千枚巖土-紅黏土混合土抗剪強度試驗研究

趙秀紹，付智濤，耿大新，石鈺鋒，王梓堯

(華東交通大學 江西省巖土工程基礎設施安全與控制重點實驗室，江西 南昌 330013)

0 引 言

千枚巖土在江西省中北部地區(qū)廣泛分布，具有難壓實，膨脹率大等特點。由于其黏聚力低，采用普通壓路機壓實時，壓實完成后壓實度與抗剪強度低[1-4]，邊坡穩(wěn)定性差，且極易受到擾動，遇水后強度將會進一步下降[5]，屬于工程性質不良的填料，常作棄方處理。紅黏土是一種典型工程性質不良的特殊土，具有較高的“水敏性”，遇水軟化現象十分明顯[6-8]，必須經過一定處理方可用作路基填筑。

千枚巖土和紅黏土均為工程性質不良的填料，筆者首次提出了利用特殊土紅黏土對千枚巖土進行加固改良，以期達到充分利用兩種特殊土的目的。

為充分掌握紅黏土摻入千枚巖土的強度特性，開展混合土室內直接剪切試驗研究，并進一步探究混合土在浸水后強度衰減特性。目前關于紅黏土、千枚巖土混合土的強度特性研究較少，特別是這兩種特殊土浸水后強度衰減特性研究更少，但兩種土組成的混合土浸水后的抗剪強度對邊坡穩(wěn)定性評價非常重要，因此有必要開展浸水與未浸水情況下混合土抗剪強度研究。

1 試驗材料

江西中北部地區(qū)千枚巖是由泥巖變質而成的巖石，強度與硬度都很低，非常容易風化，從地下開挖出后初期為塊狀，經雨淋后迅速風化成土狀，因此稱為千枚巖土，如圖1(a)、圖1(b)。

試驗所用千枚巖土和紅黏土材料取自江西新建昌北貨場鐵路支線工程。紅黏土濕熱現象十分明顯，經過日照失水后路基面會產生明顯裂縫，如圖1(c)。

圖1 千枚巖土和紅黏土Fig. 1 Phyllite soil and red clay

通過篩分試驗得到千枚巖土和紅黏土的顆粒級配曲線如圖2。

圖2 級配曲線Fig. 2 Gradation curve

由圖2可知千枚巖土不均勻系數Cu=61.0，曲率系數Cc=3.800，粒徑小于0.075 mm的顆粒含量為73%；紅黏土不均勻系數C′u=26.3，曲率系數C′c=0.983，粒徑小于0.075 mm的顆粒含量為91%，兩種土均屬于級配不良的土。試驗材料的基本物理性質參數如表1。

表1 試驗材料的基本物理性質參數Table 1 Basic physical property parameters of test materials

2 試驗方案與試驗方法

2.1 試驗方案

為測定千枚巖土摻入紅黏土后的抗剪強度，首先進行試樣制備。以千枚巖土的干質量m0為基準，取紅黏土(m1)與千枚巖土的質量比m1/(m0+m1)作為摻合比λ，紅黏土摻合比設計為0、20%、40%、60%、80%和100%，其中0為純千枚巖土，100%代表純紅黏土。

通過室內重型擊實試驗，得到不同紅黏土摻合比的混合土最大干密度ρdmax和最優(yōu)含水率wop，試驗結果如表2。由表2可知：混合土的最優(yōu)含水率在18%左右，最大干密度在1.70 g/cm3左右。為了方便對比壓實度和制樣含水率的影響，抗剪強度試樣的含水率取14%、18%和22%，最大干密度取1.70 g/cm3，壓實度K取93%、95%和97%(93%為高速鐵路基床以下的壓實度要求，95%是基床底層的壓實度要求)，即對應試樣的干密度分別為1.581、1.615和1.649 g/cm3。

表2 混合土擊實試驗結果Table 2 Compaction test results of mixed soil

2.2 試驗方法

直剪快剪試驗可以反映路基邊坡失穩(wěn)剪切產生超孔隙水壓力，邊坡穩(wěn)定分析時常采用直剪快剪試驗指標，根據GBT 50123—2019 《土工試驗方法標準》試驗采用直剪快剪試驗，剪切速率控制為0.8 mm/min。試樣采用環(huán)刀試樣，試樣直徑61.8 mm，試樣高20.0 mm。每組試驗制備4個試樣，分別施加50、100、150、200 kPa的豎向應力。進行浸水混合土直剪快剪試驗時，將環(huán)刀土樣推入剪力盒中，按照試驗的操作步驟安裝好壓蓋但是不施加豎向壓力，往直剪盒槽中注水，浸水24 h后進行直剪快剪試驗。

