干湿循环作用下红黏土裂隙发育试验研究

董 薇，黄待望

(1.江苏建筑职业技术学院 交通工程学院，江苏 徐州 221116； 2.中国电建集团 华东勘测设计研究院有限公司，杭州 311122)

高液限红黏土在江西地区广泛分布，一般由碳酸盐岩经风化残积形成，覆盖在岩层顶部，残积层厚度不等，厚的地方可达数十米。路堤填土受气候影响显著，尤其是在中国南方地区。由江西地区气候可知，江西地区夏季较长，且夏季气温很高，降雨较多。在这样的地区采用红黏土填筑路堤时，路基经常处于干湿交替作用下。红黏土在高温下失水收缩开裂后，又由于降雨使水分随裂隙渗入，土体遇水后会产生膨胀，导致原有裂隙闭合。但是裂隙附近的土质会被软化，再到高温干旱天气，土体再次收缩，裂隙张开，同时还会产生新的裂隙。随着红黏土裂隙的发育，土体的完整性遭到了破坏，土体的强度降低，容易造成路堤边坡滑动事故。路堤填土在干湿循环作用下的强度和变形问题，是路基填筑中必须考虑的。

董薇等[1]对江西红黏土进行了颗粒分析试验，说明试验用土具有特殊的团粒结构，强度较好。孟晓宇等[2]研究发现红黏土的破坏动应力随着破坏振次的增加而减小。谭罗荣等[3]研究表明，红黏土在不同脱水条件下，其工程力学性质表现出不同的变化规律，红黏土具有较强的水敏性。张永婷等[4]研究了红黏土在干湿循环条件下的胀缩变形特性，得出干湿循环作用下，红黏土是以收缩为主，而且红黏土的水稳性明显优于膨胀土。AL-Homoud等[5]指出干湿循环作用会使高液限土的强度产生疲劳效应，其主要原因是干湿循环作用改变了土体的结构。土体在经历几次干湿循环后，强度和变形会趋于稳定，一般3～5次循环后，土体就基本维持平衡状态[6-8]。Guney等[9]通过大量试验研究了干湿循环作用对土体力学特性的影响，发现在初次干湿循环作用下，土体就已经发生破坏。大约经过4～6次干湿循环后，土体结构趋于稳定，力学性能达到稳定状态。王莹莹等[10]对重塑红黏土进行了无荷条件下的干湿循环试验，发现随着干湿循环次数的增加，红黏土的绝对膨胀率、绝对收缩率的绝对值逐渐增大，而相对膨胀率、相对收缩率均越来越小。因此，由国内外相关研究可知，红黏土在最优含水率附近填筑时强度良好，而在初次干湿循环后，就会产生变形破坏，使强度降低。在经历多次干湿循环后，红黏土的强度和变形会趋于稳定状态。

《公路路基施工技术规范》(JTG/T 3610—2019)[11]中规定，红黏土可用于高速、一级公路下路堤和二级公路路堤以及三、四级公路下路床、路堤的填筑要求，压实标准应由试验路段结合工程经验确定。

本文将针对江西地区的红黏土，研究重塑土样在不同压实度条件下，从风干到缩限含水率再泡水到稳定的干湿循环作用下，土样表面裂隙的发育情况，并对干湿循环作用造成红黏土试样表面出现裂隙的现象和原因进行分析讨论，为更好地了解干湿循环作用对区域红黏土的影响提供试验依据，为研究红黏土作为路基填料在干湿循环作用下的路用性能提供试验支撑。

1 试验材料及方案

1.1 试验材料

试验所用的土样取自江西省吉安市吉水县，属于灰岩地区残积红黏土。对取回的土样分别进行颗粒分析试验、液塑限试验、比重试验、自由膨胀率试验等室内试验，获得红黏土的基本物理性质指标，见表1。

由试验结果可知，本试验用红黏土属于高液限黏土。 《公路路基设计规范》(JTG D30—2015)[12]规定，红黏土作为路基填料时，在确定路堤填筑的最优含水率、最大干密度时，应采用湿土法重型击实试验。本次试验所用的江西地区的红黏土，天然含水率较高，采用湿土法所得的最优含水率和最大干密度更符合实际情况。由击实试验结果得出红黏土的最大干密度为1.80 g/cm3，最优含水率为17.5%。

