浙西饱和红黏土的物理力学特性试验研究

李 健，孙德安，陈 波，胡云世

(1.上海大学土木工程系，上海 200444；2. 衢州学院建筑工程学院，浙江 衢州 324000)

浙西饱和红黏土的物理力学特性试验研究

李 健1，孙德安1，陈 波2，胡云世2

(1.上海大学土木工程系，上海 200444；2. 衢州学院建筑工程学院，浙江 衢州 324000)

本文在分析浙西红黏土矿物成分与化学成分的基础上，分别用单向固结仪和三轴仪对饱和红黏土原状样进行了一系列的压缩、剪切、蠕变试验，得到其压缩曲线、应力-应变曲线和蠕变曲线。根据测得的压缩曲线，确定了该土的压缩指数Cc、回弹指数Cs，对原状样压缩曲线的归一化整理后判断出原状饱和红黏土的结构性不强；根据三轴排水剪切试验结果，得出原状饱和红黏土在不同围压下因结构性的存在土体具有不同的破坏应力比，计算得到该土的临界状态应力比和黏聚力；根据原状饱和红黏土在不同固结压力下的蠕变试验结果，得到了该土的次固结系数Cα与固结压力关系，并确定了该土的Cα/Cc约为0.0124，本试验结果为浙西地区的工程建设提供了基本参数。

饱和红黏土；原状样；压缩试验；排水剪切试验；蠕变实验

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

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、褐黄色的高塑性黏土，主要分布在北纬30°与南 30°之间的热带与亚热带地区。作为我国区域性分布的特殊土类之一，它虽然具有较好的力学特性，并被普遍认为是良好天然地基和较好的路基填料，却由于其存在裂隙性、胀缩性和分布不均匀性等问题使工程实践中出现了大量的边坡失稳、地基不均匀变形、道路开裂等工程隐患[1]。

随着红黏土地区建设工程增多，红黏土的工程性质逐渐被重视，目前国内外学者开展了大量的研究工作。如，肖智政等[4]研究了残积红黏土的力学特性及原状与重塑土在不同围压下的破坏形式；欧孝夺等[5]探讨了红黏土抗剪强度与温度之间的相关关系；王洋等[6]通过试验分析了在含水率变化、干湿交替作用、水化学作用与渗流作用模式下红黏土力学性质的变异性；周远忠等[7]提出了红黏土微观“集粒”结构模型，并通过该模型对红黏土的工程物理力学特性进行了理论分析、解释和推测；傅鑫晖等[8]基于大量试验结果，分析了红黏土的水敏性、密实程度与胶结作用对土体抗剪强度的影响，并探究了红黏土的强度机理。然而，国内学者对红黏土虽然开展了广泛研究，并取得了丰富的研究成果，但成果主要集中在广西、贵州等西南地区的红黏土，对其他地区红黏土的研究相对较少。

研究结果表明，红黏土在漫长而复杂的形成过程中，由于风化与红土化的程度与环境密切相关，红黏土的地质与工程特性会因为地域不同而具有十分明显的差异[9]。不同地区红土化的程度不同，使得红黏土的化学成分、矿物成分及结构特征等性质也有不同程度的差异[10]。浙江金衢盆地作为国内红层分布的主要地区之一，其区域内的金华、衢州表层2 m内分布有大量的红黏土[11]。然而，目前国内对该地区的红黏土的物理、力学特性的相关研究成果却极为有限。同时，考虑到该地区的年降雨量较大，导致该层土体的饱和度较大，且考虑到工程设计从安全角度出发，设计参数往往采用饱和土的材料参数。因此，极有必要对浙西饱和红黏土的物理、力学特性进行相关的试验研究，为工程提供必要的材料参数。