3 試驗結果與分析

直剪試驗每組試樣都將得到4個正應力σ和4個剪應力τ，理論上這些數據點應該在一條直線上，并且符合庫侖定律(1)：

τ=σtanφ+c

(1)

式中：c為土的黏聚力，kPa；φ為土的內摩擦角，(°)。

由于試驗儀器等原因，4個點不可能正好在一條直線上，目前常用線性回歸來求解c和tanφ以減小誤差[9]。

3.1 摻合比對混合土黏聚力的影響

制樣含水率w為14%、18%和22%時，浸水與未浸水混合土黏聚力c隨摻合比λ變化規(guī)律如圖3(圖3中，93，95，97代表未浸水壓實度為93%,95%和97%時的強度指標，并用虛線連接；93sk，95sk，97sk代表浸水強度指標，后文圖中sk標識均為浸水指標)。相同情況下千枚巖土的黏聚力最低，在圖3(b)中當含水率為18%且壓實度為K=93%時，純千枚巖土黏聚力僅有11.99 kPa。當摻入紅黏土后，混合土的抗剪強度提高較為明顯，當含水率為14%，壓實度K為95%時，λ每增長20%，黏聚力約增長52.9%。當制樣含水率不同時，黏聚力隨紅黏土摻合比的變化規(guī)律呈現不同的變化規(guī)律。

圖3 黏聚力隨摻合比的變化規(guī)律Fig. 3 Variation law of cohesion changing with mixing ratio

3.1.1 未浸水時黏聚力隨摻合比變化規(guī)律

1)未浸水情況下，當紅黏土摻合比小于60%時，混合土黏聚力隨著摻合比的增長而顯著增長；當摻合比大于60%時，制樣含水率不同，黏聚力變化規(guī)律不同。

2)當制樣含水率為14%(低于最優(yōu)含水率18%)時，黏聚力隨摻合比的增長而增長；當制樣含水率為最優(yōu)含水率(18%)時，K=93%時黏聚力隨摻合比的增長接近線性增長，摻合比每增大20%，黏聚力增長8.35 kPa；K=95%和97%時，黏聚力增長較少甚至保持不變。

3)當含水率為22%時，黏聚力隨著摻合的增長而降低。

以上現象說明，當制樣含水率低于最優(yōu)含水率時，紅黏土摻入對混合土的黏聚力提高顯著；當制樣含水率大于或等于最優(yōu)含水率時，λ≤60%時對黏聚力提高顯著；λ>60%時，整體趨勢為隨著紅黏土摻和比增長，混合土黏聚力增長幅度很小甚至發(fā)生降低，可以認為紅黏土摻和比60%是優(yōu)化摻和比。

3.1.2 浸水時黏聚力隨摻合比變化規(guī)律

由圖3中實線(sk線)可知：當紅黏土摻合比小于60%時，不同制樣含水率和壓實度情況下的混合土黏聚力均隨摻合比的增加而增長。當紅黏土摻合比大于60%時，隨著摻合比的繼續(xù)增加，混合土的黏聚力基本不再增加。紅黏土主要為團粒結構[1]，千枚巖土為片狀結構，兩者混合后可形成較為緊密的嵌鎖情況，因此黏聚力提高；浸水后，土體含水率增大，紅黏土團粒間的結合水膜變厚，顆粒間的靜電引力減小，黏聚力降低[9]。

3.1.3 混合土浸水前后黏聚力變化對比

混合土浸水后黏聚力會出現較大幅度降低，圖3中虛線與實線之間的距離即為黏聚力降低的幅度。為了定量描述黏聚力的降低，定義浸水前黏聚力與浸水后黏聚力的比值為折減系數δc，其定義如式(2)，變化規(guī)律如圖4。

(2)

式中：cusk為未浸水時混合土黏聚力；csk為浸水后混合土黏聚力。

圖4、圖7中93-14為k=93%，w=14%時的折減系數，以此類推。圖4可知：當含水率為14%時，整體趨勢為黏聚力折減系數隨紅黏土摻合比增大而增大，即紅黏土摻和比越高浸水后黏聚力降低幅度越大。以K=97%為例，紅黏土摻和比分別為0、20%、40%、60%、80%和100%時，折減系數分別為1.38、2.16、1.97、2.63、3.98和4.52。這種現象說明摻入紅黏土的黏聚力水敏性非常高，在含水率低于最優(yōu)含水率時，摻合比越大，工程實際上黏聚力折減系數取值也越大。

圖4 黏聚力折減系數變化規(guī)律Fig. 4 Variation law of cohesion changing with reduction coefficient

