干湿循环下云南加砂红土物理力学特性研究

梁谏杰，张祖莲，邱观贵，袁 强

(昆明理工大学电力工程学院，云南 昆明 650500)

干湿循环下云南加砂红土物理力学特性研究

梁谏杰，张祖莲，邱观贵，袁 强

(昆明理工大学电力工程学院，云南 昆明 650500)

针对不同加砂比例的云南红土，在相应最优含水率及最大干密度的初始条件下，采用土工试验与相关理论研究相结合的方法，运用Excel分析试验数据，揭示干湿循环作用与加砂红土物理力学特性变化之间的关系。结果表明：在干湿循环过程中，不同加砂比例的红土比重均呈先上升后下降的趋势，干密度均呈上升趋势，抗剪强度及抗剪强度参数均呈下降趋势，并最终都在循环10次左右趋于稳定。在干湿循环次数一定条件下，加砂比例越大的红土，其黏粒降幅越小，粉粒和砂粒增幅也越小，裂隙数量越少，土样越密实。抗剪强度及抗剪强度参数降幅最大的是加砂比例为15%的红土，降幅最小的是加砂比例为10%的红土。

加砂红土；干湿循环；比重；干密度；抗剪强度

云南红土具有干密度低、含水率高、压实性差、孔隙度大、黏粒含量高、塑性指数大等特点，不能完全满足云南红土型水利水电工程对土料的要求。特别是对于红土型库岸，由于库水位升降形成干湿循环过程，常常导致库岸失稳。为了提高土料物理力学指标，需要对土料性质进行人工改良。

目前，人工改良土料性质的方法有很多，最常见的是将一定数量的固化剂(常见如石灰、水泥、沥青等)或者粉剂(常见粉煤灰)拌入土中，以改善其强度特性。我国许多学者讨论了红黏土抗剪强度参数和砂土掺量之间的关系，结果表明随着掺砂量的增加，红黏土的黏聚力c和内摩擦角φ均呈先增加后减小的趋势[1]。针对掺粉剂或固化剂对土体性质的改良，国内外学者均进行了大量研究，结果表明无论是掺入粉剂或者固化剂均可提高土体的强度、增加土体抗变形的能力[2～3]，比如向高液限粉质黏土中掺入山砂，可以降低高液限粉质黏土的液限，增大其塑限，从而减小可塑性[4]；向黏土中掺砾试验表明，黏土的无侧限抗压强度随着掺砾量的增加呈先增后减趋势，说明往土体中掺入一定量的粗粒料也可以改善土体的性质[5]。张齐齐等[6]研究了水泥改良土强度的变化规律，发现水泥改良后土体的抗剪强度明显提高,水稳性显著提升。但现有成果大多是定性研究改良土壤特性与外掺剂种类、含量之间的关系，而在研究干湿循环过程对加砂红土物理力学特性的影响方面还不够深入。因此，本文以云南加砂红土为研究对象，揭示在干湿循环作用下不同加砂比例红土的物理力学特性变化，为防治云南红土型库岸失稳提供参考。

1 研究方法

1.1试验用土

试验土样均采自昆明世博园现场，将土样过2 mm筛，去除土样中的杂质、小石粒，测其风干含水率。干湿循环试验开展前，通过室内击实试验及光电式液塑限联合测定仪测试得到加砂红土基本特性指标(表1)。

表1 加砂红土基本特性指标Table 1 Basic characteristics of the laterite mixed with sand

1.2试样制备

为研究干湿循环作用对不同加砂比例红土物理力学特性的影响，本试验加砂比例控制为0%、5%、10%、15%，初始含水率和初始干密度均控制为各自加砂比例红土对应的最优含水率及最大干密度。

干湿循环试验试样制备均采用人工击实成环刀方法，制样环刀内径61.8 mm，高20 mm。制样过程：首先计算不同加砂比例红土各自对应的最大干密度所需红土的质量，其次往红土中掺入相应质量的砂以达到所设定的不同加砂比例，充分搅拌，使砂能均匀分布于红土中。再结合所测得的风干土含水率,定量计算风干土达到不同加砂比例红土各自对应的最优含水率所需水的质量。将水均匀喷洒于土样上，用塑料薄膜和湿布将土样覆盖并静置24 h，尽可能减少水分挥发。次日将不同加砂比例红土各自所需红土质量平均分3层击实，层与层之间做刨毛处理。红土虽有一定的水稳性，但是对于直接浸泡于水里的试样，吸水后易膨胀破坏。为保证试样的完整性，试样上下表面用滤纸覆盖，将透水石紧盖滤纸，并用塑料绳紧扎。每组加砂比例下红土试样均为184个，4组共计736个。

