李 健，孫德安，陳 波，胡云世

(1.上海大學土木工程系，上海 200444；2. 衢州學院建筑工程學院，浙江 衢州 324000)

浙西飽和紅黏土的物理力學特性試驗研究

李 健1，孫德安1，陳 波2，胡云世2

(1.上海大學土木工程系，上海 200444；2. 衢州學院建筑工程學院，浙江 衢州 324000)

本文在分析浙西紅黏土礦物成分與化學成分的基礎上，分別用單向固結儀和三軸儀對飽和紅黏土原狀樣進行了一系列的壓縮、剪切、蠕變試驗，得到其壓縮曲線、應力-應變曲線和蠕變曲線。根據(jù)測得的壓縮曲線，確定了該土的壓縮指數(shù)Cc、回彈指數(shù)Cs，對原狀樣壓縮曲線的歸一化整理后判斷出原狀飽和紅黏土的結構性不強；根據(jù)三軸排水剪切試驗結果，得出原狀飽和紅黏土在不同圍壓下因結構性的存在土體具有不同的破壞應力比，計算得到該土的臨界狀態(tài)應力比和黏聚力；根據(jù)原狀飽和紅黏土在不同固結壓力下的蠕變試驗結果，得到了該土的次固結系數(shù)Cα與固結壓力關系，并確定了該土的Cα/Cc約為0.0124，本試驗結果為浙西地區(qū)的工程建設提供了基本參數(shù)。

飽和紅黏土；原狀樣；壓縮試驗；排水剪切試驗；蠕變實驗

2.CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,QuzhouUniversity,Quzhou,Zhejiang324000,China)

紅黏土是碳酸鹽巖風化殘坡積并經(jīng)過紅土化作用而形成的棕紅、褐黃色的高塑性黏土，主要分布在北緯30°與南 30°之間的熱帶與亞熱帶地區(qū)。作為我國區(qū)域性分布的特殊土類之一，它雖然具有較好的力學特性，并被普遍認為是良好天然地基和較好的路基填料，卻由于其存在裂隙性、脹縮性和分布不均勻性等問題使工程實踐中出現(xiàn)了大量的邊坡失穩(wěn)、地基不均勻變形、道路開裂等工程隱患[1]。

隨著紅黏土地區(qū)建設工程增多，紅黏土的工程性質(zhì)逐漸被重視，目前國內(nèi)外學者開展了大量的研究工作。如，肖智政等[4]研究了殘積紅黏土的力學特性及原狀與重塑土在不同圍壓下的破壞形式；歐孝奪等[5]探討了紅黏土抗剪強度與溫度之間的相關關系；王洋等[6]通過試驗分析了在含水率變化、干濕交替作用、水化學作用與滲流作用模式下紅黏土力學性質(zhì)的變異性；周遠忠等[7]提出了紅黏土微觀“集?！苯Y構模型，并通過該模型對紅黏土的工程物理力學特性進行了理論分析、解釋和推測；傅鑫暉等[8]基于大量試驗結果，分析了紅黏土的水敏性、密實程度與膠結作用對土體抗剪強度的影響，并探究了紅黏土的強度機理。然而，國內(nèi)學者對紅黏土雖然開展了廣泛研究，并取得了豐富的研究成果，但成果主要集中在廣西、貴州等西南地區(qū)的紅黏土，對其他地區(qū)紅黏土的研究相對較少。

研究結果表明，紅黏土在漫長而復雜的形成過程中，由于風化與紅土化的程度與環(huán)境密切相關，紅黏土的地質(zhì)與工程特性會因為地域不同而具有十分明顯的差異[9]。不同地區(qū)紅土化的程度不同，使得紅黏土的化學成分、礦物成分及結構特征等性質(zhì)也有不同程度的差異[10]。浙江金衢盆地作為國內(nèi)紅層分布的主要地區(qū)之一，其區(qū)域內(nèi)的金華、衢州表層2 m內(nèi)分布有大量的紅黏土[11]。然而，目前國內(nèi)對該地區(qū)的紅黏土的物理、力學特性的相關研究成果卻極為有限。同時，考慮到該地區(qū)的年降雨量較大，導致該層土體的飽和度較大，且考慮到工程設計從安全角度出發(fā)，設計參數(shù)往往采用飽和土的材料參數(shù)。因此，極有必要對浙西飽和紅黏土的物理、力學特性進行相關的試驗研究，為工程提供必要的材料參數(shù)。