當含水率為18%或22%時，黏聚力折減系數呈波動狀態(tài)，呈現出的規(guī)律并不明顯。黏聚力折減系數在1.22～2.67內波動，平均值為2.02，混合土工程計算時可以保守的取2.7作為折減系數。

千枚巖土本身的強度較低，浸水前后強度的變化較小[10]，而紅黏土本身強度較高且具有較強的水敏性，因此強度折減較大[11]。由圖4可知：僅當含水率為14%時才會出現紅黏土摻合比越大強度衰減幅度越大的問題，當含水率為18%和22%時摻合比對黏聚力衰減幅度沒有明顯的增函數關系。

3.1.4 制樣含水率對黏聚力強度的影響

制樣含水率對黏聚力有顯著的影響，TB 10001—2016《鐵路路基設計規(guī)范》對基床底層及以下要求壓實度為91%，考慮到混合土無荷膨脹率還較大[2]，實際常通過提高2%壓實度(K=93%)來克服由于膨脹引起的壓實度降低。此壓實度下未浸水混合土黏聚力隨含水率變化如圖5(a)。

圖5 含水率對黏聚力強度的影響Fig. 5 Influence of water content on cohesive strength

千枚巖土本身強度較低，浸水前后黏聚力隨制樣含水率的變化不明顯，紅黏土本身強度高，而且“遇水軟化”十分嚴重，強度變化非常明顯。

以K=93%且w=18%為例，未浸水紅黏土黏聚力為80.03 kPa，但浸水后銳減為17.29 kPa，降低了78.4%。圖5(a)表明，混合土樣在未浸水情況下，黏聚力隨著制樣含水率的增加而減小，這是由于含水率越大，黏土顆粒之間的水膜越厚[12]，降低了顆粒之間的引力。浸水后黏聚力隨含水率變化如圖5(b)，黏聚力受制樣含水率影響仍然顯著，除λ=0和40%情況外，其它摻和比下黏聚力呈現先增加再降低的變化規(guī)律，因此多數情況下混合土在最優(yōu)含水率具有峰值黏聚力，工程中壓實土體時應盡量使含水率接近最優(yōu)含水率。

3.2 摻合比對混合土內摩擦角的影響

混合土內摩擦角隨摻合比的變化規(guī)律如圖6。圖6中，虛線和實線分別為未浸水與浸水狀態(tài)下不同壓實度混合土的內摩擦角變化規(guī)律。

圖6 內摩擦角隨摻合比的變化規(guī)律Fig. 6 Variation low of internal friction angle withchanging mixing ratio

3.2.1 未浸水時內摩擦角隨摻合比變化規(guī)律

由圖6可知：

1)當混合土樣制樣含水率w≤18%時，土樣的內摩擦角整體隨著摻合比增大而增大，但當摻合比增加到80%時，內摩擦角出現了較小的降低，此情況的主要是因為當摻合比大于80%時，混合土樣壓實情況較好且內摩擦角大的紅黏土為主導，而根據兩種土樣的粒徑分布可以發(fā)現千枚巖土的粒徑較紅黏土大，千枚巖土的存在使混合土的級配相對于純紅黏土有一定的改善，形成較為密實的結構，λ=80%混合土相對于純紅黏土，具有更大的內摩擦角。

2)當制樣含水率為22%時(大于最優(yōu)含水率)時，內摩擦角變化規(guī)律呈現先增加后減小的變化規(guī)律，未浸水情況下在紅黏土摻合比等于60%時內摩擦角最大。因此，摻合比超過60%對內摩擦角強度提高貢獻較小甚至沒有貢獻，建議摻合比不高于60%。

3.2.2 浸水后內摩擦角隨摻合比變化規(guī)律

浸水混合土的內摩擦角整體隨摻合比的增大呈現明顯的波浪形變化，由圖6可知：

1)當摻合比低于40%時，內摩擦角隨摻合比的增大而增大，在摻合比20%～40%增長最為顯著，當K=95%和w=18%時，摻合比增大20%而內摩擦角由18.14°增大至26.07°，增長了43.7%。

2)摻合比為60%處內摩擦角出現輕微的下降，w=14%，18%和22%對應的內摩擦角相比λ=40%分別降低了8.5%，3.6%和5.2%，即在最優(yōu)含水率處降低幅度最小。

3)隨著摻合比由60%增大至100%時，內摩擦角先增大后減小，即λ=80%浸水混合土的內摩擦角比浸水純紅黏土大。當K=95%時，3種含水率下λ=60%混合土的內摩擦角與純紅黏土相近，但λ=80%混合土的內摩擦角相對于純紅黏土分別提高了8.2%，16.8%和17.9%，可認為千枚巖土的摻入可以降低紅黏土浸水后的內摩擦角損失，使混合土的內摩擦角相對于純紅黏土有一定的提高。

