唐蕓黎,黃英,賀登芳,南海宇

（昆明理工大學(xué) 電力工程學(xué)院，昆明 650500）

實(shí)際巖土體結(jié)構(gòu)工程，如大壩的上下游面、壩頂部位以及邊坡、擋土墻、路基等存在大量的臨空面，臨空面上的土體處于無(wú)側(cè)限約束，其力學(xué)特性通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度來(lái)表示。土體的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度是指土體在無(wú)側(cè)限約束條件下抵抗壓縮破壞的能力，是反映土體力學(xué)穩(wěn)定性的重要指標(biāo)之一，受到土體的土性、含水率、干密度（壓實(shí)度）、溫度、時(shí)間、干濕循環(huán)、凍融循環(huán)等因素的影響，各種影響因素的綜合作用降低了土體的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，可能導(dǎo)致臨空土體發(fā)生崩塌、滑落、滑坡等工程破壞，危及工程的安全運(yùn)行。因此，研究土體處于無(wú)側(cè)限條件下的強(qiáng)度變化規(guī)律對(duì)實(shí)際工程具有重要的指導(dǎo)意義。

關(guān)于土體的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度特性，主要針對(duì)改良土、膨脹土、黃土、黏性土、紅土等開(kāi)展了較多的研究。對(duì)于改良土，Wani等[1]研究了枯草芽孢桿菌和巴氏桿菌對(duì)軟土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明，兩種細(xì)菌均能提高軟土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，原因是方解石晶體的形成。Liu等[2]研究了凍融循環(huán)對(duì)秸稈纖維土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響。Chavali等[3]研究了木質(zhì)素磺酸鹽對(duì)膨脹土工程性能的改善作用，結(jié)果表明，木質(zhì)素磺酸鹽對(duì)膨脹土的強(qiáng)度特性有顯著提高，且土壤中的細(xì)粒含量決定了木質(zhì)素磺酸鹽的最佳百分比。孟凡東[4]、姜彤等[5]研究了干濕循環(huán)作用對(duì)膨脹土、粉土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，土體的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度減小。高國(guó)紅等[6]、高建偉等[7]、慕現(xiàn)杰等[8]研究了含水率和干密度對(duì)黃土、膨脹土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明，土體的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨含水率的增大而減小，隨干密度的增大而增大。魏堯等[9]研究了含水率、凍融循環(huán)次數(shù)和凍結(jié)溫度3因素交互作用對(duì)黃土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響。Jotisankasa[10]對(duì)曼谷黏土進(jìn)行了無(wú)側(cè)限壓縮試驗(yàn)，采用土壤張力計(jì)測(cè)定了曼谷黏土的土壤吸力和有效強(qiáng)度參數(shù)，結(jié)果表明，曼谷黏土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與土壤吸力之間存在正相關(guān)關(guān)系。對(duì)于紅土，王海湘[11]、陳議城等[12]研究了不同含水率對(duì)紅黏土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明，隨著含水率的增大，紅黏土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度減小。石崇喜等[13]研究了不同摻砂比例對(duì)固化改良紅土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度特性的影響，結(jié)果表明，隨著摻砂比例的增加，固化改良紅土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸增大，但強(qiáng)度的增大存在一個(gè)最優(yōu)的摻砂比例。

云南地區(qū)紅土分布較廣，紅土是母巖經(jīng)歷不同程度的紅土化作用形成的，其物質(zhì)組成成分不同于其他土類，相應(yīng)的工程地質(zhì)特性與其他土類也不同，且云南天氣多變，云南紅土型大壩受干—濕循環(huán)作用的影響較大。近些年來(lái)，云南干旱天氣頻發(fā)，干旱時(shí)，大壩壩坡等臨空面開(kāi)裂增多、變形增大。故研究經(jīng)過(guò)先增濕后脫濕即濕—干循環(huán)作用的脫濕紅土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度特性具有重大意義。筆者以濕—干循環(huán)作為控制條件，考慮濕—干循環(huán)次數(shù)、初始含水率、干密度的影響，通過(guò)室內(nèi)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究脫濕紅土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度特性。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)紅土取自昆明世博園附近地區(qū)，根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》（SL 237—1999）[14]，測(cè)得該紅土的基本特性見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn)，該紅土的顆粒組成主要以粉粒和黏粒為主，含量為91.3%，且粉粒含量高于黏粒含量；塑性指數(shù)為10.6，介于10.0～17.0之間；液限為42.4%，小于50.0%。該土料屬于低液限粉質(zhì)紅土。

