重塑條件對紅黏土力學特性影響試驗研究

冉宇玲 楊秀娟 柏巍 樊恒輝 李科

摘要：重塑條件是影響重塑土樣相關力學特性的重要因素，為分析堤防建設的土工試驗中各重塑條件對重塑土力學特性的影響，采用不固結不排水三軸試驗研究了不同重塑條件（碎土方式、含水率和制樣方式）對重塑紅黏土力學特性的影響，并結合掃描電鏡圖像揭示了相關重塑條件對力學強度特性的影響機理。結果表明：在含水率較低時，影響紅黏土重塑樣強度的主要因素為制樣方式；當含水率升高后，碎土方式成為主要的控制因素；結合微觀試驗進一步說明不同碎土方式得到不同級配的土粒，機械碎土方式會使得土顆粒集聚成不同數量的“粗顆?！?，改變土粒級配從而影響相關力學特性；不同制樣方式導致土顆粒發生不同的有序排列，進而使得土體抗剪強度發生變化。

摘要：紅黏土； 重塑條件； 力學特性； 不固結不排水三軸試驗； 微觀分析

中圖法分類號： TU41

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.01.032

0 引 言

紅黏土是碳酸鹽類巖石在亞熱帶溫熱氣候條件下經物理-化學風化作用而形成的一種特殊性土，具有高孔隙比、高含水率、高強度和低壓縮性的特點［1］。由于其結構的特殊性，力學特性會受到土體結構很大影響，可能會因重塑條件的不同而導致重塑土的力學性能存在差異。在堤防建設的土工試驗中測試紅黏土土體物理力學和工程性質時，多以重塑土樣作為試驗對象。重塑土樣具有制備過程簡單、數量不受限制、可模擬性強的特點［2］，但土體在進行重塑時會因宏觀或微觀條件差異，如含水率［3-4］、干密度［5］、制備方法［6-11］、顆粒粒徑［4，12］等，影響土體力學特性試驗結果的準確度和可靠性。重塑過程常涉及碎土、含水率配制和制樣方式3個方面，需要分別研究這3個方面重塑條件對土體力學特性的影響。而目前有關重塑條件對紅黏土重塑土樣力學特性的研究較少，有必要系統探究重塑條件對紅黏土重塑土樣力學特性的影響規律

本文以雁山紅黏土為研究對象，基于紅黏土重塑制樣過程中碎土方式、配置含水率和制樣方式等3個主要控制條件，結合室內試驗實際情況，通過控制碎土方式（橡膠錘錘擊碎土、機械碎土）、含水率（最優含水率以及前后3%）和制樣方式（靜態壓實、動態擊實）對紅黏土重塑土樣的力學特性進行探究，并結合掃描電鏡結果，分析不同重塑條件對其力學強度特性的影響。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 土樣的基本性質

本文試驗所用紅黏土取自桂林市雁山區，埋深為1.2～2.8 m，其基本物理特性指標及化學成分如表1、表2所列，擊實曲線如圖1所示。

1.2 重塑條件

1.2.1 碎土方式

根據GB/T 50123-2019《土工試驗方法標準》［13］中擾動土試樣預備程序，采用錘擊碎土和機械碎土2種碎土方式準備土樣。將現場取回的碎塊狀紅黏土放入溫度設置為105 ℃的烘箱，12 h后取出。根據制樣設定，稱取兩部分質量相同的土體，一部分土通過橡膠錘錘擊碎土，另一部分通過機械碎土，分別將其過2 mm篩后裝袋備用。對兩種碎土方式得到的土進行顆粒分析，發現橡膠錘錘擊的土中粒徑為0.25～2 mm的土顆粒占比較多，大約為70%，而經機械破碎的土中占比僅為40%左右；0.075～0.25 mm以及0.075 mm以下的土顆粒，機械破碎的土中占比為50%左右，橡膠錘錘擊土中占30%。此外經由橡膠錘錘碎的土具有一定的渾圓度，而機械破碎的土棱角分明，有明顯的較為鋒利的切面（見圖2）。

