuǎn)化，顆粒之間的連接力增強，紅土的可塑性增強，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低，承受外荷載的能力減弱，因而抗剪強度減小。隨著含水率的進一步增大，弱結(jié)合水膜的進一步增厚使紅土由塑態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)化，紅土的可塑性減弱，與水作用的能力降低，弱結(jié)合水外自由水的存在導(dǎo)致水的潤滑作用加強，紅土的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進一步降低，因而抗剪強度進一步減小。這一階段，水的潤滑作用導(dǎo)致紅土顆粒之間的內(nèi)摩擦阻力和顆粒之間的連接力進一步減弱。

而同樣含水條件下，干密度越大，紅土的密實性越好，黏聚力越大，結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，內(nèi)摩擦角越小，承受外荷載的能力越強，但二者綜合作用的結(jié)果最終導(dǎo)致紅土的干密度越大，抗剪強度越大。

1.3 含水率對紅土壓縮性的影響

圖2 含水率對紅土抗剪強度和壓縮性的影響Fig.2 Influence of moisture content on shear strength and compression of laterite

圖2(b)為干密度為1.40 g/cm3的條件下含水率與紅土壓縮變形之間的關(guān)系。由圖2(b)可見，隨著含水率的增大，紅土的壓縮變形量增大。當(dāng)含水率由26.5%增加為34.2%時，200kPa的壓力下的壓縮變形量由0.612 mm增大到1.895 mm;含水率小于32.0%，壓縮變形量隨含水率增大較平緩;當(dāng)含水率超過32.0%，壓縮變形量的增長較大。說明含水率的增大降低了紅土抵抗壓縮破壞的能力，含水量越多，壓縮性越強，實質(zhì)上是損傷了紅土的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

相同干密度下，含水率較小、低于塑限時，紅土處于半固態(tài)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性強，可塑性差，抵抗壓縮的能力強，因而變形量小，這時主要排除紅土孔隙中的氣體;含水率較大、高于塑限時，紅土處于可塑態(tài)，可塑性強，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低，抵抗壓縮的能力減弱，因而變形量增大，這時既排除紅土孔隙中的氣體也排除紅土孔隙中的水;含水率更大時，紅土由可塑態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)化，可塑性減弱，潤滑作用增強，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進一步降低，外荷作用下更易受到壓縮，因而變形量進一步增大，這時主要排除紅土孔隙中的水。而同樣含水條件下，干密度越大，紅土的密實程度越高，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越好，抵抗壓縮的能力越強，因而變形量越小。

2 浸泡對云南紅土膠結(jié)能力和承載能力的影響

2.1 浸泡對紅土膠結(jié)能力的影響

表1為云南紅土浸泡前后的特性參數(shù)，其浸泡控制條件是針對松散紅土采用水溶液浸泡，其中，鐵離子質(zhì)量濃度對應(yīng)浸泡時間10個月，其他參數(shù)對應(yīng)浸泡時間20 d。為比較紅土在水溶液中鐵離子的遷移程度，同時用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%的鹽酸浸潤紅土并在水溶液中浸泡7 d進行對比。

表1 浸泡前后紅土的特性參數(shù)Table 1 Characteristic parameters of laterite before and after immersion

表1表明:

a.該紅土在水溶液中浸泡10個月，水溶液中鐵離子質(zhì)量濃度增加了0.13 mg/L以上;特別是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%的鹽酸浸泡7 d后，其水溶液中的鐵離子質(zhì)量濃度達到1.45 mg/L。說明水的浸泡作用尤其是鹽酸的腐蝕作用［14］損傷了紅土中的膠結(jié)物質(zhì)，導(dǎo)致紅土中的鐵離子在水溶液中發(fā)生遷移，降低了紅土顆粒之間的連接能力，這與代志宏等［15］的研究一致。

b.與浸泡前比較，浸泡后，紅土的pH、燒失量以及陽離子交換量都增大，pH增大了0.47，燒失量增大了0.83%，陽離子交換量增大了0.0079 mmol/g。pH的增大說明浸泡后紅土的酸性減弱，浸泡水溶液呈堿性(pH為8.16)，湯連生等［16］的研究表明堿性水溶液使含鐵離子物質(zhì)的膠結(jié)作用降低;燒失量的增大說明浸泡出了更多的有機質(zhì);陽離子交換量的增大說明浸泡后離子交換作用加強;其綜合作用的結(jié)果表明浸泡作用減弱了紅土顆粒之間的聯(lián)結(jié)，造成紅土顆粒及其連接的損傷。