表1 紅土的基本特性Table 1 Basic characteristics of laterite

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)旨在研究濕—干循環(huán)作用下脫濕紅土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度特性?？紤]濕—干循環(huán)次數(shù)T、初始含水率ω0、干密度ρd的影響，以濕—干循環(huán)作為控制條件，將經(jīng)過(guò)先增濕后脫濕的紅土稱為脫濕紅土，以脫濕紅土為研究對(duì)象，采用TSZ30-2.0型應(yīng)變控制式三軸儀，開(kāi)展不同影響因素下脫濕紅土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究濕—干循環(huán)作用下脫濕紅土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度特性。濕—干循環(huán)次數(shù)設(shè)定為0、1、2、3、4、6、8次，初始含水率設(shè)定為23.0%、25.0%、27.0%、29.0%、31.0%，干密度設(shè)定為1.30、1.33、1.36、1.39、1.42、1.45 g/cm3，增濕含水率控制為27.0%，脫濕含水率控制為15.0%，則濕—干循環(huán)幅度為12.0%（15.0%～27.0%）。且每個(gè)影響因素下均設(shè)置2個(gè)平行試樣，試驗(yàn)結(jié)果取平均值。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.1 試樣制備 素紅土樣的制備：將試驗(yàn)土樣風(fēng)干、研磨，過(guò)2 mm篩，按設(shè)定的初始含水率加入一定質(zhì)量的蒸餾水，靜置浸潤(rùn)24 h，以使土中水分分布均勻。根據(jù)設(shè)定干密度，采用分層擊實(shí)法制備直徑為39.1 mm、高度為80 mm的素紅土三軸試樣。

濕—干循環(huán)試樣的制備：濕—干循環(huán)過(guò)程按先增濕—后脫濕進(jìn)行，增濕過(guò)程采用室溫自來(lái)水浸泡法進(jìn)行模擬，脫濕過(guò)程采用40℃低溫烘干法進(jìn)行模擬，具體的循環(huán)過(guò)程見(jiàn)圖1。A點(diǎn)為試樣的初始含水率，B、D點(diǎn)為脫濕含水率15.0%，C點(diǎn)為增濕含水率27.0%。A→B、C→D為脫濕過(guò)程，B→C為增濕過(guò)程，B→C→D即為一個(gè)濕-干循環(huán)過(guò)程。

圖1 紅土試樣濕-干循環(huán)過(guò)程示意圖Fig.1 Schematic diagram of wet-dry cycle process of laterite sample

試驗(yàn)條件下，初始含水率均高于脫濕含水率，因此，先將不同初始含水率的素紅土三軸試樣（A點(diǎn)）放入40℃的烘箱中低溫脫濕至設(shè)定的脫濕含水率15%（B點(diǎn)）相對(duì)應(yīng)的質(zhì)量點(diǎn)，將試樣取出后裹上保鮮膜，放入養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)24 h，即完成第1次脫濕作用，作為第1次脫濕試樣。脫濕完成后，將試樣放入裝有自來(lái)水的桶中浸泡增濕至設(shè)定的增濕含水率27.0%（C點(diǎn)）相對(duì)應(yīng)的質(zhì)量點(diǎn)，增濕完成后，用保鮮膜包裹住，放入養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)24 h，使試樣含水分布均勻；之后，再將增濕完成后的試樣放入烘箱中脫濕至脫濕含水率15.0%（D點(diǎn)），即完成第2次脫濕作用，作為第2次脫濕試樣。反復(fù)的增濕—脫濕即可完成多次的濕—干循環(huán)作用，得到不同濕—干循環(huán)次數(shù)下的脫濕紅土試樣。

