不同含水率下重塑紅黏土抗剪強(qiáng)度特性的研究

梁斌 莫?jiǎng)P

紅黏土在我國南方地區(qū)分布廣泛,其具有高液限、上硬下軟等特點(diǎn),我國《巖土工程勘察規(guī)范》等將紅黏土劃分為特殊土[1]。引起紅黏土上硬下軟的主要因素是土體含水率沿深度變化大,而土體強(qiáng)度特性與含水率密切相關(guān)[2]。研究表明:隨土中含水率增大,土體抗剪強(qiáng)度減小。研究不同含水率條件下紅黏土的強(qiáng)度特性具有重要意義。

目前,國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)不同含水率條件下土體的強(qiáng)度特性進(jìn)行了研究,如國內(nèi)黨進(jìn)謙、李靖等曾采用直剪儀對(duì)不同含水率條件下黃土的強(qiáng)度特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究[3],試驗(yàn)結(jié)果表明,含水率條件對(duì)土體粘聚力影響顯著,對(duì)內(nèi)摩擦角影響不大。但關(guān)于紅黏土在不同含水率條件下的強(qiáng)度特性規(guī)律研究較少,為此,本文擬對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)研究,以期獲取有益的結(jié)論。

1 試驗(yàn)方案

1.1 取樣與制樣

1)在長沙市南部某工程場(chǎng)地中取紅黏土50 kg;2)用標(biāo)準(zhǔn)篩篩選5 mm以下土樣,等分十份,1號(hào)土樣保持天然含水率,其余土樣按25 mL的水逐級(jí)增加注入;3)試驗(yàn)土樣加水調(diào)勻后,密封靜置24 h后采用烘干法測(cè)量土樣含水率;4)采用環(huán)刀制樣,環(huán)刀高為20 mm,直徑為61.8 mm。

1.2 試驗(yàn)過程

1)含水率測(cè)試試驗(yàn)[4,5]:首先從土樣中選取具有代表性的試樣10 g～20 g,分別放入兩個(gè)稱量盒(恒質(zhì)量、鋁制),立即蓋上盒蓋,稱盒加濕土質(zhì)量,準(zhǔn)確至0.01 g。打開盒蓋,將試樣和盒一起放入烘箱內(nèi),在溫度105℃～110℃下烘10 h。將烘干后試樣和盒從烘箱中取出,蓋上盒蓋,放入干燥器內(nèi)冷卻到室溫,稱盒加干土質(zhì)量,準(zhǔn)確至0.01 g,然后根據(jù)式(1)計(jì)算含水率:

其中,w為試樣含水率,%;m為試樣濕質(zhì)量,g;md為試樣干質(zhì)量,g。

2)直剪試驗(yàn)[6,7]:將制備好的試樣裝入應(yīng)變控制式直接剪切儀的剪力盒中,試樣上下兩面均依次為不透水的薄塑料墊和透水石。由于土樣處于非飽和狀態(tài),剪切盒上的活塞周圍用與試樣含水率相近的濕棉布圍住,以防止試樣水分發(fā)生較大變化。試樣裝好后分別加載,每組試驗(yàn)取4個(gè)試樣,分別在100 kPa,200 kPa,300 kPa和400 kPa的垂直壓力下,以0.8 mm/min～1.2 mm/min的速率進(jìn)行剪切(4 r/min～6 r/min的均勻速度旋轉(zhuǎn)手輪),使試樣在3 min～5 min內(nèi)剪損,獲得每級(jí)垂直荷載下的最大剪力。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

室內(nèi)試驗(yàn)的測(cè)試數(shù)據(jù)如表1～表3所示。因含水率對(duì)土體內(nèi)摩擦角影響不大,故表3中僅列出土體粘聚力值的測(cè)試結(jié)果。由表3中可見,隨著紅黏土含水率的增大,其抗剪強(qiáng)度減小。根據(jù)非飽和土理論可知,這是由于含水率增大導(dǎo)致土體基質(zhì)吸力減小引起的。

表1 含水率測(cè)試結(jié)果

表2 試驗(yàn)用土物理性質(zhì)指標(biāo)

相應(yīng)于不同法向壓力條件,各土樣抗剪強(qiáng)度隨含水率的變化關(guān)系如圖1所示。由圖1可知,各級(jí)法向壓力條件下,土樣抗剪強(qiáng)度與含水率間線性關(guān)系較好,用直線擬合后相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.96以上,可以近似的認(rèn)為在某一法向應(yīng)力下,抗剪強(qiáng)度與含水率成正比。這一規(guī)律符合非飽和土抗剪強(qiáng)度基本公式。

表3 剪切試驗(yàn)結(jié)果

2 結(jié)語

1)進(jìn)行了不同含水率條件下紅黏土抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明,非飽和土的抗剪強(qiáng)度隨含水率的增大而減小。2)隨著紅黏土含水率的增大,其粘聚力呈減小的趨勢(shì)。3)各級(jí)法向應(yīng)力作用下,土體的抗剪強(qiáng)度與含水率之間可近似用直線關(guān)系描述。

[1]GB 50021-2001,巖土工程勘察規(guī)范[S].

[2]《工程地質(zhì)手冊(cè)》編寫委員會(huì).工程地質(zhì)手冊(cè)[M].第4版.北京:中國建筑工業(yè)出版社,2008.

[3]黨進(jìn)謙,李 靖.非飽和黃土的強(qiáng)度特征[J].巖土工程學(xué)報(bào),1997,19(2):56-61.

[4]高大釗,袁聚云.土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)[M].北京:人民交通出版社,2007.

[5]TG E40-2007,公路土工試驗(yàn)規(guī)程[S].

[6]J SL123-1999,土工試驗(yàn)規(guī)程[S].

[7]劉福臣,成自勇,崔自治.土力學(xué)[M].北京:中國水利水電出版社,2005.