含水率对红土结构强度影响的试验研究

成果，黄书娴，汤红英

（1.江西水利职业学院，江西南昌，330013；2.南昌大学工程建设学院，江西南昌，330031；3.江西省水利科学院，江西南昌，330029）

0 引言

沈珠江院士[1]曾指出：土体的结构性是指土体颗粒和孔隙的性状和排列形式（或称组构）及颗粒之间的相互作用，土都具有一定的结构性，特别是天然土的结构性对其土工特性有非常大的影响。土的结构强度是用来衡量土体结构性强弱的力学参数，它是指保持土体原生结构不被破坏的土颗粒之间联接处的联接强度。徐耘野[2]对非饱和原状土进行结构性研究，结果显示引入结构性参数的修正K-G 模型能够更好的拟合出实际土样的变形规律。张祖莲[3]研究认为干湿循环作用导致红土微结构的改变，从而引起红土宏观力学性质的变化。廖胜修[4]，吴侃等[5]指出：非饱和黄土能否发生湿陷变形、发生湿陷变形的大小，主要取决于其土体的结构强度是否发生损失以及损失的程度。张伯平[6]、刘海松等[7]人指出：黄土的强度包括两个方面：一是由黄土的原生结构性所形成的结构强度；二是由土体在固结压密时土颗粒间所形成的固结强度，此部分强度不受土体结构性的影响。非饱和黄土的结构强度可用其原生结构破坏后土体损失的强度大小来衡量。在具体地确定强度时，结构强度的大小应该用原状黄土应力～应变曲线转点处所对应的原状黄土与重塑黄土的应力之差来表示。党进谦、李靖[8]分析了非饱和黄土强度的组成和结构强度的来源，给出了结构强度的确定方法，研究了结构强度的变化规律。结果表明：非饱和黄土的结构强度可用其天然结构破坏后所丧失的强度衡量，结构强度与初始含水量间具有幂函数关系；结构强度与不稳定凝聚力具有良好的线性关系；提出了非饱和黄土结构强度终止含水量的概念；并给出了非饱和黄土抗剪强度的计算公式。高建伟等[9]对22 种不同含水率、干密度组合的黄土试样进行了室内无侧限抗压强度试验。结果表明：随着含水率的增加，黄土试样的弹性模量随含水率增加而线性降低，降低速率随干密度的增加而呈线性增长；黄土试样的无侧限抗压强度与弹性模量之间具有良好的线性相关性。范军立[10]从室内试验及理论分析方面总结分析了黄土在微观结构研究方面的现状。研究表明：黄土的空隙结构以及粘结强度是影响黄土湿陷特性的主要内因。郝延周等[11]对不同干湿循环条件下压实黄土试样进行固结排水三轴剪切试验。结果表明：不同结构状态压实黄土的三轴剪切力学特性差异明显，表现出明显的结构性。

红土作为一种特殊土壤，在工程建设领域应用广泛，其宏观结构强度也具有一定的特殊性，研究其结构性和结构强度，对认识红土力学性质同样具有重要意义。尽管在含水率对红土结构强度的影响这一问题上，已经有一些研究，但这些研究对红土小变形阶段的强度变化、不同含水率下红土的抗剪强度差异以及含水率对红土结构强度的影响机理等方面仍存在着争议和不明确之处。因此，本文将分别研究原状、重塑红土在直接剪切条件下应力应变发展规律及含水率变化对以上规律的影响。通过比较原状-重塑应力差，研究含水率对红土结构强度的影响。

1 研究方案

1.1 试验土样

土样来源于江西省抚州市东乡区詹圩镇幕塘村，土样呈砖红色，天然含水率为20.6%，天然干密度为1.49g/cm3，土样物理特性见表l。

表1 土样物理特性

1.2 实验方案

为了明确比较原状-重塑红土应力差，并研究含水率对红土结构强度影响，试样在制备过程中需要严格控制其含水量和密度两个参数，同一类土各试样的干密度为1.49g/cm3。从现场取回的原状土样被分为两组，第一组被制成初始含水量各不相同的原状试样，第二组被制成与第一组各试样的含水率、密度参数一一对应的重塑土样。

