劉順青，洪寶寧，方慶軍，劉 鑫

1)河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210098;2)河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所，南京210098

中國(guó)正在建設(shè)或已經(jīng)建設(shè)的多條高速公路和鐵路沿線均不同程度地分布著高液限土和紅黏土.高液限土含水量高、液限高、黏粒含量大，難于壓實(shí)，具有裂隙性，作為路堤填土或路塹土，對(duì)高速公路路基的強(qiáng)度和路塹邊坡的穩(wěn)定性而言是一種不良土質(zhì)［1］;紅黏土含水量高、液塑限高、孔隙比較大、裂隙發(fā)育，遇水后膨脹量小，失水后劇烈收縮，為黏土［2］.可見，高液限土和紅黏土都是工程上的特殊土，均具有顯著的水敏感性.目前，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)不同含水率條件下土體的強(qiáng)度特性進(jìn)行了研究.黨進(jìn)謙等［3］對(duì)不同含水率條件下黃土的強(qiáng)度特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究;胡昕等［4］對(duì)不同含水率下煤系土的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了試驗(yàn)研究;丁萬(wàn)濤等［5］研究了含水率對(duì)加筋膨脹土強(qiáng)度的影響;趙穎文等［6］對(duì)廣西原狀紅黏土的力學(xué)指標(biāo)、脹縮特性與孔徑分布隨脫濕過(guò)程的演化規(guī)律進(jìn)行了較為系統(tǒng)的室內(nèi)試驗(yàn)研究;王軍等［7］對(duì)不同含水量下膨脹砂巖的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了試驗(yàn)研究;楊明等［8］對(duì)皖西膨脹土標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率特征進(jìn)行了研究.迄今為止，有關(guān)高液限土的研究主要集中在高液限土作為路堤填料的路用特性和改良措施方面［1，9-13］，有關(guān)紅黏土的研究主要集中在紅黏土的工程力學(xué)特性方面［14-15］，但關(guān)于高液限土和紅黏土在不同含水率條件下的強(qiáng)度特性規(guī)律研究較少.因此，加強(qiáng)高液限土和紅黏土的水敏性特征的試驗(yàn)研究與理論探討，不僅對(duì)土力學(xué)理論的發(fā)展有學(xué)術(shù)價(jià)值，同時(shí)也是工程實(shí)踐的需要.對(duì)于某一具體工程，土的結(jié)構(gòu)和密度在局部范圍內(nèi)不會(huì)有太大的變化，相對(duì)而言，含水量的變化對(duì)強(qiáng)度的影響要大于其他因素，對(duì)工程的影響愈更加明顯［5］.本研究通過(guò)對(duì)取自廣梧高速公路河口至雙鳳段的高液限土、紅黏土進(jìn)行了一系列的直接剪切試驗(yàn)，研究了含水量對(duì)高液限土和紅黏土抗剪強(qiáng)度的影響，對(duì)比分析了高液限土和紅黏土的水敏感性，根據(jù)研究得到的結(jié)論給出了廣梧高速公路營(yíng)運(yùn)期高液限土和紅黏土路塹邊坡的處理建議.

1 土料及測(cè)試方法

1.1 土料的基本特征

高液限土取自廣梧高速公路河口至雙鳳段第6標(biāo)段.該高液限土的粒組成分為:粒徑＜0.005 mm的顆粒占40.3%，在0.005～0.01 mm的顆粒占14.4%，在0.01～0.05 mm的顆粒占12.8%，在0.05～0.1 mm的顆粒占17.2%，＞0.1 mm的顆粒占15.3%，表明高液限土細(xì)顆粒比例較高.原狀高液限土的基本物理力學(xué)指標(biāo)為:干密度為1.31 g/cm3;天然密度為1.72 g/cm3;天然含水率為31.0%;孔隙比為1.072;快剪黏聚力為38.0 kPa，內(nèi)摩擦角為 30.0°;液限為 58.3%;塑限為28.5%.

紅黏土取自廣梧高速公路河口至雙鳳段第4標(biāo)段.該紅黏土的粒組成分為:粒徑＞2.0 mm的占2%，粒徑在1.0～2.0 mm的占0.9%，粒徑在0.5～1.0 mm的占2.2%，粒徑在0.25～0.5 mm的占1.67%，粒徑在0.075～0.25 mm的占7.06%，粒徑＜0.075 mm的占86.17%，表明該紅黏土細(xì)顆粒比例較高.原狀紅黏土的基本物理力學(xué)指標(biāo)為:干密度為1.53 g/cm3;天然含水率為25.5%;天然密度為1.92 g/cm3;孔隙比為0.771;快剪黏聚力為52.4 kPa，內(nèi)摩擦角為22.7°;液限為45.5%;塑限為24.2%.根據(jù)巖土工程勘察規(guī)范可知［16］，該紅黏土為次生紅黏土.文獻(xiàn)［6］中廣西紅黏土的天然含水量為47.4%，孔隙比高達(dá)1.40，粒徑 ＜2 μm的顆粒比例為61%.

