干密度與含水率對重塑紅黏土抗剪強度參數影響研究*

陳鴻賓 陳學軍 齊運來 黃 翔 余思喆 肖桂元

( ①桂林理工大學 桂林 541004)

( ②中國有色金屬長沙勘察設計研究院有限公司 長沙 410007)

0 引 言

作為一種特殊類型土，紅黏土廣泛分布于我國中西部地區，其具有許多特殊的工程特性，尤其在物理性質、力學性質、應力－應變特性、水理特征等方面明顯區別于其他類型土。目前，國內外許多學者對不同條件下土體的強度特性進行了研究。Miller et al.( 2002) 研究各類型土體在不同擊實功和含水率下的土－水特征曲線; Kawai et al.( 2000) 等考慮了固結壓力和不同初始含水量對土－水特征曲線的影響; 針對廣西地區紅黏土，趙穎文等( 2003，2004) 對廣西原狀紅黏土的力學指標脹縮特性與孔徑分布隨脫濕過程的演化規律進行了較為系統的室內試驗研究; 傅鑫暉等( 2013) 通過壓力板儀測定了紅黏土脫濕土－水特征曲線; 歐傳景等( 2015) 探討了重塑紅黏土吸力與含水率之間的關系; 宋宇等(2016) 研究了不同干密度下紅黏土剪切變形特性。結合前人試驗研究( 韋時宏等，2004; 韋復才，2005) ，本文主要對不同干密度的飽和與非飽重塑紅黏土進行固結不排水三軸剪切實驗，依據試驗所得到的數據，對桂林紅黏土的干密度、含水率與強度的關系進行分析，研究桂林重塑紅黏土的抗剪強度特性。本次試驗研究，可為相關工程提供一定的理論參考依據。

1 土樣性質及試驗方案

試驗土樣采用桂林疊彩區某工地的殘積型紅黏土，其基本物理性質指標見表1。

表1 紅黏土基本物理性質指標Table 1 Basic physical properties of red clay

試驗主要測試項目: 分別測試4 種不同干密度條件下重塑紅黏土的抗剪強度參數; 測試試驗土樣的含水率。試驗儀器為南京土壤儀器廠有限公司生產的28-T0401/AC 全自動土三軸儀。試驗選取的試樣尺寸為直徑39.1 mm，高度80 mm。試驗測得最大干密度約為1.55 g·cm－3，最優含水率為30%，因此采用1.55 ig·cm－3為最大干密度標準進行擊實，設置若干組平行試驗。重塑土擊實制樣方法參照《土工試驗方法標準》( GB/T50123-1999) 擊實制成163～188 g 的三軸標準試樣。選取163 g、172 g、182 g、188 g 為擊實后土樣重量控制指標( 1993，2008，2013) ，圍壓值σ3分別取l00 kPa、150 kPa、200 kPa、250 kPa、300 kPa。因三軸不固結不排水剪只能得到總應力抗剪強度參數，為對比飽和重塑土與未飽和重塑土的抗剪強度區別，故統一采用固結不排水三軸剪切試驗。

2 試驗結果分析

2.1 飽和重塑紅黏土抗剪強度參數與干密度關系擬合

試驗所得的飽和重塑土樣含水率與干密度關系如圖1，可見含水率與干密度基本為線性關系( ω =－ 0.5503ρd+ 1.1342，1.3 ＜ρd＜1.55) 。

圖1 飽和重塑紅黏土含水率與干密度關系Fig. 1 Relationship between moisture content and dry density of saturated remolded red clay

根據試驗結果，剔除個別偏差較大離散點，得各圍壓下的剪切峰值與干密度關系，飽和重塑紅黏土剪切峰值與干密度擬合關系見圖2。采用線性式( 1) 擬合，剪切峰值與干密度關系擬合參數取值見表2。

圖2 飽和重塑紅黏土剪切峰值與干密度關系Fig. 2 Relationship between shear peak and dry density of saturated remolded red clay

表2 剪切峰值與干密度關系擬合參數Table 2 Relationship between shear peak and dry density fitted parameters

