不同含水率下重塑紅黏土的變形特性研究

趙詠佳　江亮　史志豪

摘 要：以山西長治某礦紅黏土為研究對象，通過對不同含水率條件下的重塑紅黏土進行固結(jié)不排水三軸剪切試驗，探究其變形特性。結(jié)果表明，在不同含水率的條件下，紅黏土軸向應變與主應力差的關(guān)系曲線大體呈現(xiàn)持續(xù)硬化現(xiàn)象；應力-應變關(guān)系曲線大致分為彈性變形、應變硬化、屈服和破壞四個階段；在圍壓相同的情況下，隨著土體含水率的增加，其剪切峰值隨之降低，土體的抗剪強度越高；當含水率相同時，圍壓越高，土體峰值強度越大。隨著含水率的增大，內(nèi)摩擦角和黏聚力整體上呈現(xiàn)下降趨勢。

關(guān)鍵詞：三軸試驗；重塑紅黏土；含水率；主應力差；軸向應變

中圖分類號：TU411? 文獻標識碼：A? 文章編號：1673-260X（2023）02-0050-04

前言

紅黏土主要分布于云貴高原、四川盆地、兩湖地區(qū)以及兩廣地區(qū)，是一種典型的區(qū)域性特殊土。紅黏土是由硅酸鹽類巖石經(jīng)過風化后殘積、坡積形成的高塑性黏土，主要呈現(xiàn)紅褐、紅棕等顏色。紅黏土強度特性直接關(guān)系到邊坡坡度的選取，煤礦紅黏土邊坡的變形失穩(wěn)會對安全生產(chǎn)帶來隱患[1，2]。

紅黏土含水率對其力學性質(zhì)的影響，在過去的幾十年中已有學者針對這一問題進行了大量的研究。孫德安等利用壓力板法、濾紙法和飽和鹽溶液蒸氣平衡法，研究了不同含水率下桂林紅黏土原狀土樣和壓實土樣的土水特征曲線以及紅黏土的空隙分布[3]；趙蕊對貴陽地區(qū)不同含水率的重塑紅黏土進行了三軸不固結(jié)不排水試驗，采用Tresca準則和p-q曲線得到抗剪強度指標，探究重塑紅黏土抗剪強度與含水率的函數(shù)關(guān)系[4]；歐傳景等以廣西重塑紅黏土為研究對象，討論了吸力與非飽和紅黏土含水率之間的關(guān)系并且分析初始含水率對土水特征曲線的影響[5]；穆坤等利用固結(jié)排水三軸剪切試驗和壓縮試驗，主要研究了干濕循環(huán)次數(shù)以及干濕循環(huán)含水率變化幅度，對壓實紅黏土工程性狀影響的規(guī)律[6]；王瑩瑩等利用收縮儀和膨脹儀，對不同初始含水率下的重塑紅黏土，進行無荷條件下的干濕循環(huán)試驗，研究了重塑紅黏土的反復脹縮變形特征[7]；陳筠等通過試驗研究了含水率對紅黏土力學特性的影響，試驗結(jié)果表明紅黏土的抗剪強度指標的變化主要體現(xiàn)于黏聚力，而對于內(nèi)摩擦角的影響則較小[8]。以上研究成果從不同工程背景與不同研究方向?qū)t黏土的力學特性進行了分析與探討。

本文針對山西長治某礦區(qū)紅黏土，基于各種因素考慮，通過制備不同含水率的重塑紅黏土土樣，并進室內(nèi)固結(jié)不排水三軸剪切試驗，研究含水率、圍壓對重塑紅黏土抗剪強度指標以及對應力-應變曲特性的影響。通過試驗分析，說明不同含水率以及圍壓對重塑紅黏土強度與變形特性的影響規(guī)律。研究成果為長治礦區(qū)紅黏土邊坡安全以及該區(qū)域其他工程的建設(shè)提供了參考依據(jù)。

1 試驗方法

試驗所用紅黏土取自山西長治，按照《土工試驗方法標準》（GB/T50123-2019）測得土壤樣品的基本性質(zhì)參數(shù)，詳細結(jié)果如表1所示。

經(jīng)過稱量、烘干與計算得出原狀土樣含水率在20%左右，土樣經(jīng)烘干、碾碎、過篩、擊實等處理之后，將本試驗將制作成含水率為12%，15%，16.5%，18%，21%的五組土樣。將取好的紅黏土在設(shè)定溫度為105℃的烘干箱內(nèi)放置8h，將烘干過的試樣取出、碾碎并過2mm篩，過篩后的土置于盆內(nèi)。依照設(shè)定的含水率，根據(jù)需水量公式計算出土與水的比例，將稱量后的水均勻噴灑于土樣，再進行混合攪拌。配置不同含水率土樣的需水量公式：

