黔北红黏土力学性能改良的试验研究

刘 勇 廖 燕 朱俊卿 罗全锐

（遵义职业技术学院，贵州 遵义 563000）

0 引言

红黏土在我国分布广泛，以贵州、云南和广西最为典型，总出露面积大约20万km2。黔北地区岩溶地貌发育，红黏土分布广泛，具有高液限、高塑性、高孔隙性等特点，但具有遇水膨胀、失水收缩等不良特性，对黔北地区工程项目的安全施工及后期运营都有较大危害。随着国家新型城镇化、现代旅游业和乡村振兴战略的大力推进，黔北经济将迎来前所未有的大发展，基础设施建设投入也将进一步加大，将会不可避免地遇到红黏土地质环境，故研究红黏土物理力学性质与改良对土木工程建设尤为重要，红黏土本身性质无法改变，如何改良就成为学术界和工程界所面临的重要问题。

我国红黏土的工程地质研究已有50多年的历史。不少文献对红黏土的工程特性作了很好的概括。20世纪80年代以来，一些学者开始研究红黏土的物质成分和微观结构及其与工程特性的关系，取得了一批很有意义的成果[1]。到目前为止，国内外已有较多关于红黏土成因、微观结构、矿物成分、物理力学指标、影响因素等方面的研究：如针对红黏土的物质组成和微结构特征，提出了红黏土微结构的概化模型[1]；符必昌等学者在对红土地区进行大量的勘察及现场试验的基础上，提出了红土化作用[2]；李光耀等学者从贵州不同地区气温、地形地貌及母岩成分差异性的角度对红黏土基本性质影响进行了分析研究，提出了贵州中东部地区红黏土工程性质较好，西部地区工程性质较差的结论[3]；吕海波等基于X射线衍射试验、全化学元素分析、Bogue法和K值法，对广西武鸣、桂林两地红黏土的矿物成分进行了定性鉴定和定量分析研究[4]；李向东等对云南蒙自红黏土的含水率、压实度与CBR、密实度、膨胀量、回弹模量的关系进行分析[5]；还有些学者从工程性状下对红黏土的干湿循环，以及干湿循环作用下红黏土的抗剪强度、湿化特性、胀缩变形特性及力学性质等方面进行大量研究[6-11]。

目前，国内外通过对红黏土场地的加固和成分的改良处理也有一定的实践，主要从以下几个方面进行改良研究：雷鑫学者通过水泥改良、石灰改良、固化剂改良3种方案，分析改良红黏土无侧限抗压强度，判别不同改良方案的水稳性[12]；邓宇等学者通过间隔双排桩及锚杆使用在红黏土场地项目的加固应用；还有些学者从木纤维加筋、玄武岩短切纤维(BCF)、聚氨酯材料W-OH、石灰、水泥等方面对红黏土组份进行改良的研究，也取得了一定的研究成果。

根据黔北地区红黏土的物理力学性质，以仁怀、习水、正安等地的红黏土为例，通过加入一定比例的水泥、石灰及竹纤维等物质来改良红黏土的不良工程性质，通过分析改良后的红黏土物理力学性质，判断改良方式的可行性。本方法既能将黔北地区竹产业有效地应用到红黏土场地的改良上，又能达到绿色节能环保的效果。

1 试验方案

1.1 天然土样采集

本试验所用的红黏土取自仁怀市茅台镇某施工现场，天然红黏土结构密实，呈红棕色。根据《岩土工程勘察规范》（GB50021—2001）和《土工试验方法标准》（GB/T50123—1999）取得试验土样的基本物理性质指标，如表1所示。

表1 原状红黏土物理性质指标

1.2 竹纤维制备

试验采用5年以上的成熟竹子制备竹纤维，竹纤维是一种有机絮状纤维物质。将竹纤维混合后可形成一个三维空间网状组织结构，均匀度、稳定性、分散性及柔韧性较好，是一种新型环保材料。试验中竹纤维样品相关物理性质参数见表2。

表2 竹纤维物理性质指标

1.3 试验方法

在取土场地，利用五点法取土样150kg，将土样均匀搅拌后分为3份，每份50kg，装进塑料袋密封，贴上标签带回实验室，利用3种不同的改性方法制备试验样品，加入水泥竹纤维（体积比1∶1）、石灰竹纤维（体积比1∶1）、水泥石灰竹纤维（体积比1∶1∶1），分别对应的试验样品名称为CBC类土、LBC类土、CLBC类土，同条件养护14d，对这三种改良土体进行抗剪强度、无侧限抗压强度和自由膨胀试验，试验结果如表3所示。