2.2 飽和重塑紅黏土抗剪強度參數與干密度關系擬合

根據剪切峰值擬合公式，代入擬合參數，算出各干密度、各級圍壓條件下的剪切峰值，繪制莫爾圓，得出黏聚力和內摩擦角與干密度( 1.25＜ρd＜1.6) 關系，分別采用二次多項式( 2) 、式( 3) ，擬合關系見圖2。其中黏聚力擬合參數a3=1418.1，b3=－3616.9，c3= 2321.4。內摩擦角擬合參數a4= 282.93，b4=－728.4，c4=471.01。飽和重塑紅黏土抗剪強度參與與干密度關系見圖3。

2.3 未飽和重塑紅黏土剪切峰值與干密度關系擬合

通過對試驗數據進行整理分析，剔除個別偏差較大離散點，得出各圍壓下的剪切峰值與干密度關系，圖4 為圍壓100 kPa 剪切峰值與干密度的關系。同理可得出其他圍壓條件下剪切峰值與干密度關系，采用線性式( 4) 擬合，參數取值見表3。

圖3 黏聚力與干密度的關系( a) 、內摩擦角與干密度關系( b)Fig. 3 Relationship between cohesion and dry density( a) ，relationship between internal friction Angle and dry density( b)

圖4 未飽和重塑紅黏土剪切峰值與干密度關系Fig. 4 Relationship between shear peak and dry density of unsaturated remolded red clay

表3 剪切峰值與干密度關系擬合參數Table 3 The relationship between shear peakand dry density fitted parameters

2.4 未飽和重塑紅黏土抗剪強度參數與干密度關系擬合

根據其峰值擬合公式，代入擬合參數，計算出各干密度下( 1.3＜ρd＜1.6) 非飽和重塑紅黏土黏聚力和內摩擦角與干密度關系，同樣采用式( 2) 、式( 3) ，擬合關系見圖2。其中黏聚力擬合參數a1=－338.11，b1=1387，c1=－1189.9，內摩擦角擬合參數a2=－46.043，b2=181.4，c2=－143.49。

圖5 黏聚力與干密度的關系( a) 、內摩擦角與干密度的關系( b)Fig. 5 Relationship between cohesion and dry density( a) ，Relationship between internal friction Angle and dry density( b)

3 重塑紅黏土抗剪強度特性討論

3.1 重塑紅黏土黏聚力與干密度、含水率關系討論

將擬合出的飽和、未飽和重塑紅黏土黏聚力與干密度關系對比作圖6?？梢钥吹斤柡图t黏土的黏聚力與干密度的二次多項式擬合曲線呈凹狀，未飽和土的黏聚力與干密度的二次多項式擬合曲線呈凸狀，未飽和與飽和土的黏聚力曲線在1.41 g·cm－3附近兩者差值最大，在干密度為1.60 g·cm－3處相交，相交處恰為試驗所得最大干密度點。

圖6 重塑紅黏土黏聚力與干密度關系Fig. 6 Relationship between viscosity and dry density of reconstructed red clay

按照擬合出的未飽和重塑紅黏土黏聚力與含水率曲線( 圖7) ，未飽和重塑紅黏土的黏聚力隨著含水量的增大而減小，其衰減曲線呈二次多項式關系。由此可見，紅黏土試樣的含水率對黏聚力的消減存在顯著影響，黏聚力隨著含水量的增大而減小，呈凹形二次多項式。尤其含水率為30%～41%時黏聚力衰減，最大衰減了約80%，當含水率在43%以上接近飽和時，黏聚力的波動不明顯，已近趨于穩定。

紅黏土中的膠結物質主要為氧化鐵、氧化鋁等，經過風干后的紅黏土，其游離氧化鐵賦存的形態是以結晶態的針鐵礦和膠結態共存的。自然風干紅黏土在提高土樣含水率后，其中一部分結晶態的水與游離氧化鐵可以再轉化為膠結鐵，因此依然能膠結形成一定的黏聚力( 孔令偉等，1993) 。同時，根據傅鑫暉等( 2013) 對桂林紅黏土的研究可知，Van Genuchten 模型適用于該類型紅黏土的土－水特征曲線，其中基質吸力對重塑紅黏土黏結力也有較大貢獻。由試驗分析可知，在含水率為30%～41%范圍內，重塑紅黏土的非飽和黏聚力較大。

