含水率对红粘土强度特性的影响

2019-08-24张培培罗保才刘娉慧王明龙

水力发电 2019年5期

张培培，罗保才，刘娉慧，王明龙，王闯

(1.华北水利水电大学地球科学与工程学院，河南郑州450046；2.河南省水利勘测有限公司，河南郑州450003；3.深圳市地质环境监测中心，广东深圳518034)

0 引言

红粘土是由碳酸盐类岩石经物理、化学的风化作用形成的棕红、褐红及褐黄色的特殊的粘性土，具有特殊的物理性质和力学特性，如高含水率、高塑性、高强度、低密度、低压缩性、裂隙发育以及拥有明显的胀缩性(遇水膨胀量小，失水后强烈收缩)等。红粘土的结构性由于其含水率、颗粒组成、孔隙、排列方式以及颗粒间接触和联结方式的不同，导致其力学性质差别较大[1]。而抗剪强度是用来表征土体力学性质的一个重要指标，也是各种工程应用的重要参数。在实际工程中，由于受降雨、蒸发、灌溉等因素的影响，土体的含水率变化较大，严重影响其抗剪强度，故对特定区域土体而言，其强度变化主要受含水率的影响[2]。

目前，国内外很多学者针对含水率对土体抗剪强度的影响进行了大量的试验研究，边加敏等[3]对粉质粘土进行不同含水率下的直接剪切试验发现，非饱和土含水率与粘聚力的关系近似呈二次曲线，与内摩擦角近似呈线性关系；陈小龙等[4]对三峡库区的滑坡黄土进行不同含水率条件下的滑带土直剪试验发现，滑带土粘聚力及内摩擦角均随含水率的增大近似呈线性减小的趋势；王闯等[5]对三峡库区粉土进行不同含水率下的直剪试验发现，土体塑限为其抗剪强度减小快慢的分界点；苗世超等[6]以新型高分子材料SH固化剂固化黄土为研究对象，剖析了不同含水率和干密度条件下固化黄土的抗剪强度特性；王亮等[7]采用十字板剪切仪研究重塑淤泥在不同含水率下的不排水强度性质；李雪江等[8]以真三轴试验为基础，研究并分析了不同含水率对加筋土强度的影响；刘顺青等[9]通过直剪试验，研究了含水率对高液限土和红粘土抗剪强度的影响，并对比分析了高液限土和红粘土的水敏感性；毕庆涛等[10]由室内直剪试验发现含水率与红粘土粘聚力存在阶梯状相关关系，并依据最小二乘法原理将其拟合为函数的多项式表达式；傅鑫晖等[11]采用直剪试验仪对重塑红粘土进行抗剪强度试验发现，红粘土的强度、粘聚力随着含水率的变化出现了“双峰”现象，且内摩擦角基本保持不变；赵蕊等[12]对贵阳地区的红粘土进行不同含水率下的三轴试验发现，随着含水率的减小，红粘土由鼓胀破坏逐步过渡为剪切破坏，粘聚力和内摩擦角随含水率的增大呈现出阶梯式减小；杨庆等[13]通过直剪试验对红粘土进行探索发现，红粘土内摩擦角和粘聚力与含水率之间的联系，分别可以近似用对数和二次抛物线来表示；李涛等[14]对广州红粘土进行室内剪切试验发现，该类红粘土的粘聚力随含水率的增加与Gauss函数变化规律吻合，内摩擦角随含水率的增加与Sigmoidal函数相符，且当水质量分数为0时，其达到最大值。

表1 红粘土物理力学参数

本文在综合分析前人关于含水率与土体抗剪强度关系的试验研究的基础上，以云南省临沧市耿马灌区某边坡红粘土为研究对象，采用室内非饱和直剪仪，对不同含水率的红粘土进行抗剪强度试验，研究不同含水率的土体强度的变化规律，以期为该地区的工程设计和边坡治理提供一定的参考依据。

1 试验设计

1.1 红粘土基本物理指标

试验所用红粘土取自云南省临沧市耿马灌区某边坡，取土深度约1.5～2.0 m，土样呈棕红色或褐黄色，土质均匀，有少量植物根茎。通过液塑限试验，该土为高液限粘土。物理力学指标见表1。

红粘土试样的颗粒粒径组成见表2。颗粒级配见图1。从颗粒分析试验结果可知，试样粉粒含量(0.075～0.05 mm)最高，占61.6%；粘粒含量(<0.005 mm)占31.4%；不均匀系数Cu=20.69>5，曲率系数Cc=1.21，试样级配良好。

表2 颗粒粒径组成 %

图1 颗粒级配

1.2 试验方法

制备试样时，控制红粘土的干密度为1.38 g/cm3，按含水率w为8%、12%、14%、20%、24%、28%、32%和36%制备试样，每个含水率分别制备3个土样。将制备好的土样分别在不同垂直压力(100、200、300 kPa)下施加水平剪应力，获得土样破坏时的剪切应力，进而求得该土样的抗剪强度。

1.3 试验仪器

试验采用FDJ-ZO型非饱和土直剪仪，剪切速率设置为0.8 mm/min。抗剪强度的取值依据为：若剪切位移在6 mm的范围内呈现出峰值强度，则该级垂直压力下的抗剪强度即为该峰值强度；否则，选取4 mm剪切位移时所对应的剪应力作为该级垂直压力下的抗剪强度。