本文以浙西地區(qū)衢州飽和紅黏土為研究對象，首先開展了大量的物理成分及物理特性試驗，得到浙西紅黏土的礦物成分、化學成分以及其他相關的基本物理特性；隨后進行了一系列的單向壓縮、固結排水三軸剪切、單向蠕變試驗，得到浙西原狀飽和紅黏土的壓縮曲線、應力-應變曲線和蠕變曲線，并計算得到的飽和紅黏土的壓縮指數(shù)Cc、回彈指數(shù)Cs、次固結系數(shù)Cα等基本模型參數(shù)，為工程設計及有限元計算等提供了相關材料參數(shù)。

1 試驗概況

1.1試驗土樣

試驗土樣取自浙江西部的衢州市西郊，為得到該地區(qū)典型的均勻紅黏土，選擇取土深度為地表以下1.5 m左右，并采用塊狀取樣方式得到高質(zhì)量的試驗原狀樣。即，將土坑挖到1.3 m深度后，通過人工切削得到尺寸約為20 cm×20 cm×20 cm的塊狀土樣。為防止存儲過程中紅黏土的水分蒸發(fā)而導致含水量發(fā)生較大變化，將取好的土樣外包裹2層保鮮膜后再包上1層錫箔，最后在錫箔外包裹上1層棉布，并及時涂上熔化的石蠟后儲存于密閉容器中，根據(jù)試驗需要切取相應的試樣。土樣的基本物理指標見表1。

表1 浙西紅黏土的基本物理特性

通過X射線衍射儀XRD(X Ray diffraction)對紅黏土中的礦物成分進行分析測試，結果如圖1所示。從圖1中可知，該紅黏土的主要礦物成分為高嶺石、伊利石、蛭石和蒙脫石。通過定量計算紅黏土衍射峰的強度和半高寬，可以得出紅黏土的礦物成分的具體含量(表2)。從表2中可以看出，浙西紅黏土的黏土礦物中高嶺石的含量最高，占39.75%，含量低于廣西桂林紅黏土56.59%的高嶺石含量，但明顯高于貴州紅黏土4.2%～17.1%的高嶺石含量[12～13]。此外，XRD試驗結果顯示，浙西紅黏土蒙脫石含量高達11.25%，明顯高于貴州紅黏土最高3.1%的蒙脫石含量和桂林紅黏土最高6.4%的蒙脫石含量[12～13]。由于蒙脫石是紅黏土產(chǎn)生脹縮性的主要礦物成分，其含量大小對土體的脹縮性具有決定性作用，因此，浙西紅黏土的脹縮性大于西南地區(qū)的紅黏土。

圖1 紅黏土X射線衍射圖Fig.1 X ray diffraction of the lateritic soils

黏土礦物高嶺石伊利石蛭石蒙脫石相對含量/%397525241125

通過X射線熒光光譜XRF(X Ray Fluorescenc-e)測定分析浙西紅黏土的化學成分，如表3所示。從表3可看出，浙西紅黏土化學成分以SiO2為主，占比達到了65%左右，遠遠高于桂林地區(qū)紅黏土38.8%的SiO2含量，與貴州地區(qū)部分紅黏土67.4%的SiO2含量較為接近[12～13]；同時，浙西紅黏土只有3.63%的Fe2O3含量，明顯小于桂林紅黏土高達14.03%的Fe2O3含量和貴州紅黏土高達13.10%的Fe2O3含量[12～13]。然而，該土樣的化學成分與毗鄰地江西崇撫地區(qū)紅黏土化學成分較為接近[14]。

