结构性对红黏土土—水特征曲线的影响试验研究

摘 要：【目的】土—水特征曲线是非饱和红黏土的重要概念，从结构性出发分析红黏土的土—水特征曲线对实际工程具有重要意义。【方法】采用离心机对初始状态相同的原状和重塑红黏土进行宏观土—水特征曲线试验，获得原状和重塑红黏土的土—水特征曲线，并通过电镜扫描试验，观察原状和重塑红黏土的微观结构特征，分析结构性对红黏土土—水特征曲线的影响。【结果】试验结果表明，原状和重塑红黏土的基质吸力随着体积含水率的减小而增加，体积含水率相同的情况下，原状土的基质吸力较大；原状土的原生结构没有破坏，骨架稳定，孔隙较小，重塑土骨架遭到破坏，孔隙较大且分布均匀，因此原状土失水速率较慢，持水能力较强，进气值较大。【结论】研究结果揭示了结构性影响红黏土土—水特征曲线的内在机理，可为解决实际工程问题提供理论支持。

关键词：红黏土；结构性；土—水特征曲线；电镜扫描

中图分类号：TU446" " "文献标志码：A" " 文章编号：1003-5168（2024）14-0068-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.14.013

Experimental Study on the Influence of Structural Properties on the Soil—Water Characteristic Curve of Red Clay

Abstract： [Purposes] The soil—water characteristic curve is an important concept of unsaturated red clay， and it is of great significance to analyze the soil—water characteristic curve of red clay from the structural point of view. [Methods] The macroscopic soil—water characteristic curves of the undisturbed and remodeled red clay with the same initial state were tested by centrifuge， and the soil—water characteristic curves of the undisturbed and remodeled red clay were obtained， and the microstructure characteristics of the undisturbed and remodeled red clay were observed by electron microscope scanning test， and the influence of structure on the soil—water characteristic curve of red clay was discussed from the macro and micro perspectives. [Findings] The test results show that the matrix suction of undisturbed and remodeled red clay increases with the decrease of volumetric moisture content， and the matrix suction of undisturbed soil is larger when the volumetric moisture content is the same. The original structure of the undisturbed soil is not damaged， the skeleton is stable， the pores are small， the skeleton of the reshaped soil is damaged，and the pores are large and evenly distributed， so the water loss rate of the undisturbed soil is slow， the water—holding capacity is strong， and the air intake value is larger.[Conclusions] The results reveal the internal mechanism of structural influence on the soil—water characteristic curve of red clay， which can provide theoretical support for solving practical engineering problems.

Keywords： red clay; structural; soil—water characteristic curve; electron microscope scan

0 引言

红黏土在我国西南地区分布广泛，是一种区域性特殊性土，主要分布在广西、贵州、湖南和广西等地［1］。红黏土力学性质良好，常被作为路基填料。而工程建设中的红黏土常处于非饱和状态，非饱和红黏土是由土颗粒、水和气体等组成的三相多孔介质，同时具有高含水量、高孔隙比、高液限等较差的物理特性。

土—水特征曲线是反映土持水特性和力学性质的重要曲线，其主要受应力状态、微观孔隙结构、结构性等因素影响。对于同一种土而言，结构性的变化会影响红黏土的持水能力和力学特性，从而对土的工程性质产生较大的影响。因此，结构性土相关的土—水特征曲线研究对非饱和土理论研究有十分重要的意义。目前，针对红黏土的结构性，国内外学者开展了大量的研究。陈筠等［2］利用电镜扫描对微生物矿化红黏土的微观结构进行研究，发现微生物处置红黏土加强了土颗粒间的连接，使抗剪强度有所提高。Zhang等［3］利用扫描电镜研究原状和重塑红黏土的微观结构，并分析结构性对其宏观力学性质影响。Chen等［4-5］对不同比例的石灰和碳酸钙处理红黏土进行电镜扫描，发现两者都会引起土颗粒的团聚并改变红黏土的孔隙结构，从而引起宏观力学性质的改变。关于红黏土土—水特征曲线的研究，何忠明等［6］、张鹏程等［7］通过对非饱和土基质吸力与含水率之间的关系进行研究，发现基质吸力与含水率呈非线性关系。蔡国庆等［8］利用滤纸法、平衡法及饱和盐溶液法研究泥浆土和压实土的土—水特征曲线，发现初始孔隙比相同时，泥浆土进气值更大，持水性更好。陶高梁等［9］采用压力板仪研究了黏土土—水特征曲线，试验结果表明，渗透系数随基质吸力的增大而减小。Wang等［10］研究了干密度对压实土—土水特征曲线的影响，研究发现，压实土的土—水特征曲线在高吸力阶段与干密度无关，但在低吸力范围内具有很好的相关性。Yao ［11］研究了土在冻融过程中的土—水特征曲线，发现在含水量、密实度相同的情况下，试验土的基质吸力随着冻融循环次数的增加而减小。对于相同的冻融循环次数，密实度越大，土体的基质吸力越大。

