紅粘土的擊實特性與力學(xué)強(qiáng)度特性

， ，

(江西省高速公路投資集團(tuán)有限責(zé)任公司， 江西 南昌 330025)

紅粘土的擊實特性與力學(xué)強(qiáng)度特性

吳福泉，孫從青，詹武青

(江西省高速公路投資集團(tuán)有限責(zé)任公司， 江西 南昌 330025)

以擊實試驗研究了江西省某高速公路施工現(xiàn)場紅粘土的擊實特性，并采用承載比(CBR)試驗和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗研究了其強(qiáng)度特性。試驗結(jié)果表明，濕法確定的最大干密度偏小、最佳含水率偏大；不同土樣的擊實特性存在差異；擊實功越大，最大干密度越大、最佳含水率越??；含水率、壓實度對紅粘土強(qiáng)度影響較大，高于最佳含水率3%左右時紅粘土強(qiáng)度達(dá)到最大值，強(qiáng)度隨壓實度增大而提高。

紅粘土； 擊實試驗； 承載比試驗； 含水率； 壓實度

紅粘土是由碳酸鹽類巖石在溫濕條件下經(jīng)風(fēng)化和紅土化后形成的褐黃、褐紅色坡積、殘積粘性土。我國紅粘土主要分布在南方碳酸鹽巖系地層上，大面積分布區(qū)主要集中在云貴高原、廣西中、西部和湖南西部等地，在四川東南部及浙江西部、江蘇南部、江西北部也有零星分布。紅粘土具有高分散性、高孔隙比、高天然含水率、高液限、強(qiáng)度高、壓縮性較低、失水收縮顯著、裂隙發(fā)育等特征[1]，是一種典型的特殊土。

紅粘土含水率較低或較高時，壓實困難，難以滿足壓實度要求，增加壓實功則會出現(xiàn)彈簧土現(xiàn)象[2]。因此，紅粘土的壓實特性和壓實后強(qiáng)度特性是影響其工程性能的關(guān)鍵。土體壓實是使土顆粒逐漸緊密、減少孔隙的過程，保證土體的壓實可提高承載能力、降低壓縮性和滲透能力。武明[3]、談云志[4]分別研究了紅粘土強(qiáng)度和變形性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)隨干密度增大，孔隙越小，紅粘土的有效粘聚力、有效內(nèi)摩擦角和吸力摩擦角均呈線性增大，水分因毛細(xì)作用而上升的高度也越小、速度越慢。陶文平[5]認(rèn)為紅粘土路基施工過程中最重要的是根據(jù)紅粘土“承載比(CBR) — 含水率”關(guān)系圖、“壓實度 — 含水率”關(guān)系圖及規(guī)范要求控制碾壓含水率。談云志[6]發(fā)現(xiàn)紅粘土最大CBR對應(yīng)的含水率大于最佳含水率3%左右，建議紅粘土路基填筑時適當(dāng)降低壓實度要求，可降低幅度為2.5%。何穎[7]提出紅粘土路基采用凸塊碾與光面碾的組合碾壓方式，并采用較最佳含水率略大的含水量進(jìn)行碾壓。黃輝[8]研究了紅粘土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及其影響因素，認(rèn)為要使紅粘土路基強(qiáng)度達(dá)到填筑要求，要嚴(yán)格控制壓實度和路基的養(yǎng)護(hù)及填料含水量。

本文研究紅粘土擊實特性和強(qiáng)度特性的影響因素，以擊實試驗分析擊實筒尺寸、濕法或干法的制樣方法、不同土樣和擊實功對紅粘土擊實特性的影響，并采用CBR試驗和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗分析含水率和壓實度對紅粘土強(qiáng)度特性的影響規(guī)律，從而為紅粘土路基施工提供參考。

1 試驗材料與試驗方法

試驗紅粘土取自江西省某高速公路施工現(xiàn)場，在不同標(biāo)段取2批次土樣，分別稱為紅粘土A、紅粘土B。紅粘土天然含水率、界限含水率和比重試驗結(jié)果見表1。2個土樣的液限wL均超過45%。

表1 紅粘土的基本性能試驗結(jié)果試樣天然含水率/%液限wL/%塑限wP/%塑性指數(shù)IP/%細(xì)顆粒(0075mm以下)含量/%比重紅粘土A2574542781768092700紅粘土B/4922991948622762