1.2.2 含水率

設置3種不同的含水率。由紅黏土的基本物理指標可知，其最優含水率為28%左右，因此含水率設定為最優含水率以及最優含水率干濕兩側以3%為梯度的2個含水率，即：25%，28%，31%。將2種碎土方式得到的紅黏土分別放入托盤中，噴灑設定含水率對應的水量，土體配制完成后將其裝入密封袋中保存，放置24 h，使得水分能夠在土體中均勻分布［13］。

1.2.3 制樣方式

采用靜態壓實和動態擊實2種制樣方式。在進行靜態壓實時，首先根據計算的土樣質量對配制好的相應含水率土體進行稱重，然后在制樣筒內壁涂上薄層凡士林使其易于脫模；底部放置濾紙后將稱量好的土倒入制樣筒內，整平后在表面也同樣放置一張濾紙，再將制樣器沖頭裝入制樣筒內；最后將整個制樣器轉移至壓力機上，以恒定壓力進行壓實；壓實完成靜止2 min后，取下護筒和沖頭，最后將土樣壓出。土樣尺寸選擇39.1×80 mm的圓柱樣。對動態擊實樣進行3層擊實，首先根據計算的土樣質量對配制好的相應含水率土體進行稱重，并將其分成3份；在擊實筒內壁涂上薄層凡士林后，底部放置濾紙并加入稱好的土，整平表面，進行擊實；第1層擊實完成后，為避免有明顯的分層現象，用刮刀將擊實表面進行刮毛，第2～3層重復上述操作［13］。

1.3 試驗方案

采用南京土壤儀器廠生產的TSZ-1型應變控制式三軸儀進行不固結不排水三軸試驗，共12組土樣，加載速率為0.073 mm/min，圍壓分別設置為100，200，300 kPa。然后對相應條件的紅黏土試樣進行電鏡掃描，試樣編號及其對應控制條件見表3。

2 試驗結果與分析

2.1 重塑條件對紅黏土破壞形式的影響

對12組試樣進行三軸不固結不排水試驗，試驗過程中出現的破壞形式見圖3，圖3為（1）～（12）號代表性試樣。當含水率為25%時，不同碎土方式和制樣方式下的（1）～（4）號試樣均發生了剪切破壞。隨著含水率升高（ω=28%），試樣（6）和試樣（8）破壞形態由剪切破壞變成鼓脹破壞，而試樣（5）和試樣（7）仍發生剪切破壞。含水率升高至31%時，（9）～（12）號試樣均以“鼓脹”的形式發生破壞。這表明，此時碎土方式和制樣方式對于紅黏土試樣的破壞形式沒有太大的影響，而與含水率的大小有直接的關系。即不同碎土方式和制樣方式下的紅黏土試樣隨著含水率的增大，其破壞形式逐漸由“剪切”過渡至“鼓脹”，這與趙蕊［3］、余云燕［14］和畢慶濤［15］等的結論一致。

2.2 重塑條件對紅黏土力學參數的影響

不同重塑條件下試樣（1）～（12）三軸試驗對應的應力-應變關系曲線如圖4所示。

確定每組試樣在破壞時的偏差應力后，根據摩爾庫倫理論在τf-σ坐標軸圖上繪制出極限狀態摩爾圓，根據摩爾圓的公切線確定各組試樣的黏聚力和內摩擦角［16］，如圖5所示。由圖可知，雁山紅黏土的黏聚力、內摩擦角變化的總體趨勢是隨著含水率的增加而減小，但各試樣因重塑條件的不同而存在差別。