本文以浙西地区衢州饱和红黏土为研究对象，首先开展了大量的物理成分及物理特性试验，得到浙西红黏土的矿物成分、化学成分以及其他相关的基本物理特性；随后进行了一系列的单向压缩、固结排水三轴剪切、单向蠕变试验，得到浙西原状饱和红黏土的压缩曲线、应力-应变曲线和蠕变曲线，并计算得到的饱和红黏土的压缩指数Cc、回弹指数Cs、次固结系数Cα等基本模型参数，为工程设计及有限元计算等提供了相关材料参数。

1 试验概况

1.1试验土样

试验土样取自浙江西部的衢州市西郊，为得到该地区典型的均匀红黏土，选择取土深度为地表以下1.5 m左右，并采用块状取样方式得到高质量的试验原状样。即，将土坑挖到1.3 m深度后，通过人工切削得到尺寸约为20 cm×20 cm×20 cm的块状土样。为防止存储过程中红黏土的水分蒸发而导致含水量发生较大变化，将取好的土样外包裹2层保鲜膜后再包上1层锡箔，最后在锡箔外包裹上1层棉布，并及时涂上熔化的石蜡后储存于密闭容器中，根据试验需要切取相应的试样。土样的基本物理指标见表1。

表1 浙西红黏土的基本物理特性

通过X射线衍射仪XRD(X Ray diffraction)对红黏土中的矿物成分进行分析测试，结果如图1所示。从图1中可知，该红黏土的主要矿物成分为高岭石、伊利石、蛭石和蒙脱石。通过定量计算红黏土衍射峰的强度和半高宽，可以得出红黏土的矿物成分的具体含量(表2)。从表2中可以看出，浙西红黏土的黏土矿物中高岭石的含量最高，占39.75%，含量低于广西桂林红黏土56.59%的高岭石含量，但明显高于贵州红黏土4.2%～17.1%的高岭石含量[12～13]。此外，XRD试验结果显示，浙西红黏土蒙脱石含量高达11.25%，明显高于贵州红黏土最高3.1%的蒙脱石含量和桂林红黏土最高6.4%的蒙脱石含量[12～13]。由于蒙脱石是红黏土产生胀缩性的主要矿物成分，其含量大小对土体的胀缩性具有决定性作用，因此，浙西红黏土的胀缩性大于西南地区的红黏土。

图1 红黏土X射线衍射图Fig.1 X ray diffraction of the lateritic soils

黏土矿物高岭石伊利石蛭石蒙脱石相对含量/%397525241125

通过X射线荧光光谱XRF(X Ray Fluorescenc-e)测定分析浙西红黏土的化学成分，如表3所示。从表3可看出，浙西红黏土化学成分以SiO2为主，占比达到了65%左右，远远高于桂林地区红黏土38.8%的SiO2含量，与贵州地区部分红黏土67.4%的SiO2含量较为接近[12～13]；同时，浙西红黏土只有3.63%的Fe2O3含量，明显小于桂林红黏土高达14.03%的Fe2O3含量和贵州红黏土高达13.10%的Fe2O3含量[12～13]。然而，该土样的化学成分与毗邻地江西崇抚地区红黏土化学成分较为接近[14]。

表3 红黏土的化学成分

红黏土颗粒级配曲线和击实曲线分别如图2和图3所示。从图2中可知，该红黏土的粒径主要分布在0.05～1.0 mm的范围内，比例高达78.1%。同时，粒径小于0.075 mm的颗粒累计含量占52.45%，相比于桂林红黏土[13]，其粗颗粒含量明显偏多，说明该地区红黏土的颗粒总体偏粗。从图3中可以看出，浙西红黏土的最优含水率为17.5%左右，此时能达到的最大干密度约为1.68 g/cm3。