1.3试验过程

将736个试样放入盛有自来水的容器中统一浸泡24 h，并在浸泡之前称量各个试样和环刀的总质量，随后将浸泡24 h后的试样暴露在空气中自然脱湿，在脱湿过程中保持作用在试样上的总应力为零。随时称量脱湿过程中各个试样和环刀的总质量，当其总质量与浸泡前总质量误差在0.1%以内，可视为一次干湿循环过程的结束。拟定10种干湿循环工况，每种工况下对应的干湿循环次数分别为：0，1，2，3，4，5，6，8，10，12，15次。对每种干湿循环工况下不同加砂比例红土试样，分别展开比重、颗粒分析、干密度、直接剪切试验。

每次干湿循环过程结束后立即进行直剪试验，以保证含水率为各自加砂比例红土对应的最优含水率。直剪试验使用的装置为杠杆式等应变剪力仪，剪切速率为0.8 mm/min。每种干湿循环工况下对应的每个加砂比例红土试样共8个，平均分为2组，每组4个试样所对应的竖向压力分别为100，200，300，400 kPa。在4种不同竖向压力下对试样进行剪切直至破坏，测得试样的大主应力α1和小主应力α3，综合每组得到的4个数据点绘制莫尔圆包线并计算每组试样的黏聚力c、内摩擦角φ及抗剪强度τf。最终将两组计算结果求平均值，得到了不同干湿循环工况下不同加砂比例红土的均值黏聚力c和均值内摩擦角φ及均值抗剪强度τf。

对于比重、干密度、颗粒分析试验，均统一将不同干湿循环工况下不同加砂比例的红土试样置于烘箱烘干8 h，平均分为3组，每组1个试样。根据《土工试验规程》[7]分别采用比重瓶法、甲种密度计法、游标卡尺法平均测得不同干湿循环工况下不同加砂比例红土试样的均值比重、均值干密度、均值颗粒组成。

2 结果与分析

2.1干湿循环条件下加砂红土颗粒组成变化特性

2.1.1加砂比例一定条件下红土颗粒组成与干湿循环次数的关系

加砂红土在干湿循环作用下，处于饱和与非饱和互相交替的动态变化过程，其物理力学性质自然也是一个动态变化过程。干湿循环作用会改变加砂红土内部颗粒组成，对于加砂比例不同的红土，由于其内部初始颗粒组成不同，因此干湿循环过程对内部颗粒重组的影响程度也不同。图1给出了同一加砂比例下加砂红土表面裂缝随循环次数的变化情况，图2给出了加砂红土不同颗粒组成随循环次数的变化情况。

图1 红土表面裂隙随循环次数变化Fig.1 Changes in surface cracks of laterite with the times of cycles

图2 红土颗粒组成随循环次数变化Fig.2 Changes in particle compositions of laterite with the timse of cycles

从图1可以看出：在干湿循环作用下，加砂比例一定的红土，其表面不但产生了裂隙且裂隙数量随着循环次数增加而增加，并在循环10次左右裂隙数量趋于稳定。这是由于在干湿循环作用下土体不断进行增脱湿过程，尤其是在脱湿过程中，土样中心上层的失水率明显高于下层，在上下层之间形成了含水率梯度[8]。在含水率梯度作用下，上层土体收缩变形受到下层土体约束，产生收缩拉应力，当抗拉强度小于收缩拉应力时，土样内部裂隙开始逐渐生成并不断发育；脱湿结束后，土样增湿饱和膨胀致使之前形成的裂隙闭合，但是土样在脱湿过程中产生了不可逆的收缩变形，土颗粒之间的联结发生断裂破坏[9]。当再次脱湿时，之前产生的裂隙继续开裂并扩大，并在含水率梯度的影响下，产生新的裂隙。随着干湿循环次数的增加，试样的体积越来越小，水分流失速度加快，形成更大的含水率梯度也就愈加困难，因此在循环到10次之后裂隙不再发展，并趋于稳定。