1.3.2 試驗(yàn)過(guò)程 將濕—干循環(huán)完成后的脫濕紅土試樣安裝在TSZ30-2.0型三軸儀上，控制應(yīng)變速率為0.18 mm/min，進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中，觀測(cè)記錄軸向力、軸向位移及試樣破壞狀態(tài)的變化。當(dāng)試樣破壞即停止試驗(yàn)。計(jì)算試驗(yàn)的軸向應(yīng)力和軸向應(yīng)變，繪制出應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線，分析脫濕紅土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度特性。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 濕-干循環(huán)次數(shù)的影響

2.1.1 應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系隨濕—干循環(huán)次數(shù)的變化圖2給出了濕—干循環(huán)作用下初始含水率ω0不同、初始干密度ρd不同時(shí)，不同濕—干循環(huán)次數(shù)T下脫濕紅土的軸向應(yīng)力—應(yīng)變（σ1～ε1）的變化關(guān)系。

由圖2可見(jiàn)，濕—干循環(huán)前（T=0次），素紅土的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線較平緩，曲線的應(yīng)變軟化程度較低，峰值不明顯，壓縮過(guò)程緩慢。隨軸向應(yīng)變的增大，軸向應(yīng)力變化不大。濕—干循環(huán)后（T=1～8次），不同濕—干循環(huán)次數(shù)下，脫濕紅土的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線呈典型的應(yīng)變軟化特征，曲線的峰值明顯，壓縮過(guò)程較快，試樣很快達(dá)到破壞，軸向應(yīng)變?cè)龃蟮椒逯狄院?，軸向應(yīng)力急劇降低。因?yàn)闈瘛裳h(huán)前，素紅土樣內(nèi)部含水率較高，紅土中的游離氧化鐵等膠體溶解于水中，土體的基質(zhì)吸力變小，且水分多，土粒間的連接力降低，土體相對(duì)較軟，試樣產(chǎn)生塑性破壞，不會(huì)發(fā)生坍塌，土樣較完整。濕—干循環(huán)后，脫濕紅土的含水率較低，土樣中的游離氧化鐵等膠體轉(zhuǎn)化為結(jié)晶態(tài)，土顆粒之間的黏聚力下降，土樣發(fā)生脆性破壞，受力達(dá)到一定程度后，直接坍塌，整體較破碎。

圖2 不同濕—干循環(huán)次數(shù)下紅土的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系Fig.2 Stress-strain relationship of laterite under different wet-dry cycle times

2.1.2 峰值特征參數(shù)隨濕—干循環(huán)次數(shù)的變化

1）無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨濕—干循環(huán)次數(shù)的變化

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度指的是應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線上的最大軸向應(yīng)力σ1f，當(dāng)曲線上峰值不明顯時(shí)，取軸向應(yīng)變15%所對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)力作為無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度（σ1f=qf）。圖3給出了脫濕紅土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度qf與濕—干循環(huán)次數(shù)T的關(guān)系，圖4給出了與圖3對(duì)應(yīng)的干密度加權(quán)強(qiáng)度qfjρ和含水率加權(quán)強(qiáng)度qfjω與濕—干循環(huán)次數(shù)T的關(guān)系。加權(quán)強(qiáng)度指的是相同濕—干循環(huán)次數(shù)下，對(duì)不同干密度、不同初始含水率下紅土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別按干密度、初始含水率進(jìn)行加權(quán)平均，用以衡量干密度、初始含水率對(duì)紅土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，可反映出無(wú)側(cè)限條件下脫濕紅土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨濕—干循環(huán)次數(shù)的整體變化情況。

圖3 脫濕紅土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與濕—干循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Fig.3 Relationship between unconfined compressive strength of dehumidified laterite and wet-dry cycle times

圖4 脫濕紅土的加權(quán)強(qiáng)度與濕—干循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Fig.4 Relationship between the weighted strength of dehumidified laterite and wet-dry cycle times

