含水率及干密度對重塑紅黏土強度的影響

張 吉

(曲靖師范學院 應用技術學院，云南 曲靖 655011)

0 引 言

抗剪強度是衡量土體抗變形破壞能力的一項重要指標.在外荷載作用下,顆粒內部產生剪應力,當剪應力小于土體抗剪強度時,土體保持穩定.當土體中某個點或多個點受力大于抗剪強度時,顆粒產生剪切破壞,破壞點逐漸向周圍發展形成連續貫通破壞面,進而產生整體破壞.在工程領域,土體邊坡失穩、地基塌陷、擋土墻垮塌等工程事故都是由剪切變形破壞引起.

水是導致巖土體工程性質劣化的首要因素.紅黏土作為一種特殊土體,廣泛分布于我國南方地區,具有高強度、高液限、高天然含水率、吸水膨脹、失水收縮、難以壓實的特征.在紅黏土形成過程中,原有的礦物結晶格架遭到破壞,使土顆粒周圍聚集了大量負電荷形成靜電場.靜電場將極性水分子吸引在土顆粒周圍,近端吸引力較強,為強結合水,遠端吸引力弱,為弱結合水.強結合水連接力較強,土顆粒難以運動,弱結合水連接力較弱,土顆?；顒有暂^強,在很小的外力下就能發生形變或移動,從而引起一系列的工程性質變化[1].此外,干密度也是影響土體抗剪強度的另一重要因素,土體干密度增大,顆粒間距變小,連接變緊密,顆粒在移動時需克服更大的咬合摩擦力及連接力,在宏觀力學上表現為粘聚力及內摩擦角增大.

王麗[2]對粉質土研究發現,含水率變化對土體粘聚力影響較大,對內摩擦角影響較小.賈文聰等人[3]研究了漢中膨脹土、安康膨脹土以及兩種膨脹土以1∶1質量比混合而成的土發現,在含水率分別為12%、15%、18%、21%、24%五種工況下,膨脹土的粘聚力及內摩擦角依次降低.傅鑫暉等人[4]探究了含水率、干密度、膠結作用對桂林雁山紅黏土抗剪強度的影響,發現干密度增大紅黏土抗剪強度顯著升高,粘聚力隨含水率升高呈現出雙峰效應,膠結作用對內摩擦角變化影響有限.陳鴻賓等人[5]利用三軸試驗研究了桂林飽和及非飽和重塑紅黏土的干密度、含水率對土體抗剪強度的影響,隨含水率增高,粘聚力及內摩擦角呈指數衰減.綜上,雖然部分學者對含水率及干密度與土體抗剪強度關系做了較多研究,但研究結論不統一,而且研究地點主要在廣西,尚未見到武漢紅黏土相關報道.武漢地區存在大量紅黏土,在工程建設中不可避免地存在紅黏土填筑問題,同時也鑒于巖土體工程性質存在差異性,本研究設計了一系列直剪試驗探究含水率及干密度對武漢重塑紅黏土抗剪強度的影響,以期為今后武漢地區工程建設提供參考.

1 材料與方法

1.1 材料

紅黏土取自武漢地鐵11號線長嶺山車輛段,取樣時正值雨季,經雨水浸泡后天然含水率高,粘性大,碾壓過程中常出現壓路機粘料無法行駛、自卸車陷車情況,過度碾壓還會產生橡皮土現象.樣品經室內土工試驗測得液限值為62.6%,塑限值為32.9%,天然含水率40.4%,自由膨脹率60%,最優含水率24.6%,最大干密1.64 g/cm3.通過X衍射試驗半定量分析測得其粘土礦物成分主要為蒙脫石、高嶺石、伊利石,含量分別為22.6%、37.42%、14.45%,屬于典型長江沖積三級階地(剝蝕堆積壟崗區)紅黏土.

1.2 試驗儀器與方法

試驗儀器采用ZJY-2型應變直剪儀,垂直壓力設置為100、200、300、400 kPa.試驗方法采用快剪法,對土樣施加應力后,以每分鐘4～6轉的速度搖動手輪,當樣品產生明顯破壞或剪切位移達到600 mm時停止試驗,在剪切過程中不允許試樣的原始含水率有所改變.

采用控制變量法探究含水率與紅黏土抗剪強度關系.干密度ρd設為1.4 g/cm3,含水率w設為試驗變量,含水率設置在22.5%～35%區間,每組試驗含水率差值為2.5%.即:22.5%、25%、27.5%、30%、32.5%、35%共6組平行試驗.

為探究干密度對紅黏土抗剪強度的影響,把含水率設置在最優含水率附近,為25%,干密度設置為試驗變量,干密度分別取1.4 g/cm3、1.5 g/cm3、1.6 g/cm3,設置3組平行試驗.

1.3 試樣制備

精確制樣是直剪試驗成功的關鍵因素之一.直剪試驗要求試樣密實,含水量及干密度均能精確滿足試驗要求.通常采用擊實法、擊樣法、壓樣法這三種方法制樣.本試驗在最初制樣采用擊實法制樣,即采用擊實筒制樣,制樣中發現土樣壓實度難以控制,土樣分層、浪費嚴重,制樣難以成型.后改用擊樣法制樣,擊樣法同樣存在土樣分層現象.

