干濕循環(huán)下云南加砂紅土物理力學(xué)特性研究

梁諫杰，張祖蓮，邱觀貴，袁 強(qiáng)

(昆明理工大學(xué)電力工程學(xué)院，云南 昆明 650500)

干濕循環(huán)下云南加砂紅土物理力學(xué)特性研究

梁諫杰，張祖蓮，邱觀貴，袁 強(qiáng)

(昆明理工大學(xué)電力工程學(xué)院，云南 昆明 650500)

針對不同加砂比例的云南紅土，在相應(yīng)最優(yōu)含水率及最大干密度的初始條件下，采用土工試驗(yàn)與相關(guān)理論研究相結(jié)合的方法，運(yùn)用Excel分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，揭示干濕循環(huán)作用與加砂紅土物理力學(xué)特性變化之間的關(guān)系。結(jié)果表明：在干濕循環(huán)過程中，不同加砂比例的紅土比重均呈先上升后下降的趨勢，干密度均呈上升趨勢，抗剪強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度參數(shù)均呈下降趨勢，并最終都在循環(huán)10次左右趨于穩(wěn)定。在干濕循環(huán)次數(shù)一定條件下，加砂比例越大的紅土，其黏粒降幅越小，粉粒和砂粒增幅也越小，裂隙數(shù)量越少，土樣越密實(shí)?？辜魪?qiáng)度及抗剪強(qiáng)度參數(shù)降幅最大的是加砂比例為15%的紅土，降幅最小的是加砂比例為10%的紅土。

加砂紅土；干濕循環(huán)；比重；干密度；抗剪強(qiáng)度

云南紅土具有干密度低、含水率高、壓實(shí)性差、孔隙度大、黏粒含量高、塑性指數(shù)大等特點(diǎn)，不能完全滿足云南紅土型水利水電工程對土料的要求。特別是對于紅土型庫岸，由于庫水位升降形成干濕循環(huán)過程，常常導(dǎo)致庫岸失穩(wěn)。為了提高土料物理力學(xué)指標(biāo)，需要對土料性質(zhì)進(jìn)行人工改良。

目前，人工改良土料性質(zhì)的方法有很多，最常見的是將一定數(shù)量的固化劑(常見如石灰、水泥、瀝青等)或者粉劑(常見粉煤灰)拌入土中，以改善其強(qiáng)度特性。我國許多學(xué)者討論了紅黏土抗剪強(qiáng)度參數(shù)和砂土摻量之間的關(guān)系，結(jié)果表明隨著摻砂量的增加，紅黏土的黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ均呈先增加后減小的趨勢[1]。針對摻粉劑或固化劑對土體性質(zhì)的改良，國內(nèi)外學(xué)者均進(jìn)行了大量研究，結(jié)果表明無論是摻入粉劑或者固化劑均可提高土體的強(qiáng)度、增加土體抗變形的能力[2～3]，比如向高液限粉質(zhì)黏土中摻入山砂，可以降低高液限粉質(zhì)黏土的液限，增大其塑限，從而減小可塑性[4]；向黏土中摻礫試驗(yàn)表明，黏土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著摻礫量的增加呈先增后減趨勢，說明往土體中摻入一定量的粗粒料也可以改善土體的性質(zhì)[5]。張齊齊等[6]研究了水泥改良土強(qiáng)度的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)水泥改良后土體的抗剪強(qiáng)度明顯提高,水穩(wěn)性顯著提升。但現(xiàn)有成果大多是定性研究改良土壤特性與外摻劑種類、含量之間的關(guān)系，而在研究干濕循環(huán)過程對加砂紅土物理力學(xué)特性的影響方面還不夠深入。因此，本文以云南加砂紅土為研究對象，揭示在干濕循環(huán)作用下不同加砂比例紅土的物理力學(xué)特性變化，為防治云南紅土型庫岸失穩(wěn)提供參考。

1 研究方法

1.1試驗(yàn)用土

試驗(yàn)土樣均采自昆明世博園現(xiàn)場，將土樣過2 mm篩，去除土樣中的雜質(zhì)、小石粒，測其風(fēng)干含水率。干濕循環(huán)試驗(yàn)開展前，通過室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)及光電式液塑限聯(lián)合測定儀測試得到加砂紅土基本特性指標(biāo)(表1)。

