红黏土重塑结构的抗剪强度影响因素试验研究_庄代文.pdf

DOI:10.13379/j.issn.1003-8825.202212071开放科学（资源服务）标识码（OSID）红黏土重塑结构的抗剪强度影响因素试验研究庄代文，潘文成（中国市政工程西南设计研究总院有限公司，成都610000）摘要：为探究基于红黏土重塑结构的强度特征及其影响因素，通过现场采集和室内筛分设置4 种材料级配，在不同的级配结构、含水率和竖向荷载条件下，采用直剪仪对重塑样品进行剪切强度测试。基于测试结果研究各因素影响下的重塑体结构强度，并进行显著性分析，探讨各因素对重塑结构强度的影响程度。关键词：红黏土；重塑结构；抗剪强度；影响机制；敏感性分析中图分类号：U416.1文献标志码：A文章编号：1003 8825(2023)03 0056 06 0 引言红黏土是碳酸盐岩遭受一系列物理化学风化作用后以残积或坡积形式而出现的一种高塑性黏土，在我国的西南、华南等湿热多雨地区分布较为广泛，也是一种具有特殊力学性质的土体1-2。在诸多工程建设中经常会涉及红黏土，如路基填方、边坡工程及基坑工程等3-4。其抗剪强度对评价地基的稳定性起着决定性作用，而影响红黏土抗剪强度的因素众多，其中，含水率和应力状态的影响作用是最为显著的5。国内外学者针对红黏土的力学性质开展了大量试验研究，并取得一定的成效6-9。唐益群等10调查了含水率对贵州石漠化地区原状以及重塑红黏土抗剪性能的影响，认为含水率的变化是造成红黏土失稳的一个重要因素；聂庆科等 11通过分析广西原状及重塑红黏土抗剪特性的发展规律，发现红黏土存在较强的结构性，应力-应变曲线主要呈现为应变硬化的特征；史文兵等 12采用 Matlab 分析软件，并利用最小二乘法原理研究了含水率对不同状态下红黏土抗剪强度发展规律的影响；穆锐等13借助直剪设备评估了不同失水状态下红黏土的抗剪特性，试样的抗剪强度指标随含水率的降低呈现出先减小后增大的发展规律；李海龙14借助应变控制式直剪仪调查了含水率对高、低液塑限红黏土抗剪强度特性的影响，发现红黏土的破坏特征与液塑限的值有关，高液塑限红黏土易出现脆性破坏，而低液塑限红黏土则倾向于塑性破坏；肖丽娜等15研究了上覆荷载作用下的红黏土抗剪强度变化特征，发现无论有无上覆荷载，红黏土的黏聚力和内摩擦角均随着含水率的增大而呈现出逐渐降低的趋势，在同一条件下，在有上覆荷载作用下红黏土的黏聚力及内摩擦角均高于无上覆荷载作用下的红黏土的抗剪强度，且有上覆荷载作用下的抗剪强度受含水率、压实度、干湿循环次数的变化幅度小于无上覆荷载作用下的红黏土的抗剪强度；陈开圣等16对有荷条件下红黏土的干湿循环胀缩变形和强度变化规律做了相关研究，有荷作用下的干湿循环对膨胀土、红黏土的胀缩幅度及强度衰减具有显著的抑制作用；曾召田等 17结合室内红黏土试样的直剪试验和等温吸附试验，却发现红黏土的强度随含水率的逐步增加呈现出分段式的变化趋势，即，抗剪强度随含水率的升高先上升后下降，存在临界含水率。综上所述，国内外学者进行的大量研究，主要集中于单一因素对红黏土的强度影响规律，红黏土抗剪强度的演变规律不尽相同。而综合考虑内外因，如含水率和级配，对其剪切强度影响的研究还较少见。本文选取在工程上应用广泛的红黏土，分别开展不同含水率、竖向荷载以及级配条件下的直接剪切试验，深入探究各因素的影响规律及作用机理，为分析红黏土地区工程建设及地质灾害等相关 收稿日期：2023 02 01作者简介：庄代文（1979），男，四川简阳人。高级工程师，主要从事道路、交通工程设计及研究工作。E-mail：。路基工程 56 Subgrade Engineering2023 年第 3 期（总第 228 期）问题提供理论依据和技术支撑。1 试验材料和方案 1.1 试验材料及方案设计试验土样取自昆明市某道路场地，取土深度为地 下 2 3 m。对 土 样 进 行 筛 分，并 对 粒 径2 mm 以下的细颗粒进行室内水筛，采用密度计法和移液法进行试验，然后用鼓风干燥机将土样连续 24 小时烘干，收集烘干后的样品用于不同级配的结构重塑。土样各项基本物性指标，见表 1。原状红黏土矿物成分测量结果，见表 2。红黏土主要由黏土矿物组成，非黏土矿物占比仅 10.4%。这不仅体现了其强烈的风化程度，也体现了该地区红黏土的水敏性，在不同含水率下，黏土矿物与孔隙水相互作用，进而影响土体自身抗剪强度的发挥。