表3 紅黏土的化學成分

紅黏土顆粒級配曲線和擊實曲線分別如圖2和圖3所示。從圖2中可知，該紅黏土的粒徑主要分布在0.05～1.0 mm的范圍內(nèi)，比例高達78.1%。同時，粒徑小于0.075 mm的顆粒累計含量占52.45%，相比于桂林紅黏土[13]，其粗顆粒含量明顯偏多，說明該地區(qū)紅黏土的顆粒總體偏粗。從圖3中可以看出，浙西紅黏土的最優(yōu)含水率為17.5%左右，此時能達到的最大干密度約為1.68 g/cm3。

圖2 紅黏土顆粒級配曲線Fig.2 Grain-size distribution curve of the lateritic clay

圖3 紅黏土的擊實曲線Fig.3 Compaction curve of the lateritic clay

1.2試驗方法

由于取土時紅黏土長期處于晴朗、干燥氣候條件下，在天然狀態(tài)下的飽和度約70%左右，為非飽和土。因此，開展飽和土試驗前，需要對制好的試樣進行飽和。本文采用抽氣飽和法[15]進行飽和。將裝有試樣的碟式飽和器放入真空缸內(nèi)，抽氣2 h后，使清水徐徐注入真空缸內(nèi)，待水浸沒飽和器后停止抽氣，靜止10 h，飽和后試樣飽和度都能達到95%以上。

(1) 常規(guī)壓縮試驗

用環(huán)刀切取直徑d=61.8 mm、高h=20.0 mm土樣。將試樣連同環(huán)刀裝入固結容器中，按1∶1加載比例分級加載至1 600 kPa，每級荷載的固結時間為24 h。

(2) 排水剪切試驗

將土樣切成直徑d=39.1 mm、高h=80.0 mm的三軸試樣，裝入三軸壓力室中進行分級加載。為了減小試樣因端部摩擦而引起的套箍效應，采用中間剪有小孔、涂有硅脂的橡皮膜來代替透水石，這樣可減少試樣端部摩擦，使試樣的變形比較均勻。同時為了加快試驗時土體的排水速度，在試樣四周貼上濾紙條，并在試樣上下兩端面分別放上1張濾紙。試驗時，4個試樣的圍壓分別等向加載到50，100，200，400 kPa，并在目標壓力下固結48 h后開始排水剪切試驗。為了保證剪切過程中土體產(chǎn)生的超孔隙水壓力全部消散，試驗采用慢剪的形式剪切，軸向速率控制在0.002 2 mm/min 進行排水剪切試驗，三軸剪切1次需要4天左右的時間。

(3) 單向壓縮蠕變試驗

用環(huán)刀切取d=61.8 mm、高h=20.0 mm土樣，將試樣連同環(huán)刀裝入固結容器中，再按1∶1分級加載，每級加載24 h。8個土樣的最后一級荷載分別為25，50，100，200，400，800，1 200，1 600 kPa。在土樣的最后一級荷載下進行蠕變試驗,并在此荷載下分別按1，2，4，8，16，… min方式記錄豎向位移讀數(shù)。

2 試驗結果與分析

2.1壓縮試驗結果

(1)壓縮試驗結果

圖4為3次原狀飽和紅黏土和2次重塑土飽和紅黏土的單向壓縮試驗結果。從圖4中可以看出，原狀飽和紅黏土壓縮曲線為1條具有明顯屈服應力的曲線。在結構屈服應力之前，土體的壓縮量變化比較小，當固結壓力超過土的結構屈服應力時，其壓縮性明顯增大。根據(jù)壓縮試驗，利用卡薩格蘭德法提出的經(jīng)驗作圖法可以確定原狀紅黏土的結構屈服應力為94.5 kPa。計算3條壓縮曲線的直線部分斜率可以求得壓縮指數(shù)Cc的值分別為0.196，0.198，0.206，平均值為0.200。根據(jù)回彈-再加載部分的直線斜率可求出飽和原狀紅黏土的膨脹指數(shù)Cs分別為0.023，0.022，0.023，平均值為0.023。