由圖5可知，當含水率為25%時，試樣（1）、（2）的黏聚力高于試樣（3）、（4），內摩擦角差別較小，整體剪切強度試樣（1）、（2）大于試樣（3）、（4）。其控制因素為制樣方式，即含水率處于較低水平時，采用靜態壓樣方式得到的試樣黏聚力高于動態擊實方式。當采用壓實方式制樣時，試樣一次性壓樣完成，土顆粒分布較為均勻，整體性較好；而采用擊實方式時，需要分多層進行擊實，各層的接觸面很容易在受壓時發生破壞，同時擊實過程易封存空氣，土樣內部形成較大孔隙，最終導致抗剪強度的降低。各重塑條件下的紅黏土試樣內摩擦角差別較小，而影響內摩擦角的因素，如破碎方式不同導致土顆粒之間的摩擦不同，在此時體現得并不明顯。

當含水率增加至28%時，試樣（5）、（7）的黏聚力高于試樣（6）、（8），而內摩擦角低于試樣（6）、（8）。對于重塑紅黏土來說，黏聚力主要由土顆粒間的庫侖力和范德華力所控制［3，14］。試樣（6）、（8）采用機械破碎的方式進行碎土，在含水率不高的情況下，組成（6）、（8）試樣的土顆粒更小，顆粒間因庫侖力和范德華力而相互吸引聚集成為“粗顆?！?，使得顆粒與顆粒之間存在大孔隙，在外力作用下更容易被破壞［5］，最終導致黏聚力比試樣（5）、（7）低19%以上。試樣（6）、（8）“粗顆?！敝g的咬合摩擦力要大于試樣（5）、（7），隨著含水率由25%增大至28%，吸附在土顆粒上的水膜也相應變厚，試樣（5）、（7）相比試樣（6）、（8）的“粗顆?！北缺砻娣e更大，從而潤滑作用更強，最終體現為試樣（6）、（8）的內摩擦角比試樣（5）、（7）的內摩擦角高16%左右。

當含水率為31%時，試樣（9）、（11）比同一含水率下（10）、（12）號試樣的黏聚力要高出10倍左右，而內摩擦角均大致在30°左右。這說明橡膠錘錘擊碎土方式得到的試樣比機械碎土方式得到的試樣抗剪強度更大，即此時抗剪強度的控制因素為粒徑組分。土的持水特性的決定性因素主要有細粒含量和土中孔隙，細粒含量越高，土中孔隙越小，其連通程度越好，則持水性越好［4］，同時含水率升高使得土顆粒之間的潤滑效果增強，水分在土顆粒表面形成潤滑劑［17］。除此之外，由于紅黏土是一種特殊的土體，含有大量的游離氧化鐵［1］，以包膜的形式附著在團粒表面，或是以團粒的形式獨立存在使得連接作用增強。試樣（10）、（12）中土顆粒的粒徑均較小，在含水率較大時，土顆粒之間吸附的水膜較厚，而游離氧化鐵在重塑過程中的包膜和獨立存在的形式相較于試樣（9）、（11）更少，因此黏聚力呈現出較大的差別［15，18］。

2.3 重塑條件對紅黏土力學特性影響的微觀分析

對試樣進行掃描電鏡試驗，根據試樣微觀結構進行相關分析。由圖2可知，當碎土方式不同時，采用機械碎土方式的土體粉粒較多。因此采用機械碎土方式的試樣其土顆粒之間因庫侖力、范德華力而集聚成較大的“粗顆?！保?］（見圖6），與錘擊碎土方式相比“粗顆?！钡臄盗枯^多。進而表現為，在含水率較低時，不同碎土方式的影響并不明顯；而含水率增高時，碎土方式成為控制強度的重要因素。

圖7為放大8 000倍后兩種碎土方式的靜態壓實樣和動態擊實樣的掃描電鏡圖?？梢郧逦乜吹?，兩種碎土方式中靜態壓實樣表面孔隙分布較為均勻，同時土顆粒排列較為整齊；而動態擊實樣在制樣過程中經過了多次夯擊作用，土顆粒中的扁平狀和橢圓狀顆粒容易在此作用下發生定向位移，即長軸偏于豎直方向的土顆粒轉向長軸偏于水平方向（圖7（b）、圖7（d）中紅線標記），這與任克彬等［19］所繪制的不同制樣方法過程中土顆粒調整示意圖較為一致。