表1红黏土基本物理指标相对密度液限/%塑限/%塑性指数最大干密度/（gcm3）天然含水率/%黏聚力/kPa内摩擦角/（）2.7346.219.526.71.6822.632.423.5 表2原状红黏土矿物成分测量结果矿物石英 斜长石 钾长石 绿泥石 伊利石 高岭石 绿-蒙混层含量（%）5.92.81.77.45.68.268.4 对烘干好的细颗粒材料，按照小于 0.005、0.0050.01、0.010.075 mm 和大于 0.075 mm 四个级配区间，重塑不同的级配结构。不同结构的级配区间占比，见表 3。表3不同结构的级配区间占比级配结构各级配区间占比/%0.005 mm 0.0050.01 mm 0.010.075 mm 0.075 mmG110101070G230101050G350101030G470101010 为深入探究影响细颗粒材料抗剪强度的因素及其影响机制，本文从内外因角度出发共计考虑结构级配（G）、含水率（w）和竖向荷载（P）三种因素。结构级配作为内因，设计 G1、G2、G3 和G4 共 4 种级配结构。含水率和竖向荷载作为外因，含水率分别设计 15%、20%和 25%等3 组，竖向荷载分别设计 100、150、200 和 300 kPa等 4 组。共设计 48 组试验，每组试验设置 3 个有效平行试验，试验结果取各组平行试验结果的平均值。1.2 试验方法制样步骤：首先，按不同级配进行材料称取，并在容器内进行预拌和；其次，根据试验设计的不同含水率，称取所需的水量倒入容器内进行二次拌和；然后，将搅拌均匀的土样分三次加入压实桶内成型；最后，使用环刀进行取样，各取样后的重塑结构的具体级配占比和重塑效果，红黏土试样信息及直剪示意，见图 1。为避免试件大小、形状等因素对实验结果的影响，试样制作统一采用 60 cm3的环刀，每个重塑土样的直径 61.8 mm，高度20 mm。竖向荷载P上剪切盒测试样本下剪切盒剪切荷载FG Gh=20 mmd=61.8 mm数据及分析G10.075 mm10%10%10%70%G30.075 mm50%10%10%30%G20.075 mm30%10%10%50%G40.075 mm70%10%10%10%图1红黏土试样信息及直剪示意 试验步骤：首先，安装剪切盒并用销钉将上下盒连接牢固，在下盒底座中依次放置透水石、滤纸，将装有土样的环刀平口向上对准上盒内槽，在试样顶面依次放置滤纸和透水石，用加压盖板将土样从环刀中缓慢推入剪切盒，移去环刀；其次，将装好土样的剪切盒正确安装在直剪仪上，连接好直剪仪各部件，在剪切盒上放置加压框架，使螺杆与加压盖板接触，在吊盘上放置砝码并开始试验，试验中剪切速率设置为 0.02 mm/min；最后，每隔30 秒读取百分表数值一次，直至土体破坏时试验结束。2 结果及讨论对 48 组试样进行直接剪切测试，根据摩尔-库仑理论计算各试验组的黏聚力和内摩擦角，各组试样的抗剪强度测试结果，见表 4。在同一含水率和竖向荷载条件下，不同级配结构的抗剪强度不同，且强度发展没有规律性；对于不同的级配结构，在不同的含水率条件下，其抗剪强度均随竖向荷载的增大而增大；在不同竖向荷载条件下，重塑土各结构的抗剪强度均随含水率的增加而递减。庄代文，等：红黏土重塑结构的抗剪强度影响因素试验研究 57 表4不同级配结构的抗剪强度测试结果含水率W/%152025级配组合GG1G2G3G4G1G2G3G4G1G2G3G4竖向荷载 P/kPa10081.162.083.285.261.655.458.669.439.440.142.757.515097.974.299.0115.979.573.085.294.666.566.263.284.0200129.2120.3132.7145.299.7100.1111.6117.181.084.190.0109.9300154.2130.7182.2193.6132.7121.0155.7170.1109.3107.4120.7149.7黏聚力c/kPa45.428.228.633.926.525.012.018.710.913.25.514.3内摩擦角/（）20.520.127.028.319.618.425.826.718.618.121.524.6 2.1 级配结构对红黏土抗剪强度的影响在同一含水率条件下，不同级配结构的抗剪强度随竖向荷载的增大而增大，见图 2。G4 的抗剪强度随竖向荷载增加而增长的幅度最大，G2 的抗剪强度随竖向荷载增加而增长的幅度最小。G4 的抗剪强度始终处于最大值，在含水率为 15%、20%时，G2 的抗剪强度始终处于最小值。