重塑条件对红黏土力学特性影响试验研究

冉宇玲 杨秀娟 柏巍 樊恒辉 李科

摘要：重塑条件是影响重塑土样相关力学特性的重要因素，为分析堤防建设的土工试验中各重塑条件对重塑土力学特性的影响，采用不固结不排水三轴试验研究了不同重塑条件（碎土方式、含水率和制样方式）对重塑红黏土力学特性的影响，并结合扫描电镜图像揭示了相关重塑条件对力学强度特性的影响机理。结果表明：在含水率较低时，影响红黏土重塑样强度的主要因素为制样方式；当含水率升高后，碎土方式成为主要的控制因素；结合微观试验进一步说明不同碎土方式得到不同级配的土粒，机械碎土方式会使得土颗粒集聚成不同数量的“粗颗粒”，改变土粒级配从而影响相关力学特性；不同制样方式导致土颗粒发生不同的有序排列，进而使得土体抗剪强度发生变化。

摘要：红黏土； 重塑条件； 力学特性； 不固结不排水三轴试验； 微观分析

中图法分类号： TU41

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.01.032

0 引 言

红黏土是碳酸盐类岩石在亚热带温热气候条件下经物理-化学风化作用而形成的一种特殊性土，具有高孔隙比、高含水率、高强度和低压缩性的特点［1］。由于其结构的特殊性，力学特性会受到土体结构很大影响，可能会因重塑条件的不同而导致重塑土的力学性能存在差异。在堤防建设的土工试验中测试红黏土土体物理力学和工程性质时，多以重塑土样作为试验对象。重塑土样具有制备过程简单、数量不受限制、可模拟性强的特点［2］，但土体在进行重塑时会因宏观或微观条件差异，如含水率［3-4］、干密度［5］、制备方法［6-11］、颗粒粒径［4，12］等，影响土体力学特性试验结果的准确度和可靠性。重塑过程常涉及碎土、含水率配制和制样方式3个方面，需要分别研究这3个方面重塑条件对土体力学特性的影响。而目前有关重塑条件对红黏土重塑土样力学特性的研究较少，有必要系统探究重塑条件对红黏土重塑土样力学特性的影响规律

本文以雁山红黏土为研究对象，基于红黏土重塑制样过程中碎土方式、配置含水率和制样方式等3个主要控制条件，结合室内试验实际情况，通过控制碎土方式（橡胶锤锤击碎土、机械碎土）、含水率（最优含水率以及前后3%）和制样方式（静态压实、动态击实）对红黏土重塑土样的力学特性进行探究，并结合扫描电镜结果，分析不同重塑条件对其力学强度特性的影响。

1 试验材料与试验方法

1.1 土样的基本性质

本文试验所用红黏土取自桂林市雁山区，埋深为1.2～2.8 m，其基本物理特性指标及化学成分如表1、表2所列，击实曲线如图1所示。

1.2 重塑条件

1.2.1 碎土方式

根据GB/T 50123-2019《土工试验方法标准》［13］中扰动土试样预备程序，采用锤击碎土和机械碎土2种碎土方式准备土样。将现场取回的碎块状红黏土放入温度设置为105 ℃的烘箱，12 h后取出。根据制样设定，称取两部分质量相同的土体，一部分土通过橡胶锤锤击碎土，另一部分通过机械碎土，分别将其过2 mm筛后装袋备用。对两种碎土方式得到的土进行颗粒分析，发现橡胶锤锤击的土中粒径为0.25～2 mm的土颗粒占比较多，大约为70%，而经机械破碎的土中占比仅为40%左右；0.075～0.25 mm以及0.075 mm以下的土颗粒，机械破碎的土中占比为50%左右，橡胶锤锤击土中占30%。此外经由橡胶锤锤碎的土具有一定的浑圆度，而机械破碎的土棱角分明，有明显的较为锋利的切面（见图2）。

1.2.2 含水率

设置3种不同的含水率。由红黏土的基本物理指标可知，其最优含水率为28%左右，因此含水率设定为最优含水率以及最优含水率干湿两侧以3%为梯度的2个含水率，即：25%，28%，31%。将2种碎土方式得到的红黏土分别放入托盘中，喷洒设定含水率对应的水量，土体配制完成后将其装入密封袋中保存，放置24 h，使得水分能够在土体中均匀分布［13］。

1.2.3 制样方式

采用静态压实和动态击实2种制样方式。在进行静态压实时，首先根据计算的土样质量对配制好的相应含水率土体进行称重，然后在制样筒内壁涂上薄层凡士林使其易于脱模；底部放置滤纸后将称量好的土倒入制样筒内，整平后在表面也同样放置一张滤纸，再将制样器冲头装入制样筒内；最后将整个制样器转移至压力机上，以恒定压力进行压实；压实完成静止2 min后，取下护筒和冲头，最后将土样压出。土样尺寸选择39.1×80 mm的圆柱样。对动态击实样进行3层击实，首先根据计算的土样质量对配制好的相应含水率土体进行称重，并将其分成3份；在击实筒内壁涂上薄层凡士林后，底部放置滤纸并加入称好的土，整平表面，进行击实；第1层击实完成后，为避免有明显的分层现象，用刮刀将击实表面进行刮毛，第2～3层重复上述操作［13］。