1.2 试验方案

利用初始含水率为17.8%(接近最优含水率)的重塑土样进行干湿循环试验。考虑采用环刀试样进行干湿循环试验时，环刀试样表面积过小，为了更便于观察试样裂隙开展情况，采用击实筒制备静压试样。利用初始含水率为17.8%(接近最优含水率)的重塑土样，制备不同压实度的静压试样(直径为15.2 cm，高为4 cm)进行干湿循环试验。然后对经历过不同干湿循环次数后的试样进行红黏土表面裂隙发育情况研究。

1.2.1 压实度设定

为了解试验所用红黏土的强度，得到红黏土的CBR(California bearing ratio，加州承载比)强度、抗剪强度、压缩系数，对压实度为87%～93%的红黏土试样分别进行了CBR试验、快剪试验和固结试验，试验结果见表2。

由表2可知，试验所用的红黏土试样强度较好，即使压实度降低到87%，试样强度也可满足规范对于高速、一级公路下路堤和二级公路路堤以及三、四级公路下路床、路堤的填筑要求。

表2 红黏土在不同压实度下的CBR强度、抗剪强度参数、压缩系数

《公路路基施工技术规范》(JTG/T 3610—2019)[11]中规定土质路基下路堤压实度，高速、一级公路≥93%，二级公路≥92%，三、四级公路≥90%。但路堤采用红黏土作为填料时，压实度标准在保证路基强度要求的前提下根据试验路段和当地工程经验确定，且满足压实度不得低于重型压实标准的90%。因此，进行干湿循环试样的压实度设定为90%和93%。

1.2.2 干湿循环次数设定

依据前人的研究成果，经过4～6次干湿循环后，土体结构趋于稳定。因此，在进行干湿循环试验过程中，将不同压实度的土样设定进行6次干湿循环。

静压试样干湿循环过程为：对备好的静压试样，在40 ℃的烘箱(模拟夏季高温天气)中脱湿至预定含水率(缩限含水率)后，用气压喷壶给土样喷水(模拟降雨)，至水面覆盖土样，且2 h内土样表面水不再入渗视为吸湿至稳定状态。第一次干湿循环为土样由初始含水率失水至缩限含水率。此后的干湿循环为土样由缩限含水率吸湿至稳定状态，再失水至缩限含水率。

2 试验结果分析

2.1 不同压实度下红黏土表面裂隙发育情况

通过对不同压实度的红黏土试样展开1～6次反复干湿循环试验，对干湿循环作用下试样的裂隙发育情况进行观察。每次干湿循环后，不同压实度的土样上表面和侧面裂隙形态发育分别如图1和图2所示。

图1 90%压实度土样表面裂隙发育情况

图2 93%压实度土样表面裂隙发育情况

从图1、图2可以看出，裂隙随干湿循环作用次数的增加而逐步增多，且趋于一种网状裂隙状态。90%压实度的土样在第1次脱湿至缩限时，试样表面只在边缘产生少许细微裂隙。边缘由于制样原因，有一条约为1 mm的裂缝。试样侧面产生未贯穿的细小裂隙。在第2次脱湿至缩限时，试样表面边缘部分有少许的土块掉落，靠近中间部位产生细微裂隙，所包裹的网状土块面积较大。边缘处的约1 mm的裂缝，由于第2次由缩限状态吸湿至饱和稳定状态，入渗造成土体浸湿，不利于张裂缝的发展，裂隙闭合，裂缝仅在靠近边缘处约为1 mm，往中心处越来越细微。试样侧面发育纵横交叉裂隙。在第3次脱湿至缩限时，试样表面边缘处的裂隙进一步发育。由于第2次的吸湿，边缘处的裂缝闭合，再脱湿后，裂缝变成宽约为0.1 mm的裂隙。试样侧面出现从试样顶面贯穿到底面的竖向裂隙，横向裂隙也进一步加长、加宽。在第4次、第5次脱湿至缩限时，可看出试样表面裂隙进一步发育，边缘处出现面积更小的网状裂隙，靠近中间部位的裂隙块状更加明显。试样侧面裂隙逐渐变多，裂隙向试样内部发展。在第6次脱湿至缩限时，试样表面边缘处的裂隙往中间发展，裂隙变宽、变长。试样表面、侧面产生的裂隙相互连接贯通。

