單軸條件下畢節(jié)紅黏土的強度破壞試驗研究

方 娟，孟 來，李美霖，秦海強

(貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，貴州 畢節(jié) 551700)

0 前 言

紅黏土在我國的貴州、廣西、四川和湖南等地分布十分廣泛，貴州省內(nèi)的紅黏土在其復(fù)雜的紅土化的過程中，已經(jīng)形成了獨特的游離氧化特膠結(jié)結(jié)構(gòu)[1]，這種結(jié)構(gòu)對紅黏土的強度和早期變形模量起著重要的作用。復(fù)雜的土體結(jié)構(gòu)以及地形、地貌、水文氣候等條件的變化，使得這種區(qū)域性很強的特殊土的工程力學(xué)性質(zhì)非常復(fù)雜[2]。紅黏土由于其復(fù)雜的形成過程和特殊的物質(zhì)組成，黏土礦物顆粒間形成了穩(wěn)定的團粒結(jié)構(gòu)，并且具有較為穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)層狀或者鏈狀，其中含有結(jié)構(gòu)水，使得紅黏土具有含水量高、孔隙比大、塑性高、壓縮性低，承載力大的特點[3]。

土的結(jié)構(gòu)性是描述天然土在沉積過程中形成的特殊的顆粒聯(lián)結(jié)和排列方式所表現(xiàn)出來的力學(xué)效應(yīng)，具體涉及到兩個方面，即聯(lián)結(jié)所表現(xiàn)的結(jié)構(gòu)可穩(wěn)性和顆粒排列變化所表現(xiàn)出的結(jié)構(gòu)可變性。國內(nèi)對于結(jié)構(gòu)性黃土的研究起步較早且較為系統(tǒng)，謝定義、齊吉琳[4]及邵生俊[5-7]、鄧國華[8]、羅愛忠等[9-10]根據(jù)綜合結(jié)構(gòu)勢的思想，提出了黃土的不同的結(jié)構(gòu)性參數(shù)并將其引用到土體本構(gòu)模型及工程應(yīng)用當中，取得了較為突出的成果。目前針對紅黏土的結(jié)構(gòu)性的研究國內(nèi)尚無成熟的理論指導(dǎo)，本文擬通過單軸條件下畢節(jié)紅黏土的原狀樣、重塑樣的強度變化規(guī)律及破壞性狀，分析畢節(jié)紅黏土的結(jié)構(gòu)性及其對強度的影響及變化規(guī)律。

1 試驗方案

筆者首先通過踏勘選點，對取自畢節(jié)市周邊的典型紅黏土進行了基本的物理性能指標的測試，結(jié)果見表1。

表1 畢節(jié)紅黏土的基本物理性能指標

為了研究結(jié)構(gòu)性對于紅黏土的強度影響及不同含水量條件下紅黏土的強度變化規(guī)律，本文按照《土工試驗規(guī)程》(SL237—1999)中的方法分別制備了原狀樣、重塑樣。以天然含水量制取試樣，然后通過滴水法、風(fēng)干法制備不同含水量的原狀、重塑樣，按照要求放置至少24 h后再進行無側(cè)限抗壓強度試驗，以使試樣中的水分充分轉(zhuǎn)移均勻。本文一共配制了46%、48.5%、50%、52%、56%等5組不同含水量的試樣。

無側(cè)限抗壓強度試驗采用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的YYW-2型應(yīng)變控制式無側(cè)限壓力儀進行，其每分鐘升降板上升2.4 mm，直至試樣破損，百分表讀數(shù)較??；若試驗進行過程中百分表讀數(shù)一直增大，則將試驗進行至試樣的總應(yīng)變達到20%以上，以20%應(yīng)變所對應(yīng)的應(yīng)力值為無側(cè)限抗壓強度值。試驗過程中記錄發(fā)生某一豎向位移所對應(yīng)的量力環(huán)的讀數(shù)，按照公式推算出單軸條件下軸向應(yīng)力與軸向應(yīng)變的關(guān)系，并繪出相應(yīng)的曲線。

2 單軸抗壓強度試驗結(jié)果與分析

為分析結(jié)構(gòu)對紅黏土單軸抗壓強度的影響，本文整理了不同含水量的紅黏土的原狀樣、重塑樣的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線，如圖1～2所示。

圖1 單軸條件下原狀紅黏土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線

圖2 單軸條件下重塑紅黏土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線

從曲線特征上來看，原狀紅黏土試樣的無側(cè)向抗壓強度曲線表現(xiàn)出應(yīng)變軟化特征，在應(yīng)變較小時，應(yīng)力隨應(yīng)變增加基本是線性增大，當應(yīng)力達到結(jié)構(gòu)強度時，土樣破壞，強度值降低。強度的變化實質(zhì)上是土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)性發(fā)揮作用的過程，當外力較小時，不足以破壞土體的初始結(jié)構(gòu)強度，即原生結(jié)構(gòu)強度；一旦土體的原始結(jié)構(gòu)遭到破壞，土體內(nèi)部產(chǎn)生塑性變形區(qū)，土體不足以抵抗外荷載作用，土體強度降低，最終形成剪切破壞面。土體的強度隨著軸向應(yīng)變的增加而呈現(xiàn)先增大出現(xiàn)一個峰值強度后減小的規(guī)律，正是由于土體結(jié)構(gòu)性在這個過程中發(fā)揮了作用。

