含水率对不同状态红黏土抗剪强度的影响研究

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摘 要：本文以云南省红河州个旧至元阳高速工程项目为依托，研究含水率对不同状态红黏土抗剪强度的影响。试验统计了坚硬、硬塑、可塑和软塑四种状态的红黏土试样分别25件、25件、17件和12件，并进行直剪试验。根据最小二乘法原理，将不同状态红黏土的黏聚力、摩擦角与含水率进行回归分析，并对试验数据进行综合分析。研究结果表明：坚硬、硬塑、可塑及软塑含水率分别小于34%、34%、41%及35%时，随着含水率的增加，黏聚力分别以2.0、1.01、0.456及0.235的斜率减小，当大于此界限含水率后，黏聚力减小速度减缓，逐渐趋于收敛;随着含水率的增加，硬塑→坚硬→可塑→软塑红黏土的内摩擦角下降速度逐渐变小，对含水率的敏感程度也逐渐减小，其中软塑状红黏土的内摩擦角随着含水率的变化几乎不变;不同状态红黏土相邻一级的黏聚力差值推荐取值10～15 kPa，内摩擦角差值推荐取值1.8～2.5°。

关键词：红黏土;抗剪强度;含水率;最小二乘法

中图分类号：TU446

文献标识码： A

红黏土是碳酸盐岩类岩石在特殊的湿热交替作用下经历化学风化作用和红土化作用形成的高塑性黏土，主要分布在云贵高原、四川东部、两湖两广部分地区和江西、江苏等部分地区。我国《岩土工程勘察规范》等将红黏土划分为特殊土[1]，红黏土的一个典型特征是上硬下软，主要原因是土体含水率沿深度变化，而土体强度与含水率密切相关[2-7]。

在云南省红河州红黏土发育极其普遍，红黏土是工程中主要的天然地基，其抗剪强度对评价地基稳定性起着至关重要的作用。影响红黏土抗剪强度的因素众多，其中，含水量及其变化的影响是显著的。目前，国内外许多学者对不同含水率条件下红黏土的强度特性进行了研究。穆锐等[8]运用直剪试验仪研究了不同失水程度下红黏土的力学性质，结果表明试样的抗剪强度指标（黏聚力/内摩擦角）随含水率减小呈先减小后增大;董金玉，赵亚文等[9]通过不同含水率条件下高、低液塑红黏土的抗剪强度试验研究，在同一法向压力下高液塑限红黏土的抗剪强度和黏聚力值远大于低液塑限红黏土的抗剪强度和黏聚力值，高液塑限红黏土的内摩擦角值略大于低液塑限红黏土的内摩擦角值;梁斌、莫凯等[10]通过常规直剪试验分析了含水率条件对红黏土黏聚力、内摩擦角及各级法向压力作用下抗剪强度的影响;赵蕊等[11]对贵阳红黏土以击实法进行重塑样制备，设计不同含水量下的三轴不固结不排水试验，采用特雷斯卡Tresca准则和p-q曲线的方法求取抗剪强度指标，建立了贵阳重塑红黏土的抗剪强度与含水量之间的函数关系，并分析了其抗剪强度随含水量变化的机理;武鹏等[12]通过试验对宁南地区红黏土的强度特性进行了研究，分析了含水率与黏聚力、内摩擦角、基质吸力、膨胀力之间的关系;王星华等[13]通过直接快剪试验探讨了抗剪强度的额影响因素，得出了黏聚力、内摩擦角与孔隙比、含砂率2种因素的相关方程;赵小龙等[14]通过直接剪切试验研究了含水率对重塑黏土力学特性的影响，研究结果表明：重塑黏土抗剪强度受含水率和竖向压力作用影响明显，随含水率增大，其抗剪强度逐渐减低，随垂直压力逐渐增大，其抗剪强度逐渐增大;陈磊等[15]通过常规三轴试验分析强度参数黏聚力和内摩擦角与含水率之间的关系，得到了非饱和黏土的抗剪强度计算公式。

红黏土有坚硬、硬塑、可塑和软塑等多种状态，不同状态红黏土的黏聚力和内摩擦角与含水率变化之间的关系存在不同的变化规律，上述研究并未将红黏土进行状态划分，而是统一研究;为了弄清楚含水率对不同状态红黏土抗剪强度的影响，本文以云南省红河州个旧至元阳高速公路工程项目为背景，将试验数据分为坚硬、硬塑、可塑及软塑4种状态，研究含水率对不同状态红黏土抗剪强度的影响，以期获得有益的结果，为个旧至元阳高速公路工程项目及后续研究和工程实践提供参考。