表1 加砂紅土基本特性指標(biāo)Table 1 Basic characteristics of the laterite mixed with sand

1.2試樣制備

為研究干濕循環(huán)作用對不同加砂比例紅土物理力學(xué)特性的影響，本試驗(yàn)加砂比例控制為0%、5%、10%、15%，初始含水率和初始干密度均控制為各自加砂比例紅土對應(yīng)的最優(yōu)含水率及最大干密度。

干濕循環(huán)試驗(yàn)試樣制備均采用人工擊實(shí)成環(huán)刀方法，制樣環(huán)刀內(nèi)徑61.8 mm，高20 mm。制樣過程：首先計(jì)算不同加砂比例紅土各自對應(yīng)的最大干密度所需紅土的質(zhì)量，其次往紅土中摻入相應(yīng)質(zhì)量的砂以達(dá)到所設(shè)定的不同加砂比例，充分?jǐn)嚢?，使砂能均勻分布于紅土中。再結(jié)合所測得的風(fēng)干土含水率,定量計(jì)算風(fēng)干土達(dá)到不同加砂比例紅土各自對應(yīng)的最優(yōu)含水率所需水的質(zhì)量。將水均勻噴灑于土樣上，用塑料薄膜和濕布將土樣覆蓋并靜置24 h，盡可能減少水分揮發(fā)。次日將不同加砂比例紅土各自所需紅土質(zhì)量平均分3層擊實(shí)，層與層之間做刨毛處理。紅土雖有一定的水穩(wěn)性，但是對于直接浸泡于水里的試樣，吸水后易膨脹破壞。為保證試樣的完整性，試樣上下表面用濾紙覆蓋，將透水石緊蓋濾紙，并用塑料繩緊扎。每組加砂比例下紅土試樣均為184個，4組共計(jì)736個。

1.3試驗(yàn)過程

將736個試樣放入盛有自來水的容器中統(tǒng)一浸泡24 h，并在浸泡之前稱量各個試樣和環(huán)刀的總質(zhì)量，隨后將浸泡24 h后的試樣暴露在空氣中自然脫濕，在脫濕過程中保持作用在試樣上的總應(yīng)力為零。隨時(shí)稱量脫濕過程中各個試樣和環(huán)刀的總質(zhì)量，當(dāng)其總質(zhì)量與浸泡前總質(zhì)量誤差在0.1%以內(nèi)，可視為一次干濕循環(huán)過程的結(jié)束。擬定10種干濕循環(huán)工況，每種工況下對應(yīng)的干濕循環(huán)次數(shù)分別為：0，1，2，3，4，5，6，8，10，12，15次。對每種干濕循環(huán)工況下不同加砂比例紅土試樣，分別展開比重、顆粒分析、干密度、直接剪切試驗(yàn)。

每次干濕循環(huán)過程結(jié)束后立即進(jìn)行直剪試驗(yàn)，以保證含水率為各自加砂比例紅土對應(yīng)的最優(yōu)含水率。直剪試驗(yàn)使用的裝置為杠桿式等應(yīng)變剪力儀，剪切速率為0.8 mm/min。每種干濕循環(huán)工況下對應(yīng)的每個加砂比例紅土試樣共8個，平均分為2組，每組4個試樣所對應(yīng)的豎向壓力分別為100，200，300，400 kPa。在4種不同豎向壓力下對試樣進(jìn)行剪切直至破壞，測得試樣的大主應(yīng)力α1和小主應(yīng)力α3，綜合每組得到的4個數(shù)據(jù)點(diǎn)繪制莫爾圓包線并計(jì)算每組試樣的黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ及抗剪強(qiáng)度τf。最終將兩組計(jì)算結(jié)果求平均值，得到了不同干濕循環(huán)工況下不同加砂比例紅土的均值黏聚力c和均值內(nèi)摩擦角φ及均值抗剪強(qiáng)度τf。