综上所述，国内外学者对红黏土的微观结构和土—水特征曲线进行了大量的研究，但通过微观试验研究土体的结构性对土—水特征曲线的影响关注还较少。因此，本研究以广西红黏土为研究对象，采用离心机法，对初始状态相同的原状和重塑红黏土进行一系列土—水特征曲线试验研究，并通过电镜扫描试验观察其微观结构特征，探明了红黏土结构性对其土—水特征曲线的影响。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验土样从广西某高速路基中获取，取样深度为2～3 m。将土样在烘箱中烘干，碾碎过筛，按照《土工试验方法标准》（GB/T 50123—2019）获得试验土样基本物理指标，见表1。红黏土天然含水率约为60.4%，比一般黏性土天然含水率常见值（20%～50%）高出将近20个百分点，液限值达到90.3%。所以，红黏土非常特殊，不仅含水量很高，而且具有高液限的特点。

1.2 试验原理及方法

1.2.1 离心机法。离心机基本原理是将离心场代替重力场［4］。重力场中的g由离心场的离心加速度代替。能量转换关系见式（1）至式（4）。

以上式中：r为离心半径，cm；H为计算基质吸力，bar；n为离心机转速，r/min；ρ为水的密度，g/cm3。

本次试验采用H1400pF型高速冷冻离心机，设置8个不同的转速，分别为500、1 000、2 500、4 500、6 500、8 500、11 000、13 000 r/min。制备初始状态相同的原状与重塑红黏土环刀土样，并将两者放入真空饱和容器中进行饱和，完成离心试验，通过计算得到体积含水率与基质吸力的特征曲线，即红黏土土—水特征曲线。

1.2.2 电镜扫描。为研究红黏土微观结构对土—水特征曲线的影响，对初始状态相同的原状和重塑试样分别取样进行电镜扫描，分析红黏土收缩过程中微观形貌、颗粒连结、孔隙分布及等效孔径大小，通过SEM电镜扫描试验对红黏土微观几何形态进行定性分析。基于试验结果，采用PCAS孔隙识别和定量分析系统对孔隙特征进行定量分析，从微观角度揭示红黏土结构性对土—水特征曲线的影响。

2 红黏土宏微观试验

2.1 宏观离心机试验及分析

本研究利用离心机进行原状和重塑土的土—水特征曲线试验，将含水率相同的试样分别在上述8个转速达到稳定条件下计算相应的基质吸力，得到相同含水率下原状和重塑土的土—水特征曲线，如图1所示。

由图1可知，初始状态相同的原状与重塑土基质吸力与体积含水率变化规律基本一致，呈现基质吸力随着体积含水率的减小而逐渐增大的趋势，体积含水率相同的条件下，原状土对应的基质吸力较大，这说明了原状土持水能力相对较强。

2.2 微观结构试验及分析

为进一步研究结构性对红黏土土—水特征曲线影响的内在机理，对初始状态相同的原状和重塑红黏土利用液氮和LC—10N—50A型冷冻干燥机对其进行脱湿。然后，利用液氮将试样冷冻，采用干燥机进行干燥试验，其目的是使红黏土原生结构不被破坏。将干燥后试样放在载物台进行喷金处理以增加其导电性，然后进行扫描电镜试验，从微观角度，对红黏土颗粒形状及接触方式、颗粒间连结特征、孔隙特征等进行研究， 试验结果如图2所示。

由图2可知，原状红黏土中黏土矿物之间以面—面接触和边—面接触形成球形、椭球形集聚体，并且以一定的角度相交，形成骨架孔隙结构。黏土矿物彼此接触并且以游离氧化物胶结形成有较强连结力的集聚体结构，由絮状物质连接集聚体形成集聚体间结构连结，集聚体内部小孔隙较为发育，集聚体间以较大孔隙为主。重塑土经过扰动破坏了原有的原生结构，集聚体间的胶结遭到破坏，结构单元以圆形单一颗粒为主，颗粒间以点接触为主，颗粒间孔隙相对较大且分布均匀。

