陳鴻賓 陳學(xué)軍 齊運來 黃 翔 余思喆 肖桂元

( ①桂林理工大學(xué) 桂林 541004)

( ②中國有色金屬長沙勘察設(shè)計研究院有限公司 長沙 410007)

0 引 言

作為一種特殊類型土，紅黏土廣泛分布于我國中西部地區(qū)，其具有許多特殊的工程特性，尤其在物理性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)、應(yīng)力－應(yīng)變特性、水理特征等方面明顯區(qū)別于其他類型土。目前，國內(nèi)外許多學(xué)者對不同條件下土體的強度特性進行了研究。Miller et al.( 2002) 研究各類型土體在不同擊實功和含水率下的土－水特征曲線; Kawai et al.( 2000) 等考慮了固結(jié)壓力和不同初始含水量對土－水特征曲線的影響; 針對廣西地區(qū)紅黏土，趙穎文等( 2003，2004) 對廣西原狀紅黏土的力學(xué)指標(biāo)脹縮特性與孔徑分布隨脫濕過程的演化規(guī)律進行了較為系統(tǒng)的室內(nèi)試驗研究; 傅鑫暉等( 2013) 通過壓力板儀測定了紅黏土脫濕土－水特征曲線; 歐傳景等( 2015) 探討了重塑紅黏土吸力與含水率之間的關(guān)系; 宋宇等(2016) 研究了不同干密度下紅黏土剪切變形特性。結(jié)合前人試驗研究( 韋時宏等，2004; 韋復(fù)才，2005) ，本文主要對不同干密度的飽和與非飽重塑紅黏土進行固結(jié)不排水三軸剪切實驗，依據(jù)試驗所得到的數(shù)據(jù)，對桂林紅黏土的干密度、含水率與強度的關(guān)系進行分析，研究桂林重塑紅黏土的抗剪強度特性。本次試驗研究，可為相關(guān)工程提供一定的理論參考依據(jù)。

1 土樣性質(zhì)及試驗方案

試驗土樣采用桂林疊彩區(qū)某工地的殘積型紅黏土，其基本物理性質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 紅黏土基本物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Basic physical properties of red clay

試驗主要測試項目: 分別測試4 種不同干密度條件下重塑紅黏土的抗剪強度參數(shù); 測試試驗土樣的含水率。試驗儀器為南京土壤儀器廠有限公司生產(chǎn)的28-T0401/AC 全自動土三軸儀。試驗選取的試樣尺寸為直徑39.1 mm，高度80 mm。試驗測得最大干密度約為1.55 g·cm－3，最優(yōu)含水率為30%，因此采用1.55 ig·cm－3為最大干密度標(biāo)準(zhǔn)進行擊實，設(shè)置若干組平行試驗。重塑土擊實制樣方法參照《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》( GB/T50123-1999) 擊實制成163～188 g 的三軸標(biāo)準(zhǔn)試樣。選取163 g、172 g、182 g、188 g 為擊實后土樣重量控制指標(biāo)( 1993，2008，2013) ，圍壓值σ3分別取l00 kPa、150 kPa、200 kPa、250 kPa、300 kPa。因三軸不固結(jié)不排水剪只能得到總應(yīng)力抗剪強度參數(shù)，為對比飽和重塑土與未飽和重塑土的抗剪強度區(qū)別，故統(tǒng)一采用固結(jié)不排水三軸剪切試驗。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 飽和重塑紅黏土抗剪強度參數(shù)與干密度關(guān)系擬合

試驗所得的飽和重塑土樣含水率與干密度關(guān)系如圖1，可見含水率與干密度基本為線性關(guān)系( ω =－ 0.5503ρd+ 1.1342，1.3 ＜ρd＜1.55) 。

圖1 飽和重塑紅黏土含水率與干密度關(guān)系Fig. 1 Relationship between moisture content and dry density of saturated remolded red clay

根據(jù)試驗結(jié)果，剔除個別偏差較大離散點，得各圍壓下的剪切峰值與干密度關(guān)系，飽和重塑紅黏土剪切峰值與干密度擬合關(guān)系見圖2。采用線性式( 1) 擬合，剪切峰值與干密度關(guān)系擬合參數(shù)取值見表2。

圖2 飽和重塑紅黏土剪切峰值與干密度關(guān)系Fig. 2 Relationship between shear peak and dry density of saturated remolded red clay

表2 剪切峰值與干密度關(guān)系擬合參數(shù)Table 2 Relationship between shear peak and dry density fitted parameters