對于比重、干密度、顆粒分析試驗(yàn)，均統(tǒng)一將不同干濕循環(huán)工況下不同加砂比例的紅土試樣置于烘箱烘干8 h，平均分為3組，每組1個試樣。根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》[7]分別采用比重瓶法、甲種密度計(jì)法、游標(biāo)卡尺法平均測得不同干濕循環(huán)工況下不同加砂比例紅土試樣的均值比重、均值干密度、均值顆粒組成。

2 結(jié)果與分析

2.1干濕循環(huán)條件下加砂紅土顆粒組成變化特性

2.1.1加砂比例一定條件下紅土顆粒組成與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

加砂紅土在干濕循環(huán)作用下，處于飽和與非飽和互相交替的動態(tài)變化過程，其物理力學(xué)性質(zhì)自然也是一個動態(tài)變化過程。干濕循環(huán)作用會改變加砂紅土內(nèi)部顆粒組成，對于加砂比例不同的紅土，由于其內(nèi)部初始顆粒組成不同，因此干濕循環(huán)過程對內(nèi)部顆粒重組的影響程度也不同。圖1給出了同一加砂比例下加砂紅土表面裂縫隨循環(huán)次數(shù)的變化情況，圖2給出了加砂紅土不同顆粒組成隨循環(huán)次數(shù)的變化情況。

圖1 紅土表面裂隙隨循環(huán)次數(shù)變化Fig.1 Changes in surface cracks of laterite with the times of cycles

圖2 紅土顆粒組成隨循環(huán)次數(shù)變化Fig.2 Changes in particle compositions of laterite with the timse of cycles

從圖1可以看出：在干濕循環(huán)作用下，加砂比例一定的紅土，其表面不但產(chǎn)生了裂隙且裂隙數(shù)量隨著循環(huán)次數(shù)增加而增加，并在循環(huán)10次左右裂隙數(shù)量趨于穩(wěn)定。這是由于在干濕循環(huán)作用下土體不斷進(jìn)行增脫濕過程，尤其是在脫濕過程中，土樣中心上層的失水率明顯高于下層，在上下層之間形成了含水率梯度[8]。在含水率梯度作用下，上層土體收縮變形受到下層土體約束，產(chǎn)生收縮拉應(yīng)力，當(dāng)抗拉強(qiáng)度小于收縮拉應(yīng)力時(shí)，土樣內(nèi)部裂隙開始逐漸生成并不斷發(fā)育；脫濕結(jié)束后，土樣增濕飽和膨脹致使之前形成的裂隙閉合，但是土樣在脫濕過程中產(chǎn)生了不可逆的收縮變形，土顆粒之間的聯(lián)結(jié)發(fā)生斷裂破壞[9]。當(dāng)再次脫濕時(shí)，之前產(chǎn)生的裂隙繼續(xù)開裂并擴(kuò)大，并在含水率梯度的影響下，產(chǎn)生新的裂隙。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，試樣的體積越來越小，水分流失速度加快，形成更大的含水率梯度也就愈加困難，因此在循環(huán)到10次之后裂隙不再發(fā)展，并趨于穩(wěn)定。

從圖2可以看出：循環(huán)初始，加砂紅土內(nèi)部黏粒均有所增加，粉粒減少,砂粒變化很小。而隨著循環(huán)的進(jìn)行，黏粒開始減少，粉粒和砂粒相對增加，且均在循環(huán)10次后變化趨于平穩(wěn)。造成以上現(xiàn)象的原因是：隨著浸泡時(shí)間的增加，試樣含水率和飽和度逐漸增大，水流逐漸充滿了土體顆粒中的孔隙，形成許多條不規(guī)則的滲流通道，入滲水流會攜帶加砂紅土表面粒徑較小的黏粒進(jìn)入土體內(nèi)部，導(dǎo)致循環(huán)初始加砂紅土內(nèi)部黏粒含量增加，而粉粒含量相對減少。隨著循環(huán)的進(jìn)行，加砂紅土表面產(chǎn)生一定數(shù)量的裂隙，此時(shí)粒徑較小的黏粒隨著水流通過表面裂隙被帶出土體，導(dǎo)致黏粒含量減少，粉粒和砂粒含量相對增加，并最終達(dá)到土水平衡狀態(tài)，加砂紅土內(nèi)部顆粒組成不再變化。

