红粘土的击实特性与力学强度特性

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(江西省高速公路投资集团有限责任公司， 江西 南昌 330025)

红粘土的击实特性与力学强度特性

吴福泉，孙从青，詹武青

(江西省高速公路投资集团有限责任公司， 江西 南昌 330025)

以击实试验研究了江西省某高速公路施工现场红粘土的击实特性，并采用承载比(CBR)试验和无侧限抗压强度试验研究了其强度特性。试验结果表明，湿法确定的最大干密度偏小、最佳含水率偏大；不同土样的击实特性存在差异；击实功越大，最大干密度越大、最佳含水率越小；含水率、压实度对红粘土强度影响较大，高于最佳含水率3%左右时红粘土强度达到最大值，强度随压实度增大而提高。

红粘土； 击实试验； 承载比试验； 含水率； 压实度

红粘土是由碳酸盐类岩石在温湿条件下经风化和红土化后形成的褐黄、褐红色坡积、残积粘性土。我国红粘土主要分布在南方碳酸盐岩系地层上，大面积分布区主要集中在云贵高原、广西中、西部和湖南西部等地，在四川东南部及浙江西部、江苏南部、江西北部也有零星分布。红粘土具有高分散性、高孔隙比、高天然含水率、高液限、强度高、压缩性较低、失水收缩显著、裂隙发育等特征[1]，是一种典型的特殊土。

红粘土含水率较低或较高时，压实困难，难以满足压实度要求，增加压实功则会出现弹簧土现象[2]。因此，红粘土的压实特性和压实后强度特性是影响其工程性能的关键。土体压实是使土颗粒逐渐紧密、减少孔隙的过程，保证土体的压实可提高承载能力、降低压缩性和渗透能力。武明[3]、谈云志[4]分别研究了红粘土强度和变形性质，发现随干密度增大，孔隙越小，红粘土的有效粘聚力、有效内摩擦角和吸力摩擦角均呈线性增大，水分因毛细作用而上升的高度也越小、速度越慢。陶文平[5]认为红粘土路基施工过程中最重要的是根据红粘土“承载比(CBR) — 含水率”关系图、“压实度 — 含水率”关系图及规范要求控制碾压含水率。谈云志[6]发现红粘土最大CBR对应的含水率大于最佳含水率3%左右，建议红粘土路基填筑时适当降低压实度要求，可降低幅度为2.5%。何颖[7]提出红粘土路基采用凸块碾与光面碾的组合碾压方式，并采用较最佳含水率略大的含水量进行碾压。黄辉[8]研究了红粘土的无侧限抗压强度及其影响因素，认为要使红粘土路基强度达到填筑要求，要严格控制压实度和路基的养护及填料含水量。

本文研究红粘土击实特性和强度特性的影响因素，以击实试验分析击实筒尺寸、湿法或干法的制样方法、不同土样和击实功对红粘土击实特性的影响，并采用CBR试验和无侧限抗压强度试验分析含水率和压实度对红粘土强度特性的影响规律，从而为红粘土路基施工提供参考。

1 试验材料与试验方法

试验红粘土取自江西省某高速公路施工现场，在不同标段取2批次土样，分别称为红粘土A、红粘土B。红粘土天然含水率、界限含水率和比重试验结果见表1。2个土样的液限wL均超过45%。

表1 红粘土的基本性能试验结果试样天然含水率/%液限wL/%塑限wP/%塑性指数IP/%细颗粒(0075mm以下)含量/%比重红粘土A2574542781768092700红粘土B/4922991948622762

2 试验结果

2.1 击实特性

2.1.1 击实筒尺寸的影响

依据《公路土工试验规程》(JTG E40 — 2007)[9](以下简称为“规程”)分别采用大击实筒(Φ152 mm)与小击实筒(Φ100 mm)进行红粘土的击实试验。红粘土的制样方式有2种，即湿法和干法。湿法是指将天然含水率下的红粘土通过加水或自然晾晒至一定含水率后保湿进行试验；干法是指红粘土在风干后加水至一定含水率后保湿进行试验。湿法制样红粘土A的试验结果见图1。分析图中回归曲线可得到大、小击实筒分别确定的最大干密度分别为1.758、1.777 g/cm3，最佳含水率分别为16.6%、17.7%。可见，采用小击实筒确定红粘土的最大干密度和最佳含水率略大于大击实筒结果。这与不同尺寸击实筒采用的击实次数不同有关，小击实筒分5层击实、每层27下，大击实筒分3层击实、每层98下，红粘土承受的击实功不同，从而导致红粘土的密实性存在差异。

图1 大筒与小筒击实试验干密度-含水率关系曲线

2.1.2 制样方法的影响

分别采用湿法和干法制件进行击实试验。2种击实试验均采用红粘土A和大击实筒，试验结果见图2。分析图中回归曲线可得到湿法、干法确定的最大干密度分别为1.758、1.804 g/cm3，最佳含水率分别为16.6%、15.4%。可见，湿法制样较干法制样确定的最大干密度略小，而最佳含水率略大。湿法得到的最佳含水率包括红粘土矿物的结合水，能更准确地反映红粘土的矿物成分与结合水的特性。

图2 不同制样方法的红粘土干密度-含水率关系曲线

2.1.3 不同红粘土的比较

采用干法制件进行红粘土A、B的击实试验，均采用大击实筒，击实试验结果见图3。分析图中回归曲线可得到红粘土A、B两种土样的最大干密度分别为1.804、1.654 g/cm3，最佳含水率分别为15.4%、18.5%。可见，即使来自同一公路工程的红粘土试样，其击实特性仍存在差异。这可能主要与不同土样的矿物成分存在差异有关。