从图2可以看出：循环初始，加砂红土内部黏粒均有所增加，粉粒减少,砂粒变化很小。而随着循环的进行，黏粒开始减少，粉粒和砂粒相对增加，且均在循环10次后变化趋于平稳。造成以上现象的原因是：随着浸泡时间的增加，试样含水率和饱和度逐渐增大，水流逐渐充满了土体颗粒中的孔隙，形成许多条不规则的渗流通道，入渗水流会携带加砂红土表面粒径较小的黏粒进入土体内部，导致循环初始加砂红土内部黏粒含量增加，而粉粒含量相对减少。随着循环的进行，加砂红土表面产生一定数量的裂隙，此时粒径较小的黏粒随着水流通过表面裂隙被带出土体，导致黏粒含量减少，粉粒和砂粒含量相对增加，并最终达到土水平衡状态，加砂红土内部颗粒组成不再变化。

2.1.2干湿循环次数一定条件下红土颗粒组成与加砂比例的关系

在干湿循环次数一定条件下，不同加砂比例红土颗粒内部组成也不同。图3给出了同一循环次数下加砂红土表面裂隙随加砂比例的变化情况，图4给出了不同颗粒组成随加砂比例的变化情况。

图3 红土表面裂隙随加砂比例变化Fig.3 Changes in surface cracks of laterite with the proportion of sand

从图3可以看出：在干湿循环次数一定条件下，加砂比例越大的红土，其表面所产生的裂隙数量越少，裂缝宽度也越小。这是由于红土加砂后，红土颗粒包裹砂粒形成更大的团粒，孔隙度也变小。加砂比例越大，砂粒填充于团粒孔隙的效果也就越好，所形成的胶结物质越少，颗粒之间的联结力也相对越差。因此随着加砂比例的增加，在联结力衰弱和填充效果增强的共同作用下，透水性增强，试样内部所形成的含水率梯度差也就越小，形成的裂隙数量也就越少，裂缝宽度也越小，土样越密实。

从图4可以看出：循环初始，在干湿循环次数一定条件下，加砂比例越大的红土，其黏粒增幅越大，粉粒和砂粒增幅相对越小。随着循环进行，加砂比例越大的红土，其黏粒降幅越小，而粉粒和砂粒增幅相对越小。这是因为在循环初始，加砂比例越大的红土，孔隙度越小，颗粒间越紧密，所形成的渗流通道越细，入渗水携带红土表面黏粒进入土体内部越多，导致黏粒增幅也就越大，而粉粒和砂粒随着入渗水被带入土体内部相对较少，因此粉粒和砂粒增幅也就相对越小。随着循环次数的增加，在土样边缘逐渐出现裂纹，并逐步向中心发展，且加砂比例越大，产生的裂隙条数相对越少，被水流带出土体的黏粒数量越少，因此黏粒降幅越小，粉粒和砂粒增幅也就相对越小。

2.2干湿循环条件下加砂红土比重变化特性

2.2.1加砂比例一定条件下红土比重与干湿循环次数的关系

比重是土重要物理指标之一，干湿循环过程会改变土体的比重，而比重的变化必然是由于红土在增脱湿过程的变形引起的。图5给出了加砂比例一定条件下红土比重随干湿循环次数的变化曲线。

图5 比重随循环次数变化Fig.5 Changes in specific gravity with the times of cycles

图5表明：在加砂比例一定条件下，加砂红土比重随着循环次数增加呈先上升后下降的趋势，且比重在循环2次之前均呈现上升趋势，在循环2次后均呈下降趋势，并最终在循环10次左右趋于一定值，变化趋于平缓。这是因为土颗粒的大小对土的比重有影响，而且是颗粒越细，比重越大，颗粒越粗，比重越小[10～11]。循环初始，加砂红土内部粒径较小的黏粒含量增加，导致比重呈上升趋势，而随着循环次数增加，加砂红土内部黏粒随着水流经裂隙被带出土体，粉粒和砂粒含量相对增加，因此比重呈下降趋势。又因为加砂红土在循环10次左右不再产生新的裂隙，颗粒组成趋于稳定，所以比重也在循环10次左右趋于稳定。

