不同含水率下重塑红黏土的变形特性研究_赵咏佳.pdf

前言红黏土主要分布于云贵高原、四川盆地、两湖地区以及两广地区，是一种典型的区域性特殊土。红黏土是由硅酸盐类岩石经过风化后残积、坡积形成的高塑性黏土，主要呈现红褐、红棕等颜色。红黏土强度特性直接关系到边坡坡度的选取，煤矿红黏土边坡的变形失稳会对安全生产带来隐患1，2。红黏土含水率对其力学性质的影响，在过去的几十年中已有学者针对这一问题进行了大量的研究。孙德安等利用压力板法、滤纸法和饱和盐溶液蒸气平衡法，研究了不同含水率下桂林红黏土原状土样和压实土样的土水特征曲线以及红黏土的空隙分布3；赵蕊对贵阳地区不同含水率的重塑红黏土进行了三轴不固结不排水试验，采用Tresca准则和p-q曲线得到抗剪强度指标，探究重塑红黏土抗剪强度与含水率的函数关系4；欧传景等以广西重塑红黏土为研究对象，讨论了吸力与非饱和红黏土含水率之间的关系并且分析初始含水率对土水特征曲线的影响5；穆坤等利用固结排水三轴剪切试验和压缩试验，主要研究了干湿循环次数以及干湿循环含水率变化幅度，对压实红黏土工程性状影响的规律6；王莹莹等利用收缩仪和膨胀仪，对不同初始含水率下的重塑红黏土，进行无荷条件下的干湿循环试验，研究了重塑红黏土的反复胀缩变形特征7；陈筠等通过试验研究了含水率对红黏土力学特性的影响，试验结果表明红黏土的抗剪强度指标的变化主要体现于黏聚力，而对于内摩擦角的影响则较小8。以上研究成果从不同工程背景与不同研究方向对红黏土的力学特性进行了分析与探讨。本文针对山西长治某矿区红黏土，基于各种因素考虑，通过制备不同含水率的重塑红黏土土样，并进室内固结不排水三轴剪切试验，研究含水率、围压对重塑红黏土抗剪强度指标以及对应力-应变曲特性的影响。通过试验分析，说明不同含水率以及围压对重塑红黏土强度与变形特性的影响规律。研究成果为长治矿区红黏土边坡安全以及该区域其他工程的建设提供了参考依据。1试验方法试验所用红黏土取自山西长治，按照土工试验方法标准（GB/T50123-2019）测得土壤样品的基本性质参数，详细结果如表1所示。经过称量、烘干与计算得出原状土样含水率在20%左右，土样经烘干、碾碎、过筛、击实等处理之后，将本试验将制作成含水率为12%，15%，16.5%，18%，21%的五组土样。将取好的红黏土在设定温度为105的烘干箱内放置8h,将烘干过的试样取不同含水率下重塑红黏土的变形特性研究赵咏佳，江亮，史志豪（安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南232001）收稿日期：2022-06-10基金项目：安徽省自然科学基金（2008085ME143）摘要：以山西长治某矿红黏土为研究对象，通过对不同含水率条件下的重塑红黏土进行固结不排水三轴剪切试验，探究其变形特性。结果表明，在不同含水率的条件下，红黏土轴向应变与主应力差的关系曲线大体呈现持续硬化现象；应力-应变关系曲线大致分为弹性变形、应变硬化、屈服和破坏四个阶段；在围压相同的情况下，随着土体含水率的增加，其剪切峰值随之降低，土体的抗剪强度越高；当含水率相同时，围压越高，土体峰值强度越大。随着含水率的增大，内摩擦角和黏聚力整体上呈现下降趋势。关键词：三轴试验；重塑红黏土；含水率；主应力差；轴向应变中图分类号：TU411文献标识码：A文章编号：1673-260X（2023）02-0050-04Vol.39 No.2Feb.2023赤 峰 学 院 学 报（自 然 科 学 版）Journal of Chifeng University(Natural Science Edition)第39卷第2期2023年2月干密度d/(gcm-3)液限l/%塑限p/%比重Gs重度/(kNm-3)孔隙比e1.7239.3720.342.7420.980.3178表1土样基本性质参数50-DOI:10.13398/ki.issn1673-260 x.2023.02.024出、碾碎并过2mm筛，过筛后的土置于盆内。