干密度对重塑红黏土变形特性的影响

宋　宇,肖桂元,陈学军,黄　翔,齐运来

(1.桂林理工大学 a.土木与建筑工程学院;b.广西岩土力学与工程重点实验室,广西 桂林　541004;2.中国有色金属长沙勘察设计研究院有限公司, 长沙　410007)



干密度对重塑红黏土变形特性的影响

宋宇1,肖桂元1,陈学军1,黄翔1,齐运来2

(1.桂林理工大学 a.土木与建筑工程学院;b.广西岩土力学与工程重点实验室,广西 桂林541004;2.中国有色金属长沙勘察设计研究院有限公司, 长沙410007)

摘要：为研究不同干密度下红黏土剪切变形特性,采用人工方法制备不同干密度的红黏土试样,进行了重塑红黏土的不排水三轴剪切试验。研究结果表明:饱和重塑红黏土随干密度的增加应力-应变曲线表现出4种不同类型,由弱塑性类型依次向硬化性、强塑性、软化性类型发展,剪切峰值提高;微观孔隙的平均孔径逐渐减小,微观结构从粒斑状结构发展至叠片状,在高干密度情况出现剪切带;分别对不同应力-应变曲线类型进行拟合分析,并讨论了各种曲线类型的数学模型的适用性。

关键词：干密度;重塑红黏土;应力-应变曲线;微观结构;数学模型

红黏土是碳酸盐岩风化残坡积并经过红土化作用而形成的棕红、褐黄等色的高塑性粘土,主要分布在北纬 30°与南纬 30°之间的热带与亚热带地区。红黏土在我国中西部地区分布广泛,尤其在桂林地区,红黏土约占整个第四系分布面积的75%,为桂林市主要建筑活动区[1-2]。

红黏土作为一种工程力学性质特殊的结构性黏土, 国内外众多学者对其物质成分、 结构特征及工程力学特性进行了大量研究。 李建红等[3]从结构性土的微观结构出发研究其微观破损机理;蒋明镜等[4]研究了软土的微观结构剪切带变形特性; 赵颖文等[5]对广西原状红粘土力学性状与水敏性特征进行了试验研究; 聂庆科等[6]通过击实试验和击实后土样的压缩和剪切试验研究红黏土的变形和强度特性; 黄质宏等[7]采用不同应力路径试验分析了红粘土的力学特性； 但以干密度为控制指标进行重塑红黏土变形、 强度特性试验的研究较少。 本文通过常规三轴试验研究重塑红黏土在不同干密度下宏、 微观土样破坏形式和应力-应变关系, 并给出了4种应力-应变曲线适用模型, 对模型进行拟合, 探讨干密度对重塑红黏土变形特性的影响规律, 为工程设计和施工提供理论依据。

1土样基本物理性质及最大干密度的确定

红黏土的物理性质与其化学成分、矿物成分及结构特性等有关,不同区域的红黏土存在一定的差异。本次试验土样取自桂林市叠彩区某工地,为该地区典型的碳酸盐类红黏土,其基本物理性质指标见表1。

最大干密度试验中采用湿法与干法两种备样方法进行对比,干法又分为100 ℃、60 ℃烘干及风干3种,根据试验过程的失水程度研究其击实特性,确定最大干密度。由表2可见,由于红黏土烘干后破坏了结合水与颗粒间的结合力与分子结构,失水后不完全可逆,尤其是100 ℃烘干,造成了试验结果的严重偏差, 而风干与湿法试验结果相差不大, 但风干试验操作简单且误差小, 故本次试验土样采用风干法, 最优含水率取值为29%,最大干密度为1.60 g/cm3。

表1　桂林红黏土的基本物理性质指标Table 1　Basic physical indexes of red clay in Guilin

表2　不同备样方法下红黏土的最大干密度确定Table 2　Maximum dry density of red clay by different preparation methods

2试验方案

采用南京土壤仪器厂有限公司生产的28-T0401/AC全自动饱和土三轴仪，分别测试4种不同干密度下重塑红黏土应力-应变特征及相应的抗剪强度,观察剪切后土样特征。用牛津扫描电镜SEM-model 7585，观察不同干密度下重塑红黏土剪切前后的微观结构。美国康塔仪器公司生产的压汞仪，测试不同干密度下重塑红黏土的孔隙分布特征及孔径大小。

