壓實(shí)度與初始含水率對(duì)紅黏土崩解特性的影響

李善梅，吳 孟，蒙劍坪，劉之葵

(1.桂林理工大學(xué) a.廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;b.土木與建筑工程學(xué)院，廣西 桂林 541004;2.重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院，重慶 401120)

0 引言

水分在濕熱耦合作用下遷移進(jìn)入路基內(nèi)部，導(dǎo)致路基填料濕化崩解而造成路面變形破壞[1]。濕化現(xiàn)象普遍存在，國內(nèi)外學(xué)者研究了黃土、粉土、粉質(zhì)黏土、砂土、黏土的崩解規(guī)律、影響因素和作用機(jī)理等[2-10]。紅黏土主要分布于夏季高溫多雨的熱帶和亞熱帶地區(qū)，土體性質(zhì)受濕熱耦合作用明顯，然而關(guān)于紅黏土崩解特性的研究較少。

紅黏土具有高液限、高塑限、高孔隙比的特點(diǎn)，根據(jù)JTG F10—2006《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，壓縮系數(shù)不超過0.5 MPa-1的紅黏土可作為路基填料，但應(yīng)避免雨季施工[11]。紅黏土是中國西南巖溶地區(qū)交通工程建設(shè)中不可避免的路基土。近年來，紅黏土在路基中的應(yīng)用引起了廣大研究者的關(guān)注，研究主要集中在填筑控制參數(shù)[12]、改良措施及施工工藝[13-14]、壓縮特征[15]和動(dòng)力學(xué)特性[16-18]等方面。濕化崩解變形是路基的主要病害之一，紅黏土路基的崩解特性研究明顯不足[1]。路基填料施工過程中的主要控制指標(biāo)是填土的含水率和壓實(shí)度，文獻(xiàn)[19]研究發(fā)現(xiàn)：紫色土的崩解速率與壓實(shí)度和初始含水率有關(guān)。但紅黏土與紫色土性質(zhì)并不相同，本文將通過室內(nèi)崩解試驗(yàn)，研究不同初始含水率及壓實(shí)度條件下紅黏土的崩解特征及其機(jī)理，為防治路基濕化崩解病害提供理論依據(jù)。

1 試樣基本物理性質(zhì)

本次試驗(yàn)所用的紅黏土采自桂林市南郊，取樣深度為地表下3.3～4.0 m的基坑底部，為擾動(dòng)土樣。土樣為深紅色，硬塑狀態(tài)，稍濕，裂隙不發(fā)育，切面光滑，塑限37.03%，液限63.9%，塑性指數(shù)26.87，土顆粒相對(duì)密度為2.74，最大干密度為1.52 g/cm3，比表面積為97 m2/g。擊實(shí)試驗(yàn)的結(jié)果表明：本次土樣的最大干密度為1.52 g/cm3，最優(yōu)含水率為28%。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)儀器

崩解試驗(yàn)常用的方法有浮筒法[20]和拉力計(jì)法[21-22]。由于土脫落擾動(dòng)以及氣泡逃逸作用導(dǎo)致浮筒浮動(dòng)，浮筒法測量過程中穩(wěn)定性較差；而拉力計(jì)的精度為最大量程的1%，當(dāng)崩解土體質(zhì)量小于量程的1%以后，崩解儀無法顯示讀數(shù)。這兩種常用測試方法均有不足，本文利用靜水天平替代拉力計(jì)以提高測量精度。試驗(yàn)設(shè)備包括：鋼支架、靜水天平、計(jì)算機(jī)、玻璃缸、網(wǎng)盤、玻璃杯。濕化儀結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2.2 試樣準(zhǔn)備

室內(nèi)風(fēng)干土樣的風(fēng)干含水率約為2.43%。土體風(fēng)干后擊碎，過2 mm篩。利用蒸餾水分別配制含水率為18%、22%、25%、28%、31%和34%的土樣，利用保鮮袋分袋密封，置于保濕缸中保濕24 h。根據(jù)SL 237—1999《土工實(shí)驗(yàn)規(guī)程》，壓制環(huán)刀樣。所有試樣的規(guī)格均為Φ61.8 mm×20.0 mm，各土樣的具體參數(shù)如表1所示。

表1 土樣的具體參數(shù)