為提高制樣精準性,最終采用壓樣法制樣,壓樣儀如圖1所示.將取回的紅黏土在室內風干,烘干至恒重,再過2 mm篩.計算制樣所需干土質量,所需加水量,將紅黏土配制為試驗所需含水率,悶樣24 h.將制樣所需濕土全部倒入壓樣儀內,壓樣儀內部所預留空間與制樣試樣的體積相等,用靜壓力將活塞壓至與護壁上邊緣接觸為止,然后用導筒將壓好的試樣推出.每組試驗制6個樣品.用壓樣儀制樣操作簡便,效率高,壓出的樣品密實均勻,如圖2所示.

圖1 壓樣儀

圖2 紅黏土試樣

制試樣所需加水量按式(1)計算:

mw=md×w×0.01

(1)

式中:md——制樣所用烘干土質量(g)

mw——試樣所需加水量(g)

制樣所需濕土質量按式(2)計算:

mh=(1+0.01w)ρdV

(2)

式中:mh——制樣所需濕土質量(g)

V——試樣體積(cm3)

2 試驗結果分析

2.1 含水率對抗剪強度影響

2.1.1 剪應力位移曲線分析

整理實驗數據,繪制不同含水率剪應力位移曲線,如圖3所示.紅黏土屬于非彈性材料,應力與應變關系呈現出非線性特征,難以用數學公式擬合.在干密度1.4 g/cm3及含水率w∈[25%,32%]的控制條件下,如圖3(b)、圖3(c)、圖3(d)、圖3(e)、圖3(f)所示,剪應力位移曲線屬于應變軟化曲線,隨剪切位移增大,剪應力到達峰值后產生衰減又趨于穩定.如圖3(a)顯示,干密度1.4 g/cm3及含水率22.5%控制條件下,紅黏土剪切位移曲線在100 kPa、200 kPa垂直壓力下為應變軟化曲線,300 kPa、400 kPa下為應變硬化曲線,即上覆壓力增大會導致剪應力位移曲線轉型.繼續分析圖3(a)～圖3(e),發現部分剪切位移曲線經歷了彈性階段、塑形變形階段、顯著破壞階段.在彈性階段,剪應力位移曲線呈現為直線,應力與剪切位移成正比,在垂直正應力及水平剪應力的共同作用下,土顆粒相互擠壓,其形變為可恢復的彈性形變.塑形變形階段,土體進入屈服階段,產生塑形形變,剪切位移曲線呈現為上凸狀,應力和剪切位移呈現非線性關系,不同曲線趨勢均不統一,較為復雜.顯著破壞階段,切位移曲線產生剪應力突降.但并非所有應力及含水率工況下都存在剪應力突降點,例如圖3(a)所示,在含水率22.5%,正應力300 kpa、400 kpa情況下,曲線整體呈應變硬化趨勢,無顯著破壞階段.

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

2.1.2 抗剪強度分析

抗剪強度是材料剪切破壞時的極限強度,根據圖3(a)～圖3(e)中試驗數據,截取剪切位移關系曲線上的應力峰值作為抗剪強度,無剪切峰值的曲線以4 mm位移處作為其抗剪強度.繪制含水率與抗剪強度關系曲線,如圖4所示.同一干密度(1.4 g/cm3)同一垂直壓力,w∈[22.5%,30%]條件下,隨含水率升高紅黏土的抗剪強度變化幅度較小,w>30%,紅黏土抗剪強度急劇衰減.以垂直壓力400 kPa為例,含水率由22.5%升高至30%,抗剪強度由249.55 kPa降低至236.22 kPa,衰減幅度5.3%,含水率由30%升高至35%,紅黏土抗剪強度由236.22 kPa衰減至110.49 kPa,衰減幅度53.22%,含水率30%是紅黏土抗剪強度突變點.

圖4 不同含水率抗剪強度曲線

2.1.3 抗剪強度參數分析

2.1.1節研究表明,含水率低于30%,抗剪強度變化幅度較小.土體抗剪強度由內摩擦角和粘聚力兩部分組成,其變化規律是否與抗剪強度變化規律一致呢?為探究此問題,運用式(3)庫倫公式[6],采用所示直線擬合的方式,求出不同工況紅黏土抗剪強度參數.鑒于篇幅關系,僅展示含水率22.5%的擬合曲線,如圖5所示,擬合相關性系數為0.9917,試驗結果較為可靠.圖5中曲線斜率的反正切值即為內摩擦角,直線與y坐標軸交點即為粘聚力.

τf=σtanφ+c

(3)

式中:τf——土的抗剪強度(kPa)

c——土的粘聚力(kPa)

σ——土的法向應力(kPa)

φ——土的內摩擦角(°)

整理試驗數據,繪制含水率與粘聚力、內摩擦角關系曲線,如圖6、圖7所示.分析圖6數據可得,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]之間隨含水率增大而增大;當w>27%,粘聚力在[93.34 kPa,36.2 kPa]之間隨含水率升高迅速降低.試驗結果和文獻[4]結論比較吻合.如圖7所示,w∈[22.5%,27.5%],φ∈[25.1°,19.4°].當w∈[27.5%,30%],紅黏土的內摩擦角有上升的趨勢,φ∈[19.4°,22.5°].當含水率大于30%時,內摩擦角迅速衰減,φ∈[22.5°,10.1°],變化趨勢與文獻[4]較為吻合.