1.2 測(cè)試方法

高液限土制樣干密度為1.31 g/cm3，按含水率10%、12%、14%、16%、18%、20%、24%、26%、28%、30%、32%和35%，制備12組試樣，每組4個(gè)樣，上覆壓力分別為100、200、300和400 kPa;紅黏土制樣干密度為1.53 g/cm3，按含水率 10.3%、11.5%、13.8%、14.8%、16.8%、19.0%、 20.6%、 22.0%、 23.0%、 24.0%、25.7%和26.5%，制備12組試樣，每組4個(gè)樣，在制樣過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，低含水率制作的試樣偏硬，高含水率的試樣偏軟，為避免在低含水率時(shí)初級(jí)上覆壓力偏小，高含水率時(shí)初級(jí)上覆壓力偏大，造成土體溢出，在施加上覆壓力的環(huán)節(jié)中，對(duì)于低含水率采用200、300、400和500 kPa的上覆壓力，對(duì)于高含水率則采用100、200、300和400 kPa的上覆壓力.將制備好的試樣，分別在不同的垂直壓力下，施加水平剪應(yīng)力，求得破壞時(shí)的剪切應(yīng)力，并根據(jù)Coulomb定律確定土樣的抗剪強(qiáng)度.直接剪切試驗(yàn)選用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀.試驗(yàn)結(jié)果見表1.

表1 不同含水率高液限土和紅黏土的強(qiáng)度指標(biāo)Table 1 Strength index of high liquid limit soil and red clay under different water contents

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 含水率對(duì)黏聚力的影響

圖1給出了高液限土和紅黏土的黏聚力與含水率的關(guān)系曲線.由圖1可見，隨著含水率的增加，高液限土和紅黏土的黏聚力總體上均呈減小趨勢(shì)，但變化趨勢(shì)具有較大差異.趙穎文等［6］通過(guò)直剪試驗(yàn)得出廣西原狀紅黏土的黏聚力隨著含水率的降低呈現(xiàn)先增大、后減小的變化，這與本研究紅黏土黏聚力隨含水率的變化有所區(qū)別.區(qū)域的不同導(dǎo)致兩處紅黏土物理力學(xué)性質(zhì)的差異可能是兩者黏聚力變化趨勢(shì)不同的主要原因.高液限土黏聚力與含水率間的回歸關(guān)系近似用指數(shù)函數(shù)表示為

紅黏土黏聚力與含水率之間的回歸關(guān)系近似用指數(shù)函數(shù)表示為

其中，c為黏聚力;w為含水率.一般認(rèn)為，土的黏聚力主要來(lái)源于土粒間的相互吸引、水膜聯(lián)結(jié)及顆粒間的膠結(jié)等［17］，其中土顆粒間的水膜聯(lián)結(jié)和膠結(jié)作用對(duì)黏聚力的產(chǎn)生具有重要作用，而水膜聯(lián)結(jié)與膠結(jié)作用都與含水率有較大關(guān)系，因此土的黏聚力隨著含水率的不同變化較大.隨著含水率的增加，土粒表面擴(kuò)散層弱結(jié)合水膜增厚，粒間距離增大，連結(jié)力逐漸減弱，直到土體飽和水膜聯(lián)結(jié)完全喪失［18］.顆粒間的膠結(jié)作用主要來(lái)源于土料本身，亦即在礦物的溶解和重析出過(guò)程中生成的［19］，這些物質(zhì)只有當(dāng)土中的自由水增加到某數(shù)值后，顆粒間的膠結(jié)物才開始被溶蝕，顆粒膠結(jié)作用才逐漸喪失.不難看出，只要土體含水率發(fā)生變化，水膜聯(lián)結(jié)作用就會(huì)與之響應(yīng)，而膠結(jié)作用只有當(dāng)土體含水率超過(guò)某數(shù)值后才會(huì)逐漸減小，且不能恢復(fù).因此，隨著含水率的增大，土體黏聚力的減小趨勢(shì)具有分段性.高液限土黏聚力減小的分段性不明顯，主要是因?yàn)樵撏琉ち１壤撸馏w比表面積大，水膜聯(lián)結(jié)作用相比膠結(jié)作用更為顯著.而紅黏土的黏聚力減小具有明顯的分段性，在含水率為10%～20%這一區(qū)段黏聚力下降最為明顯，黏聚力下降了近80%，在含水率為23%接近飽和時(shí)，黏聚力已相對(duì)穩(wěn)定，波動(dòng)不明顯.主要是因?yàn)榧t黏土以游離氧化鐵的膠結(jié)為主要的膠結(jié)形式，游離氧化鐵與黏土礦物相互吸附，以包膜形式分布在黏土礦物團(tuán)粒周圍，對(duì)團(tuán)粒起到牢固膠結(jié)作用，當(dāng)含水率達(dá)一定值時(shí)，膠結(jié)連結(jié)就會(huì)驟然破環(huán)，黏聚力明顯下降.