2.3 試驗(yàn)步驟

按圖1組裝濕化儀，在玻璃缸中注入蒸餾水，水面高于網(wǎng)盤約30 mm；將玻璃杯置于網(wǎng)盤正下方。連接計(jì)算機(jī)及靜水天平，靜水天平讀數(shù)清零；利用推土器將土樣從環(huán)刀中取出，同時(shí)確保土樣的完整性，稱量并記錄土樣質(zhì)量。將土樣放置于網(wǎng)盤中央，啟動(dòng)秒表，開始試驗(yàn)。同時(shí)，注意觀察崩解過程中試樣發(fā)生的現(xiàn)象。待土樣崩解相對(duì)穩(wěn)定且崩解速度變緩后，采用玻璃杯盛裝崩解物以測量崩解土體的干質(zhì)量。

3 試驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

3.1.1 不同壓實(shí)度紅黏土崩解的試驗(yàn)現(xiàn)象

不同壓實(shí)度土樣入水后均有氣泡逸出、碎屑狀崩解物脫落以及裂隙發(fā)育的現(xiàn)象，但不同壓實(shí)度土樣的崩解現(xiàn)象及破壞形式并不完全相同，具體現(xiàn)象如表2所示。由表2可知，初始含水率相同的土樣，崩解現(xiàn)象隨壓實(shí)度增大表現(xiàn)為：崩解速度增大;崩解過程中產(chǎn)生大直徑氣泡并且裂隙發(fā)育明顯;破壞形式由粒狀轉(zhuǎn)為塊狀。由此可見，土樣崩解破壞形式與氣泡逃逸和裂隙發(fā)育有關(guān),小氣泡逃逸造成土樣粒狀崩解，崩解速度較慢；大氣泡逃逸作用以及裂隙發(fā)育導(dǎo)致土樣塊狀崩解，崩解速度較快。

表2 不同壓實(shí)度土樣的崩解現(xiàn)象

3.1.2 不同初始含水率紅黏土崩解的試驗(yàn)現(xiàn)象

壓實(shí)度相同且初始含水率不同的土樣入水后均有氣泡逸出、碎屑狀崩解物脫落以及裂隙發(fā)育和水體渾濁的現(xiàn)象，但土樣的崩解現(xiàn)象及破壞形式隨初始含水率的變化而改變，現(xiàn)象如表3所示。由表3可知:壓實(shí)度為90%，初始含水率為最優(yōu)含水率(28%)及其附近時(shí)，土樣崩解過程中有少量氣泡逃逸，崩解最緩慢，以細(xì)顆粒破壞為主；隨初始含水率與最優(yōu)含水率差距增大，崩解速度明顯增快，以碎屑狀或泥狀破壞為主。

表3 不同初始含水率土樣的崩解現(xiàn)象

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

累積崩解率為時(shí)間t內(nèi)崩解的干土質(zhì)量與初始干土質(zhì)量之比，計(jì)算公式為：

(1)

其中：Bt為t時(shí)間內(nèi)累積崩解率，%；Rt為殘余質(zhì)量即網(wǎng)盤上剩余土體的干質(zhì)量,g；R0為原始土樣的干質(zhì)量,g。

累積崩解率可體現(xiàn)某段時(shí)間內(nèi)土體的總崩解情況，單位時(shí)間內(nèi)的崩解率是反映土樣崩解速度的指標(biāo)，是累積崩解率與時(shí)間關(guān)系曲線的斜率。

3.2.1 不同壓實(shí)度紅黏土崩解試驗(yàn)結(jié)果

為了提高試驗(yàn)結(jié)果的精度，開展2組平行試驗(yàn)，第1組試驗(yàn)開始時(shí)間為2017年5月1日，第2組試驗(yàn)始于2017年6月25日。第1組測試結(jié)果表明：不同壓實(shí)度土樣總崩解量的92%均在入水10 min以內(nèi)完成。由此可見，土體的主要崩解過程在入水初期完成。為了縮短試驗(yàn)時(shí)間，第2組崩解試驗(yàn)僅測試1 d。根據(jù)式(1)計(jì)算不同壓實(shí)度土樣的累積崩解率，并繪制累積崩解率與崩解時(shí)間的關(guān)系曲線，如圖2所示。由圖2表明：不同壓實(shí)度土樣的崩解速度規(guī)律較一致，均可分為3個(gè)階段：快速崩解、穩(wěn)定崩解、完成。前兩個(gè)階段主要在入水初期完成，如圖2中紅色虛線部分所示。不同壓實(shí)度的土樣入水瞬間迅速崩解，但均未完全崩解，所有試驗(yàn)土樣浸泡41 d仍有不同程度的土體殘余，即崩解不完全。繪制不同壓實(shí)度土樣崩解1 d后的累積崩解率與壓實(shí)度的關(guān)系曲線，如圖3所示。由圖3可知：第1組試驗(yàn)崩解率由小到大對(duì)應(yīng)的壓實(shí)度為77%<80%<83%<84%<88%，第2組試驗(yàn)崩解率滿足由小到大對(duì)應(yīng)的壓實(shí)度為80%<77%<83%<84%<88%?？梢姡馏w的崩解率隨壓實(shí)度的增大而增大。該測試結(jié)果與文獻(xiàn)[23]得到的結(jié)論類似，與文獻(xiàn)[24]的崩解勢隨密度降低而增大的結(jié)論矛盾。