图2 红黏土颗粒级配曲线Fig.2 Grain-size distribution curve of the lateritic clay

图3 红黏土的击实曲线Fig.3 Compaction curve of the lateritic clay

1.2试验方法

由于取土时红黏土长期处于晴朗、干燥气候条件下，在天然状态下的饱和度约70%左右，为非饱和土。因此，开展饱和土试验前，需要对制好的试样进行饱和。本文采用抽气饱和法[15]进行饱和。将装有试样的碟式饱和器放入真空缸内，抽气2 h后，使清水徐徐注入真空缸内，待水浸没饱和器后停止抽气，静止10 h，饱和后试样饱和度都能达到95%以上。

(1) 常规压缩试验

用环刀切取直径d=61.8 mm、高h=20.0 mm土样。将试样连同环刀装入固结容器中，按1∶1加载比例分级加载至1 600 kPa，每级荷载的固结时间为24 h。

(2) 排水剪切试验

将土样切成直径d=39.1 mm、高h=80.0 mm的三轴试样，装入三轴压力室中进行分级加载。为了减小试样因端部摩擦而引起的套箍效应，采用中间剪有小孔、涂有硅脂的橡皮膜来代替透水石，这样可减少试样端部摩擦，使试样的变形比较均匀。同时为了加快试验时土体的排水速度，在试样四周贴上滤纸条，并在试样上下两端面分别放上1张滤纸。试验时，4个试样的围压分别等向加载到50，100，200，400 kPa，并在目标压力下固结48 h后开始排水剪切试验。为了保证剪切过程中土体产生的超孔隙水压力全部消散，试验采用慢剪的形式剪切，轴向速率控制在0.002 2 mm/min 进行排水剪切试验，三轴剪切1次需要4天左右的时间。

(3) 单向压缩蠕变试验

用环刀切取d=61.8 mm、高h=20.0 mm土样，将试样连同环刀装入固结容器中，再按1∶1分级加载，每级加载24 h。8个土样的最后一级荷载分别为25，50，100，200，400，800，1 200，1 600 kPa。在土样的最后一级荷载下进行蠕变试验,并在此荷载下分别按1，2，4，8，16，… min方式记录竖向位移读数。

2 试验结果与分析

2.1压缩试验结果

(1)压缩试验结果

图4为3次原状饱和红黏土和2次重塑土饱和红黏土的单向压缩试验结果。从图4中可以看出，原状饱和红黏土压缩曲线为1条具有明显屈服应力的曲线。在结构屈服应力之前，土体的压缩量变化比较小，当固结压力超过土的结构屈服应力时，其压缩性明显增大。根据压缩试验，利用卡萨格兰德法提出的经验作图法可以确定原状红黏土的结构屈服应力为94.5 kPa。计算3条压缩曲线的直线部分斜率可以求得压缩指数Cc的值分别为0.196，0.198，0.206，平均值为0.200。根据回弹-再加载部分的直线斜率可求出饱和原状红黏土的膨胀指数Cs分别为0.023，0.022，0.023，平均值为0.023。

图4 单向压缩试验的e-logσv曲线Fig.4 e-logσv curves obtained from the oedometer tests

(2) 压缩结果的归一化整理

由于重塑样的力学特性与其存在的天然状态基本没有关联，只反映土体的基本力学特性，因此重塑样的力学特性称之为土的固有力学特性。Burland[16]认为原状土样所具有的力学特性可以看成是其相应重塑样的力学特性与土体的结构性综合作用结果。为了定量评价天然土体的压缩性质，Burland引入式(1)所示的孔隙指数Iv(Void index)对不同的重塑样压缩曲线进行归一化后发现，不同土体重塑土的压缩曲线大致归一化为1条光滑曲线，Burland称其为土的固有压缩曲线ICL (Instrinsic Compression line)：

为了定量描述结构性对天然土压缩特性的影响，对图4中原状样和重塑样压缩曲线进行归一化整理，得到图5的归一化压缩曲线。从图5中可看出，当固结压应力大于土的前期固结压应力时，浙西红黏土重塑样的压缩曲线大致相同，且与重塑样的固有压缩曲线ICL线基本重合。原状土压缩曲线则位于固有压缩曲线ICL和自然沉积线SCL(Sedimentary Compression Line)之间，这表明浙西原状红黏土的结构性较弱。

