千枚岩土-红黏土混合土抗剪强度试验研究

赵秀绍，付智涛，耿大新，石钰锋，王梓尧

(华东交通大学 江西省岩土工程基础设施安全与控制重点实验室，江西 南昌 330013)

0 引 言

千枚岩土在江西省中北部地区广泛分布，具有难压实，膨胀率大等特点。由于其黏聚力低，采用普通压路机压实时，压实完成后压实度与抗剪强度低[1-4]，边坡稳定性差，且极易受到扰动，遇水后强度将会进一步下降[5]，属于工程性质不良的填料，常作弃方处理。红黏土是一种典型工程性质不良的特殊土，具有较高的“水敏性”，遇水软化现象十分明显[6-8]，必须经过一定处理方可用作路基填筑。

千枚岩土和红黏土均为工程性质不良的填料，笔者首次提出了利用特殊土红黏土对千枚岩土进行加固改良，以期达到充分利用两种特殊土的目的。

为充分掌握红黏土掺入千枚岩土的强度特性，开展混合土室内直接剪切试验研究，并进一步探究混合土在浸水后强度衰减特性。目前关于红黏土、千枚岩土混合土的强度特性研究较少，特别是这两种特殊土浸水后强度衰减特性研究更少，但两种土组成的混合土浸水后的抗剪强度对边坡稳定性评价非常重要，因此有必要开展浸水与未浸水情况下混合土抗剪强度研究。

1 试验材料

江西中北部地区千枚岩是由泥岩变质而成的岩石，强度与硬度都很低，非常容易风化，从地下开挖出后初期为块状，经雨淋后迅速风化成土状，因此称为千枚岩土，如图1(a)、图1(b)。

试验所用千枚岩土和红黏土材料取自江西新建昌北货场铁路支线工程。红黏土湿热现象十分明显，经过日照失水后路基面会产生明显裂缝，如图1(c)。

图1 千枚岩土和红黏土Fig. 1 Phyllite soil and red clay

通过筛分试验得到千枚岩土和红黏土的颗粒级配曲线如图2。

图2 级配曲线Fig. 2 Gradation curve

由图2可知千枚岩土不均匀系数Cu=61.0，曲率系数Cc=3.800，粒径小于0.075 mm的颗粒含量为73%；红黏土不均匀系数C′u=26.3，曲率系数C′c=0.983，粒径小于0.075 mm的颗粒含量为91%，两种土均属于级配不良的土。试验材料的基本物理性质参数如表1。

表1 试验材料的基本物理性质参数Table 1 Basic physical property parameters of test materials

2 试验方案与试验方法

2.1 试验方案

为测定千枚岩土掺入红黏土后的抗剪强度，首先进行试样制备。以千枚岩土的干质量m0为基准，取红黏土(m1)与千枚岩土的质量比m1/(m0+m1)作为掺合比λ，红黏土掺合比设计为0、20%、40%、60%、80%和100%，其中0为纯千枚岩土，100%代表纯红黏土。

通过室内重型击实试验，得到不同红黏土掺合比的混合土最大干密度ρdmax和最优含水率wop，试验结果如表2。由表2可知：混合土的最优含水率在18%左右，最大干密度在1.70 g/cm3左右。为了方便对比压实度和制样含水率的影响，抗剪强度试样的含水率取14%、18%和22%，最大干密度取1.70 g/cm3，压实度K取93%、95%和97%(93%为高速铁路基床以下的压实度要求，95%是基床底层的压实度要求)，即对应试样的干密度分别为1.581、1.615和1.649 g/cm3。

表2 混合土击实试验结果Table 2 Compaction test results of mixed soil

2.2 试验方法

直剪快剪试验可以反映路基边坡失稳剪切产生超孔隙水压力，边坡稳定分析时常采用直剪快剪试验指标，根据GBT 50123—2019 《土工试验方法标准》试验采用直剪快剪试验，剪切速率控制为0.8 mm/min。试样采用环刀试样，试样直径61.8 mm，试样高20.0 mm。每组试验制备4个试样，分别施加50、100、150、200 kPa的竖向应力。进行浸水混合土直剪快剪试验时，将环刀土样推入剪力盒中，按照试验的操作步骤安装好压盖但是不施加竖向压力，往直剪盒槽中注水，浸水24 h后进行直剪快剪试验。