圖2 不同壓實(shí)度土樣的累積崩解率與崩解時(shí)間的關(guān)系曲線

圖3 不同壓實(shí)度土樣崩解1 d后的累積崩解率與壓實(shí)度的關(guān)系曲線

3.2.2 不同初始含水率紅黏土崩解試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)式(1)計(jì)算不同壓實(shí)度土樣的累積崩解率，并繪制不同初始含水率土樣的累積崩解率與時(shí)間的關(guān)系曲線，如圖4所示。由圖4可知:紅黏土的累積崩解率與初始含水率呈非線性關(guān)系，初始含水率為34%的紅黏土崩解最快，僅需要不到4 min的時(shí)間則崩解完畢；初始含水率為18%的土樣次之，崩解過程約持續(xù)8.3 min；初始含水率為22%的土樣約在58 min內(nèi)崩解完畢；初始含水率為31%的土樣崩解完成時(shí)間約為120 min；初始含水率為25%和28%的土樣崩解最慢，32 d結(jié)束試驗(yàn)，其累積崩解率分別為24.98%和16.17%；土樣的崩解完成時(shí)間由小到大對(duì)應(yīng)初始含水率為34%<18%<22%<31%<25%<28%。綜上所述，當(dāng)土樣初始含水率為最優(yōu)含水率時(shí)，崩解率最低；初始含水率增大或減小都可以提高土體崩解率。該試驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)[25]總結(jié)的含水率高于最優(yōu)含水率的土不發(fā)生崩解的研究結(jié)果不符。

圖4 不同初始含水率土樣的累積崩解率與時(shí)間關(guān)系曲線

綜上所述，紅黏土的崩解規(guī)律表現(xiàn)如下：初始含水率相同的土樣，崩解率隨壓實(shí)度的增大而增大；相同壓實(shí)度的土樣，崩解率隨初始含水率增大先減小后增大，越接近最優(yōu)含水率土體的崩解性越小。

4 影響機(jī)理分析

4.1 壓實(shí)度對(duì)土體崩解性的影響

土體的氣泡逃逸過程必須要克服土粒表面張力。當(dāng)氣泡內(nèi)壓力達(dá)到一定值后，氣泡可沖破土粒阻力，其臨界值可用下式計(jì)算[26]：

(2)

其中：pb為氣泡內(nèi)壓力,kPa；σ為水的表面張力,kPa；rc為氣泡的臨界等效半徑,m。

由式(2)可知:氣泡沖破土粒阻力的壓力與臨界等效半徑成反比。

氣泡的臨界等效半徑的估算公式[27]為：

(3)

其中：um為飽和土的不排水抗剪強(qiáng)度,kPa；γm為飽和土容重，N/m3；γg為氣泡容重，N/m3。由于氣泡容重與土體容重相比較小，可以忽略，式(3)可簡化為：

(4)

式(4)表明:土體中氣泡的臨界尺寸與飽和土的不排水抗剪強(qiáng)度成正比，與飽和土容重成反比。由于成分相同土體的飽和土容重隨壓實(shí)度增大而增大，結(jié)合式(4)可知，氣泡的臨界尺寸隨壓實(shí)度增大而減小。

臨界尺寸小于孔隙空腔，排氣過程中，氣泡對(duì)土粒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響小，土體不易發(fā)生崩解；反之，氣泡排出過程中擠壓土骨架，促使其崩解。土體在低壓實(shí)度條件下，孔隙率比較高，孔隙之間連通性較好，水在土體滲透過程中氣泡極易排出而形成較小氣泡。土體壓實(shí)度增大，孔隙比減小，孔隙連通性降低，在滲透壓力作用下，氣體來不及排出導(dǎo)致相鄰孔隙連通而形成大氣泡，隨之氣泡內(nèi)部壓力增大，滿足式(2)時(shí)，則沖破土粒的阻力而逃逸并造成土體崩解。因此，壓實(shí)度越高，浸水后土體越容易崩解。由此可見，不同壓實(shí)度條件下土體崩解的主要誘因是水流入滲過程中形成封閉氣泡尺寸與孔隙自身尺寸的相對(duì)關(guān)系，其主要?jiǎng)恿κ峭馏w孔隙內(nèi)氣體壓力。