2.1.2干濕循環(huán)次數(shù)一定條件下紅土顆粒組成與加砂比例的關(guān)系

在干濕循環(huán)次數(shù)一定條件下，不同加砂比例紅土顆粒內(nèi)部組成也不同。圖3給出了同一循環(huán)次數(shù)下加砂紅土表面裂隙隨加砂比例的變化情況，圖4給出了不同顆粒組成隨加砂比例的變化情況。

圖3 紅土表面裂隙隨加砂比例變化Fig.3 Changes in surface cracks of laterite with the proportion of sand

從圖3可以看出：在干濕循環(huán)次數(shù)一定條件下，加砂比例越大的紅土，其表面所產(chǎn)生的裂隙數(shù)量越少，裂縫寬度也越小。這是由于紅土加砂后，紅土顆粒包裹砂粒形成更大的團(tuán)粒，孔隙度也變小。加砂比例越大，砂粒填充于團(tuán)?？紫兜男Ч簿驮胶?，所形成的膠結(jié)物質(zhì)越少，顆粒之間的聯(lián)結(jié)力也相對越差。因此隨著加砂比例的增加，在聯(lián)結(jié)力衰弱和填充效果增強(qiáng)的共同作用下，透水性增強(qiáng)，試樣內(nèi)部所形成的含水率梯度差也就越小，形成的裂隙數(shù)量也就越少，裂縫寬度也越小，土樣越密實(shí)。

從圖4可以看出：循環(huán)初始，在干濕循環(huán)次數(shù)一定條件下，加砂比例越大的紅土，其黏粒增幅越大，粉粒和砂粒增幅相對越小。隨著循環(huán)進(jìn)行，加砂比例越大的紅土，其黏粒降幅越小，而粉粒和砂粒增幅相對越小。這是因?yàn)樵谘h(huán)初始，加砂比例越大的紅土，孔隙度越小，顆粒間越緊密，所形成的滲流通道越細(xì)，入滲水?dāng)y帶紅土表面黏粒進(jìn)入土體內(nèi)部越多，導(dǎo)致黏粒增幅也就越大，而粉粒和砂粒隨著入滲水被帶入土體內(nèi)部相對較少，因此粉粒和砂粒增幅也就相對越小。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，在土樣邊緣逐漸出現(xiàn)裂紋，并逐步向中心發(fā)展，且加砂比例越大，產(chǎn)生的裂隙條數(shù)相對越少，被水流帶出土體的黏粒數(shù)量越少，因此黏粒降幅越小，粉粒和砂粒增幅也就相對越小。

2.2干濕循環(huán)條件下加砂紅土比重變化特性

2.2.1加砂比例一定條件下紅土比重與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

比重是土重要物理指標(biāo)之一，干濕循環(huán)過程會改變土體的比重，而比重的變化必然是由于紅土在增脫濕過程的變形引起的。圖5給出了加砂比例一定條件下紅土比重隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化曲線。

圖5 比重隨循環(huán)次數(shù)變化Fig.5 Changes in specific gravity with the times of cycles

圖5表明：在加砂比例一定條件下，加砂紅土比重隨著循環(huán)次數(shù)增加呈先上升后下降的趨勢，且比重在循環(huán)2次之前均呈現(xiàn)上升趨勢，在循環(huán)2次后均呈下降趨勢，并最終在循環(huán)10次左右趨于一定值，變化趨于平緩。這是因?yàn)橥令w粒的大小對土的比重有影響，而且是顆粒越細(xì)，比重越大，顆粒越粗，比重越小[10～11]。循環(huán)初始，加砂紅土內(nèi)部粒徑較小的黏粒含量增加，導(dǎo)致比重呈上升趨勢，而隨著循環(huán)次數(shù)增加，加砂紅土內(nèi)部黏粒隨著水流經(jīng)裂隙被帶出土體，粉粒和砂粒含量相對增加，因此比重呈下降趨勢。又因?yàn)榧由凹t土在循環(huán)10次左右不再產(chǎn)生新的裂隙，顆粒組成趨于穩(wěn)定，所以比重也在循環(huán)10次左右趨于穩(wěn)定。

