不同含水率紅粘土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究

羅文俊，王海洋，劉煥強(qiáng)，劉明星

（1.華東交通大學(xué)鐵路環(huán)境振動(dòng)與噪聲教育部工程研究中心，江西 南昌330013；2.中鐵電氣化局集團(tuán)有限公司，北京100000）

紅粘土廣泛存在于我國(guó)南方地區(qū)，它是由母巖中礦物的遷移、過渡、交代、沉淀等過程，經(jīng)過一系列的化學(xué)、物理化學(xué)變化而形成的[1-2]。紅粘土是一種具有特殊工程性質(zhì)的土體，具有較高含水率、高液塑限、孔隙比較大、密度大、壓縮性低、遇水膨脹、失水收縮等特點(diǎn)[3]，這些特點(diǎn)的存在一方面使得紅粘土具有良好的地基承載力，另一方面也使紅粘土存在眾多的工程隱患[4-5]。 因此，含水率是造成紅粘土強(qiáng)度變化的重要因素，進(jìn)行含水率對(duì)紅粘土抗剪強(qiáng)度的影響研究對(duì)現(xiàn)有工程具有重要意義。

胡展飛、傅艷蓉[6]針對(duì)上海軟黏土的原狀與重塑土分別進(jìn)行了室內(nèi)直剪試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)抗剪強(qiáng)度參數(shù)和均隨含水量的增加而減??；王中文等[7]研究了廣東云浮紅粘土抗剪強(qiáng)度的水敏性，發(fā)現(xiàn)其抗剪強(qiáng)度、粘聚力和內(nèi)摩擦角均隨含水率的增加呈衰減趨勢(shì)；劉小文、常立君等[8]以南昌地區(qū)紅土為對(duì)象，考慮不同含水率、干密度對(duì)其抗剪強(qiáng)度的影響，進(jìn)行室內(nèi)直剪試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：抗剪強(qiáng)度和粘聚力c 隨干密度的增大而遞增，內(nèi)摩擦角φ 則呈遞減趨勢(shì)，隨著含水率的增大，c 逐漸減小而φ 先增大后減小；湯新福、趙云剛[9]研究了壓實(shí)粘土抗剪強(qiáng)度與含水量的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)粘土的抗剪強(qiáng)度和內(nèi)摩擦角φ 隨壓實(shí)含水量的增大而減小，粘聚力隨壓實(shí)含水量增加呈折線變化；趙蕊等[10]以貴陽(yáng)重塑紅黏土為對(duì)象，進(jìn)行了三軸不固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)，結(jié)果表明：貴陽(yáng)重塑紅黏土的不排水抗剪強(qiáng)度及粘聚力、內(nèi)摩擦角均隨含水量的增大而減小。

然而，由于受到土體應(yīng)力歷史、礦物成分、內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)等因素的影響，土體抗剪強(qiáng)度隨含水率的變化規(guī)律對(duì)于不同地域的土體具有顯著的差異性[11]。 國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)江西省廣泛分布的特殊紅粘土研究較少。江西紅粘土具有特殊的結(jié)構(gòu)性，二氧化硅含量高，含網(wǎng)紋層，為亞熱帶地區(qū)富硅鋁鐵的高嶺土類型[12]。 目前，含水率對(duì)該類紅粘土抗剪強(qiáng)度的影響機(jī)理尚不清晰。

本文對(duì)江西重塑紅粘土的抗剪強(qiáng)度特性做了較為全面的試驗(yàn)研究，研究了土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)（粘聚力、內(nèi)摩擦角）隨含水率的變化規(guī)律，通過X 射線衍射試驗(yàn)分析了江西紅粘土的礦物組成及其含量占比，通過電鏡掃描觀察，用紅粘土土樣微觀結(jié)構(gòu)的變化很好地解釋了宏觀試驗(yàn)現(xiàn)象，為本地區(qū)工程項(xiàng)目建設(shè)提供了試驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 基本物理力學(xué)特性

1.1 基本物理指標(biāo)

土樣取自南昌市某施工工地旁的殘積紅土層，依據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》[13]，對(duì)紅粘土樣進(jìn)行一系列的室內(nèi)常規(guī)試驗(yàn)，得出紅粘土的基本物理指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