在試驗含水量范圍內(nèi)，原狀紅黏土的峰值并不是簡單地隨含水量的增加而減小，而是在某一含水量處發(fā)生轉(zhuǎn)折。整體來看，在低于天然含水量范圍內(nèi)，48%試樣的單軸抗壓強度最大，46%試樣的單軸抗壓強度最?。黄渌麕讉€含水量是遵循含水量越大，強度越低的規(guī)律。這是由于紅黏土存在干縮的現(xiàn)象，含水量一旦低于某一個值時，強度反而會降低，干縮產(chǎn)生的裂縫正是造成這種現(xiàn)象的原因，裂縫的產(chǎn)生使得土體的顆粒和聯(lián)結(jié)能力降低，結(jié)構(gòu)強度降低。

同一含水量的重塑紅黏土試樣，無側(cè)限抗壓強度曲線基本上呈現(xiàn)隨軸向應(yīng)變增大的規(guī)律，這是由于重塑擾動破壞了土體的初始結(jié)構(gòu)性，土體顆粒重新組合排列，制樣過程中的擾動擊實使得重塑樣的顆粒大小及分布更加均勻，改變了紅黏土天然的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，重塑制成的試樣具有不同于原狀樣的初始結(jié)構(gòu)性和結(jié)構(gòu)強度，在相同受力條件下表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。重塑樣在單軸受壓條件下表現(xiàn)出應(yīng)變硬化型特征，在外荷載作用下土體顆粒重組效應(yīng)體現(xiàn)出不同的力學(xué)變化特征。重塑樣的峰值強度隨含水量的增加基本呈現(xiàn)減小的規(guī)律。二者的不同規(guī)律更加說明了結(jié)構(gòu)性的影響差異。

從變形破壞過程來看，原狀土產(chǎn)生裂縫和破壞過程相對重塑土更快更劇烈，產(chǎn)生的應(yīng)力更大，對比試驗數(shù)據(jù)以及曲線圖知，重塑土在壓力作用下破壞過程相對緩慢，也沒有產(chǎn)生裂縫或者發(fā)生破壞變形的明確的峰值，產(chǎn)生的應(yīng)力很小。

圖3整理了同一含水量的原狀、重塑試樣的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線，從圖中可以看出，不同含水量的原狀紅黏土的單軸抗壓強度都高于重塑樣，這是由于重塑樣制備是用天然紅黏土經(jīng)過破碎、篩分、壓實而成的，具有與原狀樣相同的尺寸、含水量和密度，但是二者強度差異較大。原狀紅黏土與重塑紅黏土的強度的差異說明畢節(jié)紅黏土確實存在一定的結(jié)構(gòu)性，十分有研究的必要。

圖3 同一含水量原狀、重塑樣的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線

3 紅黏土的破壞性狀

通過試驗觀察，不同結(jié)構(gòu)性的土體在單軸條件下的破壞性狀也表現(xiàn)出較大的不同。土體破壞的過程實際上是土體結(jié)構(gòu)性發(fā)揮的過程，原狀樣由于初始結(jié)構(gòu)性的存在，在受力后結(jié)構(gòu)性發(fā)揮抵抗的作用，故應(yīng)力應(yīng)變曲線開始段是線性增長的，當結(jié)構(gòu)性不足以抵抗外荷作用時，曲線出現(xiàn)下滑段，此時土體內(nèi)部已經(jīng)出現(xiàn)了塑性變形區(qū)，原狀樣的破壞圖片如圖4所示，可見是存在沿著某一斜面的明顯剪切破壞帶的，屬于脆性破壞。而重塑樣在單軸條件下的破壞形態(tài)與原狀樣不同，如圖5所示。試樣從開始受力至實驗結(jié)束，并無明顯的破壞帶，試樣呈現(xiàn)出變粗變矮的特征，發(fā)生的是側(cè)脹破壞。這與試樣硬化型的應(yīng)力應(yīng)變曲線相吻合，重塑重組的土結(jié)構(gòu)性弱，在外荷作用下一直處于被壓縮變脹的狀態(tài)。由此可見，結(jié)構(gòu)性不同的土體破壞性狀有著非常明顯的不同，結(jié)構(gòu)性對于土體的力學(xué)及變形的影響是最基本、最重要的原因。

圖4 原狀紅黏土的破壞形狀

圖5 重塑紅黏土的破壞形狀

4 結(jié) 論

通過測試畢節(jié)紅黏土的基本物性指標，得出紅黏土高天然含水量、高液限的特點，從畢節(jié)紅黏土的成因分析了造成這種特點的原因，制備了5個不同含水量的原狀樣、重塑樣，進行了無側(cè)限抗壓強度試驗，整理了原狀樣、重塑樣破壞性狀的圖片，并進行了分析主要結(jié)論如下。

1)不同含水量的原狀樣，并不表現(xiàn)出隨含水量增大強度降低的變化規(guī)律，而在48%含水量達到峰值，較低含水量46%試樣的單軸抗壓強度值最低，這是由于紅黏土產(chǎn)生干縮的原因，使得土體結(jié)構(gòu)性破壞，導(dǎo)致強度較低含水量情況下的試樣強度降低。

2)不同含水量的原狀樣應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線都呈現(xiàn)出應(yīng)變軟件型特征，重塑樣呈現(xiàn)出應(yīng)變硬化型特征。

3)原狀樣與重塑樣的破壞性狀不同，原狀樣為出現(xiàn)明顯剪切破壞面的剪切破壞，重塑樣為變脹的側(cè)脹破壞。