干密度与含水率对重塑红黏土抗剪强度参数影响研究*

陈鸿宾 陈学军 齐运来 黄 翔 余思喆 肖桂元

( ①桂林理工大学 桂林 541004)

( ②中国有色金属长沙勘察设计研究院有限公司 长沙 410007)

0 引 言

作为一种特殊类型土，红黏土广泛分布于我国中西部地区，其具有许多特殊的工程特性，尤其在物理性质、力学性质、应力－应变特性、水理特征等方面明显区别于其他类型土。目前，国内外许多学者对不同条件下土体的强度特性进行了研究。Miller et al.( 2002) 研究各类型土体在不同击实功和含水率下的土－水特征曲线; Kawai et al.( 2000) 等考虑了固结压力和不同初始含水量对土－水特征曲线的影响; 针对广西地区红黏土，赵颖文等( 2003，2004) 对广西原状红黏土的力学指标胀缩特性与孔径分布随脱湿过程的演化规律进行了较为系统的室内试验研究; 傅鑫晖等( 2013) 通过压力板仪测定了红黏土脱湿土－水特征曲线; 欧传景等( 2015) 探讨了重塑红黏土吸力与含水率之间的关系; 宋宇等(2016) 研究了不同干密度下红黏土剪切变形特性。结合前人试验研究( 韦时宏等，2004; 韦复才，2005) ，本文主要对不同干密度的饱和与非饱重塑红黏土进行固结不排水三轴剪切实验，依据试验所得到的数据，对桂林红黏土的干密度、含水率与强度的关系进行分析，研究桂林重塑红黏土的抗剪强度特性。本次试验研究，可为相关工程提供一定的理论参考依据。

1 土样性质及试验方案

试验土样采用桂林叠彩区某工地的残积型红黏土，其基本物理性质指标见表1。

表1 红黏土基本物理性质指标Table 1 Basic physical properties of red clay

试验主要测试项目: 分别测试4 种不同干密度条件下重塑红黏土的抗剪强度参数; 测试试验土样的含水率。试验仪器为南京土壤仪器厂有限公司生产的28-T0401/AC 全自动土三轴仪。试验选取的试样尺寸为直径39.1 mm，高度80 mm。试验测得最大干密度约为1.55 g·cm－3，最优含水率为30%，因此采用1.55 ig·cm－3为最大干密度标准进行击实，设置若干组平行试验。重塑土击实制样方法参照《土工试验方法标准》( GB/T50123-1999) 击实制成163～188 g 的三轴标准试样。选取163 g、172 g、182 g、188 g 为击实后土样重量控制指标( 1993，2008，2013) ，围压值σ3分别取l00 kPa、150 kPa、200 kPa、250 kPa、300 kPa。因三轴不固结不排水剪只能得到总应力抗剪强度参数，为对比饱和重塑土与未饱和重塑土的抗剪强度区别，故统一采用固结不排水三轴剪切试验。

2 试验结果分析

2.1 饱和重塑红黏土抗剪强度参数与干密度关系拟合

试验所得的饱和重塑土样含水率与干密度关系如图1，可见含水率与干密度基本为线性关系( ω =－ 0.5503ρd+ 1.1342，1.3 ＜ρd＜1.55) 。

图1 饱和重塑红黏土含水率与干密度关系Fig. 1 Relationship between moisture content and dry density of saturated remolded red clay

根据试验结果，剔除个别偏差较大离散点，得各围压下的剪切峰值与干密度关系，饱和重塑红黏土剪切峰值与干密度拟合关系见图2。采用线性式( 1) 拟合，剪切峰值与干密度关系拟合参数取值见表2。

图2 饱和重塑红黏土剪切峰值与干密度关系Fig. 2 Relationship between shear peak and dry density of saturated remolded red clay

表2 剪切峰值与干密度关系拟合参数Table 2 Relationship between shear peak and dry density fitted parameters