3 试验结果与分析

直剪试验每组试样都将得到4个正应力σ和4个剪应力τ，理论上这些数据点应该在一条直线上，并且符合库仑定律(1)：

τ=σtanφ+c

(1)

式中：c为土的黏聚力，kPa；φ为土的内摩擦角，(°)。

由于试验仪器等原因，4个点不可能正好在一条直线上，目前常用线性回归来求解c和tanφ以减小误差[9]。

3.1 掺合比对混合土黏聚力的影响

制样含水率w为14%、18%和22%时，浸水与未浸水混合土黏聚力c随掺合比λ变化规律如图3(图3中，93，95，97代表未浸水压实度为93%,95%和97%时的强度指标，并用虚线连接；93sk，95sk，97sk代表浸水强度指标，后文图中sk标识均为浸水指标)。相同情况下千枚岩土的黏聚力最低，在图3(b)中当含水率为18%且压实度为K=93%时，纯千枚岩土黏聚力仅有11.99 kPa。当掺入红黏土后，混合土的抗剪强度提高较为明显，当含水率为14%，压实度K为95%时，λ每增长20%，黏聚力约增长52.9%。当制样含水率不同时，黏聚力随红黏土掺合比的变化规律呈现不同的变化规律。

图3 黏聚力随掺合比的变化规律Fig. 3 Variation law of cohesion changing with mixing ratio

3.1.1 未浸水时黏聚力随掺合比变化规律

1)未浸水情况下，当红黏土掺合比小于60%时，混合土黏聚力随着掺合比的增长而显著增长；当掺合比大于60%时，制样含水率不同，黏聚力变化规律不同。

2)当制样含水率为14%(低于最优含水率18%)时，黏聚力随掺合比的增长而增长；当制样含水率为最优含水率(18%)时，K=93%时黏聚力随掺合比的增长接近线性增长，掺合比每增大20%，黏聚力增长8.35 kPa；K=95%和97%时，黏聚力增长较少甚至保持不变。

3)当含水率为22%时，黏聚力随着掺合的增长而降低。

以上现象说明，当制样含水率低于最优含水率时，红黏土掺入对混合土的黏聚力提高显著；当制样含水率大于或等于最优含水率时，λ≤60%时对黏聚力提高显著；λ>60%时，整体趋势为随着红黏土掺和比增长，混合土黏聚力增长幅度很小甚至发生降低，可以认为红黏土掺和比60%是优化掺和比。

3.1.2 浸水时黏聚力随掺合比变化规律

由图3中实线(sk线)可知：当红黏土掺合比小于60%时，不同制样含水率和压实度情况下的混合土黏聚力均随掺合比的增加而增长。当红黏土掺合比大于60%时，随着掺合比的继续增加，混合土的黏聚力基本不再增加。红黏土主要为团粒结构[1]，千枚岩土为片状结构，两者混合后可形成较为紧密的嵌锁情况，因此黏聚力提高；浸水后，土体含水率增大，红黏土团粒间的结合水膜变厚，颗粒间的静电引力减小，黏聚力降低[9]。

3.1.3 混合土浸水前后黏聚力变化对比

混合土浸水后黏聚力会出现较大幅度降低，图3中虚线与实线之间的距离即为黏聚力降低的幅度。为了定量描述黏聚力的降低，定义浸水前黏聚力与浸水后黏聚力的比值为折减系数δc，其定义如式(2)，变化规律如图4。

(2)

式中：cusk为未浸水时混合土黏聚力；csk为浸水后混合土黏聚力。

图4、图7中93-14为k=93%，w=14%时的折减系数，以此类推。图4可知：当含水率为14%时，整体趋势为黏聚力折减系数随红黏土掺合比增大而增大，即红黏土掺和比越高浸水后黏聚力降低幅度越大。以K=97%为例，红黏土掺和比分别为0、20%、40%、60%、80%和100%时，折减系数分别为1.38、2.16、1.97、2.63、3.98和4.52。这种现象说明掺入红黏土的黏聚力水敏性非常高，在含水率低于最优含水率时，掺合比越大，工程实际上黏聚力折减系数取值也越大。

图4 黏聚力折减系数变化规律Fig. 4 Variation law of cohesion changing with reduction coefficient

当含水率为18%或22%时，黏聚力折减系数呈波动状态，呈现出的规律并不明显。黏聚力折减系数在1.22～2.67内波动，平均值为2.02，混合土工程计算时可以保守的取2.7作为折减系数。