圖4 單向壓縮試驗的e-logσv曲線Fig.4 e-logσv curves obtained from the oedometer tests

(2) 壓縮結果的歸一化整理

由于重塑樣的力學特性與其存在的天然狀態(tài)基本沒有關聯(lián)，只反映土體的基本力學特性，因此重塑樣的力學特性稱之為土的固有力學特性。Burland[16]認為原狀土樣所具有的力學特性可以看成是其相應重塑樣的力學特性與土體的結構性綜合作用結果。為了定量評價天然土體的壓縮性質(zhì)，Burland引入式(1)所示的孔隙指數(shù)Iv(Void index)對不同的重塑樣壓縮曲線進行歸一化后發(fā)現(xiàn)，不同土體重塑土的壓縮曲線大致歸一化為1條光滑曲線，Burland稱其為土的固有壓縮曲線ICL (Instrinsic Compression line)：

為了定量描述結構性對天然土壓縮特性的影響，對圖4中原狀樣和重塑樣壓縮曲線進行歸一化整理，得到圖5的歸一化壓縮曲線。從圖5中可看出，當固結壓應力大于土的前期固結壓應力時，浙西紅黏土重塑樣的壓縮曲線大致相同，且與重塑樣的固有壓縮曲線ICL線基本重合。原狀土壓縮曲線則位于固有壓縮曲線ICL和自然沉積線SCL(Sedimentary Compression Line)之間，這表明浙西原狀紅黏土的結構性較弱。

圖5 原狀樣和重塑樣的歸一化壓縮曲線Fig.5 Normalized intrinsic compression curves of undisturbed and reconstituted samples

2.2剪切試驗結果

圖6是浙西原狀飽和紅黏土在不同圍壓下，三軸排水剪切試驗得到的應力比-應變-體變曲線，圖6中，εa和εv為軸向應變和體積應變，σa/σr為應力比。

圖6 不同圍壓下的應力-應變-體變曲線Fig.6 Stress-strain curves under different confining pressures

從圖6中可看出，不同圍壓得到的黏土應力-應變曲線均具有明顯的非線性特征，且表現(xiàn)出明顯的應變硬化現(xiàn)象。體變則隨剪切應變增加而逐漸增大，具有明顯的剪縮現(xiàn)象。在剪切過程中，臨界狀態(tài)強度的應力比隨圍壓的增大而減小。

圖6還表明，不同圍壓下剪切得到的原狀樣應力比-應變曲線并不相同，相同應變下的應力比σa/σr值隨著剪切圍壓的增大而減小，這一方面是由于不同的剪切圍壓對原狀樣中的結構性造成不同程度的破壞，另一方面則是由于原狀紅黏土存在的氧化鐵，會使土體具有不同程度的黏聚力。

為計算浙西飽和紅黏土的臨界狀態(tài)應力比M和黏聚力c，將圖6得到的試驗結果進一步整理后，可到圖7所示的紅黏土的p-q曲線，從圖7中可以看出，該土體的強度包線并不經(jīng)過原點，說明土體具有一定的黏聚力c，且得到其黏聚力c=16.5 kPa。計算直線段的斜率后得到，浙西原狀飽和紅黏土臨界狀態(tài)應力比M=1.122，通過換算得出其內(nèi)摩擦角φ= 26.7°。浙西紅黏土的黏聚力和內(nèi)摩擦角均略大于桂林紅黏土，較為接近貴州紅黏土[12～13]。