式中，mω——試樣制備過程中的需水量/g；

m0——烘干后土的質(zhì)量/g；

ω0——烘干后土的含水率/%；

ω1——需要配置的含水率/%。

試驗采用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的TSZ-2型全自動三軸儀，固結(jié)不排水試驗。重塑土試樣尺寸為直徑39.1mm，寬80mm。試驗過程中剪切速率保持在0.08mm/min，分別在100、200和300kPa的圍壓下進行三軸剪切試驗。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 應力—應變曲線特性

重塑紅黏土在含水率為12%，15%，16.5%，18%，21%，圍壓的條件為100kPa，200kPa，300kPa。以含水率21%為例，主應力差與軸向應變關(guān)系曲線如圖1所示。由應力-應變曲線可以得出，在不同含水率的條件下土樣，軸向應變與主應力差的關(guān)系曲線均呈現(xiàn)出硬化現(xiàn)象，經(jīng)過對比與總結(jié)，現(xiàn)可將應力-應變關(guān)系曲線大致分為四個階段：第一階段為彈性變形階段；第二階段為應變硬化階段；第三階段為屈服階段；第四階段為破壞階段。當軸向應變較小約在2%以內(nèi)時，土樣主應力差值與軸向應變呈良好的線性關(guān)系，此時土樣處于第一階段；在軸向應變相對較小時，土樣表現(xiàn)為具有良好的彈塑性，當軸向應變增加至2%到3%時，主應力差迅速增加，主應力差隨軸向應變的增加而近似呈線性增長，此時土樣處于第二階段；隨著軸向應變的不斷增大，主應力差隨軸向應變增大而逐漸放緩增長的速度，呈現(xiàn)非線性關(guān)系，此時土體變形同時伴隨著彈性變形與塑性變形，此時土樣處于第三階段；隨著軸向應變的繼續(xù)增加，曲線傾斜的斜率漸漸變緩，當軸向應變達到15%時，此時的試樣已經(jīng)處于破壞狀態(tài)，其變形主要為塑性變形，此時土樣處于第四階段[9]。圖2將相同圍壓下不同含水率的應力-應變曲線進行對比，以圍壓？滓3=200kPa為例，在相同圍壓下，土體抗剪強度總體上是隨著含水率的增大而減小的。

2.2 紅黏土峰值破壞

重塑紅黏土在制樣的過程中經(jīng)過烘干碾碎，破壞了其結(jié)構(gòu)形式和膠結(jié)狀態(tài)，導致土體抗剪強度降低，在剪切過程中試樣先發(fā)生剪縮現(xiàn)象而后期則存在輕微的剪脹現(xiàn)象[10]。紅黏土峰值破壞指最大主應力差，重塑紅黏土的含水率與最大主應力差之間的變化關(guān)系曲線如圖3所示。

由圖3可知，在圍壓相同的情況下，隨著土體含水率的增加，其最大主應力差隨之降低。當圍壓？滓3=100kPa，含水率由12%增加至21%時，相應剪切峰值由319.9kPa降至181.2kPa，剪切峰值下降了43.36%；當圍壓？滓3=200kPa，隨著含水率的不斷增大，相應剪切峰值由573.5kPa降至212.2kPa，剪切峰值下降達到62.99%；當圍壓？滓3=300kPa，相應剪切峰值由619.7kPa降至230.6kPa，剪切峰值下降62.79%。通過以上試驗數(shù)據(jù)可以得出，當圍壓相同時，在低含水率的情況下，紅黏土的應力敏感度較高；隨著含水率的升高，紅黏土的應力敏感度逐步降低。隨著土樣含水率的不斷增大，重塑紅黏土顆粒表面水膜也隨之變厚，水分使得紅黏土顆粒表面之間潤滑，因此降低了紅黏土的顆粒之間的摩擦力，從而使紅黏土強度降低。

從圖3可以看出，含水率與峰值破壞之間呈線性關(guān)系。運用線性擬合，表示在重塑紅黏土含水率與峰值應力破壞之間的關(guān)系，擬合函數(shù)關(guān)系如式（2），式中的擬合參數(shù)詳見表2。

y=k1ω+k2? （2）

式中，ω——含水率/%；

k1、k2——擬合系數(shù)。

從圖4中可以看出，在圍壓相同的條件下，隨著含水率的不斷增加，最大主應力差具有明顯的下降趨勢，與含水率具有一定的線性關(guān)系；在含水率相同的條件下，隨著圍壓的不斷增加，最大主應力差會有所增加，這些可以說明含水率和圍壓是影響最大主應力差的關(guān)鍵因素[11]。

從圖5圍壓與最大主應力差之間的關(guān)系曲線可以看出，在含水率相等的情況下，圍壓與土體峰值強度呈線性關(guān)系，最大主應力差隨圍壓的增大而增大。以含水率12%和21%為例，當含水率為12%時，圍壓由100kPa上升到300kPa時，對應的主應力差由319.9kPa升高至619.7kPa，剪切峰值增大93.72%；當含水率升高至21%時，隨著圍壓由100kPa上升到300kPa時，對應的主應力差由181.2kPa增加到230.6kPa，剪切峰值增大27.26%。數(shù)據(jù)表明，含水率不斷上升，土體峰值強度增大的趨勢逐漸減小。當含水率為12%和21%時，曲線的傾斜斜率分別為1.50、0.25，斜率的數(shù)值下降1.25。在含水率相同的條件下時，隨著圍壓的不斷增大，最大主應力差有所增加，這種情況在含水率比較高時表現(xiàn)較為明顯，說明紅黏土的最大主應力差在一定程度上具有水敏特性。