1 直剪试验及数据

1.1 直剪试验

直剪试验采用南京宁曦土壤仪器有限公司生产的ZJ型应变控制式直剪仪（四联剪），测力计率定系数C=1.843 kPa/0.01 mm，试验操作依据土工试验方法标准GB/T 50123-1999快剪试验标准。

1.2 试验数据

根据云南省红河州个旧至元阳高速工程项目初详勘钻孔取样，试验统计了坚硬、硬塑、可塑及软塑四种状态的红黏土试验，其中坚硬状态红黏土试验25件，天然含水率在22.0%～39.2%范围，黏聚力在9.90～22.31 kPa范围，内摩擦角在3209～8630°范围，试验数据如表1所示;硬塑状黏土25件，天然含水率范围在24.3%～48.7%，黏聚力在27.10～53.03 kPa范围，内摩擦角在8.43～17.90°范围，试验数据如表2所示。

2 数据分析整理

2.1 最小二乘法原理

最小二乘法（又称最小平方法）是一种数学优化技术。它通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数配。利用最小二乘法可以简便地求得未知的数据，并使得這些求得的数据与实际数据之间误差的平方和为最小，可用于曲线拟合。

根据最小二乘法原理，对不同状态下含水率与黏聚力和内摩擦角分别进行回归分析。

2.2 试验数据回归分析

2.2.1 坚硬状红黏土试验数据回归分析

3 结论

本文以云南省红河州个旧至元阳高速工程项目为研究背景，研究含水率对不同状态红黏土抗剪强度的影响，采用最小二乘法原理对试验数据进行回归分析并总结，全文得出如下主要结论：

（1）随着含水率的增加，坚硬状红黏土黏聚力下降速度最快，对含水率的敏感程度也最大，可塑状、坚硬状次之，软塑状红黏土的黏聚力对含水率的敏感程度最小。

（2）随着含水率的增加，硬塑状红黏土的内摩擦角下降速度最快，对含水率的敏感程度也最大，坚硬状、可塑状次之，软塑状红黏土的内摩擦角随着含水率的变化几乎不变，对含水率的敏感程度也最小。

（3）不同状态红黏土黏聚力平均值的差值为12.2 kPa、11.6 kPa和11.2 kPa，考虑到试验样本的有限性，推荐取值10～15 kPa;不同状态红黏土内摩擦角平均值的差值均为2.1°，推荐取值1.8～25°。

参考文献：

[1]GB 50021-2001，岩土工程勘察规范[S].

[2]《工程地质手册》编写委员会. 工程地质手册[M].4版.北京：中国建筑工业出版社，2008.

[3]胡艷欣. 红黏土含水量和干密度与抗剪强度的相关性分析[J]. 人民长江， 2017， 48（s1）：249-252.

[4]袁智洪， 简富献， 黄诗渊. 掺砂高塑性红黏土抗剪强度直剪试验研究[J]. 人民珠江， 2017（5）.

[5]孙希望， 徐运龙， 杨果岳，等. 昆明地区压实红黏土抗剪强度特征研究[J]. 土工基础， 2017（4）：465-467.

[6]张添锋， 孙德安， 刘文捷. 桂林压实红粘土抗剪强度与含水率关系[J]. 上海大学学报（自然科学版）， 2014， 20（5）：586-595.

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[9]赵亚文. 不同含水率下红黏土抗剪强度特性的研究方法探讨[J]. 开封大学学报， 2017（3）：95-96.

[10]梁斌， 莫凯. 不同含水率下重塑红黏土抗剪强度特性的研究[J]. 山西建筑， 2010， 36（4）：101-102.

[11]赵蕊， 左双英， 王嵩等. 不同含水量贵阳重塑红黏土三轴抗剪强度试验研究[J]. 水文地质工程地质， 2015， 42（5）：90-95.

[12]武鹏， 倪万魁， 王鲜等. 宁南地区红黏土的强度特性研究[J]. 合肥工业大学学报（自然科学版）， 2015， 38（8）：1119-1123.

[13]王星华， 黄长溪， 隆威. 直接快剪条件下黏土抗剪强度影响因素探讨[J]. 铁道科学与工程学报， 2012， 9（5）：46-49.

[14]赵小龙. 含水率对重塑黏土力学特性的影响研究[J]. 水利技术监督， 2017（2）：71-73.

[15]陈磊， 赵健. 含水率对排土场黏土抗剪强度参数的影响[J]. 煤炭技术， 2016（12）：170-172.

（责任编辑：于慧梅）