2.2.2干濕循環(huán)次數(shù)一定條件下紅土比重與加砂比例的關(guān)系

圖6給出了干濕循環(huán)次數(shù)一定條件下加砂紅土比重與加砂比例的變化關(guān)系。表2給出了不同加砂比例紅土比重在干濕循環(huán)過程中增降幅情況。

圖6 比重隨加砂比例變化Fig.6 Changes in specific gravity with the proportion of sand

加砂比例/%比重上升階段比重下降階段循環(huán)次數(shù)漲幅/%循環(huán)次數(shù)降幅/%00～20373～1021350～20523～10182100～20683～10154150～20773～10139

圖6及表2表明：在比重上升階段，比重的增幅與加砂比例呈正相關(guān)關(guān)系；在比重下降階段，比重的降幅與加砂比例呈反相關(guān)關(guān)系。這是由于在循環(huán)初始,加砂比例越大的紅土，其內(nèi)部黏粒增幅越大，黏粒含量將決定紅黏土礦物含量，而紅黏土礦物中蒙脫石具有較大的比表面積，因此比重的增幅與加砂比例呈正相關(guān)關(guān)系。而隨著循環(huán)次數(shù)的增加，土體結(jié)構(gòu)被破壞，黏粒會隨著孔隙流出。加砂比例越大的紅土，土樣越密實(shí)，所形成的裂隙數(shù)量越少，土樣內(nèi)部黏粒被水流帶出的含量也相對越少，因此比重的降幅與加砂比例呈反相關(guān)關(guān)系。

2.3干濕循環(huán)條件下加砂紅土干密度變化特性

2.3.1加砂比例一定條件下紅土干密度與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

干密度對加砂紅土物理力學(xué)特性影響體現(xiàn)在：一方面，針對一定加砂比例的紅土，干濕循環(huán)過程既可以壓實(shí)土樣表面土顆粒，又可以分散土樣表面，分散的土顆?？赡鼙凰鲙ё咭嗷蛟俅伪粔喝胪翗觾?nèi)部，使土樣內(nèi)部顆粒組成發(fā)生變化，導(dǎo)致土顆粒密實(shí)程度發(fā)生變化，進(jìn)而對土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度產(chǎn)生影響。另一方面，對于不同加砂比例的紅土，干濕循環(huán)對其強(qiáng)度影響程度也不同。加砂比例一定條件下紅土干密度隨循環(huán)次數(shù)變化如圖7所示。

圖7 干密度隨循環(huán)次數(shù)變化Fig.7 Changes in dry density with the times of cycles

圖7表明：在加砂比例一定的條件下，加砂紅土干密度總體上隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而呈上升趨勢，且在第一次干濕循環(huán)結(jié)束時(shí)干密度上升幅度最大。這是因?yàn)楦蓾裱h(huán)初期，靜水壓力轉(zhuǎn)化為壓實(shí)土樣表面土顆粒的動力和分散土顆粒的作用力，水分逐漸浸入土樣內(nèi)部，土樣表面黏粒隨著入滲水流被帶入土樣內(nèi)部，起著密實(shí)土樣的作用，因此此時(shí)干密度均呈現(xiàn)上升幅度較大的趨勢。而持續(xù)的干濕循環(huán)作用導(dǎo)致土樣結(jié)構(gòu)健力完全被破壞，形成的裂縫也趨于穩(wěn)定。因此到了一定循環(huán)次數(shù)，土樣干密度變化也趨于穩(wěn)定，這是靜水壓力的壓實(shí)動能與土體物理性質(zhì)相互作用的結(jié)果。