1.3 试验方案

采用南京土壤仪器厂生产的TSZ-1型应变控制式三轴仪进行不固结不排水三轴试验，共12组土样，加载速率为0.073 mm/min，围压分别设置为100，200，300 kPa。然后对相应条件的红黏土试样进行电镜扫描，试样编号及其对应控制条件见表3。

2 试验结果与分析

2.1 重塑条件对红黏土破坏形式的影响

对12组试样进行三轴不固结不排水试验，试验过程中出现的破坏形式见图3，图3為（1）～（12）号代表性试样。当含水率为25%时，不同碎土方式和制样方式下的（1）～（4）号试样均发生了剪切破坏。随着含水率升高（ω=28%），试样（6）和试样（8）破坏形态由剪切破坏变成鼓胀破坏，而试样（5）和试样（7）仍发生剪切破坏。含水率升高至31%时，（9）～（12）号试样均以“鼓胀”的形式发生破坏。这表明，此时碎土方式和制样方式对于红黏土试样的破坏形式没有太大的影响，而与含水率的大小有直接的关系。即不同碎土方式和制样方式下的红黏土试样随着含水率的增大，其破坏形式逐渐由“剪切”过渡至“鼓胀”，这与赵蕊［3］、余云燕［14］和毕庆涛［15］等的结论一致。

2.2 重塑条件对红黏土力学参数的影响

不同重塑条件下试样（1）～（12）三轴试验对应的应力-应变关系曲线如图4所示。

确定每组试样在破坏时的偏差应力后，根据摩尔库伦理论在τf-σ坐标轴图上绘制出极限状态摩尔圆，根据摩尔圆的公切线确定各组试样的黏聚力和内摩擦角［16］，如图5所示。由图可知，雁山红黏土的黏聚力、内摩擦角变化的总体趋势是随着含水率的增加而减小，但各试样因重塑条件的不同而存在差别。

由图5可知，当含水率为25%时，试样（1）、（2）的黏聚力高于试样（3）、（4），内摩擦角差别较小，整体剪切强度试样（1）、（2）大于试样（3）、（4）。其控制因素为制样方式，即含水率处于较低水平时，采用静态压样方式得到的试样黏聚力高于动态击实方式。当采用压实方式制样时，试样一次性压样完成，土颗粒分布较为均匀，整体性较好；而采用击实方式时，需要分多层进行击实，各层的接触面很容易在受压时发生破坏，同时击实过程易封存空气，土样内部形成较大孔隙，最终导致抗剪强度的降低。各重塑条件下的红黏土试样内摩擦角差别较小，而影响内摩擦角的因素，如破碎方式不同导致土颗粒之间的摩擦不同，在此时体现得并不明显。

当含水率增加至28%时，试样（5）、（7）的黏聚力高于试样（6）、（8），而内摩擦角低于试样（6）、（8）。对于重塑红黏土来说，黏聚力主要由土颗粒间的库仑力和范德华力所控制［3，14］。试样（6）、（8）采用机械破碎的方式进行碎土，在含水率不高的情况下，组成（6）、（8）试样的土颗粒更小，颗粒间因库仑力和范德华力而相互吸引聚集成为“粗颗粒”，使得颗粒与颗粒之间存在大孔隙，在外力作用下更容易被破坏［5］，最终导致黏聚力比试样（5）、（7）低19%以上。试样（6）、（8）“粗颗粒”之间的咬合摩擦力要大于试样（5）、（7），随着含水率由25%增大至28%，吸附在土颗粒上的水膜也相应变厚，试样（5）、（7）相比试样（6）、（8）的“粗颗粒”比表面积更大，从而润滑作用更强，最终体现为试样（6）、（8）的内摩擦角比试样（5）、（7）的内摩擦角高16%左右。

当含水率为31%时，试样（9）、（11）比同一含水率下（10）、（12）号试样的黏聚力要高出10倍左右，而内摩擦角均大致在30°左右。这说明橡胶锤锤击碎土方式得到的试样比机械碎土方式得到的试样抗剪强度更大，即此时抗剪强度的控制因素为粒径组分。土的持水特性的决定性因素主要有细粒含量和土中孔隙，细粒含量越高，土中孔隙越小，其连通程度越好，则持水性越好［4］，同时含水率升高使得土颗粒之间的润滑效果增强，水分在土颗粒表面形成润滑剂［17］。除此之外，由于红黏土是一种特殊的土体，含有大量的游离氧化铁［1］，以包膜的形式附着在团粒表面，或是以团粒的形式独立存在使得连接作用增强。试样（10）、（12）中土颗粒的粒径均较小，在含水率较大时，土颗粒之间吸附的水膜较厚，而游离氧化铁在重塑过程中的包膜和独立存在的形式相较于试样（9）、（11）更少，因此黏聚力呈现出较大的差别［15，18］。