由圖3、圖4可見(jiàn)，不同初始干密度、不同初始含水率時(shí)，隨著濕—干循環(huán)次數(shù)的增大，脫濕紅土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈急劇增大—波動(dòng)減小的變化趨勢(shì)。當(dāng)濕—干循環(huán)次數(shù)由0次增大到1次時(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度急劇增大，增大幅度為1 301.4%～2 269.7%；當(dāng)濕—干循環(huán)次數(shù)由1次增大到8次時(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度波動(dòng)減小，減小幅度為12.9%～68.7%。其相應(yīng)的干密度加權(quán)強(qiáng)度和含水率加權(quán)強(qiáng)度也呈這一變化趨勢(shì)。說(shuō)明經(jīng)過(guò)濕—干循環(huán)作用，脫濕紅土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大。但隨著濕—干循環(huán)次數(shù)的增多，最終引起脫濕紅土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度減小。試驗(yàn)條件下，脫濕1次時(shí)的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度存在極大值，脫濕8次時(shí)的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度仍然大于脫濕前的相應(yīng)值。因?yàn)闈瘛裳h(huán)后，土樣的含水率下降，土體中的游離氧化物膠體由膠結(jié)態(tài)轉(zhuǎn)化為結(jié)晶態(tài)，試樣收縮，土體內(nèi)部孔隙變小，土顆粒間的分子作用力變大，土體結(jié)構(gòu)緊密，抵抗外力的能力變強(qiáng)，脫濕紅土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大；但因游離氧化物狀態(tài)的轉(zhuǎn)變是不可逆的，多次濕—干循環(huán)后會(huì)使土體的結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷，脫濕紅土的峰值強(qiáng)度減小。

2）峰值應(yīng)變隨濕—干循環(huán)次數(shù)的變化

峰值應(yīng)變指的是與土體的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變。圖5給出了與圖4中脫濕紅土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)變?chǔ)舊與濕—干循環(huán)次數(shù)T的關(guān)系，圖6給出了與圖5對(duì)應(yīng)的干密度加權(quán)峰值應(yīng)變?chǔ)舊jρ和含水率加權(quán)峰值應(yīng)變?chǔ)舊jω與濕—干循環(huán)次數(shù)T的關(guān)系。加權(quán)峰值應(yīng)變指的是相同濕—干循環(huán)次數(shù)下，對(duì)不同干密度、初始含水率下紅土的峰值應(yīng)變按干密度、不同初始含水率進(jìn)行加權(quán)平均，用以衡量干密度、初始含水率對(duì)紅土峰值應(yīng)變的影響，可反映出無(wú)側(cè)限條件下脫濕紅土的峰值應(yīng)變隨濕—干循環(huán)次數(shù)的整體變化情況。

由圖5、圖6可見(jiàn)，不同初始干密度、不同初始含水率下，隨著濕—干循環(huán)次數(shù)的增大，脫濕紅土的峰值應(yīng)變呈波動(dòng)性減小趨勢(shì)，相對(duì)應(yīng)的干密度加權(quán)峰值應(yīng)變和含水率加權(quán)峰值應(yīng)變也呈相同的變化趨勢(shì)。相比脫濕前，濕—干循環(huán)次數(shù)次數(shù)較少時(shí)，峰值應(yīng)變快速減小，減小幅度為0.0%～46.7%；脫濕次數(shù)較多時(shí)，峰值應(yīng)變有所增大，但仍然小于脫濕前的相應(yīng)值。說(shuō)明不論初始干密度和初始含水率的大小如何，濕—干循環(huán)作用都降低了紅土達(dá)到破壞時(shí)的峰值應(yīng)變，相比濕—干循環(huán)前，濕—干循環(huán)后的紅土在應(yīng)變更小時(shí)就達(dá)到破壞。但多次濕—干循環(huán)后，紅土達(dá)到破壞時(shí)的應(yīng)變有所增大。試驗(yàn)條件下，脫濕1～2次時(shí)，加權(quán)峰值應(yīng)變存在極小值；脫濕8次時(shí)的峰值應(yīng)變?nèi)匀恍∮诿摑袂暗南鄳?yīng)值。因?yàn)闈瘛裳h(huán)后，土樣內(nèi)部的含水率較低，土顆粒之間的黏聚力下降，土體很快就達(dá)到破壞，對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)變減小。且隨著脫濕次數(shù)的增加，土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)重新排列分布，破壞時(shí)的應(yīng)變有所增大，但相較于濕—干循環(huán)前，土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)有損傷，峰值應(yīng)變更小。

圖5 脫濕紅土的峰值應(yīng)變與濕—干循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Fig.5 Relationship between peak strain of dehumidified laterite and wet-dry cycle times

圖6 脫濕紅土的加權(quán)峰值應(yīng)變與濕—干循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Fig.6 Relationship between the weighted peak strain of dehumidified laterite and wet-dry cycle times

