干密度和含水率對紅黏土崩解特性的影響研究

吳英蘭

(遼寧省公路勘測設(shè)計(jì)公司 沈陽市 110006)

0 引言

紅黏土作為我國南方地區(qū)極具代表性的土類,覆蓋地域十分遼闊[1],不同地區(qū)的紅黏土礦物的含量大不相同,但是一般都含有高嶺石、蒙脫石和伊利石等親水礦物[2],這導(dǎo)致紅黏土在浸水環(huán)境下表現(xiàn)出較差的水穩(wěn)定性,容易出現(xiàn)崩解現(xiàn)象[3],最終導(dǎo)致紅黏土路基遭到破壞。

濕化崩解試驗(yàn)是能夠表征土崩解特性的基本試驗(yàn)之一,因此很多學(xué)者利用濕化崩解試驗(yàn)對紅黏土的崩解特性展開研究。李善梅等[3]利用自主制作的崩解儀器對非飽和紅黏土進(jìn)行崩解試驗(yàn),研究發(fā)現(xiàn)壓實(shí)度的增加會加劇紅黏土崩解,崩解率不斷增加;含水率的增加會使紅黏土的抗崩解能力出現(xiàn)先增強(qiáng)后減弱的特點(diǎn),當(dāng)含水率達(dá)到最佳時(shí),其抗崩解性能最好。張國棟等[4]對膨脹性紅黏土的崩解裂隙度進(jìn)行研究,研究發(fā)現(xiàn)含水率的增加會改善紅黏土的崩解,并且不同含水率下紅黏土的崩解裂隙度都依次呈現(xiàn)出三種階段:裂隙快速演化階段、裂隙緩慢擴(kuò)展階段以及裂隙趨于穩(wěn)定階段。曾慶建等[5]研究了含水率和溫度對紅黏土崩解特性的影響,發(fā)現(xiàn)溫度的升高則對紅黏土的抗崩解特性起著抑制作用。

以三明將樂的紅黏土作為研究對象,通過濕化崩解試驗(yàn),對不同含水率和不同干密度條件下紅黏土的崩解現(xiàn)象進(jìn)行分析,并獲得最終崩解時(shí)間和最快崩解速率,探討不同含水率和不同干密度對紅黏土崩解特性的影響,為實(shí)際工程提供參考。

1 試驗(yàn)簡介

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用紅黏土來自福建省三明市將樂縣,通過基本物性試驗(yàn)得到該場地紅黏土塑限32.10%、液限63.56%、塑性指數(shù)31.46。通過擊實(shí)試驗(yàn)可知,該場地紅黏土最大干密度1.662g·cm-3,最佳含水率為23%。

1.2 試驗(yàn)方案

濕化崩解試驗(yàn)取含水率和干密度兩個(gè)變量,含水率從20%開始,按3%逐漸遞增,選擇四個(gè)含水率數(shù)值進(jìn)行試驗(yàn),干密度分別選擇1.429 g·cm-3、1.496 g·cm-3和1.546 g·cm-3為數(shù)值進(jìn)行試驗(yàn),具體試驗(yàn)方案見表1。

表1 試驗(yàn)方案

1.3 試驗(yàn)方法

將紅黏土風(fēng)干碾碎,過2mm篩,按照規(guī)定含水率加水均勻拌和,然后裝入袋子中靜置24h,制成5cm×10cm的三軸試樣,將試樣在恒溫恒濕條件下養(yǎng)護(hù)28d,根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[6](GBT 50123—2019)中的濕化崩解試驗(yàn)進(jìn)行試驗(yàn),濕化崩解儀如圖1所示。

圖1 崩解試驗(yàn)儀(單位:mm)