2.2 饱和重塑红黏土抗剪强度参数与干密度关系拟合

根据剪切峰值拟合公式，代入拟合参数，算出各干密度、各级围压条件下的剪切峰值，绘制莫尔圆，得出黏聚力和内摩擦角与干密度( 1.25＜ρd＜1.6) 关系，分别采用二次多项式( 2) 、式( 3) ，拟合关系见图2。其中黏聚力拟合参数a3=1418.1，b3=－3616.9，c3= 2321.4。内摩擦角拟合参数a4= 282.93，b4=－728.4，c4=471.01。饱和重塑红黏土抗剪强度参与与干密度关系见图3。

2.3 未饱和重塑红黏土剪切峰值与干密度关系拟合

通过对试验数据进行整理分析，剔除个别偏差较大离散点，得出各围压下的剪切峰值与干密度关系，图4 为围压100 kPa 剪切峰值与干密度的关系。同理可得出其他围压条件下剪切峰值与干密度关系，采用线性式( 4) 拟合，参数取值见表3。

图3 黏聚力与干密度的关系( a) 、内摩擦角与干密度关系( b)Fig. 3 Relationship between cohesion and dry density( a) ，relationship between internal friction Angle and dry density( b)

图4 未饱和重塑红黏土剪切峰值与干密度关系Fig. 4 Relationship between shear peak and dry density of unsaturated remolded red clay

表3 剪切峰值与干密度关系拟合参数Table 3 The relationship between shear peakand dry density fitted parameters

2.4 未饱和重塑红黏土抗剪强度参数与干密度关系拟合

根据其峰值拟合公式，代入拟合参数，计算出各干密度下( 1.3＜ρd＜1.6) 非饱和重塑红黏土黏聚力和内摩擦角与干密度关系，同样采用式( 2) 、式( 3) ，拟合关系见图2。其中黏聚力拟合参数a1=－338.11，b1=1387，c1=－1189.9，内摩擦角拟合参数a2=－46.043，b2=181.4，c2=－143.49。

图5 黏聚力与干密度的关系( a) 、内摩擦角与干密度的关系( b)Fig. 5 Relationship between cohesion and dry density( a) ，Relationship between internal friction Angle and dry density( b)

3 重塑红黏土抗剪强度特性讨论

3.1 重塑红黏土黏聚力与干密度、含水率关系讨论

将拟合出的饱和、未饱和重塑红黏土黏聚力与干密度关系对比作图6。可以看到饱和红黏土的黏聚力与干密度的二次多项式拟合曲线呈凹状，未饱和土的黏聚力与干密度的二次多项式拟合曲线呈凸状，未饱和与饱和土的黏聚力曲线在1.41 g·cm－3附近两者差值最大，在干密度为1.60 g·cm－3处相交，相交处恰为试验所得最大干密度点。

图6 重塑红黏土黏聚力与干密度关系Fig. 6 Relationship between viscosity and dry density of reconstructed red clay

按照拟合出的未饱和重塑红黏土黏聚力与含水率曲线( 图7) ，未饱和重塑红黏土的黏聚力随着含水量的增大而减小，其衰减曲线呈二次多项式关系。由此可见，红黏土试样的含水率对黏聚力的消减存在显著影响，黏聚力随着含水量的增大而减小，呈凹形二次多项式。尤其含水率为30%～41%时黏聚力衰减，最大衰减了约80%，当含水率在43%以上接近饱和时，黏聚力的波动不明显，已近趋于稳定。

红黏土中的胶结物质主要为氧化铁、氧化铝等，经过风干后的红黏土，其游离氧化铁赋存的形态是以结晶态的针铁矿和胶结态共存的。自然风干红黏土在提高土样含水率后，其中一部分结晶态的水与游离氧化铁可以再转化为胶结铁，因此依然能胶结形成一定的黏聚力( 孔令伟等，1993) 。同时，根据傅鑫晖等( 2013) 对桂林红黏土的研究可知，Van Genuchten 模型适用于该类型红黏土的土－水特征曲线，其中基质吸力对重塑红黏土黏结力也有较大贡献。由试验分析可知，在含水率为30%～41%范围内，重塑红黏土的非饱和黏聚力较大。