由于三轴试验的结果受土样制备因素影响较大, 所以试样的制备采用固定初始含水率的方法, 将所有重塑土样的初始含水率控制为最优含水率29%, 以便于进行控制击实质量变化对比试验。 因最优含水率对应的最大干密度为1.60 g/cm3, 故选取干密度为1.32、 1.40、 1.47、 1.55 g/cm3作为击实控制标准, 对应标准三轴试样质量为163、 172、182、 188 g, 其中163 g试样分4层击实, 其余依次分5、 6、 7层击实至目标质量。 将击实后的红黏土试样饱和, 再进行三轴不排水剪切试验。 针对不同的土样破坏形式选取不同破坏标准, 出现峰值时取剪切峰值的偏应力作为破坏标准, 未出现峰值时取15%轴向应变的偏应力作为破坏标准。 由于桂林红黏土工程特性主要为膨胀性,且收缩性较弱, 风干对土体收缩影响相对较小, 因此用风干法脱水处理。 分别取试验前及剪切破坏后的土样, 用自然风干法脱水风干后的土样做电镜扫描。 另取击实后不同干密度的试样进行压汞试验。

3试验结果分析

3.1剪切特征的宏观分析

对本次试验的数据进行处理分析, 重塑红黏土三轴剪切试验结果出现了4种类型的应力-应变曲线, 按照弹塑性、强化与软化规律可以分别描述为弱塑性、 硬化性、 强塑性和软化性。

通过本次试验发现,不同干密度下红黏土剪切特性有着显著差异。由图1可知,以干密度为控制指标的红黏土三轴试验中出现了4种应力-应变曲线类型：a类弱塑性重塑红黏土在剪切开始之初即达到峰值,剪切峰值为4类土中最低；b类硬化性重塑红黏土在达到拐点之前近似发生弹性形变,达到拐点之后剪切曲线呈线性提高；c类强塑性重塑红黏土的偏应力在平缓达到峰值或在达到15%轴向应变后仍未达到峰值,表现出极强的塑性能力；d类软化性重塑红黏土因干密度已接近最大干密度,在偏应力达到剪切峰值后发生脆性破坏,曲线陡降。

红黏土抗剪强度特征值及剪切峰值分布特点见表3： a类弱塑性重塑红黏土干密度为1.32 g/cm3, 试验土样最大干密度为1.60 g/cm3, 干密度在4类土中最小, 剪切峰值、 黏聚力和内摩擦角相对较小,综合表现为试样的抗剪强度较小; b类硬化性重塑红黏土干密度为1.40 g/cm3,土样的剪切峰值、黏聚力和内摩擦角相对a类弱塑性重塑红黏土增强； c类强塑性重塑红黏土干密度为1.47 g/cm3, 剪切峰值、 黏聚力和内摩擦角进一步提高； d类软化性重塑红黏土干密度为1.55 g/cm3, 剪切峰值略大于c类强塑性重塑红黏土,黏聚力和内摩擦角达到4类土中的最大值。

图1　红黏土应力-应变曲线分类Fig.1　Stress-strain curves classification of red clay

红黏土类型干密度ρd/(g·cm-3)剪切峰值(σ1-σ3)f/kPa峰值位置/%黏聚力c/kPa内摩擦角φ/(°)a类弱塑性1.3259.2～99.12.4～6.116.084.18b类硬化性1.40147.3～333.11523.779.52c类强塑性1.47321.2～471.714～1547.9415.47d类软化性1.55327～4836.2～10.164.7119.28

注:c、φ值皆取4组平行试验平均值。

不同干密度的重塑红黏土剪切后形态见图2。整个试验过程中出现的破坏形式主要有3种:侧胀破坏、多缝破坏、单缝破坏。a类弱塑性土在土体剪切过程中出现了明显的剪胀现象,土样发生塑性变形,形状由原来的圆柱形被压成中部鼓出形;b类硬化性土在剪切结束后土样呈现微剪胀的特点,发生明显的塑性变形, 形状由原来的圆柱形被压成中下部轻微鼓胀形;c类强塑性土剪切结束后土样内部已发生破坏,出现细小剪切裂缝,发生多缝破坏;d类软化性土的干密度已接近最大干密度1.60 g/cm3,类似于脆性材料,在峰值时出现应变软化现象,发生单缝破坏,剪切结束后可观察到斜向劈裂型剪切带。

3.2剪切特征的微观分析

为研究不同干密度对重塑红黏土孔隙分布的影响,有必要对孔隙大小和分布情况作定量化分析。压汞法是岩土工程中测试多孔介质微观结构的一种有效的研究方法,不同类型的重塑红黏土孔隙分布特征见表4。