2.3.2干濕循環(huán)次數(shù)一定條件下紅土干密度與加砂比例的關(guān)系

圖8給出了干濕循環(huán)次數(shù)一定條件下加砂紅土干密度與加砂比例的變化關(guān)系?？梢钥闯觯诟蓾裱h(huán)次數(shù)一定條件下，加砂比例越大的紅土，其干密度越大，體現(xiàn)了加砂對紅土擊實(shí)特性的影響，說明紅土密實(shí)程度隨著加砂比例增加逐漸增強(qiáng)。在干濕循環(huán)過程中，加砂比例由小到大的紅土干密度增幅依次為：10.4%、9.4%、8.7%、8.1%?？梢娂由凹t土干密度增幅大小與加砂比例呈現(xiàn)反相關(guān)關(guān)系，說明加砂比例越大的紅土越不容易被壓實(shí)。這是由于加砂比例越大的紅土，其減水作用與填充作用效果越顯著；排出孔隙中的水和空氣越多，充填大團(tuán)?？紫兜纳巴令w粒和小團(tuán)粒的數(shù)量就越多，顆粒間隙就越小，相鄰顆粒點(diǎn)面接觸越多，密實(shí)程度越高，因此干密度增幅也就越小。

圖8 干密度隨加砂比例變化Fig.8 Changes in dry density with the proportion of sand

2.4干濕循環(huán)條件下加砂紅土抗剪強(qiáng)度變化特性

2.4.1加砂比例一定條件下紅土抗剪強(qiáng)度參數(shù)與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

抗剪強(qiáng)度對土體的穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用，而抗剪強(qiáng)度的變化則與抗剪強(qiáng)度參數(shù)的變化密切相關(guān)。圖9給出了在加砂比例一定條件下紅土黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律。

圖9 抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨循環(huán)次數(shù)變化Fig.9 Changes in shear strength parameter with the times of cycles

從圖9可以看出在加砂比例一定條件下，加砂紅土內(nèi)摩擦角φ與黏聚力c總體上隨著循環(huán)次數(shù)的增加呈非線性下降的趨勢，尤其是在循環(huán)1次結(jié)束時(shí)降幅最大，在循環(huán)10次后基本趨于穩(wěn)定。這是由于在干濕循環(huán)過程中，土體內(nèi)部產(chǎn)生了不可逆的脹縮變形，砂土顆粒和紅土顆粒間的聯(lián)結(jié)力不斷被削弱，導(dǎo)致黏聚力c總體上呈下降趨勢；而隨著循環(huán)次數(shù)的增加，顆粒間距不斷加大，顆粒間的咬合能力也不斷被削弱，因此內(nèi)摩擦角φ總體上也呈現(xiàn)下降趨勢。

2.4.2干濕循環(huán)次數(shù)一定條件下紅土抗剪強(qiáng)度參數(shù)與加砂比例的關(guān)系

圖10給出了干濕循環(huán)次數(shù)一定條件下紅土黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ隨加砂比例的變化規(guī)律。

圖10 抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨加砂比例變化Fig.10 Changes in shear strength parameter with the proportion of sand

圖10表明：在干濕循環(huán)次數(shù)一定條件下，隨著加砂比例的增大，加砂紅土內(nèi)摩擦角φ也逐漸增大，呈現(xiàn)非線性上升的趨勢。這是因?yàn)殡S著加砂比例的增加，粗大的砂土顆粒導(dǎo)致土顆粒間相互咬合效果增強(qiáng)，顆粒之間在外力作用下相互錯動能力削弱，隨著加砂比例的增加，顆粒間摩擦阻力明顯增大，因此內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)增大的趨勢。還可看出：在干濕循環(huán)過程中，加砂比例由小到大的紅土內(nèi)摩擦角降幅依次為22.8%、30.9%、19.9%、32.6%。

在干濕循環(huán)次數(shù)一定條件下，隨著加砂比例的增大，加砂紅土黏聚力c逐漸減小，呈非線性下降趨勢。造成這一現(xiàn)象的原因是因?yàn)樯巴令w粒本身并沒有黏附性，隨著加砂比例的增加，紅土顆粒的黏附性逐漸減小，粒團(tuán)之間的膠結(jié)作用降低，因此黏聚力呈現(xiàn)下降的趨勢。還可看出：在干濕循環(huán)過程中，加砂比例由小到大的紅土黏聚力降幅依次為26.6%、29.2%、17.3%、37.7%。