2.2.2干湿循环次数一定条件下红土比重与加砂比例的关系

图6给出了干湿循环次数一定条件下加砂红土比重与加砂比例的变化关系。表2给出了不同加砂比例红土比重在干湿循环过程中增降幅情况。

图6 比重随加砂比例变化Fig.6 Changes in specific gravity with the proportion of sand

加砂比例/%比重上升阶段比重下降阶段循环次数涨幅/%循环次数降幅/%00～20373～1021350～20523～10182100～20683～10154150～20773～10139

图6及表2表明：在比重上升阶段，比重的增幅与加砂比例呈正相关关系；在比重下降阶段，比重的降幅与加砂比例呈反相关关系。这是由于在循环初始,加砂比例越大的红土，其内部黏粒增幅越大，黏粒含量将决定红黏土矿物含量，而红黏土矿物中蒙脱石具有较大的比表面积，因此比重的增幅与加砂比例呈正相关关系。而随着循环次数的增加，土体结构被破坏，黏粒会随着孔隙流出。加砂比例越大的红土，土样越密实，所形成的裂隙数量越少，土样内部黏粒被水流带出的含量也相对越少，因此比重的降幅与加砂比例呈反相关关系。

2.3干湿循环条件下加砂红土干密度变化特性

2.3.1加砂比例一定条件下红土干密度与干湿循环次数的关系

干密度对加砂红土物理力学特性影响体现在：一方面，针对一定加砂比例的红土，干湿循环过程既可以压实土样表面土颗粒，又可以分散土样表面，分散的土颗粒可能被水流带走亦或再次被压入土样内部，使土样内部颗粒组成发生变化，导致土颗粒密实程度发生变化，进而对土体结构强度产生影响。另一方面，对于不同加砂比例的红土，干湿循环对其强度影响程度也不同。加砂比例一定条件下红土干密度随循环次数变化如图7所示。

图7 干密度随循环次数变化Fig.7 Changes in dry density with the times of cycles

图7表明：在加砂比例一定的条件下，加砂红土干密度总体上随着干湿循环次数的增加而呈上升趋势，且在第一次干湿循环结束时干密度上升幅度最大。这是因为干湿循环初期，静水压力转化为压实土样表面土颗粒的动力和分散土颗粒的作用力，水分逐渐浸入土样内部，土样表面黏粒随着入渗水流被带入土样内部，起着密实土样的作用，因此此时干密度均呈现上升幅度较大的趋势。而持续的干湿循环作用导致土样结构健力完全被破坏，形成的裂缝也趋于稳定。因此到了一定循环次数，土样干密度变化也趋于稳定，这是静水压力的压实动能与土体物理性质相互作用的结果。

2.3.2干湿循环次数一定条件下红土干密度与加砂比例的关系

图8给出了干湿循环次数一定条件下加砂红土干密度与加砂比例的变化关系。可以看出，在干湿循环次数一定条件下，加砂比例越大的红土，其干密度越大，体现了加砂对红土击实特性的影响，说明红土密实程度随着加砂比例增加逐渐增强。在干湿循环过程中，加砂比例由小到大的红土干密度增幅依次为：10.4%、9.4%、8.7%、8.1%。可见加砂红土干密度增幅大小与加砂比例呈现反相关关系，说明加砂比例越大的红土越不容易被压实。这是由于加砂比例越大的红土，其减水作用与填充作用效果越显著；排出孔隙中的水和空气越多，充填大团粒孔隙的砂土颗粒和小团粒的数量就越多，颗粒间隙就越小，相邻颗粒点面接触越多，密实程度越高，因此干密度增幅也就越小。

图8 干密度随加砂比例变化Fig.8 Changes in dry density with the proportion of sand

2.4干湿循环条件下加砂红土抗剪强度变化特性

2.4.1加砂比例一定条件下红土抗剪强度参数与干湿循环次数的关系

抗剪强度对土体的稳定性起着至关重要的作用，而抗剪强度的变化则与抗剪强度参数的变化密切相关。图9给出了在加砂比例一定条件下红土黏聚力c和内摩擦角φ随干湿循环次数的变化规律。

图9 抗剪强度参数随循环次数变化Fig.9 Changes in shear strength parameter with the times of cycles