表3 三种不同改良方式的红黏土的物理力学性质

1.3.1 直剪试验

取CBC、LBC、CLBC三类土按照5种不同掺入比进行改良红黏土，每种试样不少于5个，分别进行直接剪切的快剪试验，仪器选用ZJ型应变控制式直剪仪，剪切速率0.8mm/min，剪切位移量4mm。具体实验步骤：选用高20mm、直径为61.8mm的环刀，严格按照《土工试验方法标准》进行改良红黏土的取样，直剪仪的垂直加载压力分别为50kPa、100kPa、200kPa、300kPa和400kPa。采用快剪试验进行土体抗剪强度指标c、φ值的测定，结果见表3。

1.3.2 无侧限抗压强度试验

取样方式与直剪试验一致，对土样分别进行无侧限抗压强度试验，仪器选用YYW-1型应变控制式无侧限压缩仪，测力计率定系数为1.673kPa/0.01mm。试验步骤如下：选用高80mm、内径39.1mm的土模型，垫好试纸，将改良好的土样按规范放入无侧限压缩仪工作区，调好秒表，匀速摇动手柄，拍摄视频记录试样的变化情况，及时记录数据。无侧限抗压强度值见表3。

1.3.3 自由膨胀率试验

本次试验分别取3种改良土样进行试验，按现行国标《土工试验方法标准》的要求进行自由膨胀率试验，每种土样制备两组进行平行测定，取其平均值；同时保证含水率与直接剪切试验、无侧限抗压强度试验时含水率一致，自由膨胀率测试结果见表3。

2 试验数据分析

2.1 直剪试验数据处理及分析

根据直接剪切试验数据表3分析，三种改良红黏土含水率一定时，同种改良方法不同掺入量与土体抗剪强度c、φ的关系，见图1、图2。

图1 掺入量与改良土黏聚力的关系

图2 掺入量与土内摩擦角的关系

由图1、图2可知，改良红黏土的黏聚力c随掺入比的增加而增大，从1%～9%增加比较显著，当掺入量超过9%后，随掺入量的增加黏聚力增量变缓；改良红黏土的内摩擦角φ随掺入量的增加而增大，其中在1%～9%范围内增加比较明显，掺入量超过9%后内摩擦角增量变缓；同时掺入量对黏聚力的影响比内摩擦角影响更显著。同掺入量下CLBC类改良土抗剪强度指标最大，LBC类改良土最小。

2.2 无侧限抗压强度试验数据处理及分析

根据无侧限抗压强度试验数据表3分析，其他条件相同的情况下，改良方法不同掺入量与无侧限抗压强度的关系，见图3。

根据表3数据和图3的分析，三种改良方法都能提高红黏土的无侧限抗压强度，其中掺入量在1%～9%无侧限抗压强度增量显著，超过9%后其增量变缓；同掺入量下CLBC类改良土无侧限抗压强度最大，LBC类改良土最小。

图3 掺入量与无侧限抗压强度的关系

2.3 自由膨胀率试验数据处理及分析

根据自由膨胀率试验数据和图4分析，其他条件相同的情况下，随掺入量的增加LBC类改良土的自由膨胀率有增大的趋势，而CBC和CLBC类改良土自由膨胀率逐渐减小；相同情况下，CBC类改良土自由膨胀率减小更显著，可见石灰对红黏土自由膨胀率影响显著。

图4 掺入量与土自由膨胀率的关系

3 结束语

通过对3种改良方法不同掺入量下红黏土的抗剪强度、无侧限抗压强度和自由膨胀率进行试验分析，得出以下结论：

（1）CBC类、LBC类和CLBC类3种改良红黏土，随着掺入量的增加，其抗剪强度指标均逐渐增大，CLBC类改良红黏土增量最大，抗剪强度指标中掺入量对土的黏聚力影响更显著，当掺入量超过9%时，增幅变缓。

（2）3类改良红黏土，随掺入量的增加，改良红黏土的无侧限抗压强度显著增大，CLBC类改良红黏土增量最大，当掺入量超过9%时，无侧限抗压强度增幅变缓。

（3）通过3类改良方式的自由膨胀率分析发现，掺入石灰竹纤维（LBC类）的红黏土自由膨胀率随掺入量的增加而增大，而CBC类和CLBC类的自由膨胀率随掺入量增加而减小，未加石灰的CBC类改良土自由膨胀率减小显著；可见，石灰对红黏土自由膨胀率影响显著。

综上所述，在不考虑自由膨胀率的前提下，CBC类、LBC类和CLBC类3种改良方法对提高红黏土的物理力学性能有较大帮助，其中CLBC类改良效果最佳，掺入量控制在9%左右比较合理。