千枚岩土本身的强度较低，浸水前后强度的变化较小[10]，而红黏土本身强度较高且具有较强的水敏性，因此强度折减较大[11]。由图4可知：仅当含水率为14%时才会出现红黏土掺合比越大强度衰减幅度越大的问题，当含水率为18%和22%时掺合比对黏聚力衰减幅度没有明显的增函数关系。

3.1.4 制样含水率对黏聚力强度的影响

制样含水率对黏聚力有显著的影响，TB 10001—2016《铁路路基设计规范》对基床底层及以下要求压实度为91%，考虑到混合土无荷膨胀率还较大[2]，实际常通过提高2%压实度(K=93%)来克服由于膨胀引起的压实度降低。此压实度下未浸水混合土黏聚力随含水率变化如图5(a)。

图5 含水率对黏聚力强度的影响Fig. 5 Influence of water content on cohesive strength

千枚岩土本身强度较低，浸水前后黏聚力随制样含水率的变化不明显，红黏土本身强度高，而且“遇水软化”十分严重，强度变化非常明显。

以K=93%且w=18%为例，未浸水红黏土黏聚力为80.03 kPa，但浸水后锐减为17.29 kPa，降低了78.4%。图5(a)表明，混合土样在未浸水情况下，黏聚力随着制样含水率的增加而减小，这是由于含水率越大，黏土颗粒之间的水膜越厚[12]，降低了颗粒之间的引力。浸水后黏聚力随含水率变化如图5(b)，黏聚力受制样含水率影响仍然显著，除λ=0和40%情况外，其它掺和比下黏聚力呈现先增加再降低的变化规律，因此多数情况下混合土在最优含水率具有峰值黏聚力，工程中压实土体时应尽量使含水率接近最优含水率。

3.2 掺合比对混合土内摩擦角的影响

混合土内摩擦角随掺合比的变化规律如图6。图6中，虚线和实线分别为未浸水与浸水状态下不同压实度混合土的内摩擦角变化规律。

图6 内摩擦角随掺合比的变化规律Fig. 6 Variation low of internal friction angle withchanging mixing ratio

3.2.1 未浸水时内摩擦角随掺合比变化规律

由图6可知：

1)当混合土样制样含水率w≤18%时，土样的内摩擦角整体随着掺合比增大而增大，但当掺合比增加到80%时，内摩擦角出现了较小的降低，此情况的主要是因为当掺合比大于80%时，混合土样压实情况较好且内摩擦角大的红黏土为主导，而根据两种土样的粒径分布可以发现千枚岩土的粒径较红黏土大，千枚岩土的存在使混合土的级配相对于纯红黏土有一定的改善，形成较为密实的结构，λ=80%混合土相对于纯红黏土，具有更大的内摩擦角。

2)当制样含水率为22%时(大于最优含水率)时，内摩擦角变化规律呈现先增加后减小的变化规律，未浸水情况下在红黏土掺合比等于60%时内摩擦角最大。因此，掺合比超过60%对内摩擦角强度提高贡献较小甚至没有贡献，建议掺合比不高于60%。

3.2.2 浸水后内摩擦角随掺合比变化规律

浸水混合土的内摩擦角整体随掺合比的增大呈现明显的波浪形变化，由图6可知：

1)当掺合比低于40%时，内摩擦角随掺合比的增大而增大，在掺合比20%～40%增长最为显著，当K=95%和w=18%时，掺合比增大20%而内摩擦角由18.14°增大至26.07°，增长了43.7%。

2)掺合比为60%处内摩擦角出现轻微的下降，w=14%，18%和22%对应的内摩擦角相比λ=40%分别降低了8.5%，3.6%和5.2%，即在最优含水率处降低幅度最小。

3)随着掺合比由60%增大至100%时，内摩擦角先增大后减小，即λ=80%浸水混合土的内摩擦角比浸水纯红黏土大。当K=95%时，3种含水率下λ=60%混合土的内摩擦角与纯红黏土相近，但λ=80%混合土的内摩擦角相对于纯红黏土分别提高了8.2%，16.8%和17.9%，可认为千枚岩土的掺入可以降低红黏土浸水后的内摩擦角损失，使混合土的内摩擦角相对于纯红黏土有一定的提高。

