貴州原狀及重塑紅黏土在不同應力路徑下的抗剪強度指標分析

曹文婷，高 彬，2

(1.貴州省質安交通工程監控檢測中心有限責任公司，貴州 貴陽 550000；2.貴州大學資源與環境工程學院，貴州 貴陽 550025)

0 前 言

貴州省碳酸鹽巖分部廣泛，工程建設中十分常見。近年來對貴州紅黏土的力學性質研究主要基于常規三軸試驗，且所選的固結方式大多是基于等壓固結條件下。實際上，紅黏土土體在淺埋隧道洞口開挖、邊坡、基坑等實際工程應用下土體并非常規三軸試驗所體現出的單一加載破壞模式，而是伴隨著卸荷-加荷-卸荷加荷同時進行等較為復雜的應力變化狀態下。同樣，實際情況下土體的固結方式并非為各個方向固結壓力均相等的等壓固結，而是不同深度的土體在固結過程中各個方向的固結壓力均不相等，主要體現在豎向固結壓力大于周圍水平方向的固結壓力。另外，值得一提的是，貴州紅黏土的力學性質具有明顯的剖面性，即不同深度對應的不同稠度狀態下的紅黏土的力學性質差異很大。因此，基于上述情況，本文在前期研究的基礎上，對不同稠度狀態(不同含水率)的原狀及重塑紅黏土在等壓和K0固結方式下進行的不同應力路徑下力學實驗，并對試驗力學指標進行對比分析。

1 實驗方案

1.1 應力路徑試驗方案

本文所選的不同應力路徑有三種，分別為①常規三軸壓縮試驗(CTC試驗)，該種試驗剪切過程為保持圍壓不變，軸壓逐步增大直到土體破壞；②減壓三軸壓縮試驗(RTC試驗)，該種應力路徑試驗為圍壓σ3在一定的速率下逐步降低，軸壓σ1保持不變，當圍壓降低至一定值時，試樣會發生變形破壞；③平均主應力P為常數的三軸試驗(TC試驗)，該種應力路徑試驗剪切過程為圍壓σ3以一定速率降低的同時軸向壓力σ1以一定的速率增大，在此過程中始終保持平均主應力P為固定值。剪切方式全部采用應力控制式，K0固結值根據經驗值選取0.7。簡要試驗方案見表1。

表1 紅黏土的物理力學性質指標

1.2 試驗土樣的選取及制備

試驗采用紅黏土剖面的原狀與重塑土，選自貴州省貴陽市花溪互通高速公路基坑的施工工地，土體選取深度約為3～10 m，土體整體呈暗紅色，未見砂石顆粒，土體土質比較均勻，作為研究對象具有一定的代表性。原狀紅黏土三軸試樣制備：為了對貴陽紅黏土在不同稠度狀態下的力學特性進行充分對照分析，借鑒學者們對不同含水率土體的制備方法，天然原狀樣采用自然風干的方法，制備到含水率分別為44%(堅硬狀態)、55%(硬塑狀態)、66%(可塑狀態)的三種3.91 cm×8 cm原狀土樣，并為了使土體水分均勻，所有制備的原狀土樣在保濕缸密閉放置24 h以上。重塑紅黏土三軸試樣的制備：紅黏土土樣在取回實驗室后，通過自然風干晾曬，然后人工碾碎之后過2 mm篩，根據土工試驗操作規程，配制66%(可塑狀態)、55%(硬塑狀態)、44%(堅硬狀態)三組含水率，并嚴格按照規范操作，采用擊實法制備出尺寸為3.91 cm×8 cm的三軸試樣。

