高液限土和红黏土的水敏感性研究

刘顺青，洪宝宁，方庆军，刘 鑫

1)河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，南京210098;2)河海大学岩土工程科学研究所，南京210098

中国正在建设或已经建设的多条高速公路和铁路沿线均不同程度地分布着高液限土和红黏土.高液限土含水量高、液限高、黏粒含量大，难于压实，具有裂隙性，作为路堤填土或路堑土，对高速公路路基的强度和路堑边坡的稳定性而言是一种不良土质［1］;红黏土含水量高、液塑限高、孔隙比较大、裂隙发育，遇水后膨胀量小，失水后剧烈收缩，为黏土［2］.可见，高液限土和红黏土都是工程上的特殊土，均具有显著的水敏感性.目前，国内外许多学者对不同含水率条件下土体的强度特性进行了研究.党进谦等［3］对不同含水率条件下黄土的强度特性进行了试验研究;胡昕等［4］对不同含水率下煤系土的抗剪强度进行了试验研究;丁万涛等［5］研究了含水率对加筋膨胀土强度的影响;赵颖文等［6］对广西原状红黏土的力学指标、胀缩特性与孔径分布随脱湿过程的演化规律进行了较为系统的室内试验研究;王军等［7］对不同含水量下膨胀砂岩的抗剪强度进行了试验研究;杨明等［8］对皖西膨胀土标准吸湿含水率特征进行了研究.迄今为止，有关高液限土的研究主要集中在高液限土作为路堤填料的路用特性和改良措施方面［1，9-13］，有关红黏土的研究主要集中在红黏土的工程力学特性方面［14-15］，但关于高液限土和红黏土在不同含水率条件下的强度特性规律研究较少.因此，加强高液限土和红黏土的水敏性特征的试验研究与理论探讨，不仅对土力学理论的发展有学术价值，同时也是工程实践的需要.对于某一具体工程，土的结构和密度在局部范围内不会有太大的变化，相对而言，含水量的变化对强度的影响要大于其他因素，对工程的影响愈更加明显［5］.本研究通过对取自广梧高速公路河口至双凤段的高液限土、红黏土进行了一系列的直接剪切试验，研究了含水量对高液限土和红黏土抗剪强度的影响，对比分析了高液限土和红黏土的水敏感性，根据研究得到的结论给出了广梧高速公路营运期高液限土和红黏土路堑边坡的处理建议.

1 土料及测试方法

1.1 土料的基本特征

高液限土取自广梧高速公路河口至双凤段第6标段.该高液限土的粒组成分为:粒径＜0.005 mm的颗粒占40.3%，在0.005～0.01 mm的颗粒占14.4%，在0.01～0.05 mm的颗粒占12.8%，在0.05～0.1 mm的颗粒占17.2%，＞0.1 mm的颗粒占15.3%，表明高液限土细颗粒比例较高.原状高液限土的基本物理力学指标为:干密度为1.31 g/cm3;天然密度为1.72 g/cm3;天然含水率为31.0%;孔隙比为1.072;快剪黏聚力为38.0 kPa，内摩擦角为 30.0°;液限为 58.3%;塑限为28.5%.

红黏土取自广梧高速公路河口至双凤段第4标段.该红黏土的粒组成分为:粒径＞2.0 mm的占2%，粒径在1.0～2.0 mm的占0.9%，粒径在0.5～1.0 mm的占2.2%，粒径在0.25～0.5 mm的占1.67%，粒径在0.075～0.25 mm的占7.06%，粒径＜0.075 mm的占86.17%，表明该红黏土细颗粒比例较高.原状红黏土的基本物理力学指标为:干密度为1.53 g/cm3;天然含水率为25.5%;天然密度为1.92 g/cm3;孔隙比为0.771;快剪黏聚力为52.4 kPa，内摩擦角为22.7°;液限为45.5%;塑限为24.2%.根据岩土工程勘察规范可知［16］，该红黏土为次生红黏土.文献［6］中广西红黏土的天然含水量为47.4%，孔隙比高达1.40，粒径 ＜2 μm的颗粒比例为61%.

