含水率及干密度对重塑红黏土强度的影响

张 吉

(曲靖师范学院 应用技术学院，云南 曲靖 655011)

0 引 言

抗剪强度是衡量土体抗变形破坏能力的一项重要指标.在外荷载作用下,颗粒内部产生剪应力,当剪应力小于土体抗剪强度时,土体保持稳定.当土体中某个点或多个点受力大于抗剪强度时,颗粒产生剪切破坏,破坏点逐渐向周围发展形成连续贯通破坏面,进而产生整体破坏.在工程领域,土体边坡失稳、地基塌陷、挡土墙垮塌等工程事故都是由剪切变形破坏引起.

水是导致岩土体工程性质劣化的首要因素.红黏土作为一种特殊土体,广泛分布于我国南方地区,具有高强度、高液限、高天然含水率、吸水膨胀、失水收缩、难以压实的特征.在红黏土形成过程中,原有的矿物结晶格架遭到破坏,使土颗粒周围聚集了大量负电荷形成静电场.静电场将极性水分子吸引在土颗粒周围,近端吸引力较强,为强结合水,远端吸引力弱,为弱结合水.强结合水连接力较强,土颗粒难以运动,弱结合水连接力较弱,土颗粒活动性较强,在很小的外力下就能发生形变或移动,从而引起一系列的工程性质变化[1].此外,干密度也是影响土体抗剪强度的另一重要因素,土体干密度增大,颗粒间距变小,连接变紧密,颗粒在移动时需克服更大的咬合摩擦力及连接力,在宏观力学上表现为粘聚力及内摩擦角增大.

王丽[2]对粉质土研究发现,含水率变化对土体粘聚力影响较大,对内摩擦角影响较小.贾文聪等人[3]研究了汉中膨胀土、安康膨胀土以及两种膨胀土以1∶1质量比混合而成的土发现,在含水率分别为12%、15%、18%、21%、24%五种工况下,膨胀土的粘聚力及内摩擦角依次降低.傅鑫晖等人[4]探究了含水率、干密度、胶结作用对桂林雁山红黏土抗剪强度的影响,发现干密度增大红黏土抗剪强度显著升高,粘聚力随含水率升高呈现出双峰效应,胶结作用对内摩擦角变化影响有限.陈鸿宾等人[5]利用三轴试验研究了桂林饱和及非饱和重塑红黏土的干密度、含水率对土体抗剪强度的影响,随含水率增高,粘聚力及内摩擦角呈指数衰减.综上,虽然部分学者对含水率及干密度与土体抗剪强度关系做了较多研究,但研究结论不统一,而且研究地点主要在广西,尚未见到武汉红黏土相关报道.武汉地区存在大量红黏土,在工程建设中不可避免地存在红黏土填筑问题,同时也鉴于岩土体工程性质存在差异性,本研究设计了一系列直剪试验探究含水率及干密度对武汉重塑红黏土抗剪强度的影响,以期为今后武汉地区工程建设提供参考.

1 材料与方法

1.1 材料

红黏土取自武汉地铁11号线长岭山车辆段,取样时正值雨季,经雨水浸泡后天然含水率高,粘性大,碾压过程中常出现压路机粘料无法行驶、自卸车陷车情况,过度碾压还会产生橡皮土现象.样品经室内土工试验测得液限值为62.6%,塑限值为32.9%,天然含水率40.4%,自由膨胀率60%,最优含水率24.6%,最大干密1.64 g/cm3.通过X衍射试验半定量分析测得其粘土矿物成分主要为蒙脱石、高岭石、伊利石,含量分别为22.6%、37.42%、14.45%,属于典型长江冲积三级阶地(剥蚀堆积垄岗区)红黏土.

1.2 试验仪器与方法

试验仪器采用ZJY-2型应变直剪仪,垂直压力设置为100、200、300、400 kPa.试验方法采用快剪法,对土样施加应力后,以每分钟4～6转的速度摇动手轮,当样品产生明显破坏或剪切位移达到600 mm时停止试验,在剪切过程中不允许试样的原始含水率有所改变.

采用控制变量法探究含水率与红黏土抗剪强度关系.干密度ρd设为1.4 g/cm3,含水率w设为试验变量,含水率设置在22.5%～35%区间,每组试验含水率差值为2.5%.即:22.5%、25%、27.5%、30%、32.5%、35%共6组平行试验.

为探究干密度对红黏土抗剪强度的影响,把含水率设置在最优含水率附近,为25%,干密度设置为试验变量,干密度分别取1.4 g/cm3、1.5 g/cm3、1.6 g/cm3,设置3组平行试验.

1.3 试样制备

精确制样是直剪试验成功的关键因素之一.直剪试验要求试样密实,含水量及干密度均能精确满足试验要求.通常采用击实法、击样法、压样法这三种方法制样.本试验在最初制样采用击实法制样,即采用击实筒制样,制样中发现土样压实度难以控制,土样分层、浪费严重,制样难以成型.后改用击样法制样,击样法同样存在土样分层现象.