表2 應力路徑試驗方案

2 試驗結果分析

2.1 不同條件下各應力路徑試驗的抗剪強度指標分析

不同條件各應力路徑試驗下，原狀紅黏土與重塑紅黏土的抗剪強度指標分別見表3、4。

表3 不同應力路徑下原狀紅黏土抗剪強度指標

表4 不同應力路徑下重塑紅黏土的抗剪強度指標

圖1 貴州原狀紅黏土在不同應力路徑下的抗剪強度指標曲線

應力路徑對紅黏土抗剪強度指標的影響。通過對不同應力路徑下的原狀及重塑紅黏土的抗剪強度指標分析得知，應力路徑對紅黏土的抗剪強度指標影響明顯，不同應力路徑下原狀及重塑紅黏土的抗剪強度指標均有明顯差異，這種差異在內聚力和內摩擦角上均有體現。由圖1和圖2可以明顯看出，相同條件下，內聚力與應力路徑的關系為：TC路徑>CTC路徑>RTC路徑，且這種差異表現的非常明顯，尤其是在RTC路徑下，這種差異表現的最為突出。這說明在卸荷狀態下，紅黏土的力學性質會逐步變差。因此，在淺埋隧道洞口土體開挖等實際工程過程中，土體的開挖工藝至關重要，單一的側向開挖會使得土體自身穩定性會逐步減小甚至喪失，此時對于隧道的超前支護也應格外重視，必要時可加強監控量測力度。另外，不容忽略的是，盡管內摩擦角與應力路徑的關系表現出的規律不是非常明顯，但不同應力路徑下的內摩擦角均有較小的變化，眾所周知，在工程實際中內摩擦角是非常重要的一項指標，這種不同應力路徑下內摩擦角的較小應該引起足夠重視。

圖2 貴州重塑紅黏土在不同應力路徑下的抗剪強度指標曲線

圖3 貴州原狀紅黏土在不同應力路徑下的應力包線

含水率對紅黏土抗剪強度指標的影響。通過對不同含水率下的各個應力路徑試驗的抗剪強度指標分析得知，紅黏土的含水率與其內聚力關系規律明顯，隨著含水率的增加，三種應力路徑下紅黏土的內聚力都呈下降趨勢，隨著含水率的逐步增大，紅黏土的內聚力差異也在不斷的縮小。這說明當土體的含水率達到一定值時，其接近飽和狀態時，土體顆粒之間的咬合力已逐步喪失，這時候的土體力學性質就會變的很差，土體就面臨失穩破壞的可能，因此，在貴州淺埋隧道洞口開挖過程中，加強超前地質預報以及排水引水等工作至關重要。另外，通過含水率與內摩擦角的關系可以看出，含水率的變化會對紅黏土的內摩擦角產生影響，這種影響雖然沒有呈現出一定的規律性，但從內摩擦角值的波動不難看出，這種內摩擦角的變化對土體穩定性影響很大。這說明紅黏土相關的土建工程中，對紅黏土的稠度狀態的考慮至關重要。

圖4 不同應力路徑下原狀紅黏土在固結不排水剪切試驗中的抗剪強度指標與含水率關系曲線

圖5 不同應力路徑下重塑紅黏土在固結不排水剪切試驗中的抗剪強度指標與含水率關系曲線

不同含水率下的紅黏土掃描電鏡微觀結構分析。將CTC路徑試驗過程中應變值為0.8%時的試樣進行掃描電鏡分析，通過SEM圖像可以清楚的看到，在同等條件下，土體剪切過程中含水率為44%時的原狀紅黏土和含水率為66%時的原狀紅黏土在放大10 000倍的情況下，土體微觀結構有較大的差異。在應變值達到0.8%時，44%含水率的土體微觀結構基本保持穩定，土體顆粒之間呈片狀結構粘結較好，孔隙較少。而同等條件下，66%含水率的土體微觀結構已發生一定的變化，土體孔隙明顯增多，顆粒之間的粘結狀態逐漸減弱。這說明在實際工程中，當土體含水量較大時，土體外部荷載后土體顆粒之間的粘結容易減弱，孔隙會逐步增多，從而導致土體更容易發生失穩破壞。

通過將貴州原狀及重塑紅黏土的在不同工況不同含水率下的抗剪強度指標進行對比分析發現，無論是結構保持原樣未被破壞的原狀紅黏土還是結構已經被完全破壞又重新固結后的重塑紅黏土，其抗剪強度指標，即其力學性質對不同的開挖方式、含水率都有很強的靈敏性。這反映出在實際工程中，無論是天然原狀土還是重塑紅黏土，應力路徑及稠度狀態對其結構性無明顯差異。因此，對于結構未被破壞，開挖前土體完整、堅硬的原狀紅黏土也因引起足夠的重視，開挖時因避免長時間的單一側向開挖，同時在必要時加強超前支護。

3 結 論

(1)不同應力路徑及含水率對原狀和重塑紅黏土的抗剪強度指標影響顯著，這種影響與紅黏土的結構性是否完好無明顯差異。

(2)單一的卸荷狀態和含水率較大土體接近飽和狀態時，土體的力學性質會逐步變差，土體顆粒之間的摩擦力和咬合作用會逐步減弱，加強淺埋隧道洞口開挖等實際工程的開挖工藝、超前支護、監控量測和排水防水措施等都至關重要。

(3)對于應力路徑及含水率等因素影響紅黏土力學性質的機理還需進一步研究。