图5 原状样和重塑样的归一化压缩曲线Fig.5 Normalized intrinsic compression curves of undisturbed and reconstituted samples

2.2剪切试验结果

图6是浙西原状饱和红黏土在不同围压下，三轴排水剪切试验得到的应力比-应变-体变曲线，图6中，εa和εv为轴向应变和体积应变，σa/σr为应力比。

图6 不同围压下的应力-应变-体变曲线Fig.6 Stress-strain curves under different confining pressures

从图6中可看出，不同围压得到的黏土应力-应变曲线均具有明显的非线性特征，且表现出明显的应变硬化现象。体变则随剪切应变增加而逐渐增大，具有明显的剪缩现象。在剪切过程中，临界状态强度的应力比随围压的增大而减小。

图6还表明，不同围压下剪切得到的原状样应力比-应变曲线并不相同，相同应变下的应力比σa/σr值随着剪切围压的增大而减小，这一方面是由于不同的剪切围压对原状样中的结构性造成不同程度的破坏，另一方面则是由于原状红黏土存在的氧化铁，会使土体具有不同程度的黏聚力。

为计算浙西饱和红黏土的临界状态应力比M和黏聚力c，将图6得到的试验结果进一步整理后，可到图7所示的红黏土的p-q曲线，从图7中可以看出，该土体的强度包线并不经过原点，说明土体具有一定的黏聚力c，且得到其黏聚力c=16.5 kPa。计算直线段的斜率后得到，浙西原状饱和红黏土临界状态应力比M=1.122，通过换算得出其内摩擦角φ= 26.7°。浙西红黏土的黏聚力和内摩擦角均略大于桂林红黏土，较为接近贵州红黏土[12～13]。

图7 剪切试验得到的p-q曲线Fig.7 p-q curves obtained from the drained shear tests

2.3次固结试验结果

图8为根据浙西原状饱和红黏土一维固结蠕变试验得到的e-logt曲线。该曲线表示了原状浙西红黏土在荷载作用下的固结变形过程。

图8 原状饱和红黏土的蠕变曲线Fig.8 Creep curves of the undisturbed saturated lateritic clay

从图8可看出，当固结压力小于土的结构屈服应力(94.5 kPa)时，原状红黏土在整个固结过程中变形很小，结构性没有被破坏，结构强度阻碍了土体在外荷载作用下产生的变形，土颗粒之间也没有产生明显的滑移，土体骨架的蠕变变形亦不显著，次固结不明显。当外加荷载超过土体的结构屈服应力时，土体的结构性开始破坏，进入塑性变形阶段，在外荷载的持续作用下，土体内部的结构不断发生软化，结构性强度不断降低，从而使变形不断加剧，曲线上表现出主次固结分界明显。随着固结时间的增加，土颗粒之间的滑移及土骨架的调整逐渐稳定，土体愈加密实，次固结变形越来越小。

通过试验曲线反弯点的切线和下部直线段引伸线的交点确定主固结完成的点后，利用式(2)可计算确定各固结压力下的次固结系数Ca，用于反映红黏土的次固结特性：

式中：Δe——次固结压缩阶段的孔隙比变化；

t1——主固结完成时刻；

t2——压缩量计算时刻。

3 次固结系数影响因素分析

3.1次固结系数与固结压力的关系

对于土的次固结系数与固结压力之间的关系，国内外研究人员已开展了大量试验研究并取得了丰富的试验结果。有的学者认为土的次固结系数和土的最终固结压力无关，而与荷载增量比有关[17]。有的学者则认为土的次固结系数和土的荷载增量比无关，但与土的最终固结压力有关[18]。由于试验加载过程中采用的是统一增量比，因此，本文依据上述试验结果，重点分析研究浙西原状饱和红黏土次固结系数与固结压力之间的关系。

