级配和含水量对赣南红土抗剪强度特性影响的试验研究

胡世丽， 蒋冰

（1. 江西理工大学土木与测绘工程学院，江西 赣州341000； 2. 江西省环境岩土与工程灾害控制重点实验室，江西 赣州 341000）

0 引 言

红土是一种具有特殊工程性质的风化壳，广泛分布在江西、湖南、浙江、福建、广西和贵州等地，总面积约占我国土地面积的1/4[1]。 红土的形成是一个脱硅富铁铝的风化过程，其间矿物成分和工程性质等均呈现连续渐变[2]。 各地区母岩成分和风化环境不同，造成红土力学性质各异[3]，如云南红土具有天然含水率高、液限塑限大、孔隙比大，但渗透性差、强度高和承载力高等特点，非常适合用于水利水电工程[4]；江西红土属亚热带富硅铝铁的高岭土类型，常含网纹层，强度参数受含水量影响非常大，很少用于水电工程[5]。 母岩风化后形成的特殊孔隙结构，也是造成各地区红土力学性质各异的主要原因[6]。主要研究成果以云南和广西红土居多，对江西赣南红土物理力学性质研究的极少，因此研究赣南红土特性显得尤为必要。

刘星志等通过试验研究得出含水率和排水条件等对强度有明显影响，实际工程中应根据实际工况制定试验方案，合理选择强度试验参数[7]。宋会娟等采用土-水特征曲线与直剪试验分析了基质吸力对非饱和网纹红土强度参数的影响，得出含水率对基质吸力、黏聚力和内摩擦角的影响不同，黏聚力比内摩擦的影响更明显[8]。 郑志洪等研究了压实度和含水率对重塑南昌红土强度指标的影响，提出压实度对土体黏聚力有较大影响，对内摩擦角无明显影响；含水率对黏聚力和内摩擦角均有影响[9]。周丹等研究了在低温脱湿、浸泡增湿的干湿循环条件下云南红土的微结构损伤，在剪切过程中强度指标呈波动减小的趋势[10]。 这些研究主要集中在含水量对红土强度的影响，但不同地区红土性质各异，结论明显不同，甚至是相反结论，为此有必要探讨赣南红土含水量变化对其强度的影响。

此外，在含水量变化或外加荷载作用下，均会引起土体矿物颗粒粒径和级配的改变。张祖莲等通过试验分析了干湿循环导致红土颗粒的定向度和平均圆形度发生改变，从而引起红土黏聚力、内摩擦角和抗剪强度发生变化[11]。 汪明武等分析了水化作用对网纹红土微结构和宏观力学特性的影响，研究表明物质成分不同、含量不同对微观结构和强度指标的影响不同[12]。

汤连生探讨了水-土反应后土样粒径、 排列形式、结合水类型和液塑限等指标发生改变，土体物理力学性质随之变化[13]。ISLAM 等通过均匀颗粒和级配颗粒土体的直剪试验得出：颗粒尺寸对强度有明显影响[14]。 张超等提出尾矿内摩擦角随加权平均粒径的减小而减小[15]。 刘德峰等研究了粒径对风化壳淋积型稀土矿强度的影响，揭示了粒径对黏聚力和内摩擦角的影响机理[16]。 刘映晶等研究颗粒级配对粒状材料不排水力学特性的影响，得出抗剪强度随材料的不均匀系数增加而降低，并在不均匀系数大于5 后趋于稳定[17]。 强度指标是地基承载力、地基处理和边坡稳定性分析必需的力学指标，因此开展了含水量、粒径和级配等对赣南红土的物理力学特性的影响研究。

本文以赣南红土为研究对象，分别制作5 种不同粒径和4 种不同含水量土样，研究含水量和级配对红土强度特性的影响规律。液塑限指数和颗粒级配是综合反映土体、风化程度和力学特性的指标，也是工程中容易获得的参数，本文通过液塑限指数和分形维数综合反映上述因素对红土强度的影响。

1 试样物理性质与试验准备

1.1 红土液限和塑限的测试

土样取自赣州市章贡区某建筑工地，取样后去除里面的石块和树枝等杂质。 取60 kg 土样风干后用橡胶锤碾碎，然后筛分得到5 个粒级范围的红土试样来模拟不同工况下的粒径变化，各粒径土样的颗粒密度、液限、塑限和塑性指数见表1。粒径为0～0.5 mm 时，土颗粒密度基本不变；粒径为0.5～2 mm时，随粒径增大，土颗粒密度减小，即大颗粒风化程度更高。当粒径介于0～0.5 mm 时，随粒径增大，液限和塑限快速减小；当粒径介于0.5～2 mm 时，液限和塑限缓慢减小并趋于稳定；随着粒径增大，塑性指数逐渐减小。液塑限含水率变化主要原因：小粒径比表面积大，吸附结合水能力增强，液塑限变化明显。