重塑试样的制备：先将风干土样碾碎、过筛、拌匀，充分破坏土样的天然结构，然后按所需含水量均匀加水搅拌，保湿静置一昼夜，分层击实至要求的密度，再切取试样，要求含水量和密度的制样误差不超过1.0%，初始含水量分别控制为15.0%、19.0%、23.0%、27.0%、31.0%，共5 种，试验前称重反算各试样的初始含水量，以反算的初始含水量为准。

试验采用DJY.4 型四联等应变直剪仪，采用固结快剪法，剪切历时3～5min。剪切速率为1.2mm/min，垂压分别为100/200/300/400kPa。分别测定每组初始含水率的原状、重塑土样的剪应力以及剪切位移曲线。

试验结束后，分析含水率的变化和试样的抗剪强度及各强度参数变化之间的关系。比较运用直剪试验的结果分析原状红土与重塑红土的强度随垂直压力及含水率作用下的变化规律，并分析变化原因。

2 含水率对红土力学性质影响

2.1 红土剪切过程曲线

分别对含水量为15%、19%、23%、27%、31%的原状、重塑红土试样进行剪切，其剪切过程中应力-应变关系发展曲线如图1所示。受限于文章篇幅，只给出部分应力-应变关系发展曲线。

图1 红土剪切过程曲线

由图1 分析可得：无论是原状红土还是重塑红土，其剪切过程曲线都表现为“剪切硬化”型曲线，在达到破坏标准（剪应变6mm）前，剪应力随着剪切位移的增加而增大，剪切位移达到3～4mm 时，各曲线逐渐达到峰值并趋于稳定。本文取剪应变达到6mm 时的剪应力为土样抗剪强度。

2.2 不同含水率下红土的力学参数变化

剪切完成后，用摩尔库仑定律整理试验所得数据，可以得到，原状土样和重塑土样的力学参数如表2 和图2所示。

图2 红土强度参数随含水率变化规律

表2 红土强度参数表

从图2 可知，随着含水率的增加，红土的粘聚力和内摩擦角都逐渐减小，且关系曲线的斜率也随着含水率的增大而减小。

3 含水率对红土结构强度影响

在受到力的作用时，土体的原生结构可以抵抗一部分力的作用。红土的剪切结构强度表示的就是红土在受到剪切应力破坏时，其原生结构对剪应力的抵抗作用。红土的原生结构性越强，对这种抵抗能力就越大，即结构强度越大。

本文根据相关学者的研究成果，在同一剪应变下，用原状红土的剪应力减去重塑红土的剪应力，得到的结果即为在直接剪切条件下红土的原状-重塑应力差。如图3所示。

图3 原状-重塑应力差计算示意图

原状-重塑应力差可用以下关系式计算：

式中：τq为原状-重塑应力差；τ1、τ2为一定剪切应变下原状、重塑红土的剪应力。

3.1 原状—重塑红土剪切应力差

根据剪切试验结果，首先分别绘制出在相同垂直压力、不同含水率状态的原状－重塑红土的剪切应力差，如图4所示。

图4 不同含水率下原状-重塑红土剪切应力

然后绘制每一含水率状态下，承受不同垂直压力的原状－重塑红土的剪切应力差如图5所示。

图5 不同压力下原状-重塑红土剪切应力差

分析图4、图5 可得：

（1）在剪切变形较小的阶段（2mm 以内）时，原状与重塑红土抗剪强度差既存在正值也存在负值，说明在小变形阶段，原状红土与重塑红土的强度数值大小不具有绝对的可比性。产生这种现象的原因可能是：一是由于垂直压力的固结作用影响，原状土体在固结后，其颗粒排列、胶结情况等结构性存在一定程度的破坏；在开始剪切的小变形阶段，土体内部颗粒状态开始调整，随着剪切的开展，原状红土的强度均大于重塑红土，说明土体内部颗粒在经过调整后，原状红土的结构性强度开始发挥作用。原状-重塑红土剪切应力差随着变形的发展逐渐变大或稳定，也说明这种土体内部颗粒的调整整体是有序的。