4.2 初始含水率對(duì)土體崩解的影響

根據(jù)非飽和土的抗剪強(qiáng)度方程可知：

τff=c′+(σf-ua)ftan φ′+(ua-uw)ftan φb,

(5)

其中：c′為有效黏聚力,kPa；(σf-ua)f為剪切破壞時(shí)剪切面上的凈法向應(yīng)力,kPa；φ′為凈法向應(yīng)力(σf-ua)f作用下的內(nèi)摩擦角,(°)；(ua-uw)f為剪切破壞面上的基質(zhì)吸力,kPa；φb為由于基質(zhì)吸力導(dǎo)致的抗剪強(qiáng)度提高而產(chǎn)生的內(nèi)摩擦角,(°)。式(5)表明:隨著基質(zhì)吸力增大，土體的抗剪強(qiáng)度增大。

4.2.1 初始含水率低于最優(yōu)含水率

用初始含水率低于最優(yōu)含水率的濕土壓制的土樣仍為非飽和狀態(tài)。相同壓實(shí)度的土樣，基質(zhì)吸力與土樣含水率成負(fù)相關(guān)關(guān)系，即含水率越低，基質(zhì)吸力越大。式(5)表明:相同壓實(shí)度土樣，其抗剪強(qiáng)度隨含水率減小而增大。土體入滲過程中，由于吸力下降而導(dǎo)致低含水率的土體強(qiáng)度迅速降低。同時(shí)，本課題組已通過試驗(yàn)證實(shí)，相同壓實(shí)度的土樣，初始含水率越低，入水后的膨脹性越大，越有助于提高土體的崩解勢。因此，初始含水率越低，土體入水后強(qiáng)度降低越快，并且膨脹力越大，土體越容易崩解。

4.2.2 初始含水率高于最優(yōu)含水率

根據(jù)非飽和土的有效應(yīng)力原理[28]可知：

σ′=(σ-ua)+χ(ua-uw),

(6)

其中：σ′為有效應(yīng)力,kPa；σ為總應(yīng)力,kPa；ua為孔隙氣壓力,kPa；uw為孔隙水壓力；χ為與飽和度相關(guān)的系數(shù)。式(6)表明:基質(zhì)吸力越小，有效應(yīng)力越小。

當(dāng)土樣的初始含水率高于最優(yōu)含水率時(shí)，土樣壓制過程中產(chǎn)生一層薄水膜，且水膜的厚度及壓制土樣的阻力隨初始含水率的增加而增大。故可認(rèn)為當(dāng)初始含水率較高時(shí)，壓制土樣過程中土體中產(chǎn)生靜孔隙水壓力或超靜孔隙水壓力，并隨初始含水率增加而增大。根據(jù)太沙基(Terzaghi)有效應(yīng)力原理可知：孔隙水壓力引起土體的有效應(yīng)力降低，土體的抗剪強(qiáng)度減小。此外，相同壓實(shí)度的土樣，隨初始含水率提高，土體的滲透性增大。水入滲過程中低強(qiáng)度的土樣極易破壞。因此，土樣的初始含水率大于最優(yōu)含水率時(shí)，土體的崩解性隨含水率的增大而提高。

綜上所述，初始含水率低于最優(yōu)含水率時(shí)，土體崩解的主要原因?yàn)橥翗又谢|(zhì)吸力衰減及膨脹力增大；反之，則為靜孔隙水壓力或超靜孔隙水壓力的增大而降低土體強(qiáng)度。

5 結(jié)論

(1)初始含水率相同的土樣，崩解率隨壓實(shí)度增大而增大；壓實(shí)度相同的土樣，其崩解率隨初始含水率增大先減小后增大，當(dāng)土體的初始含水率為最優(yōu)含水率時(shí)，崩解率最低。

(2)相同初始含水率不同壓實(shí)度土樣崩解，主要是由土體內(nèi)部孔隙氣壓增大導(dǎo)致。隨著壓實(shí)度增大，孔隙氣壓越容易達(dá)到臨界值，土體越容易崩解破壞。

(3)相同壓實(shí)度不同初始含水率土體崩解性的主要影響因素為基質(zhì)吸力衰減、膨脹作用以及(超)靜孔隙水壓力的產(chǎn)生，初始含水率低于最優(yōu)含水率時(shí)，前兩者為主要誘因；反之，后者為主要影響因素。

(4)控制初始含水率在最優(yōu)含水率附近，提高壓實(shí)度有利于降低紅黏土路基濕化崩解變形。