为提高制样精准性,最终采用压样法制样,压样仪如图1所示.将取回的红黏土在室内风干,烘干至恒重,再过2 mm筛.计算制样所需干土质量,所需加水量,将红黏土配制为试验所需含水率,闷样24 h.将制样所需湿土全部倒入压样仪内,压样仪内部所预留空间与制样试样的体积相等,用静压力将活塞压至与护壁上边缘接触为止,然后用导筒将压好的试样推出.每组试验制6个样品.用压样仪制样操作简便,效率高,压出的样品密实均匀,如图2所示.

图1 压样仪

图2 红黏土试样

制试样所需加水量按式(1)计算:

mw=md×w×0.01

(1)

式中:md——制样所用烘干土质量(g)

mw——试样所需加水量(g)

制样所需湿土质量按式(2)计算:

mh=(1+0.01w)ρdV

(2)

式中:mh——制样所需湿土质量(g)

V——试样体积(cm3)

2 试验结果分析

2.1 含水率对抗剪强度影响

2.1.1 剪应力位移曲线分析

整理实验数据,绘制不同含水率剪应力位移曲线,如图3所示.红黏土属于非弹性材料,应力与应变关系呈现出非线性特征,难以用数学公式拟合.在干密度1.4 g/cm3及含水率w∈[25%,32%]的控制条件下,如图3(b)、图3(c)、图3(d)、图3(e)、图3(f)所示,剪应力位移曲线属于应变软化曲线,随剪切位移增大,剪应力到达峰值后产生衰减又趋于稳定.如图3(a)显示,干密度1.4 g/cm3及含水率22.5%控制条件下,红黏土剪切位移曲线在100 kPa、200 kPa垂直压力下为应变软化曲线,300 kPa、400 kPa下为应变硬化曲线,即上覆压力增大会导致剪应力位移曲线转型.继续分析图3(a)～图3(e),发现部分剪切位移曲线经历了弹性阶段、塑形变形阶段、显著破坏阶段.在弹性阶段,剪应力位移曲线呈现为直线,应力与剪切位移成正比,在垂直正应力及水平剪应力的共同作用下,土颗粒相互挤压,其形变为可恢复的弹性形变.塑形变形阶段,土体进入屈服阶段,产生塑形形变,剪切位移曲线呈现为上凸状,应力和剪切位移呈现非线性关系,不同曲线趋势均不统一,较为复杂.显著破坏阶段,切位移曲线产生剪应力突降.但并非所有应力及含水率工况下都存在剪应力突降点,例如图3(a)所示,在含水率22.5%,正应力300 kpa、400 kpa情况下,曲线整体呈应变硬化趋势,无显著破坏阶段.

(a)w=22.5%;(b)w=25%;(c)w=27.5%;(d)w=30%;(e)w=32.5%;(f)w=35%;

2.1.2 抗剪强度分析

抗剪强度是材料剪切破坏时的极限强度,根据图3(a)～图3(e)中试验数据,截取剪切位移关系曲线上的应力峰值作为抗剪强度,无剪切峰值的曲线以4 mm位移处作为其抗剪强度.绘制含水率与抗剪强度关系曲线,如图4所示.同一干密度(1.4 g/cm3)同一垂直压力,w∈[22.5%,30%]条件下,随含水率升高红黏土的抗剪强度变化幅度较小,w>30%,红黏土抗剪强度急剧衰减.以垂直压力400 kPa为例,含水率由22.5%升高至30%,抗剪强度由249.55 kPa降低至236.22 kPa,衰减幅度5.3%,含水率由30%升高至35%,红黏土抗剪强度由236.22 kPa衰减至110.49 kPa,衰减幅度53.22%,含水率30%是红黏土抗剪强度突变点.

图4 不同含水率抗剪强度曲线

2.1.3 抗剪强度参数分析

2.1.1节研究表明,含水率低于30%,抗剪强度变化幅度较小.土体抗剪强度由内摩擦角和粘聚力两部分组成,其变化规律是否与抗剪强度变化规律一致呢?为探究此问题,运用式(3)库伦公式[6],采用所示直线拟合的方式,求出不同工况红黏土抗剪强度参数.鉴于篇幅关系,仅展示含水率22.5%的拟合曲线,如图5所示,拟合相关性系数为0.9917,试验结果较为可靠.图5中曲线斜率的反正切值即为内摩擦角,直线与y坐标轴交点即为粘聚力.

τf=σtanφ+c

(3)

式中:τf——土的抗剪强度(kPa)

c——土的粘聚力(kPa)

σ——土的法向应力(kPa)

φ——土的内摩擦角(°)

整理试验数据,绘制含水率与粘聚力、内摩擦角关系曲线,如图6、图7所示.分析图6数据可得,在同一干密度下(1.4 g/cm3),w∈[22.5%,27%],粘聚力在[66.68 kPa,93.34 kPa]之间随含水率增大而增大;当w>27%,粘聚力在[93.34 kPa,36.2 kPa]之间随含水率升高迅速降低.试验结果和文献[4]结论比较吻合.如图7所示,w∈[22.5%,27.5%],φ∈[25.1°,19.4°].当w∈[27.5%,30%],红黏土的内摩擦角有上升的趋势,φ∈[19.4°,22.5°].当含水率大于30%时,内摩擦角迅速衰减,φ∈[22.5°,10.1°],变化趋势与文献[4]较为吻合.