依據(jù)《土工試驗(yàn)技術(shù)手冊(cè)》[14]，該土樣液限大于40%，塑性指數(shù)大于17，為高液限紅粘土，液性指數(shù)小于0，可判定其處于堅(jiān)硬狀態(tài)。

1.2 顆分試驗(yàn)

顆粒級(jí)配分析試驗(yàn)按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》的要求進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果見表2。 可以看出，顆粒粒徑大于0.075 mm 的含量所占的比例較大，說明紅粘土未完全風(fēng)化，含有風(fēng)化不完全的礦物[15]。其礦物成分及含量有待進(jìn)一步做X 射線衍射試驗(yàn)分析。

表1 紅粘土基本物理指標(biāo)Tab.1 Basic physical indexes of red clay

表2 土樣顆粒組成百分比Tab.2 Particle composition percentage of soil samples

1.3 擊實(shí)試驗(yàn)

按照土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[16]，采用余土高度“精確邊擊邊測(cè)”的控制方法對(duì)土樣進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)[17]，由此來確定紅粘土的最大干密度ρdmax和最優(yōu)含水率wop。 圖1 為紅粘土的擊實(shí)曲線。

從圖1 試驗(yàn)結(jié)果可以看出，該擊實(shí)曲線在峰值點(diǎn)處所對(duì)應(yīng)的含水率即為紅粘土的最優(yōu)含水率，峰值點(diǎn)處所對(duì)應(yīng)的干密度即為最大干密度，由此可知紅粘土的最大干密度ρdmax=1.74 g/cm3，最優(yōu)含水率wop=16%。

圖1 ρd-w 關(guān)系曲線Fig.1 ρd-w relation curve

1.4 X 射線衍射試驗(yàn)

取適量烘干后的紅粘土粉末裝入樣品框中，并用玻璃片一次性將樣品壓平。 使用Bruker D8 FOCUS 型X 射線衍射儀測(cè)定衍射強(qiáng)度,利用XRD 全譜擬合法對(duì)獲得的XRD 圖譜進(jìn)行半定量相分析。

分析得出，該紅粘土樣中主要成分為石英，其含量高達(dá)83.5%，其次為云母，占比12.4%，鉀長(zhǎng)石占比3.8%，氧化鐵的含量很少，僅有0.3%。 這可能是次生紅粘土歷經(jīng)礦物的遷移、搬運(yùn)、沉積，并發(fā)生一系列物理化學(xué)變化的結(jié)果，同時(shí)也反映了取土工地紅粘土地基的不均勻性。

2 抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)

2.1 試樣的制備及試驗(yàn)過程

2.1.1 試驗(yàn)儀器常規(guī)直剪試驗(yàn)在ZJ-4 型四聯(lián)直剪儀上進(jìn)行。該試驗(yàn)裝置為應(yīng)變控制式直剪儀，位移計(jì)的量程為10 mm,最小刻度值是0.01 mm，所使用的環(huán)刀內(nèi)徑為61.8 mm，高20 mm，容積為60 cm3。

2.1.2 試樣的制備及試驗(yàn)過程

首先取土樣置于通風(fēng)處風(fēng)干，將風(fēng)干后的紅粘土放置于橡皮板上用木碾碾碎，過2 mm 孔徑的篩網(wǎng)，取篩下足量的土樣，測(cè)出該風(fēng)干土的含水率，然后按照設(shè)計(jì)含水率14%，16%，18%，20%，22%，計(jì)算出每種含水率下所需要加水的質(zhì)量，噴灑水霧至充分拌合均勻后，密封在塑料袋中浸潤(rùn)一晝夜備用。最后均以95%的壓實(shí)度（采用質(zhì)量控制的方法來控制壓實(shí)度的大小）制成環(huán)刀土樣，每種含水率下制成4 個(gè)環(huán)刀樣，共20 個(gè)土樣，每個(gè)環(huán)刀樣的質(zhì)量誤差控制在±2 g。 試樣制備完畢后立即用保鮮膜將其包住，以防止水分的蒸發(fā)。 由于本文是模擬土體不固結(jié)不排水并快速剪切至破壞的情形，故而進(jìn)行快剪試驗(yàn)[18]。 試樣的制作過程嚴(yán)格遵守《土工試驗(yàn)規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定。 土樣的實(shí)際含水率在直剪試驗(yàn)完成后進(jìn)行測(cè)量，分別為14.33%，16.37%，18.03%，19.33%，21.55%。