2.3 重塑条件对红黏土力学特性影响的微观分析

对试样进行扫描电镜试验，根据试样微观结构进行相关分析。由图2可知，当碎土方式不同时，采用机械碎土方式的土体粉粒较多。因此采用机械碎土方式的试样其土颗粒之间因库仑力、范德华力而集聚成较大的“粗颗粒”［6］（见图6），与锤击碎土方式相比“粗颗粒”的数量较多。进而表现为，在含水率较低时，不同碎土方式的影响并不明显；而含水率增高时，碎土方式成为控制强度的重要因素。

图7为放大8 000倍后两种碎土方式的静态压实样和动态击实样的扫描电镜图。可以清晰地看到，两种碎土方式中静态压实样表面孔隙分布较为均匀，同时土颗粒排列较为整齐；而动态击实样在制样过程中经过了多次夯击作用，土颗粒中的扁平状和椭圆状颗粒容易在此作用下发生定向位移，即长轴偏于竖直方向的土颗粒转向长轴偏于水平方向（图7（b）、图7（d）中红线标记），这与任克彬等［19］所绘制的不同制样方法过程中土颗粒调整示意图较为一致。

对图7采用PCAS软件［20］进行处理，得到该含水率下红黏土结构单元体排列的概率熵，以反映红黏土结构单元体的有序性。根据其结果，锤击碎土得到的静、动态试样概率熵分别为0.941和0.925，机械碎土方式得到的静、动态试样概率熵分别为0.933和0.920。由此可知，两种制样方式得到的土样中土颗粒都较为有序，同时静态压实样中土颗粒的有序性要高于动态击实样。在含水率较低时，击实方法中土体压缩速度较快，土颗粒和团粒之间的气泡难以排出［19，21］，土样容易封存空气，使得土样内部及表面形成较大孔隙［6，22］（图7（a）、图7（c）中蓝圈标记）；而通过压实方式获得的试样中，恒定压力施加均匀且缓慢，土颗粒和团粒间空气有足够的时间排出，同时土颗粒也更容易形成接触良好且均匀的结构，这与前述三轴试验结果一致。

3 结 论

本文以雁山红黏土为研究对象，结合室内试验实际情况，选取碎土方式、含水率和制样方式3个方面的影响因素，通过不排水不固结三轴剪切试验对红黏土力学特性进行探究，并结合扫描电镜试验，从微观层面分析相关影响因素对其力学强度特性的影响，得到以下結论：

（1） 各重塑条件下的红黏土随着含水率的增大，其破坏形式逐渐由“剪切”过渡至“鼓胀”破坏。

（2） 红黏土试样的黏聚力、内摩擦角均随着含水率的增加而减小，各试样因重塑条件的不同而存在差别，制样方式的不同通常在含水率较低时影响显著，而当含水率处于较高水平时，控制因素通常为碎土方式。

（3） 不同碎土方式得到不同级配的土颗粒，机械碎土方式会使得土颗粒集聚成不同数量的“粗颗粒”，改变土粒级配从而影响相关力学特性，而制样方式不同体现为土颗粒发生不同的有序排列，进而使得土体抗剪强度发生变化。

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（编辑：郭甜甜）

Effect of remolding conditions on mechanical properties of laterite

RAN Yuling1，2，YANG Xiujuan1，BAI Wei2，FAN Henghui1，LI Ke1，2

（1.College of Water Resources and Architectural Engineering，Northwest Agriculture and Forestry University，Yangling 712100，China； 2.State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering，Institute of Rock and Soil Mechanics of Chinese Academy of Sciences，Wuhan 430071，China）

Abstract：

The remolding conditions play a crucial role in influencing the mechanical properties of remolded soil samples.To analyze the impact of various remolding conditions on the mechanical properties of remolded soil in geotechnical tests for embankment construction，unconsolidated undrained triaxial tests were conducted in this study to investigate the effects of remolding conditions（different crushing methods，moisture contents，and sample preparation methods）on the mechanical properties of remolded laterite.The mechanism influencing the mechanical strength properties due to remolding conditions was elucidated through scanning electron microscopy（SEM）images.The results indicate that when the moisture content is low，the main factor affecting the strength of laterite is the preparation method.When the moisture content increases，the method of soil crushing becomes the main control factor.Combining with the microscopic test，it further reveals that different soil crushing methods can obtain soil particles of different gain size distributions.Mechanical crushing methods will make the soil particles gather into different amounts of "coarse particles"，change the soil grain distribution and thus affect the relevant mechanical properties.Different sample preparation methods are reflected in the different ordered arrangement of soil particles，thus changing the shear strength of soil.

Key words：

laterite；remodeling conditions；mechanical properties；unconsolidated undrained triaxial test；micro analysis