2.3 紅黏土強度特性

重塑紅黏土含水率是控制其抗剪強度的重要參數(shù)之一，對土的黏聚力和內(nèi)摩擦角有較大影響。紅黏土屬于黏土，具有一定的黏性。黏性土強度特性大部分源自土粒之間的連接特性，一是粒間電分子產(chǎn)生的原始黏聚力；二是土粒間膠結(jié)物產(chǎn)生的固化黏聚力[12]。

土顆粒之間存在著相互作用力，相互作用可能是吸引力，也可能是排斥力。土顆粒之間的引力與斥力綜合作用形成土的黏聚力[13]。將重塑紅粘土黏聚力c、內(nèi)摩擦角？漬與含水率進行多項式擬合如圖6，擬合公式由公式（3）、（4）表示。從圖6看出，重塑紅粘土黏聚力與含水率關(guān)系總體上呈現(xiàn)出下降的趨勢。當土樣含水率處于15%至18%之間時，土樣黏聚力大幅度增加，此后隨著土樣含水率的增加，黏聚力降低趨勢趨于平緩。

c=4.08ω2-160.51ω+1644.02? （3）

φ=0.13ω2-5.64ω++66.55? （4）

紅黏土經(jīng)歷了擊實壓縮的重塑過程，土體內(nèi)部的黏粒團粒發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，黏聚力降低、顆粒之間的摩擦增大。隨著含水率的不斷增加，土顆粒表面擴散層弱結(jié)合水膜增厚，土粒之間的距離增大，連結(jié)力減弱顯著，對于紅黏土粘聚力的強弱，起到?jīng)Q定性因素的是膠結(jié)質(zhì)形成的膠結(jié)聯(lián)系[14]。

隨著含水率的增大，內(nèi)摩擦角整體上呈現(xiàn)下降趨勢。游離的氧化鐵存在于紅黏土中，當土體干燥時，其中一部分以膠結(jié)的狀態(tài)存在，另一部分以結(jié)晶狀態(tài)存在，對于一些以膠結(jié)的狀態(tài)存在的游離氧化鐵，在膠結(jié)的作用下形成團體粒狀結(jié)構(gòu)，與單體顆粒相比，團體顆粒結(jié)構(gòu)在顆粒體積、形狀等方面具有較大的變化。而另一部分以結(jié)晶狀態(tài)存在的部分游離的氧化鐵，以形成一層包絡(luò)的形式存在于顆粒表面，使紅黏土顆粒表面變得粗糙，增加了顆粒間的咬合力，這對于提高內(nèi)摩擦角是有利的[15]。

通過以上數(shù)據(jù)進行分析后可以得出，紅黏土對于水和荷載的反應比較靈敏，土體含水率的大小和圍壓的變化，都會使土體性質(zhì)發(fā)生明顯的變化。這是由于當土樣受到外界因素的影響時，紅黏土土粒間的膠結(jié)物質(zhì)以及土粒、離子、水分子所組成的平衡體系發(fā)生改變，從而使得土樣性質(zhì)發(fā)生變化。應力-應變反映了紅黏土的抗剪強度和抵抗變形的能力，而紅黏土抗剪強度的增長幅度與含水率和圍壓的變化有著密不可分的關(guān)系。

4 結(jié)論

本文以不同含水率、不同圍壓作為兩個變量，通過固結(jié)不排水的三軸剪切試驗，研究了山西省長治市周邊地區(qū)紅黏土應力-應變曲線的變化特征。分析了重塑紅粘土在破壞過程中硬化特性和各強度參數(shù)與含水率變化之間的關(guān)系，得出以下結(jié)論：

（1）軸向應變與主應力差的關(guān)系曲線大體呈現(xiàn)出硬化現(xiàn)象。隨著圍壓從100kPa上升至300kPa，含水率從12%上升至21%，應力-應變曲線呈現(xiàn)的硬化特性愈為顯著。

（2）在相同圍壓下，含水率越小，土體能夠承受的荷載越高，反之土體含水率越大。土體顆粒的表面水膜厚度增加，水分使得紅黏土顆粒表面之間潤滑，因此降低了紅黏土的顆粒之間的摩擦力，從而使紅黏土強度降低。

（3）含水率對黏聚力和內(nèi)摩擦角影響較為明顯。隨著土樣含水率的增加，黏聚力和內(nèi)摩擦角呈降低趨勢。

（4）重塑紅黏土性質(zhì)與水的多少和荷載的大小關(guān)系密切。土體含水率的大小和圍壓大小變化，土體性質(zhì)都將會被改變。

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收稿日期：2022-06-10

基金項目：安徽省自然科學基金（2008085ME143）