从图9可以看出在加砂比例一定条件下，加砂红土内摩擦角φ与黏聚力c总体上随着循环次数的增加呈非线性下降的趋势，尤其是在循环1次结束时降幅最大，在循环10次后基本趋于稳定。这是由于在干湿循环过程中，土体内部产生了不可逆的胀缩变形，砂土颗粒和红土颗粒间的联结力不断被削弱，导致黏聚力c总体上呈下降趋势；而随着循环次数的增加，颗粒间距不断加大，颗粒间的咬合能力也不断被削弱，因此内摩擦角φ总体上也呈现下降趋势。

2.4.2干湿循环次数一定条件下红土抗剪强度参数与加砂比例的关系

图10给出了干湿循环次数一定条件下红土黏聚力c和内摩擦角φ随加砂比例的变化规律。

图10 抗剪强度参数随加砂比例变化Fig.10 Changes in shear strength parameter with the proportion of sand

图10表明：在干湿循环次数一定条件下，随着加砂比例的增大，加砂红土内摩擦角φ也逐渐增大，呈现非线性上升的趋势。这是因为随着加砂比例的增加，粗大的砂土颗粒导致土颗粒间相互咬合效果增强，颗粒之间在外力作用下相互错动能力削弱，随着加砂比例的增加，颗粒间摩擦阻力明显增大，因此内摩擦角呈现增大的趋势。还可看出：在干湿循环过程中，加砂比例由小到大的红土内摩擦角降幅依次为22.8%、30.9%、19.9%、32.6%。

在干湿循环次数一定条件下，随着加砂比例的增大，加砂红土黏聚力c逐渐减小，呈非线性下降趋势。造成这一现象的原因是因为砂土颗粒本身并没有黏附性，随着加砂比例的增加，红土颗粒的黏附性逐渐减小，粒团之间的胶结作用降低，因此黏聚力呈现下降的趋势。还可看出：在干湿循环过程中，加砂比例由小到大的红土黏聚力降幅依次为26.6%、29.2%、17.3%、37.7%。

综上所述，加砂红土黏聚力c随着加砂比例增大而减少，内摩擦角φ随着加砂比例增大而增大。在干湿循环作用下，加砂红土抗剪强度参数均呈波动下降趋势，下降幅度最大的是加砂15%红土，下降幅度最小的是加砂10%红土。

2.4.3加砂比例一定条件下红土抗剪强度与干湿循环次数的关系

图11给出了加砂比例一定条件下加砂红土抗剪强度τf与干湿循环次数的关系曲线。

图11 抗剪强度随循环次数变化Fig.11 Changes in shear strength with the times of cycles

图11表明：加砂比例一定条件下，加砂红土抗剪强度随着干湿循环次数增加呈下降趋势。这是因为增湿时土样体积膨胀，表面开始松散；脱湿时土样体积收缩，膨胀变形无法完全恢复，土样表面出现裂隙，水分沿裂隙渗入土样内部，破坏土粒间的结构键力，因此降低了加砂红土的抗剪强度。经历多次干湿循环后，加砂红土抗剪强度出现衰减变缓，并在干湿循环10次左右趋于稳定。分析认为：经历一定次数的干湿循环过程后，加砂红土缩胀性下降，增湿膨胀和脱湿收缩程度均大幅下降，土样整体结构趋于稳定，不再产生新的裂隙；对于之前已经产生的裂隙，由于其反复经历胀缩过程，故再次增湿或者脱湿不会造成裂隙的扩展。因此，加砂红土在经历多次干湿循环过程后，其抗剪强度最终趋于一个稳定值。