圖7 剪切試驗得到的p-q曲線Fig.7 p-q curves obtained from the drained shear tests

2.3次固結試驗結果

圖8為根據(jù)浙西原狀飽和紅黏土一維固結蠕變試驗得到的e-logt曲線。該曲線表示了原狀浙西紅黏土在荷載作用下的固結變形過程。

圖8 原狀飽和紅黏土的蠕變曲線Fig.8 Creep curves of the undisturbed saturated lateritic clay

從圖8可看出，當固結壓力小于土的結構屈服應力(94.5 kPa)時，原狀紅黏土在整個固結過程中變形很小，結構性沒有被破壞，結構強度阻礙了土體在外荷載作用下產(chǎn)生的變形，土顆粒之間也沒有產(chǎn)生明顯的滑移，土體骨架的蠕變變形亦不顯著，次固結不明顯。當外加荷載超過土體的結構屈服應力時，土體的結構性開始破壞，進入塑性變形階段，在外荷載的持續(xù)作用下，土體內(nèi)部的結構不斷發(fā)生軟化，結構性強度不斷降低，從而使變形不斷加劇，曲線上表現(xiàn)出主次固結分界明顯。隨著固結時間的增加，土顆粒之間的滑移及土骨架的調(diào)整逐漸穩(wěn)定，土體愈加密實，次固結變形越來越小。

通過試驗曲線反彎點的切線和下部直線段引伸線的交點確定主固結完成的點后，利用式(2)可計算確定各固結壓力下的次固結系數(shù)Ca，用于反映紅黏土的次固結特性：

式中：Δe——次固結壓縮階段的孔隙比變化；

t1——主固結完成時刻；

t2——壓縮量計算時刻。

3 次固結系數(shù)影響因素分析

3.1次固結系數(shù)與固結壓力的關系

對于土的次固結系數(shù)與固結壓力之間的關系，國內(nèi)外研究人員已開展了大量試驗研究并取得了豐富的試驗結果。有的學者認為土的次固結系數(shù)和土的最終固結壓力無關，而與荷載增量比有關[17]。有的學者則認為土的次固結系數(shù)和土的荷載增量比無關，但與土的最終固結壓力有關[18]。由于試驗加載過程中采用的是統(tǒng)一增量比，因此，本文依據(jù)上述試驗結果，重點分析研究浙西原狀飽和紅黏土次固結系數(shù)與固結壓力之間的關系。

將不同固結壓力下計算得到的浙西原狀飽和紅黏土的次固結系數(shù)整理成圖9。由圖9可知，對于原狀紅黏土，在壓力較小時，原狀飽和紅黏土次固結系數(shù)均隨著壓力的增大而增大，并在200 kPa左右達到最大。而后隨著壓力的增大，紅黏土的次固結系數(shù)基本保持不變，甚至還有略微小幅減小。本文得到的次固結系數(shù)最大值不是出現(xiàn)在前期固結壓力值的附近，而是略大于前期固結壓力，此結論與孫德安等[19]得出的結論一致。其原因可解釋為：對于結構性黏土而言，土體的膠結結構能夠在一定程度上約束土骨架的蠕動變形，而且紅黏土中游離氧化物對膠結作用的產(chǎn)生也有一定的貢獻，且膠結性越強，對次固結變形的阻礙越強，從而表現(xiàn)出固結壓力小于土體結構屈服應力時，土體的變形較小，從而使土體的次固結系數(shù)較小。當固結壓力逐漸地增大，超過土體的結構屈服壓力時，隨著土體的膠結結構逐漸破壞，次固結系數(shù)繼續(xù)增大。但結構性破壞較大時，膠結作用對次固結的阻礙逐漸減弱甚至消失，從而使次固結系數(shù)隨壓力增加而逐漸減小。

圖9 次固結系數(shù)Ca與固結壓力σv關系Fig.9 Relationship between the coefficient of secondary consolidation and consolidation pressure

3.2次固結系數(shù)與壓縮指數(shù)的關系

Mesri等[20]總結了22 種黏土的次固結試驗結果后發(fā)現(xiàn)，對于同一種原狀土，次固結系數(shù)與壓縮指數(shù)的比值Ca/Cc是一個常數(shù)，其值在0.025～0.1之間。由于用試驗方法確定Ca的工作量大，且有一定的人為誤差，但采用Ca/Cc確定Ca則更加簡單和準確，為確定本構模型參數(shù)或工程設計服務。