2.2 干密度對抗剪強度影響

2.2.1 不同干密度剪切位移曲線

如圖8(a)所示,在干密度1.4 g/cm3的控制條件下,剪應力位移曲線為應變弱軟化曲線,但抗剪強度衰減不明顯,殘余強度仍較高,和松砂剪切曲線相似.在干密度1.5 g/cm3以及干密度1.6 g/cm3的控制條件下,紅黏土的剪切位移曲線明顯屬于應變強軟化型曲線,到達剪應力峰值后,試樣產生明顯貫通破壞面,剪切位移迅速增長,剪應力衰減幅度較大,這和超固結土及密砂的剪切曲線比較相似.從圖8還可看出,土體干密度越大,土體的彈性變形區間越長.以上情況說明,紅黏土具有“壓硬性”,增大其干密度后,應力應變關系曲線會發生明顯的轉型[7],這與文獻[8]研究結論基本一致.

2.2.2 干密度對紅黏土抗剪強度影響

運用2.1節數據處理的方法,求出干密度與抗剪強度及抗剪強度參數關系曲線,如圖9、圖10所示.如圖9,在w=25%的控制條件下,紅黏土的抗剪強度與干密度顯示出較好的線性關系.以垂直壓力400 kPa為例,干密度由1.4 g/cm3增加至1.6 g/cm3,紅黏土抗剪強度由230.505 kPa增加至398.145 kPa.

圖9 干密度與抗剪強度關系曲線

圖10 干密度與抗剪強度參數關系曲線

如圖10,在w=25%控制條件下,摩擦角及粘聚力與干密度也表現出較好的線性關系,紅黏土干密度由1.4 g/cm3增長至1.6 g/cm3,粘聚力由81.92 kPa增加至130.49 kPa;內摩擦角由19.61°增加至34.52°.

3 討 論

在w=25%的控制條件下,隨干密度增大,紅黏土剪切位移曲線發生明顯轉型,由應變弱軟化型轉為應變強軟化型曲線,在低密度下呈現出“粘塑性”,在高密度下為“脆硬性”.同類型土在不同的控制條件下呈現出不同類型的剪應力位移曲線,這充分說明土體具有壓硬性,應變硬化過程中伴有剪脹現象,軟化過程中伴有剪縮現場,本構關系較為復雜.

在干密度1.4 g/cm3的控制條件下,粘聚力隨含水率增高,經歷了先增高后減少的過程,其變化趨勢與文獻[4]的結果較為吻合,并非以文獻[5]報道的指數形式衰減.水溶液和紅黏土中的氧化物作用后產生氧化鐵膠體,加強了土顆粒之間的連接強度,含水率增高有利于氧化鐵膠體形成,當膠結作用完成,含水率繼續增加將導致土顆粒中的擴散層變厚,活動性變強,粘聚力降低.對于重塑紅黏土,烘干過2 mm篩后的土顆粒間基本不具備粘聚力.重塑土在最優含水率附近卻具有較高粘聚力,所以粘聚力與含水率的關系曲線必然存在上升段,不可能僅存在下降階段.

在干密度1.4 g/cm3的控制條件下,紅黏土的內摩擦角隨含水率增高變化趨勢并不明顯,當含水率超過30%后,摩擦角迅速下降.在一定含水率區間氧化鐵膠體形成的“結構連接”水穩定性強,內摩擦角隨含水率的升高變化幅度較小;當含水率大于30%時,隨含水率的升高,紅黏土的飽和度上升,基質吸力下降,內摩擦角迅速衰減.

在最優含水率附近,非飽和紅黏土干密度增大,顆粒間距變小,接觸面積變大,土顆粒間的靜電吸引力及范德華力增強,在宏觀上表現為土體的粘聚力增大.土顆粒間以鑲嵌或咬合形式結合在一起,顆粒相互移動必須越過咬合部位或直接啃斷咬合部位,這部分力稱之為咬合摩擦力,土顆粒干密度增大,咬合摩擦力增強,在宏觀上表現為內摩擦角增大.

4 結 論

本文以武漢市紅黏土為研究對象,運用直剪試驗詳細研究了含水率及干密度對其抗剪強度的影響,得出主要結論如下.

(1)在一定的含水率區間,紅黏土的抗剪強度變化不大,當含水率超過30%,抗剪強度衰減較大,30%含水率是紅黏土抗剪強度突變點.

(2)在一定含水率區間,紅黏土的粘聚力經歷了先增長后降低的過程,內摩擦角先是變化不大,含水率超過30%后陡降.

(3)在最優含水率附近,隨干密度增大紅黏土抗剪強度、粘聚力、內摩擦角均呈現出線性增大趨勢.