2 試驗結(jié)果

2.1 擊實特性

2.1.1 擊實筒尺寸的影響

依據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》(JTG E40 — 2007)[9](以下簡稱為“規(guī)程”)分別采用大擊實筒(Φ152 mm)與小擊實筒(Φ100 mm)進(jìn)行紅粘土的擊實試驗。紅粘土的制樣方式有2種，即濕法和干法。濕法是指將天然含水率下的紅粘土通過加水或自然晾曬至一定含水率后保濕進(jìn)行試驗；干法是指紅粘土在風(fēng)干后加水至一定含水率后保濕進(jìn)行試驗。濕法制樣紅粘土A的試驗結(jié)果見圖1。分析圖中回歸曲線可得到大、小擊實筒分別確定的最大干密度分別為1.758、1.777 g/cm3，最佳含水率分別為16.6%、17.7%?？梢?，采用小擊實筒確定紅粘土的最大干密度和最佳含水率略大于大擊實筒結(jié)果。這與不同尺寸擊實筒采用的擊實次數(shù)不同有關(guān)，小擊實筒分5層擊實、每層27下，大擊實筒分3層擊實、每層98下，紅粘土承受的擊實功不同，從而導(dǎo)致紅粘土的密實性存在差異。

圖1 大筒與小筒擊實試驗干密度-含水率關(guān)系曲線

2.1.2 制樣方法的影響

分別采用濕法和干法制件進(jìn)行擊實試驗。2種擊實試驗均采用紅粘土A和大擊實筒，試驗結(jié)果見圖2。分析圖中回歸曲線可得到濕法、干法確定的最大干密度分別為1.758、1.804 g/cm3，最佳含水率分別為16.6%、15.4%?？梢?，濕法制樣較干法制樣確定的最大干密度略小，而最佳含水率略大。濕法得到的最佳含水率包括紅粘土礦物的結(jié)合水，能更準(zhǔn)確地反映紅粘土的礦物成分與結(jié)合水的特性。

圖2 不同制樣方法的紅粘土干密度-含水率關(guān)系曲線

2.1.3 不同紅粘土的比較

采用干法制件進(jìn)行紅粘土A、B的擊實試驗，均采用大擊實筒，擊實試驗結(jié)果見圖3。分析圖中回歸曲線可得到紅粘土A、B兩種土樣的最大干密度分別為1.804、1.654 g/cm3，最佳含水率分別為15.4%、18.5%?？梢姡词箒碜酝还饭こ痰募t粘土試樣，其擊實特性仍存在差異。這可能主要與不同土樣的礦物成分存在差異有關(guān)。

圖3 不同紅粘土的干密度-含水率關(guān)系曲線

2.1.4 擊實功的影響

《規(guī)程》中采用大擊實筒進(jìn)行重型擊實試驗時，每層擊實次數(shù)為98次，共分3層進(jìn)行。通過控制每層擊實次數(shù)可分析擊實功對紅粘土擊實特性的影響。本文每層擊實次數(shù)控制在30、50、75和98次，仍分3層進(jìn)行擊實試驗。采用紅粘土B干法制件進(jìn)行擊實試驗，獲得的干密度-含水率關(guān)系曲線見圖4。由圖中回歸曲線得到最大干密度、最佳含水率隨每層擊實次數(shù)的變化曲線見圖5。由圖中數(shù)據(jù)可見，隨著每層擊實次數(shù)增加，紅粘土的最大干密度逐漸增大，最佳含水率則逐漸減小，每層擊實次數(shù)超過75下后，兩者的變化已較小?？梢?，越大擊實功可使紅粘土在較小的含水率下即達(dá)到最佳致密狀態(tài)，而過高的擊實功(每層擊實次數(shù)超過75次)對最大干密度和最佳含水率的影響已較小。因此，為保證壓實紅粘土路基達(dá)到最佳致密狀態(tài)，建議采用每層擊實98下的擊實試驗結(jié)果來控制現(xiàn)場壓實度。

