含水率对桂林重塑红黏土强度特性的影响研究

2022-11-15梁埔源

科技创新与应用 2022年32期

梁埔源

（柳州铁道职业技术学院，广西柳州 545616）

红黏土是碳酸岩类岩石在湿热化和红土化作用下形成的富含铁铝氧化物的高塑性黏土，其主要分布在热带、亚热带南方地区，包括四川东部、云南高原、两广两湖、江苏及江西等地区[1-2]。红黏土被我国岩土工程勘察等相关规范划分为特殊性土，其具有高含水率、高孔隙比及失水收缩变形量大等特点，在环境荷载作用下常诱发边坡开裂、地基承载力不足及路基下沉等工程问题。

目前，国内外学者从不同的角度探究了红黏土的物理力学性质。陈鸿宾等[3]通过三轴试验探究了干密度和含水率对桂林重塑红黏土抗剪强度参数的影响；欧传景等[4]和傅鑫晖等[5]采用压力板和蒸汽平衡法探究了红黏土的土-水特征曲线；孙德安等[6]对广吸力范围内红黏土的土-水特征曲线进行了研究，发现高吸力阶段，土-水特征曲线不受土体密实度的影响；赵颖文等[7]系统性研究了广西原状红黏土的胀缩性指标及脱湿过程中孔径分布的演化规律；为揭示红黏土中游离氧化铁物质对其物理力学特性的影响规律及其机制，牛庚等[8]和刘莉等[9]对比分析了去除和未去除游离氧化铁情况下红黏土持水特性及力学行为的影响规律，指出游离氧化铁的存在可显著影响红黏土的物理力学性质。刘顺青等[10]研究指出红黏土与高液限黏土性质差异的主要原因在于颗粒间胶结物质。李海龙[11]利用应变控制式直剪仪研究了含水率对高、低液塑限红黏土强度特性的影响。研究发现，破坏行为与液塑限的高低有关，高液塑限红黏土发生脆性破坏，而低液塑限红黏土发生塑性破坏。非饱和红黏土的力学行为相应本质上是胶结物与土颗粒界面相互作用和土颗粒、胶结物与孔隙空间相对关系演化的宏观体现。压汞（MIP）、电镜扫描（SEM）是目前探究孔隙结构常用的方法，但这2类方法均需要对试样进行干燥预处理。在干燥过程中，不可避免地会对土体内部结构产生一定的影响，且较高的注入压力也可能会对孔隙造成一定程度的损伤，使得测试的孔隙结构信息在一定程度上失真。为克服上述可能，卫国芳[12]基于低场核磁共振技术，探究了干湿循环条件下，孔隙结构演化与红黏土抗剪强度的影响规律，阐释了孔隙结构与抗剪强度的内在关联性。

尽管目前国内外学者从试验和理论上对红黏土的工程力学行为都开展了大量的相关研究工作，并取得了长足的发展，对红黏土力学特性有了一定的认知。但由于红黏土具有典型的区域性特征，各地区红黏土的工程力学行为存在明显差异。桂林地区红黏土分布十分广泛，约占整个第四系土分布面积的75%[5]。为更好地服务桂林地区工程建设，有必要开展含水率对桂林红黏土抗剪强度的影响研究。为此，本文选取桂林红黏土为试验对象，利用全自动三轴仪，对非饱和重塑红黏土开展固结排水剪切试验，旨在探究不同初始含水率对其力学行为的影响，为桂林相关工程实践提供一定的理论参考依据。

1 试验概况

本次室内试验所使用的土样取自桂林市雁山区某大学工地，取土深度为地下2～3 m。土体取回后，经风干、碾碎过2 mm筛，取筛下土备用。按照GB/T 50123—2019《土工试验方法标准》[13]中介绍的方法对土样进行基本物理性质指标测试，各项基本的物性指标列于表1中。由表1可知，土体比重（比重瓶法）为2.74，液限为73.56%，塑性指数为34.46；通过击实试验，测定土体最大干密度为1.57 g/cm3，最优含水率为22%；颗粒分析（密度计法）表明，土样中砂粒（0.075～2 mm）含量为17.6%，粉粒（0.005～0.075 mm）含量为28.6%，黏粒（小于0.005 mm）含量为53.8%。

表1 试验土体的物性指标

本次研究采用静压法制备重塑非饱和三轴试样。试验前，根据目标含水率（10%、15%、20%和25%，共4级）和干密度（1.4 g/cm3），将相应质量的蒸馏水和冷却烘干红黏土在保鲜袋中搓揉均匀；然后将润湿的重塑土放置于玻璃干燥器中，密封静置2 d，以确保水分迁移均匀。复测含水率后，根据设定干密度1.4 g/cm3，称取相应质量的湿土，填入不锈钢模具中通过液压千斤顶逐层压实成圆柱形试样，共4层。为尽可能保证试样均匀性，每层土料质量相同，厚度为20 mm。每层压实后，将层间接触面刨毛，以保证各层间接触良好。试样直径为39.1 mm，高度为80 mm。

将成型的试样从模具中顶出，套上厚度为0.5 mm的乳胶膜，装入三轴压力室中，注水围压液。之后，施加目标固结压力（100、200、400 kPa）进行等向固结。通过围压泵测量试样的体积变化。固结变形稳定的判别标准为围压液每小时的体积变形量小于试样初始体积的0.1%。固结变形稳定后，进行三轴剪切试验，剪切速率设置为0.06 mm/min。试验仪器为南京土壤仪器厂生产的SLB-1型应力-应变控制式三轴仪。