快剪試驗(yàn)中將制備好的土樣裝入直剪儀的剪切盒中，土樣上下兩面均依次為濕濾紙和透水石，其中濕濾紙的含水量應(yīng)盡可能接近試樣的含水量。 試樣裝好后，對(duì)每組試驗(yàn)的4 個(gè)土樣分別施加100，200，300，400 kPa 的垂直壓力，以0.8 mm/min 的速率進(jìn)行剪切，使試樣在3～5 min 內(nèi)剪壞，如測(cè)力計(jì)讀數(shù)達(dá)到穩(wěn)定或有顯著后退，則表明土樣已經(jīng)剪壞，一般宜剪至剪切變形4 mm，若測(cè)力計(jì)讀數(shù)繼續(xù)增加則應(yīng)剪至剪切變形達(dá)到6 mm 為止，記錄土樣在各級(jí)垂直荷載下的最大剪應(yīng)力。

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

通過對(duì)土樣在試驗(yàn)前后的對(duì)比，從外觀可以看出，試驗(yàn)前的土樣整體比較密實(shí)，剪切破壞后高含水率土樣產(chǎn)生較大的剪切位移，不容易開裂，呈現(xiàn)良好的塑性破壞特性。 而低含水率土樣在剪切破壞后易開裂破碎，呈現(xiàn)出脆性破壞特性。 這與劉小文所研究的非飽和紅土破壞特性較為一致[15]。

2.2.1 紅粘土的剪應(yīng)力與剪切位移的關(guān)系

圖2 為不同含水率江西紅粘土在豎直壓力200 kPa 下常規(guī)直剪試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。 可以看出，當(dāng)含水率低于18.03%時(shí)，江西紅粘土的剪切破壞呈“軟化”型，在剪應(yīng)力達(dá)到峰值后，隨著剪切位移的增大，剪應(yīng)力迅速減小，土樣破壞后，由于殘余強(qiáng)度的存在而逐漸趨于穩(wěn)定。 但是，隨著含水率的增大，紅粘土的破壞類型呈現(xiàn)“硬化”型，如圖中含水率分別為19.33%與21.55%的2 條曲線，開始剪切時(shí)剪應(yīng)力隨剪切位移的增加而快速增大，剪切達(dá)到一定程度后，剪應(yīng)力逐漸趨于穩(wěn)定。 由此可見，隨著含水率的增大，江西紅粘土的剪切破壞類型逐漸由“軟化”型變?yōu)椤坝不毙汀?這與傅鑫暉等所研究的桂林紅粘土的強(qiáng)度特性隨含水率的變化而改變的規(guī)律是相同的[19]。

2.2.2 含水率對(duì)紅粘土抗剪強(qiáng)度的影響分析

從圖3 可以很直觀地看出，在同一種含水率下，土樣的抗剪強(qiáng)度隨著豎直壓力的增大而增大，這可以用有效應(yīng)力原理[20]來解釋，豎直壓力增大使得土顆粒間的有效應(yīng)力劇增，從而引起土體的抗剪強(qiáng)度增大。 而在相同的豎直壓力下，土樣的抗剪強(qiáng)度總體上是隨著含水率的增大而減小的，含水率增大后，也就增加了土顆粒間水化膜的厚度，從而使得土體團(tuán)粒之間比較容易出現(xiàn)滾動(dòng)和滑移現(xiàn)象，降低了紅粘土中游離氧化鐵的膠結(jié)作用，導(dǎo)致土體強(qiáng)度急劇減小，但它們之間并未呈現(xiàn)出簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，這相比于基質(zhì)吸力與含水量成反比的規(guī)律較為一致。

圖2 不同含水率紅粘土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.2 Stress-strain curves of red clay with different moisture contents

圖3 不同豎直應(yīng)力下含水率與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系Fig.3 Relationship between moisture content and shear strength under different vertical stresses

2.2.3 抗剪強(qiáng)度特性分析

在巖土工程中，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從不同角度建立了土體材料強(qiáng)度理論公式[21]，比如特雷斯卡（Tresca）準(zhǔn)則、米澤斯（Mises）準(zhǔn)則、萊特-鄧肯（Lade-Duncan）直線破壞準(zhǔn)則、摩爾-庫(kù)倫（Mohr-Coulomb）準(zhǔn)則及萊特（Lade）破壞準(zhǔn)則等等。 其中，巖土工程領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的為摩爾-庫(kù)倫強(qiáng)度理論，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中：c 為土體的粘聚力，kPa；φ 為內(nèi)摩擦角，（°）；σ1，σ3為土體的第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力，kPa。

