不同含水率下重塑红黏土抗剪强度特性的研究

梁斌 莫凯

红黏土在我国南方地区分布广泛,其具有高液限、上硬下软等特点,我国《岩土工程勘察规范》等将红黏土划分为特殊土[1]。引起红黏土上硬下软的主要因素是土体含水率沿深度变化大,而土体强度特性与含水率密切相关[2]。研究表明:随土中含水率增大,土体抗剪强度减小。研究不同含水率条件下红黏土的强度特性具有重要意义。

目前,国内外许多学者对不同含水率条件下土体的强度特性进行了研究,如国内党进谦、李靖等曾采用直剪仪对不同含水率条件下黄土的强度特性进行了试验研究[3],试验结果表明,含水率条件对土体粘聚力影响显著,对内摩擦角影响不大。但关于红黏土在不同含水率条件下的强度特性规律研究较少,为此,本文拟对其进行试验研究,以期获取有益的结论。

1 试验方案

1.1 取样与制样

1)在长沙市南部某工程场地中取红黏土50 kg;2)用标准筛筛选5 mm以下土样,等分十份,1号土样保持天然含水率,其余土样按25 mL的水逐级增加注入;3)试验土样加水调匀后,密封静置24 h后采用烘干法测量土样含水率;4)采用环刀制样,环刀高为20 mm,直径为61.8 mm。

1.2 试验过程

1)含水率测试试验[4,5]:首先从土样中选取具有代表性的试样10 g～20 g,分别放入两个称量盒(恒质量、铝制),立即盖上盒盖,称盒加湿土质量,准确至0.01 g。打开盒盖,将试样和盒一起放入烘箱内,在温度105℃～110℃下烘10 h。将烘干后试样和盒从烘箱中取出,盖上盒盖,放入干燥器内冷却到室温,称盒加干土质量,准确至0.01 g,然后根据式(1)计算含水率:

其中,w为试样含水率,%;m为试样湿质量,g;md为试样干质量,g。

2)直剪试验[6,7]:将制备好的试样装入应变控制式直接剪切仪的剪力盒中,试样上下两面均依次为不透水的薄塑料垫和透水石。由于土样处于非饱和状态,剪切盒上的活塞周围用与试样含水率相近的湿棉布围住,以防止试样水分发生较大变化。试样装好后分别加载,每组试验取4个试样,分别在100 kPa,200 kPa,300 kPa和400 kPa的垂直压力下,以0.8 mm/min～1.2 mm/min的速率进行剪切(4 r/min～6 r/min的均匀速度旋转手轮),使试样在3 min～5 min内剪损,获得每级垂直荷载下的最大剪力。

1.3 试验结果与分析

室内试验的测试数据如表1～表3所示。因含水率对土体内摩擦角影响不大,故表3中仅列出土体粘聚力值的测试结果。由表3中可见,随着红黏土含水率的增大,其抗剪强度减小。根据非饱和土理论可知,这是由于含水率增大导致土体基质吸力减小引起的。

表1 含水率测试结果

表2 试验用土物理性质指标

相应于不同法向压力条件,各土样抗剪强度随含水率的变化关系如图1所示。由图1可知,各级法向压力条件下,土样抗剪强度与含水率间线性关系较好,用直线拟合后相关系数均达到0.96以上,可以近似的认为在某一法向应力下,抗剪强度与含水率成正比。这一规律符合非饱和土抗剪强度基本公式。

表3 剪切试验结果

2 结语

1)进行了不同含水率条件下红黏土抗剪强度试验。试验结果表明,非饱和土的抗剪强度随含水率的增大而减小。2)随着红黏土含水率的增大,其粘聚力呈减小的趋势。3)各级法向应力作用下,土体的抗剪强度与含水率之间可近似用直线关系描述。

[1]GB 50021-2001,岩土工程勘察规范[S].

[2]《工程地质手册》编写委员会.工程地质手册[M].第4版.北京:中国建筑工业出版社,2008.

[3]党进谦,李 靖.非饱和黄土的强度特征[J].岩土工程学报,1997,19(2):56-61.

[4]高大钊,袁聚云.土质学与土力学[M].北京:人民交通出版社,2007.

[5]TG E40-2007,公路土工试验规程[S].

[6]J SL123-1999,土工试验规程[S].

[7]刘福臣,成自勇,崔自治.土力学[M].北京:中国水利水电出版社,2005.