93%压实度的土样在第1次脱湿至缩限时，试样表面几乎没有肉眼可见裂隙产生，试样侧面也无明显裂隙发育。在第2次脱湿至缩限时，试样表面边缘部分出现细小裂隙。试样侧面出现细小纵向裂隙。在第3次、第4次、第5次脱湿至缩限时，试样表面边缘裂隙逐渐发育密集，土样中间部分逐渐发育细小裂隙。试样侧面出现的竖向裂隙从试样顶面贯穿到底面。至第6次脱湿至缩限时，试样表面只发育细小裂隙，边缘土粒跌落很少，土样完整性良好。试样侧面产生的裂隙和表面的裂隙相互连接，裂隙延伸至土样中间部位。

93%压实度的土样相比90%压实度的土样，裂隙发育宽度更细，网状裂隙包裹的土块面积大，边缘土体跌落少，完整性更好。但提高压实度不能防止裂隙的发育，只能抑制裂隙的进一步发育。

2.2 红黏土干缩裂隙发育机理

红黏土失水收缩开裂是其最突出的特性。红黏土产生膨胀与收缩的原因很复杂，它是红黏土与水在相互作用中发生的物理化学反应转化为宏观力学效应的结果，即红黏土的胀缩是红黏土的特殊内在因素在外部适当的气候环境条件下共同作用的结果。因此，红黏土发生胀缩变形的基本条件有两条：一是岩土体具备自身能够发生胀缩的内在因素；二是要有能够发生水分转移的外部条件。

红黏土中黏粒含量很高，土粒很细小，比表面积大，扩散层的总体积较大。红黏土中的胶体矿物(针铁矿、褐铁矿等)和黏土矿物(伊利石等)，使得黏粒表面带电荷数量较多，扩散层厚度较大。矿物成分和颗粒组成，决定了红黏土具有较强的亲水性。脱湿过程中，当红黏土中的水分蒸发散失时，土粒表面的结合水膜变薄，基质吸力变大。当土体中的基质吸力大于土体的抗拉强度时，土体表面便会产生裂隙。吸湿过程中，裂隙为水分的渗入提供了良好的通道，水分会进一步渗入到土体内部，造成土体结构软化。再一次失水时，土体的裂隙会沿着原有的方向向土体深部发育，又由于土颗粒之间的连结作用减弱，土体的抗拉强度降低，裂隙会进一步加宽。

3 结论

通过研究不同压实度下的红黏土试样在经历多次干湿循环作用后表面裂隙的发育情况，可得到如下结论：

1)试样裂隙随干湿循环作用次数的增加而逐步增多，且趋于一种网状裂隙状态。无论是90%压实度还是93%压实度的试样，在经历第1次干湿循环后即产生裂隙，说明红黏土在经历初次干湿循环后就已经发生变形破坏。

2)随着干湿循环次数增加，裂隙由试样边缘逐渐向中间发展，且最终形成贯穿裂隙。红黏土作为路基填料时，若不采取相应措施，路基在经历多次干湿循环后会产生比较严重的变形破坏，进而使路基丧失强度。

3)93%压实度的土样相比90%压实度的土样，裂隙发育宽度更细，网状裂隙包裹的土块面积大，边缘土体跌落少，完整性更好。工程上采取提高路基压实度的方法保证路基质量，对于红黏土而言是有效的。在南方多雨地区，可以通过适量提高压实度的方法，来减少降雨对于红黏土变形的影响。

4)对于在干湿循环作用下的红黏土，提高压实度不能防止裂隙的发育，只能抑制裂隙的进一步发育。因此，对于红黏土路基，若要提高其长期的路用性能，不能只靠提高压实度，还要采取其他的防排水措施，避免降雨入渗对路基产生较大的影响。