對圖7采用PCAS軟件［20］進行處理，得到該含水率下紅黏土結構單元體排列的概率熵，以反映紅黏土結構單元體的有序性。根據其結果，錘擊碎土得到的靜、動態試樣概率熵分別為0.941和0.925，機械碎土方式得到的靜、動態試樣概率熵分別為0.933和0.920。由此可知，兩種制樣方式得到的土樣中土顆粒都較為有序，同時靜態壓實樣中土顆粒的有序性要高于動態擊實樣。在含水率較低時，擊實方法中土體壓縮速度較快，土顆粒和團粒之間的氣泡難以排出［19，21］，土樣容易封存空氣，使得土樣內部及表面形成較大孔隙［6，22］（圖7（a）、圖7（c）中藍圈標記）；而通過壓實方式獲得的試樣中，恒定壓力施加均勻且緩慢，土顆粒和團粒間空氣有足夠的時間排出，同時土顆粒也更容易形成接觸良好且均勻的結構，這與前述三軸試驗結果一致。

3 結 論

本文以雁山紅黏土為研究對象，結合室內試驗實際情況，選取碎土方式、含水率和制樣方式3個方面的影響因素，通過不排水不固結三軸剪切試驗對紅黏土力學特性進行探究，并結合掃描電鏡試驗，從微觀層面分析相關影響因素對其力學強度特性的影響，得到以下結論：

（1） 各重塑條件下的紅黏土隨著含水率的增大，其破壞形式逐漸由“剪切”過渡至“鼓脹”破壞。

（2） 紅黏土試樣的黏聚力、內摩擦角均隨著含水率的增加而減小，各試樣因重塑條件的不同而存在差別，制樣方式的不同通常在含水率較低時影響顯著，而當含水率處于較高水平時，控制因素通常為碎土方式。

（3） 不同碎土方式得到不同級配的土顆粒，機械碎土方式會使得土顆粒集聚成不同數量的“粗顆?！?，改變土粒級配從而影響相關力學特性，而制樣方式不同體現為土顆粒發生不同的有序排列，進而使得土體抗剪強度發生變化。

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（編輯：郭甜甜）

Effect of remolding conditions on mechanical properties of laterite

RAN Yuling1，2，YANG Xiujuan1，BAI Wei2，FAN Henghui1，LI Ke1，2

（1.College of Water Resources and Architectural Engineering，Northwest Agriculture and Forestry University，Yangling 712100，China； 2.State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering，Institute of Rock and Soil Mechanics of Chinese Academy of Sciences，Wuhan 430071，China）

Abstract：

The remolding conditions play a crucial role in influencing the mechanical properties of remolded soil samples.To analyze the impact of various remolding conditions on the mechanical properties of remolded soil in geotechnical tests for embankment construction，unconsolidated undrained triaxial tests were conducted in this study to investigate the effects of remolding conditions（different crushing methods，moisture contents，and sample preparation methods）on the mechanical properties of remolded laterite.The mechanism influencing the mechanical strength properties due to remolding conditions was elucidated through scanning electron microscopy（SEM）images.The results indicate that when the moisture content is low，the main factor affecting the strength of laterite is the preparation method.When the moisture content increases，the method of soil crushing becomes the main control factor.Combining with the microscopic test，it further reveals that different soil crushing methods can obtain soil particles of different gain size distributions.Mechanical crushing methods will make the soil particles gather into different amounts of "coarse particles"，change the soil grain distribution and thus affect the relevant mechanical properties.Different sample preparation methods are reflected in the different ordered arrangement of soil particles，thus changing the shear strength of soil.

Key words：

laterite；remodeling conditions；mechanical properties；unconsolidated undrained triaxial test；micro analysis