圖1 高液限土和紅黏土的黏聚力與含水率的關(guān)系Fig.1 Curve of cohesion and water content of high liquid limit soil and red clay

2.2 含水率對(duì)內(nèi)摩擦角的影響

圖2給出了高液限土和紅黏土的內(nèi)摩擦角與含水率的關(guān)系曲線.從圖2可以看出，含水率變化對(duì)高液限土和紅黏土的內(nèi)摩擦角影響都較大.趙穎文等［6］通過(guò)直剪試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)廣西原狀紅黏土的內(nèi)摩擦角隨著含水率的降低呈先增后減趨勢(shì)，這與本研究紅黏土的變化趨勢(shì)稍有不同，主要原因與黏聚力相似.高液限土的內(nèi)摩擦角與含水率之間的回歸關(guān)系近似用分段函數(shù)表示為

紅黏土的內(nèi)摩擦角與含水率之間的回歸關(guān)系近似用分段函數(shù)表示為

其中，φ為內(nèi)摩擦角;w為含水率.

圖2 高液限土和紅黏土的內(nèi)摩擦角與含水率的關(guān)系曲線Fig.2 Curve of internal friction angle and water content of high liquid limit soil and red clay

當(dāng)高液限土的含水率從10.0%增至35.0%，其內(nèi)摩擦角在29.2°到14.6°之間變化;而當(dāng)紅黏土的含水率從10.3%增至26.5%，其內(nèi)摩擦角在52°到15°間變化.隨著含水率的增加，高液限土和紅黏土的內(nèi)摩擦角都具有顯著的分段性特征，但兩者分段點(diǎn)的含水率具有較大差異，高液限土的內(nèi)摩擦角分段點(diǎn)的含水率接近其塑限，而紅黏土的內(nèi)摩擦角分段點(diǎn)的含水率在20%左右，小于其塑限.土的內(nèi)摩擦角與土的顆粒結(jié)構(gòu)、大小、形狀及密實(shí)度密切相關(guān)［17］.高液限土具有一定的吸水膨脹和失水收縮的特性，含水率的變化導(dǎo)致高液限土的結(jié)構(gòu)、大小和密實(shí)度發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致高液限土內(nèi)擦角減小或增大.紅黏土吸水膨脹量小，失水收縮量大，含水率的變化也會(huì)導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)、大小和密實(shí)度發(fā)生變化.同時(shí)由于紅黏土中游離氧化鐵的膠結(jié)作用形成了一定的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，隨著含水率變化幅度的增大，團(tuán)粒結(jié)構(gòu)在水體的潤(rùn)滑作用下孔隙結(jié)構(gòu)逐漸增大，咬合度逐漸降低，宏觀表現(xiàn)為內(nèi)摩擦角的減小.另一方面，從基質(zhì)吸力的角度來(lái)說(shuō)，隨著紅黏土飽和度的逐漸增大，原有的負(fù)孔隙水壓力逐漸減小，表面張力逐漸消失，在表面張力作用下的顆粒與顆粒間的擠壓作用也隨之逐漸消失，作用在團(tuán)粒表面的正應(yīng)力減小，相應(yīng)的摩擦作用也就減?。?0］.