2.2 初始含水率的影響

2.2.1 應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系隨初始含水率的變化 圖7給出了濕—干循環(huán)作用下，干密度ρd為1.39 g/cm3，濕—干循環(huán)次數(shù)T為0、8次時(shí)，不同初始含水率ω0下脫濕紅土的軸向應(yīng)力—軸向應(yīng)變（σ1-ε1）關(guān)系。圖8給出了濕—干循環(huán)作用下，干密度ρd為1.39 g/cm3，濕—干循環(huán)次數(shù)T為0、8次時(shí)，初始含水率ω0分別為23.0%、31.0%的脫濕紅土破壞圖像。

圖7 不同初始含水率下脫濕紅土的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系Fig.7 Stress-strain relationship of dehumidified laterite under different initial moisture content

圖7表明，濕—干循環(huán)前（T=0次），不同初始含水率下，脫濕紅土的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線均為應(yīng)變軟化型。當(dāng)初始含水率較低時(shí)（ω0=23.0%～25.0%），脫濕紅土的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線呈典型的應(yīng)變軟化型特征，峰值明顯，達(dá)到破壞后的軸向應(yīng)力急劇降低，土樣呈脆性破壞（圖8（a））。隨著初始含水率的增大（ω0=27.0%～31.0%），脫濕紅土的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線的應(yīng)變軟化程度降低，曲線“下移”，破壞速度減慢，破壞后沒(méi)有坍塌，有一條裂縫貫穿土樣，且伴有土體脫落的現(xiàn)象（圖8（b））。

濕—干循環(huán)后（T=8次），不同初始含水率下，脫濕紅土的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線為典型的應(yīng)變軟化型曲線，曲線頂“上移”，曲線的峰值強(qiáng)度明顯，壓縮過(guò)程較快，達(dá)到破壞后，軸向應(yīng)力急劇下降，土樣坍塌，發(fā)生脆性破壞（圖8（c）、（d））。相比脫濕前，脫濕后紅土的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線軟化程度較高，峰值強(qiáng)度更明顯，壓縮過(guò)程更快，達(dá)到破壞后軸向應(yīng)力的下降速度也較快。

圖8 不同初始含水率下紅土試樣的破壞形態(tài)Fig.8 Failure modes of laterite samples with different initial water contents

因?yàn)楫?dāng)含水率較低時(shí)，土體中水分子被礦物質(zhì)吸附形成強(qiáng)結(jié)合水膜，強(qiáng)結(jié)合水膜具有較高的黏滯性，此時(shí)水分子與黏土礦物片、微晶態(tài)游離氧化鐵吸附在一起形成一個(gè)穩(wěn)定的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，且強(qiáng)結(jié)合水膜較薄，團(tuán)粒間的分子間引力較大，團(tuán)粒間膠結(jié)作用較強(qiáng)，紅土具有較強(qiáng)的抵抗變形能力，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度較高；隨著含水率的不斷增大，土中水以弱結(jié)合水膜的形式存在于團(tuán)粒間，弱結(jié)合水膜較厚，由于水膜的楔入作用，團(tuán)粒間的距離變大，分子間引力變小，團(tuán)粒間膠結(jié)力大大降低，紅土抵抗變形的能力減弱，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度減小。濕—干循環(huán)后，土體中的水分遷出，土體內(nèi)孔隙變多，土體更易被壓縮且壓縮后土體更密實(shí)，承載力更高，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大。

2.2.2 峰值特征參數(shù)隨初始含水率的變化

1）無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨初始含水率的變化

圖9給出了脫濕紅土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度qf以及循環(huán)次數(shù)加權(quán)強(qiáng)度qfjT與初始含水率ω0的關(guān)系。循環(huán)次數(shù)加權(quán)強(qiáng)度指的是相同干密度下，對(duì)不同濕—干循環(huán)次數(shù)下紅土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別按濕—干循環(huán)次數(shù)進(jìn)行加權(quán)平均，用以衡量濕—干循環(huán)次數(shù)對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，可反映出無(wú)側(cè)限條件下脫濕紅土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨初始含水率的整體變化情況。