2.2 干密度对抗剪强度影响

2.2.1 不同干密度剪切位移曲线

如图8(a)所示,在干密度1.4 g/cm3的控制条件下,剪应力位移曲线为应变弱软化曲线,但抗剪强度衰减不明显,残余强度仍较高,和松砂剪切曲线相似.在干密度1.5 g/cm3以及干密度1.6 g/cm3的控制条件下,红黏土的剪切位移曲线明显属于应变强软化型曲线,到达剪应力峰值后,试样产生明显贯通破坏面,剪切位移迅速增长,剪应力衰减幅度较大,这和超固结土及密砂的剪切曲线比较相似.从图8还可看出,土体干密度越大,土体的弹性变形区间越长.以上情况说明,红黏土具有“压硬性”,增大其干密度后,应力应变关系曲线会发生明显的转型[7],这与文献[8]研究结论基本一致.

2.2.2 干密度对红黏土抗剪强度影响

运用2.1节数据处理的方法,求出干密度与抗剪强度及抗剪强度参数关系曲线,如图9、图10所示.如图9,在w=25%的控制条件下,红黏土的抗剪强度与干密度显示出较好的线性关系.以垂直压力400 kPa为例,干密度由1.4 g/cm3增加至1.6 g/cm3,红黏土抗剪强度由230.505 kPa增加至398.145 kPa.

图9 干密度与抗剪强度关系曲线

图10 干密度与抗剪强度参数关系曲线

如图10,在w=25%控制条件下,摩擦角及粘聚力与干密度也表现出较好的线性关系,红黏土干密度由1.4 g/cm3增长至1.6 g/cm3,粘聚力由81.92 kPa增加至130.49 kPa;内摩擦角由19.61°增加至34.52°.

3 讨 论

在w=25%的控制条件下,随干密度增大,红黏土剪切位移曲线发生明显转型,由应变弱软化型转为应变强软化型曲线,在低密度下呈现出“粘塑性”,在高密度下为“脆硬性”.同类型土在不同的控制条件下呈现出不同类型的剪应力位移曲线,这充分说明土体具有压硬性,应变硬化过程中伴有剪胀现象,软化过程中伴有剪缩现场,本构关系较为复杂.

在干密度1.4 g/cm3的控制条件下,粘聚力随含水率增高,经历了先增高后减少的过程,其变化趋势与文献[4]的结果较为吻合,并非以文献[5]报道的指数形式衰减.水溶液和红黏土中的氧化物作用后产生氧化铁胶体,加强了土颗粒之间的连接强度,含水率增高有利于氧化铁胶体形成,当胶结作用完成,含水率继续增加将导致土颗粒中的扩散层变厚,活动性变强,粘聚力降低.对于重塑红黏土,烘干过2 mm筛后的土颗粒间基本不具备粘聚力.重塑土在最优含水率附近却具有较高粘聚力,所以粘聚力与含水率的关系曲线必然存在上升段,不可能仅存在下降阶段.

在干密度1.4 g/cm3的控制条件下,红黏土的内摩擦角随含水率增高变化趋势并不明显,当含水率超过30%后,摩擦角迅速下降.在一定含水率区间氧化铁胶体形成的“结构连接”水稳定性强,内摩擦角随含水率的升高变化幅度较小;当含水率大于30%时,随含水率的升高,红黏土的饱和度上升,基质吸力下降,内摩擦角迅速衰减.

在最优含水率附近,非饱和红黏土干密度增大,颗粒间距变小,接触面积变大,土颗粒间的静电吸引力及范德华力增强,在宏观上表现为土体的粘聚力增大.土颗粒间以镶嵌或咬合形式结合在一起,颗粒相互移动必须越过咬合部位或直接啃断咬合部位,这部分力称之为咬合摩擦力,土颗粒干密度增大,咬合摩擦力增强,在宏观上表现为内摩擦角增大.

4 结 论

本文以武汉市红黏土为研究对象,运用直剪试验详细研究了含水率及干密度对其抗剪强度的影响,得出主要结论如下.

(1)在一定的含水率区间,红黏土的抗剪强度变化不大,当含水率超过30%,抗剪强度衰减较大,30%含水率是红黏土抗剪强度突变点.

(2)在一定含水率区间,红黏土的粘聚力经历了先增长后降低的过程,内摩擦角先是变化不大,含水率超过30%后陡降.

(3)在最优含水率附近,随干密度增大红黏土抗剪强度、粘聚力、内摩擦角均呈现出线性增大趋势.