（2）通过图4 可以发现：同一压力下，当剪切应变相同时，红土在低含水状态（17%、21%）的抗剪强度差均大于高含水状态，表明在含水率较低的情况下，原状土样颗粒之间的胶结作用明显强于重塑土样。随着土样含水率的提高，抗剪强度差均出现不同程度减少，随着剪切作用的发展，其大小关系也产生交替现象，说明水对土体颗粒之间胶结作用产生较大影响，此时土体的抗剪强度主要产生于土颗粒之间的排列与咬合作用，由于土体的排列与咬合存在较大随机性，对土体抗剪强度产生了影响，因此原状-重塑抗剪强度应力差产生了较混乱的表现形式。

（3）通过图5 可以发现：直接剪切条件下，含水量较低（17%、21%）红土随着剪切的发展而逐渐提高；随着含水率的提高，在较低的剪切应力下原状-重塑红土剪切应力差即达到最大值，随后不再提高。这是由于水的作用，使得高含水状态土体的结构性从固结和剪切开始的阶段就已被完全发挥，随着剪切作用的发展，不再提高。

3.2 红土的结构强度

从图4 和图5 可知原状-重塑红土剪切应力差表现为两种形式：一是应力差随着剪应变的发展而逐渐提高并稳定至峰值，直至试样破坏；二是应力差随着剪切应变的增加而缓慢升高一直到土体破坏。存在峰值时，表明红土的结构性充分发挥，之后应力差随应变量的增加基本不再变化；当原状-重塑红土剪切应力差仍随着剪切的发展增加时，说明红土的结构性强度仍在不断发挥作用。本文取原状-重塑红土剪切应力差的最大值为红土的结构强度。

红土在不同含水率和垂直压力下的结构强度见表3 和图6。

图6 红土的结构强度

表3 不同含水率、垂直压力下红土结构强度 kPa

可以看出：不论其垂直压力如何变化，红土的结构强度总是随着含水率的增加而逐渐降低随后趋于稳定。在垂直压力较低的情况下，其结构强度也较低。随着垂直压力升高，结构强度一般也逐渐趋于稳定，在高含水状态下表现尤为明显。

通过以上研究表明：红土的结构强度与土体含水状态和固结状态密切相关，结构强度随着含水率的增加和固结作用的减少而降低；随着含水率的减少和固结作用的增加而升高。

在实际工程应用中，当土体的天然含水率较低，且承受的自然固结压力较大时，应该充分考虑红土结构强度可能会产生的变化，利用重塑红土的强度代替原状土的强度会产生较大误差。但当土体天然含水率较高，且承受的自然固结压力较小时，土体结构强度一般较低，可以利用重塑红土的强度代替原状土的强度。

4 结论

本文通过直接剪切试验，研究了不同含水率对红土结构强度的影响及其规律，得到如下结论：

（1）原状红土与重塑红土在小变形阶段强度不能直接比较，但剪切应力差会随着变形逐渐增大或趋于稳定。

（2）水对红土颗粒胶结作用影响显著，在相同压力下，低含水状态的抗剪强度差大于高含水状态；高含水状态的结构强度在剪切开始阶段已充分发挥。

（3）红土结构强度与含水率和固结状态密切相关，含水率增加、固结减少会降低结构强度；含水率减少、固结增加会提高结构强度。

综上，含水率是影响红土结构强度的关键因素。工程设计应充分考虑红土的含水率和固结状态，以准确评估其结构强度和稳定性。