圖9 脫濕紅土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與初始含水率的關(guān)系Fig.9 Relationship between unconfined compressive strength of dehumidified laterite and initial moisture content

圖9表明，濕—干循環(huán)前，當(dāng)初始含水率由23.0%增大到31.0%時(shí)，紅土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度減小了76.5%。濕—干循環(huán)后，隨初始含水率的增大，各濕—干循環(huán)次數(shù)下脫濕紅土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈增大趨勢(shì)。當(dāng)初始含水率由23.0%增大到31.0%時(shí)，濕—干循環(huán)次數(shù)在1～8次之間，脫濕紅土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大26.7%～53.0%，相應(yīng)的循環(huán)次數(shù)加權(quán)強(qiáng)度平均增大了39.2%。

因?yàn)闈瘛裳h(huán)前，當(dāng)含水率較小時(shí)，土體含水較少，土顆粒與水分子間形成分子間作用力較強(qiáng)的強(qiáng)結(jié)合水膜，抵抗外力的能力較強(qiáng)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度較大，但缺少水的潤(rùn)滑作用，破壞后土體直接坍塌，破壞形式為明顯的脆性破壞；當(dāng)初始含水率增大時(shí)，紅土中的游離氧化物溶解于水中，膠結(jié)作用使紅土形成團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，黏聚力增大，土體破壞后不會(huì)發(fā)生坍塌，只會(huì)發(fā)生錯(cuò)位，且水膜的楔入作用使土體抵抗變形的能力減弱，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度減小。濕—干循環(huán)后，紅土中的游離氧化物一部分由膠結(jié)狀態(tài)轉(zhuǎn)化為結(jié)晶態(tài)，一部分隨著紅土試樣中的水分流出而流失，轉(zhuǎn)化為結(jié)晶態(tài)的游離氧化物在土顆粒表明形成“包膜”，內(nèi)摩擦力增大。且循環(huán)后土體的孔隙變大，壓縮后土體更加密實(shí)，抵抗變形的能力增強(qiáng)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大；且當(dāng)初始含水率越大，脫濕水分就越多，狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變的游離氧化物就越多，孔隙變化也越大，壓縮后土體更密實(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度更大。多次濕—干循環(huán)后，土體中的大顆粒被沖刷成粒徑較小的小顆粒，紅土試樣內(nèi)部裂縫增多，土體的結(jié)構(gòu)受損，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度減小。

2）峰值應(yīng)變隨初始含水率的變化

圖10給出了脫濕紅土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度qf相對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)變?chǔ)舊以及循環(huán)次數(shù)加權(quán)峰值應(yīng)變?chǔ)舊jT與初始含水率ω0的關(guān)系。循環(huán)次數(shù)加權(quán)峰值應(yīng)變指的是，相同干密度下，對(duì)不同濕—干循環(huán)次數(shù)下紅土的峰值應(yīng)變按濕—干循環(huán)次數(shù)進(jìn)行加權(quán)平均，用以衡量濕—干循環(huán)次數(shù)對(duì)紅土峰值應(yīng)變的影響，可反映出無(wú)側(cè)限條件下脫濕紅土的峰值應(yīng)變隨初始含水率的整體變化情況。

圖10 脫濕紅土的峰值應(yīng)變與初始含水率的關(guān)系Fig.10 Relationship between peak strain of dehumidified laterite and initial moisture content

圖10表明，濕—干循環(huán)前，當(dāng)初始含水率由23.0%增大到31.0%時(shí)，紅土的峰值應(yīng)變呈波動(dòng)性增大，增幅為13.3%。濕—干循環(huán)后，隨初始含水率的增大，各個(gè)濕—干循環(huán)次數(shù)下紅土的峰值應(yīng)變?cè)龃?。?dāng)初始含水率由23.0%增大到31.0%時(shí)，濕—干循環(huán)次數(shù)在1～8次之間，脫濕紅土的峰值應(yīng)變?cè)龃罅?4.0%～87.5%，相應(yīng)的循環(huán)次數(shù)加權(quán)峰值強(qiáng)度平均增大了53.4%。