1.2 测试方法

高液限土制样干密度为1.31 g/cm3，按含水率10%、12%、14%、16%、18%、20%、24%、26%、28%、30%、32%和35%，制备12组试样，每组4个样，上覆压力分别为100、200、300和400 kPa;红黏土制样干密度为1.53 g/cm3，按含水率 10.3%、11.5%、13.8%、14.8%、16.8%、19.0%、 20.6%、 22.0%、 23.0%、 24.0%、25.7%和26.5%，制备12组试样，每组4个样，在制样过程中发现，低含水率制作的试样偏硬，高含水率的试样偏软，为避免在低含水率时初级上覆压力偏小，高含水率时初级上覆压力偏大，造成土体溢出，在施加上覆压力的环节中，对于低含水率采用200、300、400和500 kPa的上覆压力，对于高含水率则采用100、200、300和400 kPa的上覆压力.将制备好的试样，分别在不同的垂直压力下，施加水平剪应力，求得破坏时的剪切应力，并根据Coulomb定律确定土样的抗剪强度.直接剪切试验选用南京土壤仪器厂生产的ZJ型应变控制式直剪仪.试验结果见表1.

表1 不同含水率高液限土和红黏土的强度指标Table 1 Strength index of high liquid limit soil and red clay under different water contents

2 试验结果分析

2.1 含水率对黏聚力的影响

图1给出了高液限土和红黏土的黏聚力与含水率的关系曲线.由图1可见，随着含水率的增加，高液限土和红黏土的黏聚力总体上均呈减小趋势，但变化趋势具有较大差异.赵颖文等［6］通过直剪试验得出广西原状红黏土的黏聚力随着含水率的降低呈现先增大、后减小的变化，这与本研究红黏土黏聚力随含水率的变化有所区别.区域的不同导致两处红黏土物理力学性质的差异可能是两者黏聚力变化趋势不同的主要原因.高液限土黏聚力与含水率间的回归关系近似用指数函数表示为

红黏土黏聚力与含水率之间的回归关系近似用指数函数表示为

其中，c为黏聚力;w为含水率.一般认为，土的黏聚力主要来源于土粒间的相互吸引、水膜联结及颗粒间的胶结等［17］，其中土颗粒间的水膜联结和胶结作用对黏聚力的产生具有重要作用，而水膜联结与胶结作用都与含水率有较大关系，因此土的黏聚力随着含水率的不同变化较大.随着含水率的增加，土粒表面扩散层弱结合水膜增厚，粒间距离增大，连结力逐渐减弱，直到土体饱和水膜联结完全丧失［18］.颗粒间的胶结作用主要来源于土料本身，亦即在矿物的溶解和重析出过程中生成的［19］，这些物质只有当土中的自由水增加到某数值后，颗粒间的胶结物才开始被溶蚀，颗粒胶结作用才逐渐丧失.不难看出，只要土体含水率发生变化，水膜联结作用就会与之响应，而胶结作用只有当土体含水率超过某数值后才会逐渐减小，且不能恢复.因此，随着含水率的增大，土体黏聚力的减小趋势具有分段性.高液限土黏聚力减小的分段性不明显，主要是因为该土黏粒比例高，土体比表面积大，水膜联结作用相比胶结作用更为显著.而红黏土的黏聚力减小具有明显的分段性，在含水率为10%～20%这一区段黏聚力下降最为明显，黏聚力下降了近80%，在含水率为23%接近饱和时，黏聚力已相对稳定，波动不明显.主要是因为红黏土以游离氧化铁的胶结为主要的胶结形式，游离氧化铁与黏土矿物相互吸附，以包膜形式分布在黏土矿物团粒周围，对团粒起到牢固胶结作用，当含水率达一定值时，胶结连结就会骤然破环，黏聚力明显下降.

图1 高液限土和红黏土的黏聚力与含水率的关系Fig.1 Curve of cohesion and water content of high liquid limit soil and red clay

2.2 含水率对内摩擦角的影响

图2给出了高液限土和红黏土的内摩擦角与含水率的关系曲线.从图2可以看出，含水率变化对高液限土和红黏土的内摩擦角影响都较大.赵颖文等［6］通过直剪试验，发现广西原状红黏土的内摩擦角随着含水率的降低呈先增后减趋势，这与本研究红黏土的变化趋势稍有不同，主要原因与黏聚力相似.高液限土的内摩擦角与含水率之间的回归关系近似用分段函数表示为

红黏土的内摩擦角与含水率之间的回归关系近似用分段函数表示为

其中，φ为内摩擦角;w为含水率.