表1 各粒径土样的物理指标

1.2 红土团聚体稳定性测试

称取 0～0.075，0.075～0.25，0.25～0.5，0.5～1，1～2 mm的筛分样1 kg，分别配置成含水量为18%的土样，为保证土水充分混合和避免水分蒸发，5 个土样密封保存24 h 后备用。试验结果得到，在含水量18%下，0.075～0.25，0.25～0.5，0.5～1，1～2 mm 的土样均可形成直径2 mm 以上团聚体，随着粒级增大，形成直径2 mm 以上团聚体在颗粒总质量中所占比例减小。 其原因是粒径越小，比表面积越大，越容易和水分子结合，因此土粒间作用力越大，吸附胶结作用也越大，越容易形成大团聚体。

为进一步比较不同粒径所形成团聚体的稳定性，引用NMWD （标准化平均质量直径）来描述，NMWD值越小，不同粒径所形成团聚体稳定性越差。 NMWD值的计算公式见式（1），计算结果见表2。

式（1）中：rmax为初始筛子最大孔径；rmin为初始筛子最小孔径；ri是第i 个筛子孔径；mi是第i 个筛子破碎团聚体所占总土样质量的百分比。

由表2 可知， 当粒径由0.075 mm 增大到0.5 mm时，NMWD 值由 0.58 增大到 1.05， 即当粒径小于0.5 mm 时，粒径越大，所形成团聚体稳定性越好；当粒径由 0.5 mm 增大到 2 mm 时，NMWD 值由1.05 减小到0.94，即当粒径大于0.5 mm 时，粒径越大，所形成团聚体稳定性越差。

表2 土颗粒NMWD 值

2 含水量对红土抗剪强度的影响规律

2.1 红土强度特性

为模拟实际工程中含水量变化对红土抗剪强度影响，采用应变控制式直剪仪快剪试验测试不同含水量抗剪强度参数，制样方法与1.2 节相同。 用直径61.7 mm，高20 mm 的环刀现场取土，现场测试其密度大约在1.57～1.70 g/cm3，考虑红土密度在实际工程的变化，室内直剪试验统一取红土密度为1.64 g/cm3。 剪切速度为 0.08 mm/min，粒级范围为0.075～0.25 mm 的测试结果如图 1 所示。 由图 1 可知，当法向应力为100 kPa，含水量由15%增大到35%，抗剪强度减小；超过100 kPa，含水量由15%增大到35%时， 抗剪强度先增大后减小， 含水量18%～25%之间达到最大值。 其主要原因是：本次剪切试样为重塑样，故土样被扰动，颗粒间联结强度减小，使结构强度部分损失或完全损失，从而使得抗剪强度出现图1 中的变化规律。

图1 粒级为0.075~0.25 mm 红土的抗剪强度

2.2 抗剪强度参数的变化规律

由直剪试验测试得到黏聚力和内摩擦角与含水量的关系，如图2 和图3 所示。由图2 可知，当含水量小于18%，除了级配0.5～1.0 mm 以外，黏聚力随含水量小幅增加， 增加幅度为3%～9%， 而大于18%时，呈明显下降趋势；粒径为0.5～1 mm，随含水量增大，黏聚力逐渐减小。

图2 黏聚力与含水量关系

图3 内摩擦角与含水量关系

由图 3 可知， 当含水量小于 18%， 对粒径0.075～0.25 mm 土样，随含水量增加，内摩擦角略有减小，幅度为0.4%～2%，而对粒径0.25～1 mm 和原级配土样，随含水量增加略有增加，幅度为2.2%～2.6%。 当含水量大于18%，内摩擦角均小幅减小，幅度为1.5%～7%，主要原因是含水量增加，颗粒表面吸附水膜厚度增大，颗粒间润滑作用加强，导致内摩擦角减小。 由于所取土样范围有限，所得结论为初步研究成果。