2.2 飽和重塑紅黏土抗剪強度參數(shù)與干密度關(guān)系擬合

根據(jù)剪切峰值擬合公式，代入擬合參數(shù)，算出各干密度、各級圍壓條件下的剪切峰值，繪制莫爾圓，得出黏聚力和內(nèi)摩擦角與干密度( 1.25＜ρd＜1.6) 關(guān)系，分別采用二次多項式( 2) 、式( 3) ，擬合關(guān)系見圖2。其中黏聚力擬合參數(shù)a3=1418.1，b3=－3616.9，c3= 2321.4。內(nèi)摩擦角擬合參數(shù)a4= 282.93，b4=－728.4，c4=471.01。飽和重塑紅黏土抗剪強度參與與干密度關(guān)系見圖3。

2.3 未飽和重塑紅黏土剪切峰值與干密度關(guān)系擬合

通過對試驗數(shù)據(jù)進行整理分析，剔除個別偏差較大離散點，得出各圍壓下的剪切峰值與干密度關(guān)系，圖4 為圍壓100 kPa 剪切峰值與干密度的關(guān)系。同理可得出其他圍壓條件下剪切峰值與干密度關(guān)系，采用線性式( 4) 擬合，參數(shù)取值見表3。

圖3 黏聚力與干密度的關(guān)系( a) 、內(nèi)摩擦角與干密度關(guān)系( b)Fig. 3 Relationship between cohesion and dry density( a) ，relationship between internal friction Angle and dry density( b)

圖4 未飽和重塑紅黏土剪切峰值與干密度關(guān)系Fig. 4 Relationship between shear peak and dry density of unsaturated remolded red clay

表3 剪切峰值與干密度關(guān)系擬合參數(shù)Table 3 The relationship between shear peakand dry density fitted parameters

2.4 未飽和重塑紅黏土抗剪強度參數(shù)與干密度關(guān)系擬合

根據(jù)其峰值擬合公式，代入擬合參數(shù)，計算出各干密度下( 1.3＜ρd＜1.6) 非飽和重塑紅黏土黏聚力和內(nèi)摩擦角與干密度關(guān)系，同樣采用式( 2) 、式( 3) ，擬合關(guān)系見圖2。其中黏聚力擬合參數(shù)a1=－338.11，b1=1387，c1=－1189.9，內(nèi)摩擦角擬合參數(shù)a2=－46.043，b2=181.4，c2=－143.49。

圖5 黏聚力與干密度的關(guān)系( a) 、內(nèi)摩擦角與干密度的關(guān)系( b)Fig. 5 Relationship between cohesion and dry density( a) ，Relationship between internal friction Angle and dry density( b)

3 重塑紅黏土抗剪強度特性討論

3.1 重塑紅黏土黏聚力與干密度、含水率關(guān)系討論

將擬合出的飽和、未飽和重塑紅黏土黏聚力與干密度關(guān)系對比作圖6?？梢钥吹斤柡图t黏土的黏聚力與干密度的二次多項式擬合曲線呈凹狀，未飽和土的黏聚力與干密度的二次多項式擬合曲線呈凸?fàn)睿达柡团c飽和土的黏聚力曲線在1.41 g·cm－3附近兩者差值最大，在干密度為1.60 g·cm－3處相交，相交處恰為試驗所得最大干密度點。

圖6 重塑紅黏土黏聚力與干密度關(guān)系Fig. 6 Relationship between viscosity and dry density of reconstructed red clay

按照擬合出的未飽和重塑紅黏土黏聚力與含水率曲線( 圖7) ，未飽和重塑紅黏土的黏聚力隨著含水量的增大而減小，其衰減曲線呈二次多項式關(guān)系。由此可見，紅黏土試樣的含水率對黏聚力的消減存在顯著影響，黏聚力隨著含水量的增大而減小，呈凹形二次多項式。尤其含水率為30%～41%時黏聚力衰減，最大衰減了約80%，當(dāng)含水率在43%以上接近飽和時，黏聚力的波動不明顯，已近趨于穩(wěn)定。

紅黏土中的膠結(jié)物質(zhì)主要為氧化鐵、氧化鋁等，經(jīng)過風(fēng)干后的紅黏土，其游離氧化鐵賦存的形態(tài)是以結(jié)晶態(tài)的針鐵礦和膠結(jié)態(tài)共存的。自然風(fēng)干紅黏土在提高土樣含水率后，其中一部分結(jié)晶態(tài)的水與游離氧化鐵可以再轉(zhuǎn)化為膠結(jié)鐵，因此依然能膠結(jié)形成一定的黏聚力( 孔令偉等，1993) 。同時，根據(jù)傅鑫暉等( 2013) 對桂林紅黏土的研究可知，Van Genuchten 模型適用于該類型紅黏土的土－水特征曲線，其中基質(zhì)吸力對重塑紅黏土黏結(jié)力也有較大貢獻。由試驗分析可知，在含水率為30%～41%范圍內(nèi)，重塑紅黏土的非飽和黏聚力較大。