綜上所述，加砂紅土黏聚力c隨著加砂比例增大而減少，內(nèi)摩擦角φ隨著加砂比例增大而增大。在干濕循環(huán)作用下，加砂紅土抗剪強(qiáng)度參數(shù)均呈波動下降趨勢，下降幅度最大的是加砂15%紅土，下降幅度最小的是加砂10%紅土。

2.4.3加砂比例一定條件下紅土抗剪強(qiáng)度與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

圖11給出了加砂比例一定條件下加砂紅土抗剪強(qiáng)度τf與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線。

圖11 抗剪強(qiáng)度隨循環(huán)次數(shù)變化Fig.11 Changes in shear strength with the times of cycles

圖11表明：加砂比例一定條件下，加砂紅土抗剪強(qiáng)度隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加呈下降趨勢。這是因?yàn)樵鰸駮r(shí)土樣體積膨脹，表面開始松散；脫濕時(shí)土樣體積收縮，膨脹變形無法完全恢復(fù)，土樣表面出現(xiàn)裂隙，水分沿裂隙滲入土樣內(nèi)部，破壞土粒間的結(jié)構(gòu)鍵力，因此降低了加砂紅土的抗剪強(qiáng)度。經(jīng)歷多次干濕循環(huán)后，加砂紅土抗剪強(qiáng)度出現(xiàn)衰減變緩，并在干濕循環(huán)10次左右趨于穩(wěn)定。分析認(rèn)為：經(jīng)歷一定次數(shù)的干濕循環(huán)過程后，加砂紅土縮脹性下降，增濕膨脹和脫濕收縮程度均大幅下降，土樣整體結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，不再產(chǎn)生新的裂隙；對于之前已經(jīng)產(chǎn)生的裂隙，由于其反復(fù)經(jīng)歷脹縮過程，故再次增濕或者脫濕不會造成裂隙的擴(kuò)展。因此，加砂紅土在經(jīng)歷多次干濕循環(huán)過程后，其抗剪強(qiáng)度最終趨于一個穩(wěn)定值。

2.4.4干濕循環(huán)次數(shù)一定條件下紅土抗剪強(qiáng)度與加砂比例的關(guān)系

圖12給出了干濕循環(huán)次數(shù)一定條件下加砂紅土抗剪強(qiáng)度τf與加砂比例的變化關(guān)系。

圖12 抗剪強(qiáng)度隨加砂比例變化Fig.12 Changes in shear strength with the proportion of sand

圖12表明：在干濕循環(huán)次數(shù)一定條件下，加砂紅土抗剪強(qiáng)度隨加砂比例增加呈波動變化趨勢。當(dāng)加砂比例為5%時(shí)，抗剪強(qiáng)度略微減??；當(dāng)加砂比例為10%時(shí)，抗剪強(qiáng)度增加并達(dá)到最大峰值抗剪強(qiáng)度；當(dāng)加砂比例為15%時(shí)，抗剪強(qiáng)度急劇減少。這是因?yàn)楫?dāng)加砂比例較小時(shí)，團(tuán)粒化作用較弱，紅土顆粒包裹砂土顆粒形成較大團(tuán)粒，這些團(tuán)粒與土樣中的膠結(jié)物質(zhì)形成表面積更大的團(tuán)粒。而大團(tuán)粒的孔隙被較小團(tuán)粒占據(jù)著，提高了土樣的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，故表現(xiàn)出抗剪強(qiáng)度增大的趨勢。當(dāng)加砂比例不斷增大時(shí)，團(tuán)?；饔迷鰪?qiáng)，盡管此時(shí)填充于大團(tuán)?？紫吨械男F(tuán)粒數(shù)量較之前不斷增加，但是由于聯(lián)損作用，使大團(tuán)粒之間無法更好地聯(lián)結(jié)起來，反而降低了土樣的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，抵抗剪切破壞的承載能力被削弱，表現(xiàn)出抗剪強(qiáng)度急劇減小的趨勢。所以往紅土中加砂可以提高其抗剪強(qiáng)度，但是存在著一個合理的加砂比例。還可看出：在干濕循環(huán)過程中，加砂比例由小到大的紅土抗剪強(qiáng)度降幅依次為：23.6%、25.6%、18.7%、28.2%。由此可見在干濕循環(huán)作用下，加砂紅土抗剪強(qiáng)度下降幅度最大的是加砂15%紅土，下降幅度最小的是加砂10%紅土。這是因?yàn)榧由?0%紅土初始密實(shí)程度最高，顆粒之間聯(lián)結(jié)能力最強(qiáng)，因此水分對其結(jié)構(gòu)鍵力的破壞程度相對最小，同理加砂15%紅土顆粒間聯(lián)結(jié)能力最弱，土顆粒間的結(jié)構(gòu)鍵力被水分破壞程度也相對最大。