当含水率为25%、竖向荷载小于 200 kPa 时，G1、G2、G3 的抗剪强度值接近且显著小于 G4；当竖向荷载大于200 kPa 时，级配结构 G1 和 G2 的抗剪强度值接近且显著小于 G3、G4。试验结果说明不同级配结构中的细颗粒含量对重塑试样的抗剪强度有显著影响。对于 G4 结构，其重塑试样中小于 0.005 mm 的细颗粒含量占比达70%，细颗粒含量的增多有助于增大颗粒间吸附面积，加强团聚体的形成，随着外部荷载的增大，颗粒间相互嵌挤，形成悬浮密实型结构体，颗粒间摩阻力和共同结合水化膜联接增大，结构整体强度得以提升。当含水率增大后，尽管增加的水量使得部分颗粒表面结合水膜厚度增厚而难以黏聚，但颗粒间形成的密实型结构，导致结构内部水分难以排出，结构体内的水分产生的孔隙压力和颗粒间形成的嵌挤力共同承担外部荷载作用，致使试样的抗剪强度增大。对于 G2 结构，其重塑试样中大于0.075 mm 的细颗粒含量占比达 50%，致使结构内形成大颗粒为主的骨架体系，随着含水量的增加，在竖向压力的作用下，结构内水分的流失会消减内部孔隙压力，并带走部分细颗粒，最终抑制结构的抗剪强度发展。相比 G2，级配结构 G1 中大于 0.075 mm 的细颗粒含量占比达到了 70%，其在低含水率条件下的抗剪强度大于 G2，在中、高含水率条件下的抗剪强度与 G1 接近，说明大于 0.075 mm 的颗粒含量在不同含水率条件下存在不同的含量阈值。尤其在低含水率时，其含量越大越好，因为含水率较低时，细颗粒之间没有水膜的联结难以形成黏聚体，而粗颗粒却可以相互嵌挤形成骨架，进而增强结构强度。6080100120140160180200G1G2G3G4G1G2G3G4G1G2G3G4抗剪强度/kPa抗剪强度/kPa抗剪强度/kPa100150200250300竖向荷载/kPa100150200250300竖向荷载/kPa100150200250300竖向荷载/kPa604080100120140160180406080100120140160 a 含水率W=15%c 含水率W=25%b 含水率W=20%图2不同级配结构红黏土的抗剪强度随竖向荷载的变化 2.2 含水率对红黏土抗剪强度的影响不同含水率下红黏土抗剪强度随竖向荷载的变化，见图 3。对于 G1、G2、G3、G4 结构，含水率越大，结构的抗剪强度越小。在不同含水率条件下，重塑结构的抗剪强度随竖向荷载的增大呈现出不同的发展规律。对于 G1 和 G2 结构，当含水率为15%时，强度增长速率随竖向荷载的增加而呈现出先增加后减缓的发展规律，其中在 150 kPaP200 kPa 时，结构的强度增长速度最快；当含水率为20%和 25%时，竖向荷载由 100 kPa 升至 150 kPa过程中结构的强度增长速度最快。对于 G3 结构，当含水率为 15%和 25%时，其中在 150 kPaP200 kPa 时，结构的强度增长速度最快；而当含水率为 20%时，竖向荷载由 100 kPa 升至 150 kPa过程中结构的强度增长速度最快。对于 G4 结构，路基工程 58 Subgrade Engineering2023 年第 3 期（总第 228 期）在三种含水率条件下，结构的强度增长速度趋于一致，当含水率为 25%时，竖向荷载大于 200 kPa时，结构的强度增长速度明显放缓。W=15%W=20%W=25%抗剪强度/kPa抗剪强度/kPa抗剪强度/kPa抗剪强度/kPa100150200250300竖向荷载/kPa100150200250300竖向荷载/kPa100150200250300竖向荷载/kPa100150200250300竖向荷载/kPa406080100120140160406080100120140406080100120140160180200406080100120140160180200 a 级配结构G1 b 级配结构G2 d 级配结构G4 c 级配结构G3图3不同含水率下红黏土抗剪强度随竖向荷载的变化 含水率对重塑结构的影响显著，增加的含水量会降低结构内部的黏聚性，削弱结构整体强度。但含水率并不是单一反馈机制，当外部荷载不同时，含水率对各结构强度的影响效应是不同的，含水率和竖向荷载共同影响着结构的强度发展机制。