2.4.4干湿循环次数一定条件下红土抗剪强度与加砂比例的关系

图12给出了干湿循环次数一定条件下加砂红土抗剪强度τf与加砂比例的变化关系。

图12 抗剪强度随加砂比例变化Fig.12 Changes in shear strength with the proportion of sand

图12表明：在干湿循环次数一定条件下，加砂红土抗剪强度随加砂比例增加呈波动变化趋势。当加砂比例为5%时，抗剪强度略微减小；当加砂比例为10%时，抗剪强度增加并达到最大峰值抗剪强度；当加砂比例为15%时，抗剪强度急剧减少。这是因为当加砂比例较小时，团粒化作用较弱，红土颗粒包裹砂土颗粒形成较大团粒，这些团粒与土样中的胶结物质形成表面积更大的团粒。而大团粒的孔隙被较小团粒占据着，提高了土样的结构稳定性，故表现出抗剪强度增大的趋势。当加砂比例不断增大时，团粒化作用增强，尽管此时填充于大团粒孔隙中的小团粒数量较之前不断增加，但是由于联损作用，使大团粒之间无法更好地联结起来，反而降低了土样的结构稳定性，抵抗剪切破坏的承载能力被削弱，表现出抗剪强度急剧减小的趋势。所以往红土中加砂可以提高其抗剪强度，但是存在着一个合理的加砂比例。还可看出：在干湿循环过程中，加砂比例由小到大的红土抗剪强度降幅依次为：23.6%、25.6%、18.7%、28.2%。由此可见在干湿循环作用下，加砂红土抗剪强度下降幅度最大的是加砂15%红土，下降幅度最小的是加砂10%红土。这是因为加砂10%红土初始密实程度最高，颗粒之间联结能力最强，因此水分对其结构键力的破坏程度相对最小，同理加砂15%红土颗粒间联结能力最弱，土颗粒间的结构键力被水分破坏程度也相对最大。

3 结论

(1)加砂比例一定条件下，加砂红土黏粒含量随着循环次数增加而减少，粉粒和砂粒含量随着循环次数增加而增加；而比重随着循环次数增加呈先上升后下降的趋势，干密度则是随着循环次数增加呈上升趋势，并最终均在循环10次左右趋于稳定。

(2)加砂比例一定条件下，加砂红土内摩擦角、黏聚力及抗剪强度均随着循环次数增加呈下降趋势，并最终均在循环10次左右趋于稳定值,且降幅最大的是加砂15%的红土，降幅最小的是加砂10%的红土。

(3)干湿循环次数一定条件下，随着加砂比例的增加，红土内摩擦角增加，黏聚力减少。说明向红土中加砂起着增强颗粒间摩擦阻力及削弱联结力的作用。实际工程中当把加砂红土作为土料时应将加砂比例作为一个慎重考虑的因素。

(4)干湿循环次数一定条件下，随着加砂比例的增加，红土抗剪强度呈先略微减少后增加到最大峰值再急剧减少的波动变化趋势。说明向红土中加砂对于提高红土抗剪强度存在着一个合理的加砂比例范围。

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责任编辑：汪美华

Astudyofphysicalandmechanicalpropertiesofsandylateriteunderdrying-wettingcyclesinYunnan

LIANG Jianjie, ZHANG Zulian, QIU Guangui, YUAN Qiang

(CollegeofElectricalEngineering,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming，Yunnan650500,China)

Considering the Yunnan laterite with different proportions of sand under the initial conditions of the optimum moisture content and the maximum dry density, this paper reveals the relationship between drying-wetting cycles and the changes in physical and mechanical properties of sandy laterite. On the basis of combining geotechnical tests with relevant theoretical researches, the method of Excel is used to analyze the test data. The results indicate that under the drying-wetting cycles, the specific gravity of laterite with different proportions of sand shows a trend from rise to decline; the dry density shows an upward tendency; the shear strength and shear strength parameters have an upward tendency. The tendency is eventually stable after 10 times of cycling. Under a certain number of dry and wet cycle conditions, the greater sanding proportion of laterite comes with the smaller decrease in clay particle. The smaller increase of particle and sand, the smaller numbers of cracks, and the soil samples are more compacted. The largest decline in shear strength and shear strength parameters is the laterite with 15% proportions of sand, and the smallest is the laterite with 10% proportions of sand.

sandy laterite; drying-wetting cycles; specific gravity; dry density; shear strength

P642.13+2；P642.11+6

A

1000-3665(2017)05-0100-07

张祖莲(1964-)，女，副教授，研究方向为岩土工程及水利水电工程。E-mail：zhangzulian@2008.sina.com

10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.2017.05.16

2016-11-05;

2017-02-01

国家自然科学基金资助项目(51269006，51568031)

梁谏杰(1992-)，男，硕士，研究方向为岩土工程。E-mail：1825282538@qq.com