3 結(jié)論

(1)加砂比例一定條件下，加砂紅土黏粒含量隨著循環(huán)次數(shù)增加而減少，粉粒和砂粒含量隨著循環(huán)次數(shù)增加而增加；而比重隨著循環(huán)次數(shù)增加呈先上升后下降的趨勢，干密度則是隨著循環(huán)次數(shù)增加呈上升趨勢，并最終均在循環(huán)10次左右趨于穩(wěn)定。

(2)加砂比例一定條件下，加砂紅土內(nèi)摩擦角、黏聚力及抗剪強(qiáng)度均隨著循環(huán)次數(shù)增加呈下降趨勢，并最終均在循環(huán)10次左右趨于穩(wěn)定值,且降幅最大的是加砂15%的紅土，降幅最小的是加砂10%的紅土。

(3)干濕循環(huán)次數(shù)一定條件下，隨著加砂比例的增加，紅土內(nèi)摩擦角增加，黏聚力減少。說明向紅土中加砂起著增強(qiáng)顆粒間摩擦阻力及削弱聯(lián)結(jié)力的作用。實(shí)際工程中當(dāng)把加砂紅土作為土料時(shí)應(yīng)將加砂比例作為一個慎重考慮的因素。

(4)干濕循環(huán)次數(shù)一定條件下，隨著加砂比例的增加，紅土抗剪強(qiáng)度呈先略微減少后增加到最大峰值再急劇減少的波動變化趨勢。說明向紅土中加砂對于提高紅土抗剪強(qiáng)度存在著一個合理的加砂比例范圍。

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責(zé)任編輯：汪美華

Astudyofphysicalandmechanicalpropertiesofsandylateriteunderdrying-wettingcyclesinYunnan

LIANG Jianjie, ZHANG Zulian, QIU Guangui, YUAN Qiang

(CollegeofElectricalEngineering,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming，Yunnan650500,China)

Considering the Yunnan laterite with different proportions of sand under the initial conditions of the optimum moisture content and the maximum dry density, this paper reveals the relationship between drying-wetting cycles and the changes in physical and mechanical properties of sandy laterite. On the basis of combining geotechnical tests with relevant theoretical researches, the method of Excel is used to analyze the test data. The results indicate that under the drying-wetting cycles, the specific gravity of laterite with different proportions of sand shows a trend from rise to decline; the dry density shows an upward tendency; the shear strength and shear strength parameters have an upward tendency. The tendency is eventually stable after 10 times of cycling. Under a certain number of dry and wet cycle conditions, the greater sanding proportion of laterite comes with the smaller decrease in clay particle. The smaller increase of particle and sand, the smaller numbers of cracks, and the soil samples are more compacted. The largest decline in shear strength and shear strength parameters is the laterite with 15% proportions of sand, and the smallest is the laterite with 10% proportions of sand.

sandy laterite; drying-wetting cycles; specific gravity; dry density; shear strength

P642.13+2；P642.11+6

A

1000-3665(2017)05-0100-07

張祖蓮(1964-)，女，副教授，研究方向?yàn)閹r土工程及水利水電工程。E-mail：zhangzulian@2008.sina.com

10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.2017.05.16

2016-11-05;

2017-02-01

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51269006，51568031)

梁諫杰(1992-)，男，碩士，研究方向?yàn)閹r土工程。E-mail：1825282538@qq.com