是由于重塑结构的材料组成中细颗粒和大颗粒的含量不同，随着竖向荷载的增大，大颗粒间形成的骨架体系会发生变化和重组，而小颗粒的充填效应也随之发生改变，致使不同压力条件下各结构对水的滞留程度不同，进而影响结构内部颗粒的排列方式和颗粒间距缩小，形成结合水膜厚度和结合水化膜排列方式，最终使得其抗剪强度的发展结果呈现出差异性特征。2.3 竖向荷载对红黏土抗剪强度的影响对于 4 种不同的级配结构重塑土，在不同竖向荷载作用下，其抗剪强度均随结构含水率的增加而降低。为理清荷载作用下结构强度随含水率增长的具体变化规律，现对不同竖向荷载下各结构抗剪强度随含水率增加的强度降幅进行统计，见表 5。将含水率的增长分为两个阶段，重塑结构的含水率从 15%增长至 20%时为第一阶段，含水率从 20%增长至 25%时为第二阶段。强度最大降幅出现在竖向荷载为 100 kPa 的条件下，说明在低荷载条件下，随着含水率的增加，重塑结构的内部细颗粒会流失，结构松散度增加，进而降低结构强度。表5各结构抗剪强度随含水率增加的强度降幅荷载/kPa结构抗剪强度/kPa强度增长率/%15%20%25%15%20%20%25%100G181.161.639.424.0436.04G262.055.440.110.6527.62G383.258.642.729.5727.13G485.269.457.518.5417.15150G197.979.566.518.7916.35G274.273.066.21.629.32G399.085.263.213.9425.82G4115.994.684.018.3811.21200G1129.299.781.022.8318.76G2120.3100.184.116.7915.98G3132.7111.690.015.9019.35G4145.2117.1109.919.356.15300G1154.2132.7109.313.9417.63G2130.7121.0107.47.4211.24G3182.2155.7120.714.5422.48G4193.6170.1149.712.1411.99 不同级配结构在两个阶段的强度降幅只存在两种情况，前期降幅大于后期降幅，或者前期降幅小于后期降幅，说明各结构的含水率均存在一个阈值，含水率在阈值内可以减缓结构强度的降低，含水率在阈值外则会加剧结构强度的衰减。级配结构 G2 在两阶段中的强度降幅均较低，这是由于 G2 结构的级配中粗细颗粒较为均衡，形成的结构较为稳定，受结构内含水量的影响相对较小，但同时由于其结构内的大颗粒较多，因此其结构内的黏聚力相对较小，导致其剪切强度较小。不同级配结构中细颗粒的含量决定了重塑体的结构类型，而含水率和竖向荷载作为外部因素，对结构中颗粒的排列组合有着重要影响。通过对结构中颗粒的重组和孔隙水压力的调节，同时结构级配、含水率和竖向荷载三者间产生交互影响，最终决定了各结构的抗剪强度。2.4 各因素对红黏土抗剪强度的影响程度对三种因素进行敏感性分析，并计算其显著性水平，见表 6。其中，Fcrit为 F 值的临界值，分别采用 0.01、0.05 两个水平的显著性进行分析，据此推断各影响因素的敏感性。各因素对红黏土重塑结构抗剪强度的解释度为 94.6%，解释结果是可靠的。各因素的 P 值均呈现出 0.01 水平的显著性，说明三种因素对重塑结构的抗剪强度有显著性影响。通过对比各因素条件下的 F 值，可以判断出各因素对重塑结构抗剪强度的影响程度排序为：竖向荷载含水率级配庄代文，等：红黏土重塑结构的抗剪强度影响因素试验研究 59 结构。具体而言，竖向荷载的 FFcrit（0.01），说明竖向荷载呈现出极强的显著性，而针对含水率和级配结构，其 Fcrit（0.05）FFcrit（0.01），说明含水率和级配结构呈现出较强的显著性。表6各因素对红黏土重塑结构抗剪强度影响的显著性因素平方和自由度均方F值FcritP值R20.01水平0.05水平竖向荷载45668.83315222.94216.5629.469.280.0000.946含水率10336.4325168.2273.52199.1719.160.000级配结构5790.7831930.2627.4629.469.280.000 不同因素条件下各重塑结构的抗剪切能力有显著差异，尤其是外部竖向荷载对结构抗剪强度的影响极其显著，且该影响效应为正反馈，即外部荷载越大其结构的抗剪强度越大。而其他因素间的交互作用则对结构的抗剪强度有着不同的影响效应，甚至存在负反馈影响。说明在含水率和结构级配一定的条件下，外部竖向荷载对重塑结构抗剪强度的提升具有积极作用，而在竖向荷载一定的情况下，级配和含水率对重塑结构抗剪强度的影响存在部分抑制作用。