图2 高液限土和红黏土的内摩擦角与含水率的关系曲线Fig.2 Curve of internal friction angle and water content of high liquid limit soil and red clay

当高液限土的含水率从10.0%增至35.0%，其内摩擦角在29.2°到14.6°之间变化;而当红黏土的含水率从10.3%增至26.5%，其内摩擦角在52°到15°间变化.随着含水率的增加，高液限土和红黏土的内摩擦角都具有显著的分段性特征，但两者分段点的含水率具有较大差异，高液限土的内摩擦角分段点的含水率接近其塑限，而红黏土的内摩擦角分段点的含水率在20%左右，小于其塑限.土的内摩擦角与土的颗粒结构、大小、形状及密实度密切相关［17］.高液限土具有一定的吸水膨胀和失水收缩的特性，含水率的变化导致高液限土的结构、大小和密实度发生变化，进而导致高液限土内擦角减小或增大.红黏土吸水膨胀量小，失水收缩量大，含水率的变化也会导致其结构、大小和密实度发生变化.同时由于红黏土中游离氧化铁的胶结作用形成了一定的团粒结构，随着含水率变化幅度的增大，团粒结构在水体的润滑作用下孔隙结构逐渐增大，咬合度逐渐降低，宏观表现为内摩擦角的减小.另一方面，从基质吸力的角度来说，随着红黏土饱和度的逐渐增大，原有的负孔隙水压力逐渐减小，表面张力逐渐消失，在表面张力作用下的颗粒与颗粒间的挤压作用也随之逐渐消失，作用在团粒表面的正应力减小，相应的摩擦作用也就减小［20］.

2.3 含水率对抗剪强度包线的影响

图3给出了不同含水率下高液限土的抗剪强度包线.图4给出了不同含水率下红黏土的抗剪强度包线.从图3和图4可以看出，高液限土和红黏土的抗剪强度均与初始含水率有显著相关，含水率越大抗剪强度越小.同时，随着初始含水率的增加两类土的抗剪强度的降低趋势具有显著的阶段性:先小幅降低，后急剧降低，但两类土变化趋势转换点对应的含水率有较大差异.高液限土约为30%，红黏土约为22%，这主要是两者土颗粒间的胶结物质不同引起的.

图3 不同含水率下高液限土的抗剪强度包线Fig.3 Shear strength envelope of high liquid limit soil under different water contents

图4 不同含水率下红黏土的抗剪强度包线Fig.4 Shear strength envelope of red clay under different water contents

3 讨论

高液限土和红黏土的抗剪强度都具有比较明显的水敏感性，虽然都属于黏性土，但由于土颗粒间的胶结物质不同，两者表现出不同的规律性.广梧高速公路河口至双凤段高液限土主要以路堑边坡和路堤地基土的形式出现，而红黏土则主要以路堑边坡的形式出现.目前，广梧高速公路已进入营运阶段，由于含水率变化对高液限土和红黏土的抗剪强度有显著影响，为保证营运期路堑边坡的稳定性，必须采取措施减少高液限土和红黏土含水率的变化.根据本文试验结果，对广梧高速公路河口至双凤段的高液限土和红黏土路堑边坡，给出以下处理建议:①高液限土表层失水速率比内部快，表层易出现硬壳层和裂缝，应采取措施防止高液限土边坡与大气环境直接接触，并定期做好边坡的现场踏勘，发现裂缝应及时封堵，防止雨水灌入使边坡土体强度降低，从而引发滑坡;② 红黏土表层由于无定形铁结晶所形成的硬壳层的缩胀性质容易形成裂缝，裂缝的存在破坏了土体的完整性，增大了土体的渗透性，同时为雨水进入边坡体内提供了通道，而红黏土的强度又具有显著的水敏感性，所以裂缝的存在影响了边坡的稳定性.对于已经处于营运期的红黏土路堑边坡，应做好表层防水，建立相应的排水系统，并定期进行现场踏勘，发现裂缝应及时封堵;③ 在边坡稳定性计算中，高液限土黏聚力可按指数函数形式取值.高液限土的内摩擦角按分段形式取值:含水量小于塑限时，直线变化率较小;含水量大于塑限后，直线变化率较大;④在边坡稳定性计算中，红黏土黏聚力可按指数函数形式取值.红黏土的内摩擦角按分段形式取值:小于某含水量时，视为常数;大于该含水量时，按与含水量成指数关系取值.

结 语

综上研究可知:① 高液限土和红黏土的抗剪强度均与初始含水率明显相关，初始含水率越大抗剪强度越小;② 随着含水率的增大，高液限土黏聚力与含水量成指数函数关系形式减小，其内摩擦角则先小幅减小，后急剧减小;③ 随着含水率的增大，红黏土黏聚力变化具有显著的分段性:在某一含水率区段内下降最为明显，当含水率接近饱和含水率时，则趋于稳定.红黏土的内摩擦角则随着含水率的增加先保持稳定，后急剧减小;④ 土颗粒间胶结物质的不同是导致高液限土和红黏土水敏感性不同的主要原因.

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