圖7 未飽和重塑紅黏土黏聚力與含水率關系Fig. 7 Relationship between cohesion and moisture content of unsaturated remolded red clay

3.2 重塑紅黏土內摩擦角與干密度、含水率關系討論

重塑紅黏土內摩擦角與干密度的關系可見圖8。如圖8 所示，飽和土的內摩擦角與干密度的二次多項式擬合曲線呈凹狀，未飽和土的內摩擦角與干密度的二次多項式擬合曲線呈凸狀。兩者在干密度為1.35 g·cm－3附近兩者差值最大，在干密度1.60 g·cm－3處相交，相交處恰為試驗所得最大干密度點。

圖8 內摩擦角與干密度關系Fig. 8 Relationship between internal friction angle and dry density

重塑紅黏土內摩擦角與含水率的關系可見圖9。如圖9 所示，含水率對內摩擦角同樣存在顯著影響，對于未飽和土，在較高的含水率下內摩擦角幾乎可以忽略不計，而較低含水率時，內摩擦角有大幅提高。針對上述現象，可從兩個方面加以分析。( 1) 從基質吸力封面看，飽和土與非飽和土主要是基質吸力區別，非飽和土的土體骨架內部產生附加的摩擦力由于基質吸力的存在產生。同時基質吸力與含水量有著密切相關，在土體處于非飽和狀態的時候，由于基質吸力的存在，在受到外力作用時土體結構力增強，宏觀表現為土體強度的增加。但是隨著飽和度的提高，基質吸力逐漸減小，外力作用下強度必然降低，這是紅黏土隨著含水率的增加而剪強度衰減的主要原因之一。( 2) 從紅黏土自身的礦物成分的特性方面分析，由于紅黏土的特殊雙電層結構具有很強的吸水性，加之紅黏土內含大量游離氧化鐵，一部分則是以單獨顆?；蛟趫F粒表面以“包膜”形式存在，另一部分是以團粒的形式存在于土體中，由于鐵的陽離子帶正電，能吸附水體中的負離子，隨著含水量的增加，吸附水膜變厚，從而增加了團粒與團粒之間的潤滑層的厚度，這將有利于團粒的滑移和滾動。因本次試驗結果主要分析含水率與干密度對紅黏土抗剪強度參數的影響，重在對比分析，故未考慮基質吸力和微觀結構影響，下一步工作將深入研究上述兩方面問題。

圖9 內摩擦角與含水率關系Fig. 9 Relationship between internal friction angle and moisture content

3 結 論

( 1) 通過對試驗數據的擬合分析可知，飽和重塑紅黏土的黏聚力與干密度呈凹狀二次多項式曲線關系，未飽和重塑紅黏土黏聚力與干密度的呈凸狀二次多項式曲線關系，未飽和與飽和土的黏聚力曲線 在 干 密 度 1.41 g·cm－3處 差 值 最 大，在1.60 g·cm－3處相交，兩者相交處為試驗所得最大干密度點。

(2) 飽和重塑紅黏土的內摩擦角與干密度的二次多項式擬合曲線呈凹狀，未飽和重塑紅黏土內摩擦角與干密度呈凸狀二次多項式曲線關系。兩者在干密度為1.35 g·cm－3附近兩者差值最大，在干密度1.60 g·cm－3處相交，相交處恰為試驗所得最大干密度點。

(3) 未飽和重塑紅黏土的黏聚力隨著含水量的增大而減小，其衰減曲線呈二次多項式關系。紅黏土試樣的含水率對黏聚力的消減存在顯著影響，黏聚力隨著含水量的增大而減小，呈凹形二次多項式。未飽和重塑紅黏土的含水率對內摩擦角同樣影響顯著，在較高的含水率下內摩擦角可以忽略不計，而較低含水率時，內摩擦角有大幅提高。