2.3 抗剪强度参数与塑性指数的关系

黏聚力和内摩擦角与塑性指数的关系如图4和图5 所示。 由图4 可知，黏聚力与塑性指数近似呈线性关系，可用式（2）进行拟合：

式（2）中：c为黏聚力；Ip为塑性指数；a、b 为拟合参数，取值分别为-14.92 和2.69。

图4 黏聚力与塑性指数的关系

图5 内摩擦角与塑性指数的关系

由图5 可知，内摩擦角与塑性指数近似呈线性关系，可用式（3）进行拟合：

式（3）中：φ 为内摩擦角；Ip为塑性指数；d、e 为拟合参数，取值分别为42.36 和-1.99。

3 级配对红土抗剪强度的影响规律

3.1 不同粒径红土强度特性

为分析粒径对红土抗剪强度影响，试验获得了5 个粒级范围红土抗剪强度关系图， 如图6 所示，线性拟合结果如表3 所列。

图6 不同级配土样抗剪强度与法向应力关系

表3 不同粒径红土抗剪强度参数

由图 6 知， 当法向应力为 100 kPa 时，5 种粒级抗剪强度相差不大；当法向应力为200～400 kPa时，0.25～0.5 mm 抗剪强度最大。 由表 3 知，当粒径由 0～0.075 mm 增加到 0.25～0.5 mm， 黏聚力由22.85 kPa 减小到 10.26 kPa， 内摩擦角由 16.37°增大到25.01°，主要原因是随粒径增大，细颗粒减小，粗颗粒增多， 颗粒间胶结作用减小， 摩擦作用增大。 当粒级由 0.25～0.5 mm 增加到 0.5～1 mm，黏聚力由10.26 kPa 增大到14.14 kPa， 内摩擦角由25.01°减小到 19.21°， 其主要原因是对于粒级为0.25～0.5 mm 的土样，NMWD 值达到最大值 1.05，此时团聚体稳定性最好，导致其相对于0.5～1 mm的粗颗粒更多，故颗粒间胶结作用相对更小，摩擦作用相对更大，即黏聚力更小，内摩擦角更大。

3.2 抗剪强度与颗粒级配的关系

将 0～0.075，0.075～0.25，0.25～0.5，0.5～1，1～2 mm的5 个粒级土样按质量比配制 4∶1.5∶1.5∶1.5∶1.5，1∶1∶1∶1∶1 和 1.5∶1.5∶1.5∶1.5∶4 的 3 种土样，分别命名为土样1、土样2 和土样3。土样1 特点是细颗粒含量多，土样3 特点是粗颗粒含量多。 3 种土样的强度特性如图7 所示。

图7 不同颗粒级配红土的抗剪强度与法向应力的关系

当法向应力不超过200 kPa 时，土样1 抗剪强度最大， 土样3 抗剪强度最小。 其原因是：当土样中含较多粗颗粒时，颗粒间孔隙大，接触面积小，胶结作用弱，且颗粒间易移动，故土样3 抗剪强度最小；而当土中细颗粒含量较多时，颗粒间孔隙小，接触表面积大，颗粒间胶结作用较强，且颗粒间移动相对困难，故土样1 的抗剪强度最大。

当法向应力大于300 kPa 时， 土样1 抗剪强度最小，土样3 抗剪强度最大。 原因是：当超过300 kPa 时，部分粗颗粒会发生破碎，颗粒间胶结作用增强，孔隙减小，剩余粗颗粒间机械咬合力更大，从而土样3 抗剪强度最大；当细颗粒较多时，其颗粒级配较差，密实度小，粒间咬合力变差，故土样1 抗剪强度最小。

上述试验结果表明， 当法向应力不超过200 kPa时，红土抗剪强度主要受细颗粒含量影响；当超过300 kPa 时，主要受粗颗粒含量影响。

3.3 抗剪强度与分形维数的关系

分形维数能够表征土体级配、孔隙和微结构特征， 与抗剪强度参数之间存在良好的函数关系[18]。为进一步分析颗粒级配对抗剪强度参数的影响，计算了3 种矿样的强度参数和分形维数，计算结果见表4，两者间的关系如图8 和图9 所示。

表4 抗剪强度参数与分形维数的关系

图8 黏聚力与分形维数的关系

图9 内摩擦角与分形维数的关系

由图8 可知，不同颗粒级配的黏聚力与对应分形维数呈线性关系，可用式（4）进行拟合：

式（4）中：c1为不同颗粒级配黏聚力；D 为不同颗粒级配分形维数；a1和b1为拟合参数，取值分别为－156.07 和 69.45。

由图9 可知，不同颗粒级配黏聚力与对应分形维数呈负指数函数关系，可用式（5）进行拟合：

式（5）中：φ1为不同颗粒级配内摩擦角；D 为不同颗粒级配分形维数；a2、b2和c2为拟合参数，取值分别为 21.38，3.45×109和 0.12。

4 结 论

本文以赣南红土为研究对象，运用库伦强度理论，分析红土含水量、粒径和颗粒级配对红土强度的影响。 主要研究结论如下：

1） 粒径为 0～0.5 mm 时，随着粒径增大，红土液限和塑限快速减小；粒径为0.5～2 mm 时，红土液限和塑限缓慢减小并趋于稳定， 即随着粒径增大，液限和塑限先快速减小后缓慢减小。

2） 粒径为 0.075～0.5 mm 时，NMWD 值范围0.58～1.05，即粒径小于 0.5 mm 时，粒径越大，所形成团聚体稳定性越好； 当粒径为0.5～2 mm 时，NMWD 值从1.05 减小到0.94， 所形成团聚体稳定性减弱。

3） 当粒径为 0.075～0.25 mm、0.25～0.5 mm 和原级配的情况下，随含水量增加，黏聚力先增大后减小，当含水量约为18%时达到最大值；当粒径为0.5～1 mm，随含水量增加，黏聚力减小。

4） 颗粒级配对强度参数影响非常大， 当法向应力不超过200 kPa 时， 抗剪强度主要受细颗粒含量影响；当超过300 kPa 时，主要受粗颗粒含量影响。