2.3 含水率對(duì)抗剪強(qiáng)度包線的影響

圖3給出了不同含水率下高液限土的抗剪強(qiáng)度包線.圖4給出了不同含水率下紅黏土的抗剪強(qiáng)度包線.從圖3和圖4可以看出，高液限土和紅黏土的抗剪強(qiáng)度均與初始含水率有顯著相關(guān)，含水率越大抗剪強(qiáng)度越小.同時(shí)，隨著初始含水率的增加兩類土的抗剪強(qiáng)度的降低趨勢(shì)具有顯著的階段性:先小幅降低，后急劇降低，但兩類土變化趨勢(shì)轉(zhuǎn)換點(diǎn)對(duì)應(yīng)的含水率有較大差異.高液限土約為30%，紅黏土約為22%，這主要是兩者土顆粒間的膠結(jié)物質(zhì)不同引起的.

圖3 不同含水率下高液限土的抗剪強(qiáng)度包線Fig.3 Shear strength envelope of high liquid limit soil under different water contents

圖4 不同含水率下紅黏土的抗剪強(qiáng)度包線Fig.4 Shear strength envelope of red clay under different water contents

3 討論

高液限土和紅黏土的抗剪強(qiáng)度都具有比較明顯的水敏感性，雖然都屬于黏性土，但由于土顆粒間的膠結(jié)物質(zhì)不同，兩者表現(xiàn)出不同的規(guī)律性.廣梧高速公路河口至雙鳳段高液限土主要以路塹邊坡和路堤地基土的形式出現(xiàn)，而紅黏土則主要以路塹邊坡的形式出現(xiàn).目前，廣梧高速公路已進(jìn)入營(yíng)運(yùn)階段，由于含水率變化對(duì)高液限土和紅黏土的抗剪強(qiáng)度有顯著影響，為保證營(yíng)運(yùn)期路塹邊坡的穩(wěn)定性，必須采取措施減少高液限土和紅黏土含水率的變化.根據(jù)本文試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)廣梧高速公路河口至雙鳳段的高液限土和紅黏土路塹邊坡，給出以下處理建議:①高液限土表層失水速率比內(nèi)部快，表層易出現(xiàn)硬殼層和裂縫，應(yīng)采取措施防止高液限土邊坡與大氣環(huán)境直接接觸，并定期做好邊坡的現(xiàn)場(chǎng)踏勘，發(fā)現(xiàn)裂縫應(yīng)及時(shí)封堵，防止雨水灌入使邊坡土體強(qiáng)度降低，從而引發(fā)滑坡;② 紅黏土表層由于無(wú)定形鐵結(jié)晶所形成的硬殼層的縮脹性質(zhì)容易形成裂縫，裂縫的存在破壞了土體的完整性，增大了土體的滲透性，同時(shí)為雨水進(jìn)入邊坡體內(nèi)提供了通道，而紅黏土的強(qiáng)度又具有顯著的水敏感性，所以裂縫的存在影響了邊坡的穩(wěn)定性.對(duì)于已經(jīng)處于營(yíng)運(yùn)期的紅黏土路塹邊坡，應(yīng)做好表層防水，建立相應(yīng)的排水系統(tǒng)，并定期進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)踏勘，發(fā)現(xiàn)裂縫應(yīng)及時(shí)封堵;③ 在邊坡穩(wěn)定性計(jì)算中，高液限土黏聚力可按指數(shù)函數(shù)形式取值.高液限土的內(nèi)摩擦角按分段形式取值:含水量小于塑限時(shí)，直線變化率較小;含水量大于塑限后，直線變化率較大;④在邊坡穩(wěn)定性計(jì)算中，紅黏土黏聚力可按指數(shù)函數(shù)形式取值.紅黏土的內(nèi)摩擦角按分段形式取值:小于某含水量時(shí)，視為常數(shù);大于該含水量時(shí)，按與含水量成指數(shù)關(guān)系取值.

結(jié) 語(yǔ)

綜上研究可知:① 高液限土和紅黏土的抗剪強(qiáng)度均與初始含水率明顯相關(guān)，初始含水率越大抗剪強(qiáng)度越小;② 隨著含水率的增大，高液限土黏聚力與含水量成指數(shù)函數(shù)關(guān)系形式減小，其內(nèi)摩擦角則先小幅減小，后急劇減小;③ 隨著含水率的增大，紅黏土黏聚力變化具有顯著的分段性:在某一含水率區(qū)段內(nèi)下降最為明顯，當(dāng)含水率接近飽和含水率時(shí)，則趨于穩(wěn)定.紅黏土的內(nèi)摩擦角則隨著含水率的增加先保持穩(wěn)定，后急劇減小;④ 土顆粒間膠結(jié)物質(zhì)的不同是導(dǎo)致高液限土和紅黏土水敏感性不同的主要原因.

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