c.顆粒分析表明，該紅土經(jīng)過20 d的浸泡，其粉粒由浸泡前的55.0%減小為浸泡后的54.1%，黏粒由浸泡前的42.5%增加為43.0%，說明浸泡作用損傷了紅土顆粒及其顆粒間的連接，導(dǎo)致紅土顆粒變細(xì)，粉粒減少，黏粒增加，其實質(zhì)在于浸泡作用減弱了紅土顆粒的團粒化程度，使較粗的顆粒分散成較細(xì)小的顆粒。

d.浸泡減小了紅土的相對質(zhì)量，由浸泡前2.855減小為浸泡后的2.853。相對質(zhì)量減小說明紅土顆粒的質(zhì)量減小，而紅土顆粒的質(zhì)量與紅土中鐵離子的質(zhì)量濃度密切相關(guān)，質(zhì)量減小表示紅土中鐵離子的質(zhì)量濃度減小，而且水溶液中鐵離子質(zhì)量濃度的增大表明紅土中鐵離子的流失(浸泡前后水溶液中鐵離子質(zhì)量濃度增大了0.13mg/L以上)，浸泡作用使鐵離子遷移到水溶液中，其結(jié)果必然損傷紅土中鐵離子的膠結(jié)能力。

e.浸泡減弱了紅土的可塑性，塑性指數(shù)由浸泡前的17.2減小為浸泡后的17.0。塑性指數(shù)減小說明浸泡作用引起紅土可塑性降低，紅土顆粒與水作用能力減弱。這是因為浸泡過程中水的軟化作用損傷了紅土顆粒之間的連接能力，雖然引起黏粒含量的增大，但溶解作用導(dǎo)致對紅土顆粒起重要膠結(jié)作用的鐵離子流失，必然減弱紅土顆粒對水的吸附能力。

f.浸泡前后該紅土的基本特性參數(shù)發(fā)生了變化，說明浸泡作用對紅土具有重要影響，從而改變了紅土的特性。這是由于浸泡作用改變了紅土的含水狀態(tài)，浸泡過程中水對紅土顆粒及其膠結(jié)物質(zhì)的軟化溶解作用引起紅土中的離子特別是鐵離子的遷移，損傷了紅土顆粒之間的膠結(jié)能力，進而損傷了紅土的承載能力。

2.2 浸泡對紅土承載能力的影響

圖3(a)為浸泡過程中紅土的含水率增量與浸泡時間的關(guān)系，圖3(b)為400 kPa壓力下紅土的抗剪強度隨浸泡時間的變化。圖中1號試樣的含水率為28.0%，干密度1.30 g/cm3，2號試樣的含水率為32.0%，干密度1.26 g/cm3，3號試樣的含水率為32.0%，干密度為1.13 g/cm3。

圖3(a)表明:不同初始控制條件下，紅土經(jīng)過浸泡，其含水率增大。浸泡初期，試樣的內(nèi)外含水梯度大，吸水較快，含水率增量大，這一浸泡時間約為0.5 h，1號樣含水率增長了9.3%，2號樣增長了4.4%，3號樣增長了9.2%;后隨浸泡時間的延長，試樣的內(nèi)外含水梯度減小，吸水變慢，含水率增長不明顯，2號逐漸增大，1號和3號呈動態(tài)變化(這可能與制樣不均勻有關(guān))。說明浸泡過程中紅土的吸水集中在最初的短時間內(nèi)，而且土樣越干或密實性越差，吸水性越好。初始含水率相同的2號和3號試樣比較，由于2號試樣的干密度大于3號，所以表現(xiàn)出2號的吸水率小于3號;而1號試樣雖然干密度較大，但由于其初始含水率較小，因而能夠吸入較多的水而使含水率增大。

圖3 浸泡對紅土含水率和抗剪強度的影響Fig.3 Influence of immersion on moisture content and shear strength of laterite

圖3(b)表明，不同初始控制條件下的紅土經(jīng)過浸泡，其抗剪強度降低。浸泡初期，抗剪強度下降較快，這一浸泡時間約為0.5 h，1號樣抗剪強度下降了50.0%，2號樣下降了34.0%，3號樣下降了18.8%。1號樣下降最大，是因為1號樣初始含水率較少，浸泡后吸水較快的緣故。隨著浸泡時間延長，抗剪強度呈動態(tài)變化，總體呈減小趨勢，說明浸泡對紅土抗剪強度的影響主要集中在最初的短時間內(nèi)。