圖4 不同擊實次數(shù)土干密度-含水率關(guān)系曲線

圖5 擊實次數(shù)對最大干密度和最佳含水率的影響曲線

2.2 力學(xué)強(qiáng)度特性

2.2.1 含水率的影響

依據(jù)《規(guī)程》，采用干法制件進(jìn)行紅粘土A、B的CBR試驗和紅粘土B的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗。CBR試件(每層擊實98下)經(jīng)4 d浸水。靜壓成型尺寸為Φ50×50 mm的圓柱體紅粘土試件，并采用UTM — 25伺服液壓多功能材料試驗系統(tǒng)測試試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，加載速率為1 mm/min。CBR試驗和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果分別見圖6和圖7。由圖可見，紅粘土的CBR和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均隨含水率增加呈先增后降的變化趨勢。CBR最大時的含水率在22%左右，較擊實試驗確定的最佳含水率(干法)約高出4%；無側(cè)限抗壓強(qiáng)度取得最大值時的含水率約在18%～20%，較擊實試驗確定的最佳含水率約高出0%～2%。綜合CBR和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度來看，紅粘土含水率在最佳含水率時強(qiáng)度并不是最大值，而是較最佳含水率高出約3%左右時取得最大值。分析原因，紅粘土中的凝膠物質(zhì)含有大量結(jié)合水，這些結(jié)合水受到土粒較大的吸力，體現(xiàn)出固態(tài)水特性，紅粘土擊實試驗確定的最佳含水率僅包括了自由水未包含這部分結(jié)合水，而紅粘土取得最大強(qiáng)度時的含水率包含了自由水及固態(tài)水。因此，紅粘土路基碾壓時宜控制晾曬含水率較室內(nèi)擊實試驗確定的最佳含水率高3%，這對于保證路基強(qiáng)度、縮短施工時間均有積極意義。

圖6 CBR-含水率關(guān)系曲線

圖7 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度-含水率關(guān)系曲線

2.2.2 壓實度的影響

由圖6、圖7分別得到紅粘土B的CBR與每層擊實次數(shù)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與壓實度的關(guān)系曲線，分別見圖8、圖9。由圖可見，每層擊實次數(shù)越多，即壓實功越大，紅粘土的CBR越大；無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨壓實度的增加而提高?？梢姡酱蟮膲簩嵐⑹辜t粘土獲得更大的強(qiáng)度。因此，為保證紅粘土路基的承載能力，應(yīng)重視紅粘土的壓實過程度，并嚴(yán)格控制壓實度水平。

圖8 CBR-每層擊實次數(shù)關(guān)系曲線

圖9 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度-壓實度關(guān)系曲線

3 結(jié)論

1) 制樣方法和擊實功均對紅粘土的擊實特性

存在較大影響。濕法得到的紅粘土最佳含水率和最大干密度均略大于干法結(jié)果。擊實功越大，紅粘土的最大干密度增大，最佳含水率減小。取自同一工程不同標(biāo)段的紅粘土擊實試驗結(jié)果也存在差異。推薦采用濕法制樣、重型擊實試驗確定紅粘土的壓實特性參數(shù)。

2) 含水率和壓實功均對紅粘土強(qiáng)度影響較大。紅粘土含水率高于最佳含水率3%時取得最大強(qiáng)度。壓實度越大，紅粘土的強(qiáng)度越大。

[1] 朱天璋，黃向京.湖南高速公路紅粘土工程特性及問題與對策探討[J].公路工程,2008,33(5):24-28.

[2] 劉小平，袁騰方，楊迎冬.湖南非飽和紅粘土工程性質(zhì)的試驗研究[J].公路工程,2011,36(2):48-52.

[3] 武明，陳正漢，姚志華，等.云南非飽和紅粘土的強(qiáng)度和變形特性研究[J].地下空間與工程學(xué)報，2013,9(6):1257-1265.

[4] 談云志. 壓實紅粘土的工程特性與濕熱耦合效應(yīng)研究[D].武漢：中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所，2009.

[5] 陶文平. 南方紅粘土公路路基設(shè)計與修筑技術(shù)研究[D]. 長沙：長沙理工大學(xué)，2010.

[6] 談云志，孔令偉，郭愛國，等. 紅黏土路基填筑壓實度控制指標(biāo)探討[J]. 巖土力學(xué)，2010,31(3):851-855.

[7] 何穎. 高速公路紅粘土路基沉降變形分析及施工控制研究[D].長沙：長沙理工大學(xué)，2013.

[8] 黃輝. 紅粘土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗影響因素研究[J]. 湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2010,24(4):22-26.

[9] JTG E40-2007,公路土工試驗規(guī)程[S].

1008-844X(2017)03-0025-03

U 416.03

A

2016-12-28

江西省交通運(yùn)輸廳重點工程科研項目(2015C0023)

吳福泉(1972-)，男，高級工程師，從事公路工程建設(shè)和養(yǎng)護(hù)管理。