2 试验结果分析

2.1 应力与位移关系曲线

试样的剪应力—剪切位移曲线见图2。从图2可知，土体的含水率w对剪应力-剪切位移关系曲线影响较大。w<20%时，剪应力-剪切位移关系曲线在不同竖向压力下呈现出剪切软化型，在剪应力增长至峰值后，随着剪切位移的继续增大，剪应力迅速减小，最后逐渐趋于稳定；w>20%时，土样的剪应力-剪切位移关系曲线则呈现出剪切硬化的特性，初始剪切时剪应力增长迅速，待剪切达到一定水平后，其剪切强度逐步趋于稳定，即剪切强度基本上处于一恒值。

图2 不同含水率下剪应力—剪切位移关系

产生上述现象的原因可以用基质吸力来阐述。含水率较低时，土体中由于基质吸力的存在，土体稳定的结构力增大，在抵抗外力作用时体现出土体强度的增加，当外力作用使土体发生破坏时，这种结构力产生一定程度的损失，强度显著下降，即呈现出软化现象。随着含水率的增加，土体中基质吸力逐步降低，而结构力也相应减小，土体在外力作用下发生破坏时，与高基质吸力的情况相比，相应的强度下降呈现并不明显，因此在剪切过程中可能看不到显著的软化。

此外，从图2还可以看出，含水率较低时，不同竖向压力下的剪应力—剪切位移关系曲线表现出不同的变化趋势。以w=12%时的位移关系曲线为例，竖向压力为100 kPa时，剪应力-剪切位移曲线呈现出剪切软化现象，随着竖向压力的增长，其软化现象逐步减小；竖向压力达到300 kPa时，剪应力-剪切位移曲线的剪切软化现象基本消失。

2.2 粘聚力

一般认为，土的粘聚力主要来源于土粒之间的相互吸引、颗粒间的胶结及水膜连结等，而颗粒间水膜连结对土的粘聚力具有重要的作用，故粘聚力随着含水率的不同而变化较大[13]，红粘土的粘聚力与含水率的关系见图3。从图3可知，随着含水率的增加，粘聚力相应地减小，且呈非线性变化。尤其在w=8%～20%这一区段时，含水率对粘聚力的削减作用是异常显著的；而当w=24%后，粘聚力相对较为稳定，变化不显著。产生这类现象的原因是：在含水率较低时，水在土体中是以结合水为主要形式存在的，具有一定的抗剪性，同时也存在毛细水基质吸力的影响，致使土样的粘聚力较大；随着含水率的增加，结合水膜厚度在土颗粒表面相应增厚，水的粘滞性削弱，自由水比例逐渐增高，且土中的基质吸力随含水率的增大而逐步减小，致使粘聚力减小。

图3 粘聚力与含水率的关系

针对粘聚力与含水率之间的变化关系进行回归分析，可以近似用幂函数形式来表示

c=9.396w-0.794

(1)

式中，c为红粘土的粘聚力。

2.3 内摩擦角

图4 内摩擦角与含水率的关系

红粘土含水率与内摩擦角关系见图4。从图4可以看出，内摩擦角整体上随含水率的增加而变小，作用较为明显，且呈现出非线性的变化规律，与含水率对粘聚力的影响相似。当w=8%～24%时，内摩擦角降低非常显著，原因是随着土样中水分的增多，粘附在土颗粒表面的水膜增厚，促使颗粒间的摩擦系数减小，导致内摩擦角随含水率的增加而降低；在w=24%后，内摩擦角降低较小，这是因为含水率较高的土样在剪切过程中易被压缩导致干密度变大及土样中的水被压出，进而引起内摩擦角减小较少。从基质吸力的角度分析发现，由于土体饱和度逐步增加，原有的负孔隙水压力相应减小，表面张力也渐渐消失，在表面张力的作用下，土体颗粒与颗粒间的挤密作用也随之逐步消失，致使内摩擦角下降[9]。

针对内摩擦角与含水率之间的关系进行回归分析，可以近似用二次抛物线形式来表示

φ=-44.68w2-37.493w+28.162

(2)

式中，φ为红粘土的内摩擦角。这与张添锋等[15]对桂林压实红粘土内摩擦角随含水率变化的研究结论相同。土的内摩擦角与土的颗粒结构、大小、形状及密实度有关。此外，红粘土由于游离氧化铁的胶结作用而形成一定的团粒结构，团粒间的结合状态也与内摩擦角有一定的关系[16]。

2.4 抗剪强度

红粘土在不同竖向压力作用下的抗剪强度随含水率的变化见图5。从图5可知，在相同竖向压力作用下，红粘土的抗剪强度随含水率的增加呈非线性减小。当w=8%～20%时，红粘土的抗剪强度减小不明显；而在w=20%后，抗剪强度显著降低。这种试验结果可用基质吸力来解释，基质吸力受含水率的影响，当土体处于非饱和状态时，由于吸力的存在，使土体稳定的结构力增强，而结构在抵抗外力作用时，表现为土体强度的增加，但随着饱和度的增加，基质吸力逐渐消失，结构力相应减少，外力作用下强度下降，这是红粘土抗剪强度随着含水率的增加而降低的主要原因之一[16]。

图5 不同竖向压力下抗剪强度随含水率的变化

2.5 强度指标

不同含水率下红粘土的强度指标见表3。从表3可知，相同含水率状态下，竖向压力从100 kPa增加至300 kPa时，土样的抗剪强度可提升1.5～2倍。其主要作用机理是由于高竖向压力剪切过程中，在竖向应力与剪应力共同作用下，土中孔隙水渗透至上剪切盒土样表面，使上、下剪切盒接触面的非饱和红粘土含水率降低，剪切面土体颗粒之间的咬合越来越密实，土中孔隙水压力下降，土颗粒之间有效应力增加，抗剪强度随之提高[17]。