綜合分析表明，浸泡作用削弱了紅土抵抗剪切破壞的能力，損傷了紅土的承載能力，降低了紅土的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。這是因為浸泡過程的吸附作用導(dǎo)致紅土的含水率增大，一方面，必然導(dǎo)致水對紅土顆粒及其顆粒之間的連接產(chǎn)生軟化溶解作用，損傷紅土顆粒之間的膠結(jié)能力，削弱顆粒之間的聯(lián)結(jié)力，導(dǎo)致紅土承載外荷載的能力降低;另一方面，水在紅土顆粒之間起著潤滑作用，造成顆粒間的摩擦能力降低，同樣導(dǎo)致紅土承載外荷載的能力降低，二者綜合作用損傷了紅土的承載能力。

3 云南紅土的含水條件影響機理

分析表明，含水條件變化引起紅土的性狀變化，其含水條件影響機理可以從紅土顆粒對水的吸附作用、水對紅土顆粒的軟化溶解作用以及水的潤滑作用等幾個方面來解釋。

a.吸附作用:紅土顆粒間和顆粒內(nèi)大量孔隙的存在促使紅土具有強烈吸附水的能力。在含水率增大、浸泡等條件下，紅土內(nèi)外含水率不平衡，內(nèi)部含水率小于外部含水率，為了達到平衡，紅土顆粒不斷吸附外界水來增大自身的含水率。含水率較少時，吸附作用強，水的黏滯性促使水在紅土中起著一定的連接作用，紅土的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好;隨著含水率增大，吸附作用減弱，水的黏滯性降低，顆粒間的連接作用減弱，紅土的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低;含水率的進一步增大，則造成紅土顆粒及其顆粒間連接的軟化和溶解。

b.軟化溶解作用:存在于紅土中的水，由于水分子的揳入導(dǎo)致紅土顆粒及其顆粒間的連接能力受到損傷。紅土含水率較多、浸泡時間較長的條件下，一方面，紅土在吸水過程中，由于吸附作用，除了紅土顆粒吸附部分水以外，大量的水揳入紅土顆粒之間，促使紅土顆粒之間的水膜增厚，拉開了紅土顆粒之間的距離，引力減小，損傷了紅土顆粒間的連接能力，水起著軟化紅土顆粒及其顆粒間連接的作用;另一方面，由于水對紅土顆粒間的膠結(jié)物質(zhì)起著水解作用，導(dǎo)致膠結(jié)物質(zhì)的溶解，進一步降低了顆粒間的連接能力，最終導(dǎo)致紅土的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低。

c.潤滑作用:紅土中大量水的存在，由于顆粒周圍水膜的增厚導(dǎo)致紅土顆粒易于滑動。紅土含水率進一步增大、浸泡時間進一步延長的情況下，由于吸附作用，包裹紅土顆粒的水膜越來越厚;由于軟化溶解作用，紅土顆粒之間的距離越來越大，引力越來越小，溶解的膠結(jié)物質(zhì)增多，紅土顆粒之間的連接能力進一步減弱，導(dǎo)致紅土的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進一步降低，抵抗外荷載的能力進一步減弱。

紅土在含水率、浸泡等不同含水條件下，由于吸附、軟化溶解、潤滑幾個方面的綜合作用，導(dǎo)致含水紅土的性狀發(fā)生變化，引起紅土的抗剪強度降低，壓縮性增大，承受外荷載的能力減弱。

4 結(jié) 論

a.含水條件的變化造成云南紅土的性狀發(fā)生變化，隨著含水率的增大和浸泡時間的延長，紅土的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低，呈現(xiàn)出抗剪能力、抗壓能力、膠結(jié)能力減弱的損傷特征。

b.含水率的增大損傷了云南紅土抵抗剪切破壞和壓縮變形的能力，其黏聚力在最優(yōu)含水率附近存在最大值;偏干狀態(tài)下，黏聚力隨含水率的增大而增大;偏濕狀態(tài)下，黏聚力隨含水率的增大而減小;隨含水率的增大，其內(nèi)摩擦角和抗剪強度逐漸減小，壓縮變形逐漸增大。

c.浸泡作用損傷了云南紅土的膠結(jié)能力和承載能力，引起紅土呈現(xiàn)出顆粒減小、相對質(zhì)量降低、可塑性減弱、膠結(jié)能力和承載能力降低的損傷特征。隨著浸泡時間延長，紅土的抗剪強度降低，特別是在浸泡初期，強度降低較大。

d.含水條件變化影響紅土性狀的實質(zhì)在于含水損傷了紅土顆粒及其顆粒間的連接，其含水條件影響機理可以從紅土顆粒對水的吸附作用、水對紅土顆粒及其顆粒間膠結(jié)物質(zhì)的軟化溶解作用、水在紅土顆粒間的潤滑作用等幾個方面來解釋，這幾個方面綜合作用的結(jié)果引起云南紅土的性狀發(fā)生變化。

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