图3 不同红粘土的干密度-含水率关系曲线

2.1.4 击实功的影响

《规程》中采用大击实筒进行重型击实试验时，每层击实次数为98次，共分3层进行。通过控制每层击实次数可分析击实功对红粘土击实特性的影响。本文每层击实次数控制在30、50、75和98次，仍分3层进行击实试验。采用红粘土B干法制件进行击实试验，获得的干密度-含水率关系曲线见图4。由图中回归曲线得到最大干密度、最佳含水率随每层击实次数的变化曲线见图5。由图中数据可见，随着每层击实次数增加，红粘土的最大干密度逐渐增大，最佳含水率则逐渐减小，每层击实次数超过75下后，两者的变化已较小。可见，越大击实功可使红粘土在较小的含水率下即达到最佳致密状态，而过高的击实功(每层击实次数超过75次)对最大干密度和最佳含水率的影响已较小。因此，为保证压实红粘土路基达到最佳致密状态，建议采用每层击实98下的击实试验结果来控制现场压实度。

图4 不同击实次数土干密度-含水率关系曲线

图5 击实次数对最大干密度和最佳含水率的影响曲线

2.2 力学强度特性

2.2.1 含水率的影响

依据《规程》，采用干法制件进行红粘土A、B的CBR试验和红粘土B的无侧限抗压强度试验。CBR试件(每层击实98下)经4 d浸水。静压成型尺寸为Φ50×50 mm的圆柱体红粘土试件，并采用UTM — 25伺服液压多功能材料试验系统测试试件无侧限抗压强度，加载速率为1 mm/min。CBR试验和无侧限抗压强度试验结果分别见图6和图7。由图可见，红粘土的CBR和无侧限抗压强度均随含水率增加呈先增后降的变化趋势。CBR最大时的含水率在22%左右，较击实试验确定的最佳含水率(干法)约高出4%；无侧限抗压强度取得最大值时的含水率约在18%～20%，较击实试验确定的最佳含水率约高出0%～2%。综合CBR和无侧限抗压强度来看，红粘土含水率在最佳含水率时强度并不是最大值，而是较最佳含水率高出约3%左右时取得最大值。分析原因，红粘土中的凝胶物质含有大量结合水，这些结合水受到土粒较大的吸力，体现出固态水特性，红粘土击实试验确定的最佳含水率仅包括了自由水未包含这部分结合水，而红粘土取得最大强度时的含水率包含了自由水及固态水。因此，红粘土路基碾压时宜控制晾晒含水率较室内击实试验确定的最佳含水率高3%，这对于保证路基强度、缩短施工时间均有积极意义。

图6 CBR-含水率关系曲线

图7 无侧限抗压强度-含水率关系曲线

2.2.2 压实度的影响

由图6、图7分别得到红粘土B的CBR与每层击实次数、无侧限抗压强度与压实度的关系曲线，分别见图8、图9。由图可见，每层击实次数越多，即压实功越大，红粘土的CBR越大；无侧限抗压强度随压实度的增加而提高。可见，越大的压实功将使红粘土获得更大的强度。因此，为保证红粘土路基的承载能力，应重视红粘土的压实过程度，并严格控制压实度水平。

图8 CBR-每层击实次数关系曲线

图9 无侧限抗压强度-压实度关系曲线

3 结论

1) 制样方法和击实功均对红粘土的击实特性

存在较大影响。湿法得到的红粘土最佳含水率和最大干密度均略大于干法结果。击实功越大，红粘土的最大干密度增大，最佳含水率减小。取自同一工程不同标段的红粘土击实试验结果也存在差异。推荐采用湿法制样、重型击实试验确定红粘土的压实特性参数。

2) 含水率和压实功均对红粘土强度影响较大。红粘土含水率高于最佳含水率3%时取得最大强度。压实度越大，红粘土的强度越大。

[1] 朱天璋，黄向京.湖南高速公路红粘土工程特性及问题与对策探讨[J].公路工程,2008,33(5):24-28.

[2] 刘小平，袁腾方，杨迎冬.湖南非饱和红粘土工程性质的试验研究[J].公路工程,2011,36(2):48-52.

[3] 武明，陈正汉，姚志华，等.云南非饱和红粘土的强度和变形特性研究[J].地下空间与工程学报，2013,9(6):1257-1265.

[4] 谈云志. 压实红粘土的工程特性与湿热耦合效应研究[D].武汉：中国科学院武汉岩土力学研究所，2009.

[5] 陶文平. 南方红粘土公路路基设计与修筑技术研究[D]. 长沙：长沙理工大学，2010.

[6] 谈云志，孔令伟，郭爱国，等. 红黏土路基填筑压实度控制指标探讨[J]. 岩土力学，2010,31(3):851-855.

[7] 何颖. 高速公路红粘土路基沉降变形分析及施工控制研究[D].长沙：长沙理工大学，2013.

[8] 黄辉. 红粘土无侧限抗压强度试验影响因素研究[J]. 湖南工业大学学报，2010,24(4):22-26.

[9] JTG E40-2007,公路土工试验规程[S].

1008-844X(2017)03-0025-03

U 416.03

A

2016-12-28

江西省交通运输厅重点工程科研项目(2015C0023)

吴福泉(1972-)，男，高级工程师，从事公路工程建设和养护管理。