因?yàn)殡S著初始含水率的增大，紅土試樣中的水分增大，孔隙減小，土顆粒的黏結(jié)力增大，土體壓密速度減慢，土樣更易發(fā)生塑性破壞，破壞后峰值強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)變?cè)龃蟆瘛裳h(huán)后，水分遷入和遷出土體引起土體內(nèi)部顆粒的重分布，且初始含水率越大，濕—干循環(huán)過(guò)程中遷入和遷出的水分就越多，濕—干循環(huán)后土體結(jié)構(gòu)越緊密，對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)變?cè)龃蟆?/p>

2.3 干密度的影響

2.3.1 應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系隨干密度的變化 圖11給出了濕—干循環(huán)作用下初始含水率ω0為27.0%，濕—干循環(huán)次數(shù)T為0、6次時(shí)，不同干密度ρd下脫濕紅土的軸向應(yīng)力—應(yīng)變（σ1-ε1）關(guān)系。

圖11 不同干密度下脫濕紅土的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系Fig.11 Stress-strain relationship of dehumidified laterite under different dry densities

圖11表明，濕—干循環(huán)前（T=0次），不同干密度下，素紅土的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線呈應(yīng)變軟化型。當(dāng)干密度較小時(shí)（ρd≤1.36 g/cm3），紅土的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線較平緩，應(yīng)變軟化程度較低，峰值不明顯，破壞速度較慢，試樣產(chǎn)生塑性破壞。因?yàn)楫?dāng)干密度較小時(shí)，紅土試樣較松散，孔隙率大，試樣壓縮慢，破壞速度較慢，抵抗變形的能力弱。隨著干密度 的 增 大（ρd≥1.39 g/cm3），曲 線 逐 漸“上 移”“左移”，峰值明顯，破壞速度較快。

濕—干循環(huán)后（T=6次），脫濕紅土的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線為明顯的應(yīng)變軟化型，峰值強(qiáng)度明顯，壓縮過(guò)程較快，達(dá)到破壞后，軸向應(yīng)力急劇減小。且隨著干密度的增大，曲線“上移”，峰值強(qiáng)度增大。相比脫濕前，脫濕后紅土的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線的軟化程度更高，峰值強(qiáng)度更明顯，破壞速度更快。

因?yàn)楦擅芏仍龃?，土體的密實(shí)度增大，土體間的孔隙減小，土顆粒之間的接觸面積和相互之間的咬合力增大，土體抵抗變形破壞的能力增強(qiáng)，土體的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)，且試樣的初始含水率為27.0%是試驗(yàn)土樣的最優(yōu)含水率，結(jié)構(gòu)性較好，土體的破壞形式為塑性破壞，破壞后土體不會(huì)坍塌。脫濕后土體較硬，土體顆粒間黏聚力較低，土樣發(fā)生脆性破壞，破壞后土樣直接坍塌。且干密度越大，相同體積下所含土顆粒越多，抵抗變形的能力越強(qiáng)。濕—干循環(huán)后，土體中的水分減少，孔隙增大，土體更容易被壓縮，壓縮后的結(jié)構(gòu)更密實(shí)，抵抗變形破壞的能力越強(qiáng)。

2.3.2 峰值特征參數(shù)隨干密度的變化

1）無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨干密度的變化

圖12給出了脫濕紅土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度qf、循環(huán)次數(shù)加權(quán)強(qiáng)度qfjT與干密度ρd的關(guān)系。循環(huán)次數(shù)加權(quán)強(qiáng)度指的是相同初始含水率下，對(duì)不同濕—干循環(huán)次數(shù)下紅土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別按濕—干循環(huán)次數(shù)進(jìn)行加權(quán)平均，用以衡量濕—干循環(huán)次數(shù)對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，可反映出無(wú)側(cè)限條件下脫濕紅土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨干密度的整體變化情況。

圖12 脫濕紅土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與干密度的關(guān)系Fig.12 Relationship between unconfined compressive strength of dehumidified laterite and dry density