本研究采用PCAS对电镜扫描图片进行定量化分析，二值化处理如图3所示，黑色代表孔隙，白色代表土颗粒。由图3可知，原状红黏土含较多的微小孔隙，重塑土孔隙相对较大且分布较为均匀。孔隙定量化参数见表2。对比二者孔隙分布均匀系数，重塑样偏大，量化结果与分析一致。

宏观和微观研究结果表明，在初始状态相同的条件下，重塑红黏土内部具有明显的尺寸较大的颗粒间孔隙，孔隙分布较为均匀，这些相对较大的孔隙能够储存较多自由水，因此大量颗粒间孔隙的存在使得土样在相同吸力时会以较快的速度失水，故失

水速率较快且进气值相对较小；相反，原状红黏土存在原生结构，集聚体间孔隙较小，集聚体内部小孔隙较多，储存的结合水量相对较高，土体持水性能较强，具有相对较低的失水速率和较大的进气值。此外，对于黏性土而言，土中孔隙孔径分布及数量对其在不同基质吸力下的失水状态有很大影响。不同结构性的红黏土其内部孔隙结构具有明显差异，具有不同的持水特性，结构性通过影响土体的内部孔隙结构来影响土—水特征曲线。因此，结构性是影响红黏土—土水特征曲线的重要因素。

3 结论

本研究采用离心机法，将初始状态相同的原状和重塑红黏土的土—水特征曲线进行试验，同时利用电镜扫描对其微观结构进行分析，得出以下结论。

①原状与重塑土基质吸力与体积含水率变化规律基本一致，呈现基质吸力随着体积含水率的减小而逐渐增大的趋势。在体积含水率相同的条件下，原状土对应的基质吸力较大，持水能力相对较强。

②通过对原状和重塑土进行电镜扫描发现，原状红黏土的原生结构没有被破坏，存在明显的集聚体内相对较小的孔隙；重塑红黏土集聚体间连结遭到破坏，多为均匀分布相对较大的孔隙。

③由宏微观试验结果可知，结构性通过影响红黏土的孔隙结构来影响土—水特征曲线的变化规律，重塑土内部具有颗粒间相对较大的孔隙结构，储存自由水较多，失水速率较快，进气值相对较低。原状土多为集聚体内相对较小的孔隙，其储存结合水较多，持水能力较强，进气值较大。

参考文献：

［1］廖义玲，朱立军.贵州碳酸盐岩红土［M］.贵阳：贵州人民出版社，2004.

［2］陈筠，施鹏超，白文胜，等.微生物矿化作用对红黏土的影响研究［J］.中国岩溶，2019，38（4）：612-618.

［3］ZHANG Y Z，PU S Y ，LI M Y R ， et al.Microscopic and mechanical properties of undistributed and remoulded red clay from Guiyang， China.［J］.Scientific Reports，2020，10（1）：18003-18003.

［4］CHEN L J，CHEN X J，WANG H，et al. Mechanical properties and microstructure of lime-treated red clay［J］.KSCE Journal of Civil Engineering，2020，25（1）：1-8.

［5］CHEN L J，CHEN X J，YANG X，et al.Effect of calcium carbonate on the mechanical properties and microstructure of red clay［J］.Advances in Materials Science and Engineerin，2020.

［6］ 何忠明，刘雅欣，曾新发，等.非饱和粗粒土基质吸力与含水率及级配关系试验研究［J］.中南大学学报（自然科学版），2019，50（3）：712-718.

［7］张鹏程，汤连生，姜力群，等.基质吸力与含水量及干密度定量关系研究［J］.岩石力学与工程学报，2013，32（S1）：2792-2797.

［8］蔡国庆，刘祎，徐润泽，等.干化—湿化路径下红黏土微观结构演化规律研究［J］.中国科学：技术科学，2021，51（2）：221-230.

［9］陶高梁，罗晨晨，李丽华，等.一种基于VG模型的变形土进气吸力值预测方法［J］.长江科学院院报，2021，38（1）：84-88，102.

［10］WANG Y，LI T L，LI P，et al. Measurement and uniform formulation of soil-water characteristic curve for compacted loess soil with different dry densities［J］.Advancesin Civil Engineering，2021.

［11］YAO Y S.Soil-water characteristics of the low liquid limit silt considering compactionand freeze-thaw action［J］.Advancesin Civil Engineering，2020.