為分析浙西紅黏土的次固結系數(shù)Ca與壓縮指數(shù)Cc的比值關系，將圖9中得到的次固結系數(shù)進一步整理后，可得到圖10所示的Ca-Cc關系圖。從圖10可以看出，雖然由于結構性的影響，土體的次固結系數(shù)在結構屈服應力前較小，但是土體結構性對土體的壓縮指數(shù)也有極大的影響，因此，浙西飽和紅黏土的Ca與Cc基本滿足線性關系，且總體而言，兩者的相關性較好。通過試驗數(shù)據(jù)的擬合曲線分析得到Ca/Cc的比值近似為0.0124，且兩者的相關系數(shù)達到0.933。

圖10 次固結系數(shù)與壓縮指數(shù)的關系Fig.10 Relationship between the coefficient of secondary consolidation and compression index

4 結論

(1)對浙西原狀飽和紅黏土進行了系列物理特性和力學特性的試驗研究，得到了壓縮指數(shù)Cc、膨脹指數(shù)Cs、次固結系數(shù)Ca、黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ等力學參數(shù)，彌補該地區(qū)的材料參數(shù)空白。

(2)浙西紅黏土的黏土礦物主要為高嶺石，且其蒙脫石含量也較高?；瘜W成分主要為二氧化硅，且氧化鐵的含量占比不高。粒徑小于0.075 mm的顆粒累計含量占52.45%，土體顆粒相對較粗。在17.5%的最優(yōu)含水率下的最大干密度約為1.68 g/cm3。

(3)浙西飽和紅黏土的前期固結壓力約94.5 kPa，壓縮指數(shù)Cc約為0.20，膨脹指數(shù)Cs為0.023；臨界狀態(tài)應力比M=1.122，黏聚力c=16.5 kPa，內(nèi)摩擦角φ=26.7°。

(4)壓力小于前期固結壓力時，次固結系數(shù)隨著壓力的增加而較快地增大，超過前期固結壓力后隨著壓力的增加次固結系數(shù)開始減小，逐漸趨向一穩(wěn)定值。浙西紅黏土次固結系數(shù)和壓縮指數(shù)的比值Ca/Cc基本上是常數(shù)0.0124。

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責任編輯

：張明霞

AnexperimentalstudyofthephysicalandmechanicalbehaviorofthesaturatedlateriticclayinwesternZhejiang

LI Jian1, SUN Dean1, CHEN Bo2, HU Yunshi2

(1.DepartmentofCivilEngineering,ShanghaiUniversity,Shanghai200444,China;

Based on the mineral compositions and chemical compositions, the basic physical and mechanical behavior of the saturated lateritic clay in western Zhejiang are examined by performing a series of laboratory tests, including compression tests, drained triaxial shear tests and creep tests. The compression indexCcand swelling indexCsare calculated from the compression curves and the soil structure is confirmed by normalized compression curves of undisturbed samples. The stress ratio-strain curves, obtained from the consolidated drained triaxial shear tests, are different at different confining pressures due to the soil structure, and the critical state stress ratio and cohesion are also determined. The changes in secondary consolidation coefficients at different pressures are analyzed and the statistical value ofCα/Ccis 0.0124 for the saturated undisturbed lateritic clay. The basic material parameters obtained from the tests can be used for engineering construction in the western Zhejiang area.

lateritic clay; undisturbed sample; compression test; drained triaxial shear test; creep test

10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.2017.06.08

TU411.2；TU411.3

A

1000-3665(2017)06-0051-07

2017-06-04;

2017-07-17

國家自然科學基金項目資助(41402271)

李健(1993-), 男, 碩士, 主要從事飽和土力學研究。E-mail:575606865@qq.com

陳波(1984-), 男, 博士, 副教授, 主要從事土力學特性及本構模型的研究工作。E-mail:chenbo20020178@163.com