依照设定的含水率，根据需水量公式计算出土与水的比例，将称量后的水均匀喷洒于土样，再进行混合搅拌。配置不同含水率土样的需水量公式：m=m01+0.010(1-0)(1)式中，m试样制备过程中的需水量/g；m0烘干后土的质量/g；0烘干后土的含水率/%；1需要配置的含水率/%。试验采用南京土壤仪器厂生产的TSZ-2型全自动三轴仪，固结不排水试验。重塑土试样尺寸为直径39.1mm，宽80mm。试验过程中剪切速率保持在0.08mm/min，分别在100、200和300kPa的围压下进行三轴剪切试验。2试验结果与分析2.1应力应变曲线特性重塑红黏土在含水率为12%，15%，16.5%，18%，21%，围压的条件为100kPa，200kPa，300kPa。以含水率21%为例，主应力差与轴向应变关系曲线如图1所示。由应力-应变曲线可以得出，在不同含水率的条件下土样，轴向应变与主应力差的关系曲线均呈现出硬化现象，经过对比与总结，现可将应力-应变关系曲线大致分为四个阶段：第一阶段为弹性变形阶段；第二阶段为应变硬化阶段；第三阶段为屈服阶段；第四阶段为破坏阶段。当轴向应变较小约在2%以内时，土样主应力差值与轴向应变呈良好的线性关系，此时土样处于第一阶段；在轴向应变相对较小时，土样表现为具有良好的弹塑性，当轴向应变增加至2%到3%时，主应力差迅速增加，主应力差随轴向应变的增加而近似呈线性增长，此时土样处于第二阶段；随着轴向应变的不断增大，主应力差随轴向应变增大而逐渐放缓增长的速度，呈现非线性关系，此时土体变形同时伴随着弹性变形与塑性变形，此时土样处于第三阶段；随着轴向应变的继续增加，曲线倾斜的斜率渐渐变缓，当轴向应变达到15%时，此时的试样已经处于破坏状态，其变形主要为塑性变形，此时土样处于第四阶段9。图2将相同围压下不同含水率的应力-应变曲线进行对比，以围压3=200kPa为例，在相同围压下，土体抗剪强度总体上是随着含水率的增大而减小的。2.2红黏土峰值破坏重塑红黏土在制样的过程中经过烘干碾碎，破坏了其结构形式和胶结状态，导致土体抗剪强度降低，在剪切过程中试样先发生剪缩现象而后期则存在轻微的剪胀现象10。红黏土峰值破坏指最大主应力差，重塑红黏土的含水率与最大主应力差之间的变化关系曲线如图3所示。由图3可知，在围压相同的情况下，随着土体含水率的增加，其最大主应力差随之降低。当围压3=100kPa，含水率由12%增加至21%时，相应剪切峰值由319.9kPa降至181.2kPa，剪切峰值下降了43.36%；当围压3=200kPa，随着含水率的不断增大，相应剪切峰值由573.5kPa降至212.2kPa，剪切峰值下降达到62.99%；当围压3=300kPa，相应剪切峰值由619.7kPa降至230.6kPa，剪切峰值下降62.79%。通过以上试验数据可以得出，当围压相同时，在低含水率的情况下，红黏土的应力敏感度较高；随着含水率的升高，红黏土的应力敏感度逐步降低。随着土样含水率的不断增大，重塑红黏土颗粒表面水膜也随之变厚，水分使得红黏土颗粒表面之间润滑，因此降低了红黏土的颗粒之间的摩擦力，从而使红黏土强度降低。从图3可以看出，含水率与峰值破坏之间呈线图1不同含水率条件下应力应变曲线图2不同围压条件下应力应变曲线图3含水率大小与峰值破坏之间关系科学技术与建筑设计51-性关系。运用线性拟合，表示在重塑红黏土含水率与峰值应力破坏之间的关系，拟合函数关系如式(2)，式中的拟合参数详见表2。y=k1+k2(2)式中，含水率/%；k1、k2拟合系数。从图4中可以看出，在围压相同的条件下，随着含水率的不断增加，最大主应力差具有明显的下降趋势，与含水率具有一定的线性关系；在含水率相同的条件下，随着围压的不断增加，最大主应力差会有所增加，这些可以说明含水率和围压是影响最大主应力差的关键因素11。从图5围压与最大主应力差之间的关系曲线可以看出，在含水率相等的情况下，围压与土体峰值强度呈线性关系，最大主应力差随围压的增大而增大。