對(duì)于非飽和土，基質(zhì)吸力是控制其力學(xué)性狀的關(guān)鍵因素[22]。 眾多研究人員基于摩爾-庫(kù)倫強(qiáng)度公式，通過引入基質(zhì)吸力的概念，建立了一系列的非飽和土抗剪強(qiáng)度公式[23]，主要包含兩類：Bishop 有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度公式和Frelund 雙應(yīng)力狀態(tài)變量抗剪強(qiáng)度公式。 本文仍采用摩爾-庫(kù)倫材料屈服準(zhǔn)則，不同的是著重研究含水率對(duì)江西重塑紅粘土的抗剪強(qiáng)度的影響，建立了正應(yīng)力-抗剪強(qiáng)度-含水率之間的關(guān)系，如圖4 所示，當(dāng)空間中某一點(diǎn)a（τ，σ，w）處于曲面以下時(shí)，則該點(diǎn)處土體處于未被破壞狀態(tài)；當(dāng)a 點(diǎn)恰好位于曲面上時(shí)，該點(diǎn)處土體應(yīng)力狀態(tài)達(dá)到了極限平衡狀態(tài)；當(dāng)a 點(diǎn)位于曲面以上時(shí)，則表明該點(diǎn)處土體已受到剪切破壞。

圖4 重塑紅粘土摩爾-庫(kù)倫破壞包絡(luò)面Fig.4 Molar-Coulomb failure envelope of remolded red clay

2.2.4 含水率對(duì)紅粘土粘聚力的影響分析

粘聚力是控制土體抗剪強(qiáng)度的重要參數(shù)，從圖5 可以看出，含水率對(duì)粘聚力產(chǎn)生了很大的影響，總體呈現(xiàn)反比規(guī)律，即隨著含水率的增加，粘聚力則減小。 這是因?yàn)檎承酝令w粒間公共水化膜的連結(jié)力及膠結(jié)物質(zhì)的膠結(jié)作用對(duì)粘聚力的產(chǎn)生起著非常重要的作用，含水率減小時(shí)，增強(qiáng)了土顆粒間公共水化膜的連結(jié)力， 粘聚力也就越大，土體的抗剪強(qiáng)度也越高；反之，當(dāng)含水率增加時(shí)，降低了膠結(jié)物質(zhì)對(duì)粘粒的膠結(jié)作用，粘聚力就越小，土體抗剪強(qiáng)度越低。 不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)w＜16%或w＞19%時(shí)，粘聚力驟然下降；當(dāng)16%＜w＜19%時(shí)，粘聚力變化極小，基本保持在70～80 kPa，變化曲線近似“S”型。 這與史文兵[23]研究的貴陽(yáng)紅粘土粘聚力與含水量的關(guān)系曲線具有良好的一致性。

2.2.5 含水率對(duì)紅粘土內(nèi)摩擦角的影響分析

土的內(nèi)摩擦角主要表現(xiàn)為土顆粒的表面摩擦力和顆粒間的咬合力， 反映了土顆粒間的摩擦特性，與土體的結(jié)構(gòu)形態(tài)和密實(shí)度有關(guān)[24]。由圖6 紅粘土內(nèi)摩擦角隨含水率的變化趨勢(shì)可以看出，含水率在14%～22%范圍內(nèi)，內(nèi)摩擦角呈先上升后下降再上升的趨勢(shì)，型如“N”，其值基本在200～280°之間波動(dòng)，說明含水率對(duì)內(nèi)摩擦角的影響不顯著。眾多研究資料顯示影響土體內(nèi)摩擦角的因素有土的礦物成分、含水率、密度及結(jié)構(gòu)性等，盧肇鈞院士認(rèn)為土的內(nèi)摩擦角還與其塑性指數(shù)存在相互關(guān)系[25]，其機(jī)理比較復(fù)雜，有待進(jìn)一步研究。

圖5 紅粘土粘聚力與含水率關(guān)系曲線Fig.5 Relationship curve between cohesion and moisture content of red clay

圖6 紅粘土內(nèi)摩擦角與含水率關(guān)系曲線Fig.6 Relationship curve between internal friction angle and moisture content of red clay