图7 未饱和重塑红黏土黏聚力与含水率关系Fig. 7 Relationship between cohesion and moisture content of unsaturated remolded red clay

3.2 重塑红黏土内摩擦角与干密度、含水率关系讨论

重塑红黏土内摩擦角与干密度的关系可见图8。如图8 所示，饱和土的内摩擦角与干密度的二次多项式拟合曲线呈凹状，未饱和土的内摩擦角与干密度的二次多项式拟合曲线呈凸状。两者在干密度为1.35 g·cm－3附近两者差值最大，在干密度1.60 g·cm－3处相交，相交处恰为试验所得最大干密度点。

图8 内摩擦角与干密度关系Fig. 8 Relationship between internal friction angle and dry density

重塑红黏土内摩擦角与含水率的关系可见图9。如图9 所示，含水率对内摩擦角同样存在显著影响，对于未饱和土，在较高的含水率下内摩擦角几乎可以忽略不计，而较低含水率时，内摩擦角有大幅提高。针对上述现象，可从两个方面加以分析。( 1) 从基质吸力封面看，饱和土与非饱和土主要是基质吸力区别，非饱和土的土体骨架内部产生附加的摩擦力由于基质吸力的存在产生。同时基质吸力与含水量有着密切相关，在土体处于非饱和状态的时候，由于基质吸力的存在，在受到外力作用时土体结构力增强，宏观表现为土体强度的增加。但是随着饱和度的提高，基质吸力逐渐减小，外力作用下强度必然降低，这是红黏土随着含水率的增加而剪强度衰减的主要原因之一。( 2) 从红黏土自身的矿物成分的特性方面分析，由于红黏土的特殊双电层结构具有很强的吸水性，加之红黏土内含大量游离氧化铁，一部分则是以单独颗粒或在团粒表面以“包膜”形式存在，另一部分是以团粒的形式存在于土体中，由于铁的阳离子带正电，能吸附水体中的负离子，随着含水量的增加，吸附水膜变厚，从而增加了团粒与团粒之间的润滑层的厚度，这将有利于团粒的滑移和滚动。因本次试验结果主要分析含水率与干密度对红黏土抗剪强度参数的影响，重在对比分析，故未考虑基质吸力和微观结构影响，下一步工作将深入研究上述两方面问题。

图9 内摩擦角与含水率关系Fig. 9 Relationship between internal friction angle and moisture content

3 结 论

( 1) 通过对试验数据的拟合分析可知，饱和重塑红黏土的黏聚力与干密度呈凹状二次多项式曲线关系，未饱和重塑红黏土黏聚力与干密度的呈凸状二次多项式曲线关系，未饱和与饱和土的黏聚力曲线 在 干 密 度 1.41 g·cm－3处 差 值 最 大，在1.60 g·cm－3处相交，两者相交处为试验所得最大干密度点。

(2) 饱和重塑红黏土的内摩擦角与干密度的二次多项式拟合曲线呈凹状，未饱和重塑红黏土内摩擦角与干密度呈凸状二次多项式曲线关系。两者在干密度为1.35 g·cm－3附近两者差值最大，在干密度1.60 g·cm－3处相交，相交处恰为试验所得最大干密度点。

(3) 未饱和重塑红黏土的黏聚力随着含水量的增大而减小，其衰减曲线呈二次多项式关系。红黏土试样的含水率对黏聚力的消减存在显著影响，黏聚力随着含水量的增大而减小，呈凹形二次多项式。未饱和重塑红黏土的含水率对内摩擦角同样影响显著，在较高的含水率下内摩擦角可以忽略不计，而较低含水率时，内摩擦角有大幅提高。