圖7 未飽和重塑紅黏土黏聚力與含水率關(guān)系Fig. 7 Relationship between cohesion and moisture content of unsaturated remolded red clay

3.2 重塑紅黏土內(nèi)摩擦角與干密度、含水率關(guān)系討論

重塑紅黏土內(nèi)摩擦角與干密度的關(guān)系可見圖8。如圖8 所示，飽和土的內(nèi)摩擦角與干密度的二次多項式擬合曲線呈凹狀，未飽和土的內(nèi)摩擦角與干密度的二次多項式擬合曲線呈凸?fàn)?。兩者在干密度?.35 g·cm－3附近兩者差值最大，在干密度1.60 g·cm－3處相交，相交處恰為試驗所得最大干密度點。

圖8 內(nèi)摩擦角與干密度關(guān)系Fig. 8 Relationship between internal friction angle and dry density

重塑紅黏土內(nèi)摩擦角與含水率的關(guān)系可見圖9。如圖9 所示，含水率對內(nèi)摩擦角同樣存在顯著影響，對于未飽和土，在較高的含水率下內(nèi)摩擦角幾乎可以忽略不計，而較低含水率時，內(nèi)摩擦角有大幅提高。針對上述現(xiàn)象，可從兩個方面加以分析。( 1) 從基質(zhì)吸力封面看，飽和土與非飽和土主要是基質(zhì)吸力區(qū)別，非飽和土的土體骨架內(nèi)部產(chǎn)生附加的摩擦力由于基質(zhì)吸力的存在產(chǎn)生。同時基質(zhì)吸力與含水量有著密切相關(guān)，在土體處于非飽和狀態(tài)的時候，由于基質(zhì)吸力的存在，在受到外力作用時土體結(jié)構(gòu)力增強，宏觀表現(xiàn)為土體強度的增加。但是隨著飽和度的提高，基質(zhì)吸力逐漸減小，外力作用下強度必然降低，這是紅黏土隨著含水率的增加而剪強度衰減的主要原因之一。( 2) 從紅黏土自身的礦物成分的特性方面分析，由于紅黏土的特殊雙電層結(jié)構(gòu)具有很強的吸水性，加之紅黏土內(nèi)含大量游離氧化鐵，一部分則是以單獨顆?；蛟趫F粒表面以“包膜”形式存在，另一部分是以團粒的形式存在于土體中，由于鐵的陽離子帶正電，能吸附水體中的負離子，隨著含水量的增加，吸附水膜變厚，從而增加了團粒與團粒之間的潤滑層的厚度，這將有利于團粒的滑移和滾動。因本次試驗結(jié)果主要分析含水率與干密度對紅黏土抗剪強度參數(shù)的影響，重在對比分析，故未考慮基質(zhì)吸力和微觀結(jié)構(gòu)影響，下一步工作將深入研究上述兩方面問題。

圖9 內(nèi)摩擦角與含水率關(guān)系Fig. 9 Relationship between internal friction angle and moisture content

3 結(jié) 論

( 1) 通過對試驗數(shù)據(jù)的擬合分析可知，飽和重塑紅黏土的黏聚力與干密度呈凹狀二次多項式曲線關(guān)系，未飽和重塑紅黏土黏聚力與干密度的呈凸?fàn)疃味囗検角€關(guān)系，未飽和與飽和土的黏聚力曲線 在 干 密 度 1.41 g·cm－3處 差 值 最 大，在1.60 g·cm－3處相交，兩者相交處為試驗所得最大干密度點。

(2) 飽和重塑紅黏土的內(nèi)摩擦角與干密度的二次多項式擬合曲線呈凹狀，未飽和重塑紅黏土內(nèi)摩擦角與干密度呈凸?fàn)疃味囗検角€關(guān)系。兩者在干密度為1.35 g·cm－3附近兩者差值最大，在干密度1.60 g·cm－3處相交，相交處恰為試驗所得最大干密度點。

(3) 未飽和重塑紅黏土的黏聚力隨著含水量的增大而減小，其衰減曲線呈二次多項式關(guān)系。紅黏土試樣的含水率對黏聚力的消減存在顯著影響，黏聚力隨著含水量的增大而減小，呈凹形二次多項式。未飽和重塑紅黏土的含水率對內(nèi)摩擦角同樣影響顯著，在較高的含水率下內(nèi)摩擦角可以忽略不計，而較低含水率時，內(nèi)摩擦角有大幅提高。