千枚岩土和红黏土混合后形成了更为紧密的结构，在红黏土的铁质胶结作用下[11]，颗粒间存在咬合作用，产生相对错动难度较高，内摩擦角增大；而浸水后土样的含水率增大，颗粒表层结合水膜变厚，对土颗粒的相对错动起润滑作用，因此内摩擦角减小。

3.2.3 浸水前后内摩擦角变化对比

图6中虚线与实线间的距离即为内摩擦角由于浸水原因产生降低的幅度。为了定量化描述内摩擦角的降低幅度，定义浸水前的内摩擦角与浸水后内摩擦角的比值为折减系数δφ，其定义如式(3)：

(3)

式中：φusk为未浸水时混合土的内摩擦角；φsk为浸水后混合土的内摩擦角。

内摩擦角折减系数随掺合比的变化规律如图7。图7表明当红黏土掺和比为0%、20%、40%、60%、80%和100%时，δφ变化范围分别为1.04～1.55、1.22～1.72、1.20～1.32、1.22～1.44、1.12～1.51、1.19～1.65。数据分析表明，当红黏土掺和比为0%、20%、80%和100%时，δφ变化范围较大。当红黏土掺和比为40%和60%时，δφ变化范围较小，可认为混合土的内摩擦角变化较小且趋于稳定，工程上计算时可取最不利情况δφ=1.72。

图7 内摩擦角折减系数变化规律Fig. 7 Variation law of internal friction angle changing withreduction coefficient

4 基于抗剪强度掺合比优选讨论

对比浸水与未浸水混合土的黏聚力变化，掺合比应控制在40%～80%内，但由于浸水后混合土在掺合比40%～60%范围内摩擦角随掺合比增大而减小，在掺合比60%～80%内逐渐增大，而内摩擦角的折减系数在掺合比40%～80%内波动较小，浸水后强度减小幅度较小，因此掺合比应控制在40%～80%内。

结合前期室内液塑限试验结果[2]，液限wL，塑限wP，液性指数IP随掺合比λ的关系如图8。

图8 不同掺合比下wp、wL、IP的变化规律Fig. 8 Variation law of wp, wL and IP under different blending ratios

非浸水混合土的液限随掺合比呈三次多项式变化如式(4)，相关系数为0.931 2。

ωL=-3.3×10-5λ3+0.007 46λ2-0.365 92λ+43.433 75

(4)

根据式(4)数学模型计算的结果，掺合比在13%～52%内，混合土的液限小于40%。TB 10001—2016《铁路路基设计规范》规定，当wL<40%为低液限土，划分为C组填料，可用于普通II级铁路基床底层以下填筑，也可用于I组铁路基床底层填筑。因此，当红黏土掺合比为13%～52%时，混合土可用作上述路基部位填料。

由于工程上难以精确控制掺合比，结合浸水与非浸水混合土的黏聚力和内摩擦角随掺合比的变化，掺合比应控制在40～50%内。

5 结 论

红黏土的掺入对千枚岩强度增长有明显的增强作用，通过未浸水与浸水后混合土的抗剪强度试验与分析，可以得出如下结论：

1)浸水与未浸水状态下，在红黏土掺合比60%以内，混合土样黏聚力c和内摩擦角φ均随掺合比的增大而显著增大；当掺合比超过60%时改良效果不佳甚至出现降低。

2)当含水率为14%时，混合土的黏聚力折减系数随掺合比的增加而增大，即掺合比越大浸水后衰减幅度越大，最大可达4.63；当含水率为18%或22%时，黏聚力折减系数呈波动状态，呈现出的规律并不明显，在平均值2.02上下波动，变化范围为1.22～2.67，工程计算时可以保守的取2.7作为折减系数。

3)未浸水时土样黏聚力随制样含水率的增大而减小，多数情况下浸水后黏聚力在最优含水率18%处最大，建议在最优含水量附近进行压实。

4)混合土样内摩擦角折减系数变化范围较大为1.04～1.72，当红黏土掺合比为40% 和60%时变化范围较小，分别为1.20～1.32和1.22～1.44，可取最大值1.44作为掺和比40%～60%时的保守折减系数。

5)结合未浸水混合土的液塑限分析、浸水与未浸水混合土的黏聚力和内摩擦角变化规律，红黏土改良千枚岩土掺合比优选范围为40%～50%。