将不同固结压力下计算得到的浙西原状饱和红黏土的次固结系数整理成图9。由图9可知，对于原状红黏土，在压力较小时，原状饱和红黏土次固结系数均随着压力的增大而增大，并在200 kPa左右达到最大。而后随着压力的增大，红黏土的次固结系数基本保持不变，甚至还有略微小幅减小。本文得到的次固结系数最大值不是出现在前期固结压力值的附近，而是略大于前期固结压力，此结论与孙德安等[19]得出的结论一致。其原因可解释为：对于结构性黏土而言，土体的胶结结构能够在一定程度上约束土骨架的蠕动变形，而且红黏土中游离氧化物对胶结作用的产生也有一定的贡献，且胶结性越强，对次固结变形的阻碍越强，从而表现出固结压力小于土体结构屈服应力时，土体的变形较小，从而使土体的次固结系数较小。当固结压力逐渐地增大，超过土体的结构屈服压力时，随着土体的胶结结构逐渐破坏，次固结系数继续增大。但结构性破坏较大时，胶结作用对次固结的阻碍逐渐减弱甚至消失，从而使次固结系数随压力增加而逐渐减小。

图9 次固结系数Ca与固结压力σv关系Fig.9 Relationship between the coefficient of secondary consolidation and consolidation pressure

3.2次固结系数与压缩指数的关系

Mesri等[20]总结了22 种黏土的次固结试验结果后发现，对于同一种原状土，次固结系数与压缩指数的比值Ca/Cc是一个常数，其值在0.025～0.1之间。由于用试验方法确定Ca的工作量大，且有一定的人为误差，但采用Ca/Cc确定Ca则更加简单和准确，为确定本构模型参数或工程设计服务。

为分析浙西红黏土的次固结系数Ca与压缩指数Cc的比值关系，将图9中得到的次固结系数进一步整理后，可得到图10所示的Ca-Cc关系图。从图10可以看出，虽然由于结构性的影响，土体的次固结系数在结构屈服应力前较小，但是土体结构性对土体的压缩指数也有极大的影响，因此，浙西饱和红黏土的Ca与Cc基本满足线性关系，且总体而言，两者的相关性较好。通过试验数据的拟合曲线分析得到Ca/Cc的比值近似为0.0124，且两者的相关系数达到0.933。

图10 次固结系数与压缩指数的关系Fig.10 Relationship between the coefficient of secondary consolidation and compression index

4 结论

(1)对浙西原状饱和红黏土进行了系列物理特性和力学特性的试验研究，得到了压缩指数Cc、膨胀指数Cs、次固结系数Ca、黏聚力c、内摩擦角φ等力学参数，弥补该地区的材料参数空白。

(2)浙西红黏土的黏土矿物主要为高岭石，且其蒙脱石含量也较高。化学成分主要为二氧化硅，且氧化铁的含量占比不高。粒径小于0.075 mm的颗粒累计含量占52.45%，土体颗粒相对较粗。在17.5%的最优含水率下的最大干密度约为1.68 g/cm3。

(3)浙西饱和红黏土的前期固结压力约94.5 kPa，压缩指数Cc约为0.20，膨胀指数Cs为0.023；临界状态应力比M=1.122，黏聚力c=16.5 kPa，内摩擦角φ=26.7°。

(4)压力小于前期固结压力时，次固结系数随着压力的增加而较快地增大，超过前期固结压力后随着压力的增加次固结系数开始减小，逐渐趋向一稳定值。浙西红黏土次固结系数和压缩指数的比值Ca/Cc基本上是常数0.0124。

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责任编辑

：张明霞

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

国家自然科学基金项目资助(41402271)

李健(1993-), 男, 硕士, 主要从事饱和土力学研究。E-mail:575606865@qq.com

陈波(1984-), 男, 博士, 副教授, 主要从事土力学特性及本构模型的研究工作。E-mail:chenbo20020178@163.com