2.5 红黏土重塑结构的抗剪强度预测模型为构建基于三种因素影响下的结构强度预测模型，采用 SPSS 软件进行多元线性拟合。由于级配属于定性因素，而基于表 3 可知不同的级配结构具有不同的黏聚力，因此用黏聚力 c 作为级配因素，P 代表竖向荷载因素，W 代表含水率因素，构建的强度预测模型F=0.415P370.403W 0.048c+96.972（1）基于式（1）中的预测模型，进行强度检验，强度预测模型与实测值比较，见图 4。406080 100 120 140 160 180 200406080100120140180160预测值/kPaR2=0.861实测值/kPa图4强度预测模型与实测值比较 模型精度较高，预测较为准确，因此，该模型可用于对重塑土体的剪切强度进行预测。3 结语本文通过对某道路现场红黏土材料的筛分和重塑试验，获取重塑结构的抗剪强度特征，计算各条件下重塑结构的黏聚力和内摩擦角，分析影响其强度发展的内外因素和影响机理，构建重塑结构的强度预测模型。（1）不同级配结构中细颗粒的含量决定了重塑结构的结构类型，而含水率和竖向荷载作为外部因素，对结构中颗粒的排列组合有着重要影响。（2）不同因素条件下各重塑结构的抗剪切能力有显著差异，外部竖向荷载对结构抗剪强度的影响极其显著，且该影响效应为正反馈，即外部荷载越大其结构的抗剪强度越大。而其他因素则对结构的抗剪强度有着不同的影响效应，甚至存在负反馈影响。（3）各因素对重塑结构抗剪强度的影响程度排序为：竖向荷载含水率级配结构。在含水率和结构级配一定的条件下，外部竖向荷载对重塑结构抗剪强度的提升具有积极作用，而在竖向荷载一定的情况下，级配和含水率对重塑结构抗剪强度的影响存在部分抑制作用。F=0.415P370.403W0.048c+96.972（4）采用 SPSS 软件构建基于三种因素影响下的结构强度预测模型，。模型精度较高，可用于红黏土重塑结构的剪切强度预测。参考文献(References)：1 张慧颖,张云淑,彭玉林,等.昆明红粘土的基本特征及工程效应影响机理的探讨 J.云南农业大学学报,2007,22（4）:615 617,622.ZHANG H Y,ZHANG Y S,PENG Y L,et al.Study on fundamentalcharacteristics and infection mechanism of red clay in Kunming J.Journal of Yunnan Agricultural University,2007,22（4）:615 617,622.2 孙希望,徐运龙,杨果岳,等.昆明地区压实红黏土抗剪强度特征研究 J.土工基础,2017,31（4）:465 467,499.SUN X W,XU Y L,YANG G Y,et al.Shear strength characteristics of acompacted red clay in Kunming area J.Soil Engineering and Foun-dation,2017,31（4）:465 467,499.3 傅鑫晖,韦昌富,颜荣涛,等.非饱和红黏土的强度特性研究 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structures,moisturecontents and vertical load conditions.It investigates the structural strength of the remodeled body under the effectsof various factors according to the test results,carries through significance analysis and discusses the degree ofinfluence of each factor on the structural strength of the remodeled structure.Keywords:lateritic clay；remodeled structure；shear strength；influence mechanism；sensitivity analysis庄代文，等：红黏土重塑结构的抗剪强度影响因素试验研究 61