3 紅粘土的微觀結(jié)構(gòu)研究與分析

3.1 SEM 掃描電鏡試驗(yàn)

試驗(yàn)儀器采用日本日立公司生產(chǎn)的SU8010 場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡。取適量烘干后的紅粘土粉末，將樣品用導(dǎo)電膠固定在樣品臺(tái)上，然后進(jìn)行噴金（由于本試驗(yàn)中紅粘土樣品不具備導(dǎo)電性，需要對(duì)其進(jìn)行噴鉑金處理），噴金時(shí)間為120 s，選擇合適的樣品區(qū)域進(jìn)行掃描電鏡觀察。

3.2 紅粘土的微觀結(jié)構(gòu)特征分析

通過掃描電鏡得到紅粘土樣品的掃描圖像，可以很直觀地觀察出樣品表面的微觀形態(tài)，圖7 為所采集的剪切破壞前后紅粘土土樣的電鏡掃描（放大2 000 倍及5 000 倍）圖像，可以清楚地看到土樣的微觀結(jié)構(gòu)特征（孔隙大小、顆粒形態(tài)、骨架形貌）均發(fā)生了變化。 江西紅粘土含有大量粘土礦物聚集體，主要是書卷狀的高嶺石和片狀的長(zhǎng)石，局部有黃鐵礦鮞粒附著。天然土樣由形態(tài)、大小各異的粒團(tuán)顆粒單元、聚集體、膠結(jié)物質(zhì)堆積而成，骨架松散，無定向排列，顆粒堆積雜亂，接觸點(diǎn)數(shù)目少，多以點(diǎn)-點(diǎn)、邊-邊、邊-面接觸，孔隙較大，分布不連續(xù)，多呈圓形或橢圓形；剪切破壞后的土樣多為直接面接觸方式，顆粒排列緊湊，孔隙大大縮小，呈封閉式“片架-鑲嵌”結(jié)構(gòu)，接觸方式的變化導(dǎo)致顆粒間由微膠結(jié)狀態(tài)變?yōu)殍偳赌z結(jié)狀態(tài)，致使紅粘土結(jié)構(gòu)性遭到破壞。 說明紅粘土受到剪切作用后其微觀結(jié)構(gòu)的變化使得土體產(chǎn)生變形甚至破壞。

圖7 江西紅粘土剪切破壞前后SEM 圖像Fig.7 SEM images of Jiangxi red clay before and after shear failure

4 結(jié)論

1） 通過X 射線衍射分析試驗(yàn)，初步確定江西紅粘土的礦物組成主要為石英、云母、鉀長(zhǎng)石，還含有少量的膠結(jié)物質(zhì)氧化鐵，反映了江西次生紅粘土的一些獨(dú)特的物理性質(zhì)及取土工地紅粘土地基的不均勻性。

2） 含水率是影響江西重塑紅粘土抗剪強(qiáng)度的重要因素之一， 紅粘土的抗剪強(qiáng)度總體隨著含水率的增大而減小，它們之間并未呈現(xiàn)出簡(jiǎn)單的線性關(guān)系；隨著含水率的增大，江西紅粘土逐漸由脆性破壞過渡到塑性破壞，相應(yīng)的其剪切破壞類型由“軟化”型變?yōu)椤坝不毙汀?/p>

3） 含水率對(duì)江西重塑紅粘土的粘聚力影響較大，隨著含水量的增加，粘聚力減小，其變化曲線近似“S”型；而對(duì)內(nèi)摩擦角的影響不顯著，其機(jī)理比較復(fù)雜，有待進(jìn)一步研究。

4） 電鏡掃描試驗(yàn)表明：剪切破壞后紅粘土土樣的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的改變，影響其強(qiáng)度的關(guān)鍵因素是土顆粒間孔隙大小、排列及形態(tài)的變化。 天然土樣骨架松散，無定向排列，顆粒堆積雜亂，接觸點(diǎn)數(shù)目少，孔隙較大，受到外力作用，架空、大孔隙結(jié)構(gòu)遭到破壞，紅粘土顆粒產(chǎn)生相應(yīng)位移，由微膠結(jié)狀態(tài)轉(zhuǎn)化為鑲嵌膠結(jié)狀態(tài)，造成土體發(fā)生變形、結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞等問題。