圖12表明，隨干密度的增大，濕—干循環(huán)前后，紅土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈增大的變化趨勢(shì)，相應(yīng)的循環(huán)次數(shù)加權(quán)強(qiáng)度也呈相同的變化趨勢(shì)。當(dāng)干密度從1.30 g/cm3增大到1.45 g/cm3時(shí)，濕—干循環(huán)前，紅土的峰值強(qiáng)度增大了111.7%；濕—干循環(huán)后，濕—干循環(huán)次數(shù)在1～8次之間，脫濕紅土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大了89.8%～202.7%，相應(yīng)的循環(huán)次數(shù)加權(quán)強(qiáng)度平均增大了162.8%。說(shuō)明不論濕—干循環(huán)前后，土體的干密度越大，密實(shí)程度越高，抵抗外荷載的能力越強(qiáng)，相應(yīng)的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度越大。試驗(yàn)條件下，脫濕后的含水率（15.0%）遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于初始含水率（23.0%～31.0%），所以，濕—干循環(huán)作用顯著提高了紅土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

2）峰值應(yīng)變隨干密度的變化

圖13給出了與圖12中脫濕紅土的峰值強(qiáng)度qf對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)變?chǔ)舊以及循環(huán)次數(shù)加權(quán)峰值應(yīng)變?chǔ)舊jT與干密度ρd的關(guān)系。循環(huán)次數(shù)加權(quán)峰值應(yīng)變是指相同初始含水率下，對(duì)不同濕—干循環(huán)次數(shù)下紅土的峰值應(yīng)變按濕—干循環(huán)次數(shù)進(jìn)行加權(quán)平均，用以衡量濕—干循環(huán)次數(shù)對(duì)紅土峰值應(yīng)變的影響，可反映出無(wú)側(cè)限條件下脫濕紅土的峰值應(yīng)變隨干密度的整體變化情況。

圖13 脫濕紅土的峰值應(yīng)變與干密度的關(guān)系Fig.13 Relationship between peak strain of dehumidified laterite and dry density

圖13表明，濕—干循環(huán)前后，隨干密度的增大，紅土的峰值應(yīng)變呈波動(dòng)性增減的變化趨勢(shì)，相應(yīng)的循環(huán)次數(shù)加權(quán)峰值應(yīng)變呈相同的變化趨勢(shì)。當(dāng)干密度從1.30 g/cm3增大到1.45 g/cm3時(shí)，濕—干循環(huán)前，紅土的峰值應(yīng)變?cè)龃罅?1.8%；濕—干循環(huán)后，濕—干循環(huán)次數(shù)在1～8次之間，脫濕紅土的峰值應(yīng)變的變化幅度為-25.0%～46.6%，相應(yīng)的循環(huán)次數(shù)加權(quán)峰值強(qiáng)度平均增大了5.7%。試驗(yàn)條件下，干密度為1.36 g/cm3時(shí)，循環(huán)次數(shù)加權(quán)峰值應(yīng)變存在極小值；但干密度達(dá)到1.45 g/cm3時(shí)，循環(huán)次數(shù)加權(quán)峰值應(yīng)變大于干密度為1.30 g/cm3時(shí)。說(shuō)明隨著干密度的增大，紅土的峰值應(yīng)變?cè)龃?。因?yàn)楫?dāng)干密度增大時(shí)，相同體積下土顆粒的含量越多，孔隙越少，土體越密實(shí)，抵抗變形的能力越強(qiáng)，相應(yīng)的峰值應(yīng)變?cè)酱蟆?/p>

3 結(jié)論

1）經(jīng)歷濕—干循環(huán)作用后，脫濕紅土的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線呈典型的應(yīng)變軟化型特征。相比濕—干循環(huán)前，濕—干循環(huán)后紅土的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線的應(yīng)變軟化特征更為明顯。濕—干循環(huán)作用提高了紅土的無(wú)側(cè)限抗壓，減小了峰值應(yīng)變。隨著濕—干循環(huán)次數(shù)的增大，脫濕紅土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈減小趨勢(shì)，相對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)變呈增大趨勢(shì)。

2）不同初始含水率下，脫濕紅土的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線均呈應(yīng)變軟化型。隨著初始含水率的增大，濕—干循環(huán)前，紅土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈減小趨勢(shì)；而濕—干循環(huán)后，脫濕紅土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈增大趨勢(shì)，濕—干循環(huán)前后的峰值應(yīng)變呈增大趨勢(shì)。

3）不同干密度下，脫濕紅土的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線均呈應(yīng)變軟化型。隨著干密度的增大，濕—干循環(huán)前后紅土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大，相對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)變也呈增大趨勢(shì)。