红黏土脱铁后的压缩固结试验结果分析

陈明，王月中

(1.湖南科技大学土木工程学院，湖南 湘潭 411201； 2.安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232001)

红黏土是一种特殊性黏土[1-3]，土中含有大量的游离氧化铁。氧化铁的含量、形态不仅直接反映了成土过程和环境，而且对红黏土的力学特性等具有重大影响[4-6]。吕海波、张先伟等[7-8]均指出氧化铁对土团聚体的形成起着重要的作用。赵亦婷等[9]通过试验发现游离氧化铁对红黏土变形与强度特性有很大影响。王继庄[10]用化学方法除去试样中的游离氧化铁成分并与未“除铁”的原样进行比较，发现除铁后红黏土试样性质接近一般黏土，证实了红黏土中游离氧化铁的胶结作用。罗鸿禧[11]研究了游离氧化铁对红黏土工程地质性质的影响，试验证明，游离氧化铁的胶结作用使黏性土的强度增加，压缩性减小。同时指出，环境物理化学因素的变化会导致游离氧化铁的破坏、变性或进一步富集，从而使土的物理力学性质发生相应变化。在自然条件下，降雨等作用使得红黏土中游离氧化铁的含量减少，从而影响土体的压缩性，因此有必要进行脱铁后红黏土的压缩固结试验研究。

1 试验方案

试验所用的红黏土取自贵州凯里至羊甲高速公路KT4合同段的一个开挖过半的山头。现场土样呈褐红色、硬塑状。对土样进行颗分试验、界限含水率试验、击实试验和液塑限试验等室内试验，获得该黏土的基本物理性质指标，列于表1。

表1 土样基本物理指标

采用DCB法[8]66对一部分土样进行去铁处理，将土样轮流与0.3 mol/L柠檬酸钠、1 mol/L重碳酸氢钠、过氧化氢试剂反应。具体做法如下：试剂浸泡10 d，然后反复淋洗，去除上层液体，再换一种试剂重复以上操作，30 d为1个周期，共处理3个周期。取一部分脱铁处理过的土样进行比重试验和轻型击实试验得到其土粒比重为2.635，最优含水率为29.09%，最大干密度为1.511 g/cm3。将脱铁处理后的土样风干、碾碎，过2 mm的标准筛，加一定量的水拌和均匀，制成含水率分别为28%、30%、32%、34%的土料，置于塑料带内封闭静置24 h，然后采用击实法制得压实度分别为70%、75%、80%、85%的环刀样(内径61.8 mm，高20 mm)。在WG-1Q型全自动气压固结仪上进行高压固结压缩试验，每级压力下的稳定标准为每小时变形不超过0.005 mm。

2 试验结果分析

2.1 孔隙比的变化规律

整理试验数据,根据不同压力p作用下达到的稳定孔隙比e，绘制e-p曲线，如图1所示。图中w表示含水率，k为压实度。由图1可知：

1)孔隙比随着压力的增大而减小，最终趋于一个稳定值。此外，孔隙比随压力变化的速率也越来越小。说明随着压力的增大，土颗粒之间越来越紧密，土体越来越难被压缩，且压缩到一定程度后，由于土颗粒的压缩性很小，土体的孔隙比变化不明显。

2)相同的含水率条件下，不同压实度试样的孔隙比在相同压力下基本上随着压实度的增大而减小。当压力为200 kPa时，不同压实度试样的孔隙比基本相同。

3)含水率为28%和30%时试样的最终孔隙比比含水率为32%和34%时要小，说明含水率越接近最优含水率，相同的压力作用下土体被压得更密实。

2.2 压缩模量、压缩系数和压缩指数的变化规律

压缩模量、压缩系数和压缩指数都是在侧限条件下判断土体压缩性的常用指标，其中压缩模量和压缩系数随着压力的不同而变化，而压缩指数是一个常量。

为了反映土体在低、中、高压不同状态下的压缩性，选取压力段100～200 kPa、1.0～1.2 MPa、2.8～3.0 MPa的压缩模量、压缩系数列于表2。压缩指数列于表3。

图1 不同含水率和压实度下的e-p曲线

表2 不同压力段的压缩模量和压缩系数

表3 不同初始含水率和压实度试样的压缩指数

由表2、3可知：

1)压缩模量随着压力的增大而增大，压缩系数随着压力的增大而减小。

2)相同含水率下，压缩指数和100～200 kPa压力段的压缩模量随着压实度的增大而变大，说明初始压实度越高，土体的压缩性越低。另外两个压力段的压缩模量并没有呈现类似规律，因此不能用该压缩模量判别土体的压缩性大小，这也解释了为什么一般常用100～200 kPa压力段的压缩模量和压缩系数来判别土体的压缩性。

2.3 固结系数的变化规律

根据侧限压缩试验结果，利用2种常用的半经验方法，即时间平方根法和时间对数法，来确定土体的固结系数。

时间平方根法计算公式为

(1)

式中：Cv为固结系数，cm2/s；h为最大排水距离，等于某级压力下试样的初始和终了高度的平均值，cm；t90为固结度达到90%时所用时间,s。

时间对数法计算公式为

(2)

式中，t50为固结度达到50%时所用时间，s。

图2 基于时间平方根法的固结系数变化

考虑到篇幅问题，本文只列举了含水率为32%的试样在各级压力作用下的固结系数，如图2、3所示，其他含水率试样也呈现类似规律。

图3 基于时间对数法的固结系数变化

由图2、3可知：

1)随着压力的增大，固结系数从整体上表现出减小的趋势。当压力较大时，固结系数趋于某一稳定值。

2)固结系数的变化不是单调的，而是呈震荡式变化，且变化幅度随着压力的增大而减小。

3)在数值上，基于时间对数法计算得到的固结系数要比基于时间平方根法得到的要大很多，且变化幅度前者也较大。这说明这两种算法的差异较大，得到的固结系数只能作为参考。

2.4 变形与时间的关系

试样在每级压力作用下都将得到趋于稳定的变形量。绘制变形量与时间的关系如图4所示。

由图4可以看出：

1)变形量随时间的增加而增加，但增加的速率随时间的增加而减小。对于含水率为28%和30%的试样，在前20 h，变形量随时间变化很明显；20 h后，变形量随时间变化较小。对于含水率为32%和34%的试样，在前30 h，变形量随时间变化明显，时间超过30 h后变形量随时间变化较小。这说明含水率越接近最优含水率，土体压缩变形量趋于稳定所需的时间越短。

2)在相同时间内，变形量随着压实度的增加而减小。试验结果说明了含水率和压实度对于变形量和达到某一变形量所需要的时间具有重要影响。

图4 变形量s随时间t变化的曲线

3 结论

1)孔隙比随着压力的增大而减小，且趋于一个稳定值。当含水率越接近最优含水率时，试样的最终孔隙比越小。

2)压缩指数和100～200 kPa压力段的压缩模量、压缩系数可以作为判别土体压缩性大小的参考指标。

3)固结系数随压力的增大呈震荡式变化，且整体上有减小的趋势。由于采用的算法不同，由时间对数法计算得到的固结系数要比由时间平方根法得到的大很多，且变化幅度前者也较大。

4)变形量随时间的增加而增大，但斜率却越来越小，超过一定时间后，变形量的变化速率特别小。变形量大小、达到某一变形量所需要的时间都与含水率、压实度有密切关系。