以含水率12%和21%为例，当含水率为12%时，围压由100kPa上升到300kPa时，对应的主应力差由319.9kPa升高至619.7kPa，剪切峰值增大93.72%；当含水率升高至21%时，随着围压由100kPa上升到300kPa时，对应的 主 应 力 差 由181.2kPa增加到230.6kPa，剪切峰值增大27.26%。数据表明，含水率不断上升，土体峰值强度增大的趋势逐渐减小。当含水率为12%和21%时，曲线的倾斜斜率分别为1.50、0.25，斜率的数值下降1.25。在含水率相同的条件下时，随着围压的不断增大，最大主应力差有所增加，这种情况在含水率比较高时表现较为明显，说明红黏土的最大主应力差在一定程度上具有水敏特性。2.3红黏土强度特性重塑红黏土含水率是控制其抗剪强度的重要参数之一，对土的黏聚力和内摩擦角有较大影响。红黏土属于黏土，具有一定的黏性。黏性土强度特性大部分源自土粒之间的连接特性，一是粒间电分子产生的原始黏聚力；二是土粒间胶结物产生的固化黏聚力12。土颗粒之间存在着相互作用力，相互作用可能是吸引力，也可能是排斥力。土颗粒之间的引力与斥力综合作用形成土的黏聚力13。将重塑红粘土黏聚力c、内摩擦角与含水率进行多项式拟合如图6，拟合公式由公式(3)、(4)表示。从图6看出，重塑红粘土黏聚力与含水率关系总体上呈现出下降的趋势。当土样含水率处于15%至18%之间时，土样黏聚力大幅度增加，此后随着土样含水率的增加，黏聚力降低趋势趋于平缓。c=4.082-160.51+1644.02(3)=0.132-5.64+66.55(4)红黏土经历了击实压缩的重塑过程，土体内部的黏粒团粒发生结构破坏，黏聚力降低、颗粒之间围压/kPa拟合系数决定系数/k1/(10-3)k2/(10-3MPa)100-0.02090.71820.6984200-0.03971.16300.9273300-0.04311.27060.9884表2最大主应力差与含水率关系的拟合参数图4不同含水率与峰值破坏之间关系线性拟合图5围压与最大主应力差之间关系图6含水率与黏聚力、内摩擦角之间线性拟合科学技术与建筑设计52-的摩擦增大。随着含水率的不断增加，土颗粒表面扩散层弱结合水膜增厚，土粒之间的距离增大，连结力减弱显著，对于红黏土粘聚力的强弱，起到决定性因素的是胶结质形成的胶结联系14。随着含水率的增大，内摩擦角整体上呈现下降趋势。游离的氧化铁存在于红黏土中，当土体干燥时，其中一部分以胶结的状态存在，另一部分以结晶状态存在，对于一些以胶结的状态存在的游离氧化铁，在胶结的作用下形成团体粒状结构，与单体颗粒相比，团体颗粒结构在颗粒体积、形状等方面具有较大的变化。而另一部分以结晶状态存在的部分游离的氧化铁，以形成一层包络的形式存在于颗粒表面，使红黏土颗粒表面变得粗糙，增加了颗粒间的咬合力，这对于提高内摩擦角是有利的15。通过以上数据进行分析后可以得出，红黏土对于水和荷载的反应比较灵敏，土体含水率的大小和围压的变化，都会使土体性质发生明显的变化。这是由于当土样受到外界因素的影响时，红黏土土粒间的胶结物质以及土粒、离子、水分子所组成的平衡体系发生改变，从而使得土样性质发生变化。应力-应变反映了红黏土的抗剪强度和抵抗变形的能力，而红黏土抗剪强度的增长幅度与含水率和围压的变化有着密不可分的关系。4结论本文以不同含水率、不同围压作为两个变量，通过固结不排水的三轴剪切试验，研究了山西省长治市周边地区红黏土应力-应变曲线的变化特征。分析了重塑红粘土在破坏过程中硬化特性和各强度参数与含水率变化之间的关系，得出以下结论：（1）轴向应变与主应力差的关系曲线大体呈现出硬化现象。随着围压从100kPa上升至300kPa，含水率从12%上升至21%，应力-应变曲线呈现的硬化特性愈为显著。（2）在相同围压下，含水率越小，土体能够承受的荷载越高，反之土体含水率越大。土体颗粒的表面水膜厚度增加，水分使得红黏土颗粒表面之间润滑，因此降低了红黏土的颗粒之间的摩擦力，从而使红黏土强度降低。（3）含水率对黏聚力和内摩擦角影响较为明显。随着土