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图2　重塑红黏土试样剪切形态Fig.2　Shear characteristic of remolded red clay

可见,随着干密度的增加,测试土样孔径为0.01～0.1 μm范围内的孔隙比例逐渐增大,从34%增大至83%。孔径大于10 μm的孔隙比例逐渐减小,从52%减少到3%,表明干密度在1.32 g/cm3的弱塑性土以大于10 μm孔径的孔隙为主,其余3类土孔隙以0.01～0.1 μm孔径孔隙为主。d类软化性土干密度因接近最大干密度,孔径大于1 μm的孔隙已经很少(占总体积的7%), 因此孔隙主要是以小孔径为主的微观孔隙。 a类弱塑性土的平均孔径最大,b类硬化性土次之, c类强塑性土最小, 弱塑性土的平均孔径分别是硬化性、 强塑性、 软化性土的1.5、 2.1、 3倍。

各类型重塑红黏土试验前后微结构的电镜扫描结果见图3。

(1)a类弱塑性重塑红黏土的微观结构呈粒斑状, 结构松散, 颗粒间存在较多孔隙, 土样经过固结剪切, 土骨架首先被塑性压缩, 达到较低主应力峰值后, 土粒间的孔隙结构吸力增大, 孔隙结构逐渐变得均匀、 被压密, 宏观上表现出弱塑性特点。

表4　不同类型重塑红黏土孔隙分布特征Table 4　Different types of remolded red clay pore distribution

图3　不同类型重塑红黏土试验前后微结构电镜扫描图Fig.3　SEM different microstructure types of remolded red clay before and after the test

(2)b类硬化性重塑红黏土由于在较小干密度条件下剪切,存在较多孔隙,试验过程中内部孔隙被压缩,直至孔隙水共同承压而形成拐点。随着轴向位移的增加,由于颗粒间接触面逐渐增多,土骨架密实,总体呈现粒斑状,局部片状,微观孔隙相对弱塑性红黏土少,试验后微观结构变化主要为孔隙减少、片状结构增多,土颗粒之间接触面积增大,宏观上表现出应变硬化的特点。

(3)c类强塑性重塑红黏土的微观结构形式总体为叠片状，部分粒斑状,土颗粒孔隙率低,土颗粒接触愈发紧密,土水之间的相互作用增强,从而使剪切峰值、内摩擦角和黏聚力进一步增大,综合表现为土体的抗剪强度提高,试验后土颗粒排列更为紧凑密实,土颗粒排列表现出明显的方向性,宏观表现为应变强塑性。

(4)d类软化性重塑红黏土的微观结构中, 土颗粒呈致密的叠片状结构, 土体经过剪切之后, 剪切面上土颗粒之间的联结力受到破坏, 土颗粒排列齐整, 土体结构密实性变差, 土骨架损伤,因此剪切峰值仅比c类强塑性峰值略大, 宏观上出现了达到峰值土样曲线陡降的特点, 即应变软化。 但由于d类软化性土的干密度为4类土中的最大值, 土颗粒孔隙率极低, 自由水最少, 土中水多以弱结合水形式存在, 随着试验的进行, 孔隙进一步减小, 部分自由水转化为弱结合水, 使得自由水对土颗粒间的润滑作用减弱[8], 内摩擦角有所增大。

综上,随着干密度的增大,从弱塑性土到软化性土(a到d类)试样由塑性破坏向脆性破坏转化, 孔隙的平均孔径变小, 微观孔隙由大而多向致密变化, 微观结构从粒斑状发展至叠片状, 土颗粒由不规则排列逐渐变得齐整和有方向性, 试验前后各类型土样的微观结构对比尤为明显。

3.3应力-应变曲线特征

土的应力-应变关系描述是研究土体各种力学性质的核心问题[9]。为更好地了解桂林地区重塑红黏土剪切变形特性,对试验数据进行处理分析,绘制了各类土应力-应变曲线(图4),剪切峰值分布特点见表3。由表3、图4可知:

(1) a类弱塑性土干密度控制值为1.32 g/cm3,剪切峰值59.2～99.1 kPa，峰值位置为轴向应变的2.4%～6.1%。图4为典型弱塑性重塑红黏土应力-应变关系曲线，该类土在100、150 kPa的低围压时处在塑性变形阶段，应力-应变曲线近似保持水平发展。而在较高围压条件下(200、250 kPa)， 在发生塑性变形的同时， 已有逐渐向弱塑性类土(b类硬化性土)发展的趋势，围压越大转化现象越明显。 (2) b类硬化性土干密度控制值为1.40 g/cm3,剪切峰值为147.3～333.1 kPa,峰值位置为轴向应变的15%,其强化拐点位置为0.5%～2%。当曲线到达拐点之前发生弹性形变,高围压条件下土样应力-应变曲线向强塑性类型发展。

(3) c类强塑性土干密度控制值为1.47 g/cm3,剪切峰值为321.2～471.7 kPa,峰值位置为轴向应变的15%左右,其应力-应变曲线为标准土体破坏曲线。在250 kPa的高围压下,轴向应变14%处出现剪切峰值,有向d类软化性土曲线发展的趋势。

图4　不同类型重塑红黏土应力-应变曲线Fig.4　Stress-strain curves of different types of remolded red clay

(4)d类软化性土应力-应变曲线是超固结黏土三轴试验中的典型曲线,干密度控制值为1.55 g/cm3,剪切峰值为327～483 kPa,此时土样塑性较小,土样在轴向应变6.2%～10.1%就形成峰值后剪切破坏,曲线陡降,具有明显的剪切破坏面。围压越大,出现剪切峰值的位置越靠后,即峰值对应的轴向应变增大。

由以上应力-应变特征可知,不同干密度对红黏土剪切变形特性影响较大。随着干密度的增加,红黏土土颗粒密实,骨架变得坚硬,剪切峰值增大,曲线类型也由弱塑性逐渐向硬化性、强塑性、软化性发展;在同一干密度条件下,围压对土样应力-应变类型影响较小,但在高围压下出现应变转化为下一类型的趋势;d类软化性土的围压越大,出现剪切峰值的位置越靠后,即峰值对应的轴向应变增大。

3.4各类型土应力-应变曲线关系的数学描述

在分析了不同干密度下桂林重塑红黏土不同应力-应变类型的曲线特征和转化现象后,为寻找各曲线关系适宜的数学表达方式,对不同类型的应力-应变曲线进行了拟合分析,进而为下一步研究做准备,图5～图7分别为a类弱塑性土、b类硬化性土、c类强塑性土的数学函数拟合曲线,各数学模型常数值见表5～表8。

图5　a类弱塑性土应力-应变双曲线拟合Fig.5　Stress-strain relations hyperbolic fitting of soil a

图6　b类硬化性土应力-应变幂函数拟合Fig.6　Stress-strain relations power function fitting of soil b

图7　c类强塑性土应力-应变双曲线拟合Fig.7　Stress-strain relations hyperbolic fitting of soil c

σ3/kPaa1/10-2b1/10-2R21000.31.670.99841500.141.470.99782000.311.20.99872500.351.020.9976

表6　b类硬化性土幂函数模型常数值Table 6　Constant value of power function mode

表7　c类强塑性土双曲线函数模型常数Table 7　Constant value of hyperbolic mode

表8　d类软化性土软化型曲线拟合参数Table 8　Parameter values of softening curve fitting

康纳[10](Konder)提出可用双曲线拟合一般土的三轴试验,适用于a类弱塑性重塑红黏土拟合,其形式为

(1)

式中: a、 b为常数; a为起始变形模量 (σ1-σ3)ult的倒数; b为双曲线的渐近线对应的极限偏应力Ei的倒数。

a类弱塑性重塑红黏土应力-应变曲线关系拟合见图5,拟合参数见表5。根据试验成果绘制的ε1(σ1-σ3)-1-ε1直线求得a1、b1值,由此可知,不同围压作用下的a类弱塑性土应力-应变关系曲线可取主应力差渐进值(σ1-σ3)ult作为归一化因子[10],其归一化条件为

(2)

式中: M、 N为常数, (σ1-σ3)ult与Ei成正比。

刘祖典[11]提出硬化性黏土的应力-应变曲线可用幂函数拟合,对b类硬化性重塑红黏土同样适用

(3)

式中: α、 β为常数,可根据试验成果绘制的lg(σ1-σ3)-lgε1直线求得。

c类强塑性重塑红黏土应力-应变拟合见图7, 拟合参数见表7, 该类曲线同样可用式(1)拟合。根据试验成果绘制的ε1(σ1-σ3)-1-ε1直线, 求得双曲线函数模式的常数值a3、b3值。

d类软化性重塑红黏土的应力-应变曲线可利用原南京水利科研院模型进行拟合[13-14], 该模型将在后期试验中作进一步研究, 探讨其对红黏土应变软化类型的适用性, 应力-应变关系曲线的数学描述为