2 试验结果

限于篇幅，本文仅呈现了有效围压100 kPa下试样的偏应力q（=σ1-σ3）与轴向应变ε1之间的关系，如图1所示。由图1可见，不同含水率条件下非饱和重塑红黏土试样的应力-应变曲线演化趋势相同，呈现为应变软化型，即在较小的轴向应变下达到峰值应力，之后偏应力随轴向应变的增加而降低。从图中还可以看出，随着含水率的增加，峰值点的应力逐渐减小，软化现象被抑制。李海龙[11]通过直剪试验，报道了相类似的试验结果。

图1 不同含水率下红黏土的应力-应变曲线

根据图1中的应力-应变关系曲线，可以求出土的杨氏模量E。本研究中，取轴向应变ε1=1%处的应力与相应的应变之比来确定杨氏模量。结果表明，当有效围压为100 kPa时，含水率为10.2%、15.1%、20.3%和25.1%所对应的杨氏模量E为645、447、369.7、283.5 MPa。这意味着，试样的含水率对杨氏模量影响显著，其原因可能与含水率对颗粒间游离氧化物形成的胶结物（水稳性）的影响有关。

抗剪强度反映了试样抵抗破坏的能力。为进一步对比分析不同含水率对试样剪切强度qf（=（σ1-σ3）f）的影响，图2中给出了不同净围作用下，重塑非饱和红黏土的qf与含水率w的关系。本研究中，对于qf的取值如下，如果q-ε1曲线有峰值点（即应变软化型），取其峰值；如果q-ε1曲线无峰值点（即应变硬化型），取ε1=15%处的偏应力值。

图2 不同有效围压下含水率对红黏土抗剪强度的影响

由图2可以看出，当有效围压一定时，含水率显著影响试样的抗剪强度。随着含水率的增加，试样的抗剪强度单调降低。此外，当含水率一定时，有效围压越大，重塑非饱和红黏土试样的抗剪强度越高，即成正比例关系。采用线性函数对图2中的强度和含水率的关系进行回归分析，可以得到抗剪强度与含水率之间存在如下线性关系

式中：qf为抗剪强度，kPa；w为含水率，%；a和b为拟合参数，可通过拟合图中数据确定。拟合结果见表2。

表2 拟合参数汇总

根据摩尔-库伦准则可知，土体的强度是由黏聚强度和摩擦强度组成。因此，强度的变化受上述二者变化的综合影响。根据三轴试验结果可知，含水率变化对黏聚力和内摩擦角影响显著。含水率为10.2%、15.1%、20.3%和25.1%所对应的黏聚力分别为265.2、250.2、195.0、136.3 kPa；对应的内摩擦角分别为30.8°、29.2°、28.1°和27.2°。

3 分析与讨论

土体是由形态、大小各异的粒团颗粒单元、聚集体及胶结物质堆积而成[14]。对于由碳酸盐岩风化形成的红黏土，土体中除了硅铝富集外，还有铁（主要来源于赤铁矿、针铁矿等造岩矿物）富集所生成的氧化物。游离的氧化铁颗粒细小，与水反应生成氢氧化铁胶体，充填于土体孔隙中[9]，胶结颗粒，增强颗粒之间的相互作用。但由于这种连接具有水稳定性[15]，对力学行为的贡献程度取决于土体含水率的大小，具体表现为对黏聚力和内摩擦角的影响。

研究表明，非饱和红黏土的黏聚力主要来源于土颗粒间的水膜连接、相互吸引及胶结作用，且以水膜连接和胶结连接占主导[2]。在低含水率时，首先产生胶结作用，而后形成结合水。土体孔隙中的游离氧化铁与土颗粒间形成较强的连接力，从而表现出较高的黏聚力。随着含水率的增加，水稳性胶结物的连接强度由于含水量的增加而减弱，更甚者在较高的含水率下将使得胶结强度发生破坏，致使非饱和红黏土黏聚力急剧下降。此外，增加含水率的同时，黏土矿物表面的结合水膜增厚，尤其是弱结合水膜的出现，增大了颗粒间的间距，同时形成润滑，进一步导致颗粒间水膜连接强度的减弱，致使土体黏聚力降低。

傅鑫晖等[16]指出，红黏土内摩擦角主要受控于颗粒结构、密实度及大小。在密实度一定的情况下，红黏土摩擦角受控于颗粒结构。通常，红黏土中游离氧化铁有2种赋存形式，即结晶态和胶结态。因此，可以通过分析含水率对游离氧化物的赋存形态的影响来解释其对摩擦强度的影响机制。在较低的含水率时，土颗粒在游离氧化物的胶结作用下，形成稳定的团粒结构；加之，颗粒间结合水膜发育程度较低，以强结合水形式存在，水膜黏结力较强。在二者（水膜黏结力和胶结作用力）综合作用下，形成了牢固的团聚体结构，土体整体结构性强且密实，故该情况下内摩擦角相对较大。当土中含水率的增加，上述具有水稳特性的胶结作用力和水膜连结力均有不同程度的降低，土体的团聚体结构性减弱。此外，增加含水率的同时，黏土矿物表面的结合水膜增厚，尤其是弱结合水膜的出现，增大了颗粒间的间距，咬合作用力也随之减弱，且起到润滑作用，致使土体内摩擦角降低。综上，在低含水率范围内，红黏土试样的内摩擦角较大，随着含水率的增加而降低。