千枚巖土和紅黏土混合后形成了更為緊密的結構，在紅黏土的鐵質膠結作用下[11]，顆粒間存在咬合作用，產生相對錯動難度較高，內摩擦角增大；而浸水后土樣的含水率增大，顆粒表層結合水膜變厚，對土顆粒的相對錯動起潤滑作用，因此內摩擦角減小。

3.2.3 浸水前后內摩擦角變化對比

圖6中虛線與實線間的距離即為內摩擦角由于浸水原因產生降低的幅度。為了定量化描述內摩擦角的降低幅度，定義浸水前的內摩擦角與浸水后內摩擦角的比值為折減系數δφ，其定義如式(3)：

(3)

式中：φusk為未浸水時混合土的內摩擦角；φsk為浸水后混合土的內摩擦角。

內摩擦角折減系數隨摻合比的變化規(guī)律如圖7。圖7表明當紅黏土摻和比為0%、20%、40%、60%、80%和100%時，δφ變化范圍分別為1.04～1.55、1.22～1.72、1.20～1.32、1.22～1.44、1.12～1.51、1.19～1.65。數據分析表明，當紅黏土摻和比為0%、20%、80%和100%時，δφ變化范圍較大。當紅黏土摻和比為40%和60%時，δφ變化范圍較小，可認為混合土的內摩擦角變化較小且趨于穩(wěn)定，工程上計算時可取最不利情況δφ=1.72。

圖7 內摩擦角折減系數變化規(guī)律Fig. 7 Variation law of internal friction angle changing withreduction coefficient

4 基于抗剪強度摻合比優(yōu)選討論

對比浸水與未浸水混合土的黏聚力變化，摻合比應控制在40%～80%內，但由于浸水后混合土在摻合比40%～60%范圍內摩擦角隨摻合比增大而減小，在摻合比60%～80%內逐漸增大，而內摩擦角的折減系數在摻合比40%～80%內波動較小，浸水后強度減小幅度較小，因此摻合比應控制在40%～80%內。

結合前期室內液塑限試驗結果[2]，液限wL，塑限wP，液性指數IP隨摻合比λ的關系如圖8。

圖8 不同摻合比下wp、wL、IP的變化規(guī)律Fig. 8 Variation law of wp, wL and IP under different blending ratios

非浸水混合土的液限隨摻合比呈三次多項式變化如式(4)，相關系數為0.931 2。

ωL=-3.3×10-5λ3+0.007 46λ2-0.365 92λ+43.433 75

(4)

根據式(4)數學模型計算的結果，摻合比在13%～52%內，混合土的液限小于40%。TB 10001—2016《鐵路路基設計規(guī)范》規(guī)定，當wL<40%為低液限土，劃分為C組填料，可用于普通II級鐵路基床底層以下填筑，也可用于I組鐵路基床底層填筑。因此，當紅黏土摻合比為13%～52%時，混合土可用作上述路基部位填料。

由于工程上難以精確控制摻合比，結合浸水與非浸水混合土的黏聚力和內摩擦角隨摻合比的變化，摻合比應控制在40～50%內。

5 結 論

紅黏土的摻入對千枚巖強度增長有明顯的增強作用，通過未浸水與浸水后混合土的抗剪強度試驗與分析，可以得出如下結論：

1)浸水與未浸水狀態(tài)下，在紅黏土摻合比60%以內，混合土樣黏聚力c和內摩擦角φ均隨摻合比的增大而顯著增大；當摻合比超過60%時改良效果不佳甚至出現降低。

2)當含水率為14%時，混合土的黏聚力折減系數隨摻合比的增加而增大，即摻合比越大浸水后衰減幅度越大，最大可達4.63；當含水率為18%或22%時，黏聚力折減系數呈波動狀態(tài)，呈現出的規(guī)律并不明顯，在平均值2.02上下波動，變化范圍為1.22～2.67，工程計算時可以保守的取2.7作為折減系數。

3)未浸水時土樣黏聚力隨制樣含水率的增大而減小，多數情況下浸水后黏聚力在最優(yōu)含水率18%處最大，建議在最優(yōu)含水量附近進行壓實。

4)混合土樣內摩擦角折減系數變化范圍較大為1.04～1.72，當紅黏土摻合比為40% 和60%時變化范圍較小，分別為1.20～1.32和1.22～1.44，可取最大值1.44作為摻和比40%～60%時的保守折減系數。

5)結合未浸水混合土的液塑限分析、浸水與未浸水混合土的黏聚力和內摩擦角變化規(guī)律，紅黏土改良千枚巖土摻合比優(yōu)選范圍為40%～50%。