(4)

式中: a、 b、 c 为试验确定的曲线拟合参数, 软化型曲线拟合参数见表8。

对于以干密度为控制指标, 具有应力-应变关系转型的重塑红黏土, 可利用上述4种数学模型进行初步的数值分析。本文给出的数学关系表达式, 能较好地反映桂林重塑红黏土不同应变类型的转化现象, 但仍有待对应力-应变曲线类型作进一步的归一化分析。

4结论与建议

(1)按弹塑性、强化与软化规律把重塑红黏土的剪切变形分为弱塑性、硬化性、强塑性、软化性4种类型。随干密度的增加, 红黏土由弱塑性逐渐向软化性发展。在同一干密度下, 围压对应力-应变曲线类型影响较小, 但在高围压下不同应力-应变曲线存在向下一类型转化的趋势。相同围压不同类型的重塑红黏土的剪切峰值随干密度的增大而增大, 随着干密度的提高, 红黏土的黏聚力和内摩擦角相应增大。应变软化性重塑红黏土的围压越大, 剪切峰值对应的轴向应变越大。

(2)三轴剪切条件下重塑红黏土破坏形式主要有3种:侧胀破坏、多缝破坏、单缝破坏。红黏土在干密度较小时, 剪切破坏后剪胀现象明显, 随着干密度的增加剪胀现象减弱, 出现明显的剪切破坏带。随干密度的增大, 红黏土微观孔隙的平均孔径逐渐减小, 微观结构形式由粒斑状向叠片状发展, 土颗粒由不规则排列逐渐变得齐整和有方向性。

(3)对不同干密度下4种重塑红黏土的应力-应变曲线类型进行拟合, 讨论了各种曲线类型的数学模型适用性。分析表明, 硬化性应力-应变曲线适用幂函数模型拟合, 弱塑性、强塑性类型适用双曲线函数模型拟合, 应变软化性重塑红黏土应力-应变曲线适用性还有待进一步讨论。

(4)对重塑红黏土三轴剪切试验中出现的4种应力-应变曲线类型作了初步分析, 对红黏土的剪切特性与应力-应变特征有了一定了解, 在三轴剪切试验的基础上, 有必要结合变形特性深入探究红黏土强度特性, 分析其强度损伤演化规律, 推导出应力-应变曲线归一化方程。

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文章编号:1674-9057(2016)02-0264-07

doi:10.3969/j.issn.1674-9057.2016.02.011

收稿日期：2014-11-05

基金项目：国家自然科学基金项目(41262011);广西重点实验室基金项目(11-kf-02;11-CX-01;12-A-01-02);广西高校科学技术研究项目(KY2015YB119)

作者简介：宋宇(1981—),女,硕士,讲师,岩土工程专业,songyu119@126.com。

通讯作者：肖桂元，男, 高级实验师, 研究方向:特殊土路基及成灾机理, xiaoguiyuangit@163.com。

中图分类号：TU411.7

文献标志码：A

Dry density effect on deformation characteristics in remolded red clay

SONG Yu1,XIAO Gui-yuan1,CHEN Xue-jun1,HUANG Xiang1,QI Yun-lai2

(1.a.College of Civil Engineering and Architecture;b.Guangxi Key Laboratory of Geotechnical Engineering,Guilin University of Technology, Guilin 541004, China; 2.China Nonferrous Metals, Changsha, Survey and Design Institute Co., LTD, Changsha 410007,China)

Abstract:In order to study the effects of dry density on red clay deformation characteristics,remolded red clay samples at different dry density levels are made in undrained triaxial tests.Results show that the stress-strain curves of saturated remolded red clay exhibited four different types with the increase of dry density. Curves developed from weak plastic type towards softening type, and the shearing strength increased. The average pore size of microscopic pores decreases with dry density increasing, and the microstructure developed from granule status to lamination status, the shearing band appeared at high dry density.Different types curves are matched and analyzed, and the applicability of mathematical model about different types curves are discussed.

Key words:dry density; remolded red clay; stress-strain curve; microstructure; mathematical model

引文格式：宋宇, 肖桂元, 陈学军, 等.干密度对重塑红黏土变形特性的影响[J].桂林理工大学学报， 2016, 36(2):264-270.