圖1中:1為100mm量筒;2為帶有正方形孔洞的金屬網(wǎng);3為外筒;4為5cm×10cm三軸試樣。

2 崩解試驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果

2.1 不同干密度和含水率下紅黏土崩解試驗(yàn)現(xiàn)象

不同干密度和含水率下的紅黏土試樣完全進(jìn)入水中后均有氣泡冒出,試樣出現(xiàn)裂紋以及試樣有片狀土粒剝落現(xiàn)象。但是不同含水率下的紅黏土試樣崩解特性并不完全相同,具體現(xiàn)象如表2所示。

表2 不同干密度和含水率紅黏土試樣的崩解現(xiàn)象

由表2可知:(1)隨著含水率的增大,紅黏土試樣浸入水中后,開始崩解的時(shí)間延長,試樣表面冒出的氣泡逐漸減少,試樣表面裂縫發(fā)育逐漸減少,完全崩解的時(shí)間延長;(2)隨著干密度的增大,紅黏土試樣浸入水中后,開始崩解的時(shí)間延遲,并且完全崩解的時(shí)間也越來越延后,整體的抗崩解特性改善。

2.2 不同干密度和含水率下紅黏土崩解試驗(yàn)結(jié)果

分別以干密度和含水率作為x軸,紅黏土試樣最終崩解時(shí)間作為y軸,如圖2、圖3所示。

圖2 不同含水率下紅黏土試樣最終崩解時(shí)間變化規(guī)律

圖3 不同干密度下紅黏土試樣最終崩解時(shí)間變化規(guī)律

由圖2和圖3可知:(1)含水率和干密度的增大都能延長紅黏土試樣完全崩解的時(shí)間,對紅黏土的抗崩解特性有著促進(jìn)作用;(2)不同含水率和干密度下紅黏土試樣完全崩解時(shí)間變化趨勢大致相同;(3)當(dāng)含水率從26%變化到29%時(shí),紅黏土試驗(yàn)完全崩解時(shí)間增加幅度最大;(4)相較于含水率來說,干密度的變化對紅黏土試驗(yàn)完全崩解時(shí)間的影響較小,增加幅度大大減小。

分別以干密度和含水率作為x軸,紅黏土試樣最快崩解速率作為y軸,其中崩解速率為某一時(shí)刻的崩解量與到達(dá)此崩解量經(jīng)過時(shí)間的比值,如圖4、圖5所示。

圖4 不同含水率下紅黏土試樣最快崩解速率變化規(guī)律

圖5 不同干密度下紅黏土試樣最快崩解速率變化規(guī)律

由圖4和圖5可知:(1)含水率和干密度的增加都能夠減小紅黏土試驗(yàn)在水中的最快崩解速率;(2)當(dāng)含水率從20%變成23%時(shí),紅黏土試驗(yàn)浸水時(shí)的最快崩解速率降低幅度最大。當(dāng)含水率從23%變成26%和29%,紅黏土試驗(yàn)的最快崩解速率降幅較小;(3)當(dāng)含水率為23%、26%和29%時(shí),干密度的變化對紅黏土試驗(yàn)最快崩解速率的影響較小,降低幅度不大,但是當(dāng)含水率達(dá)到20%時(shí),干密度的變化對紅黏土試驗(yàn)最快崩解速率的影響很大。

3 結(jié)論

通過對三明將樂地區(qū)紅黏土進(jìn)行濕化崩解試驗(yàn),以最終崩解時(shí)間和最快崩解速率作為指標(biāo),分析不同含水率和不同干密度條件下紅黏土崩解特性的變化規(guī)律,得到以下結(jié)論:

(1)紅黏土的崩解特性同時(shí)受到含水率和干密度兩個(gè)方面的影響,并且可以通過最終崩解時(shí)間和最快崩解速率直觀表現(xiàn)出來。

(2)紅黏土的最終崩解時(shí)間隨著含水率和干密度的增加逐漸延長。

(3)紅黏土的最快崩解速率隨著含水率和干密度的增加逐漸變緩。

(4)含水率和干密度的增加均可以促進(jìn)紅黏土的抗崩解性能,提供紅黏土的水穩(wěn)定性。