羅聰聰，龔愛(ài)民，徐興倩，謝 非，劉安堯，栗瑞珺

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，云南 昆明 650201)

0 引 言

云南是我國(guó)典型的多山地區(qū)，干濕季節(jié)明顯，區(qū)內(nèi)紅黏土廣泛分布，昆明盆地周邊紅黏土較為發(fā)育[1]。紅黏土是由石灰?guī)r、玄武巖等巖石經(jīng)強(qiáng)烈的紅土化作用形成的棕紅色、褐黃色的區(qū)域性特殊土，具有高液限、高塑性、大孔隙比、低壓實(shí)性等特征[2-3]。隨著云南山區(qū)建設(shè)步伐不斷加快，高速公路、鐵路、水利水電等大型工程項(xiàng)目不斷增多，紅黏土型工程問(wèn)題日益凸顯，尤其是紅土型滑坡問(wèn)題。區(qū)域內(nèi)存在大量的紅土型邊坡，在地震、降雨條件下常引發(fā)工程滑坡問(wèn)題，嚴(yán)重影響實(shí)際工程的順利開(kāi)展和安全運(yùn)行[4]。

紅黏土的抗剪強(qiáng)度是評(píng)判邊坡穩(wěn)定性的重要參數(shù)，其測(cè)試的準(zhǔn)確性直接影響邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果及滑坡工程防治效果。近年來(lái)，很多學(xué)者開(kāi)展了原狀與重塑紅黏土剪切特性的對(duì)比分析研究。唐益群等[5]探討了貴州石漠化地區(qū)原狀與重塑紅黏土抗剪強(qiáng)度受含水率控制的變化規(guī)律，得出含水率的變化是影響紅黏土水土流失的重要因素。張彥召等[6-7]利用三軸試驗(yàn)得出貴陽(yáng)原狀紅黏土抗剪強(qiáng)度明顯高于重塑土，兩者的差異性取決于土體中孔隙的微觀維度和尺度。聶慶科等[8]對(duì)比分析廣西靖西擊實(shí)原狀與重塑紅黏土剪切特性表明，紅黏土具有很強(qiáng)的結(jié)構(gòu)性，呈現(xiàn)出應(yīng)變硬化特征。陳佳雨等[9]討論了廣西桂林原狀和重塑紅黏土強(qiáng)度特性，揭示了土體微觀結(jié)構(gòu)性能對(duì)宏觀力學(xué)性質(zhì)的影響機(jī)理。

目前，針對(duì)云南紅黏土剪切強(qiáng)度特性的研究取得了很多成果，主要集中于非飽和紅黏土強(qiáng)度特性[10]、干濕循環(huán)條件下抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律[11-12]、污染紅黏土抗剪強(qiáng)度特性[13-14]、抗剪強(qiáng)度網(wǎng)絡(luò)模型[15]、改良紅黏土強(qiáng)度特性[16]、室內(nèi)滑坡模型試驗(yàn)[17-18]等方面。上述研究主要集中于對(duì)云南原狀或重塑紅黏土強(qiáng)度特性的研究，針對(duì)原狀與重塑土的剪切特性的差異性對(duì)比分析研究相對(duì)較少，尚缺兩者的差異性量化關(guān)系分析。為此，本文通過(guò)取自云南昆明市區(qū)代表性紅黏土樣，以含水率和粒徑級(jí)配為變量，基于室內(nèi)直剪試驗(yàn)對(duì)比分析了原狀與重塑土樣的抗剪強(qiáng)度差異性，提出了差異性量化關(guān)系，初步探討了差異性存在的主要原因，可為昆明市區(qū)紅黏土抗剪強(qiáng)度的取值提供參考。

1 試驗(yàn)方法

1.1 取樣及物理指標(biāo)

為研究粒徑級(jí)配對(duì)于抗剪強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)紅黏土取自昆明市4個(gè)不同的地點(diǎn)，共取4個(gè)原狀土樣，標(biāo)記為A、B、C、D。根據(jù)GB/T 50123—1999《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[19]進(jìn)行物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。同時(shí)，按照顆分試驗(yàn)結(jié)果，繪制4個(gè)土樣的粒徑級(jí)配曲線，見(jiàn)圖1。從圖1可知，此次試驗(yàn)土樣土顆粒較為均勻，級(jí)配良好。

表1 粒徑級(jí)配試驗(yàn)原狀土樣參數(shù)

圖1 紅黏土粒徑級(jí)配累積曲線

為研究含水率對(duì)于土樣抗剪強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)所取的紅黏土來(lái)自于云南昆明某山向陽(yáng)坡，在山頂、山腰、山腳分別取了一定量的紅黏土，分別標(biāo)記為1、2、3號(hào)，將所取回的土樣進(jìn)行基礎(chǔ)物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 含水率試驗(yàn)原狀土樣參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)GB/T 50123—1999，在4個(gè)點(diǎn)取回的土樣中每個(gè)點(diǎn)取3組、每組500 g共12組進(jìn)行試驗(yàn)。烘干后，使用振動(dòng)篩進(jìn)行顆分試驗(yàn)，同時(shí)測(cè)出土樣的含水率，方便以后用以作為配制含水率相同的重塑土樣。以含水率為影響因素的試驗(yàn)中，在3個(gè)不同的地點(diǎn)所取回的土樣中隨機(jī)各稱取3組、每組500 g共9組進(jìn)行烘干，測(cè)得土樣的天然含水率。

土樣制備完成后，使用袋子將土樣進(jìn)行短時(shí)間密封且將其放入保濕環(huán)境內(nèi)，以便后續(xù)的使用。完成試驗(yàn)后，把原狀土土樣進(jìn)行烘干和碾碎后，自然風(fēng)干一定時(shí)間，之后按照GB/T 50123—1999中重塑土樣的制備方法，將其制備成與原狀土樣的原位密度、含水率、粒徑級(jí)配相同的重塑土樣，將重塑土樣再一次進(jìn)行與原狀土樣完全相同的直接剪切試驗(yàn)。

試驗(yàn)采用ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀進(jìn)行直剪試驗(yàn)。按照GB/T 50123—1999，施加50、100、200 kPa和300 kPa的豎向荷載，直剪儀的轉(zhuǎn)數(shù)為4 r/min，以剪切位移為6 mm作為試驗(yàn)結(jié)束的依據(jù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 不同粒徑級(jí)配紅黏土剪切試驗(yàn)

對(duì)于4個(gè)原狀土試樣進(jìn)行剪切特性試驗(yàn)，繪制剪應(yīng)力和剪切位移的關(guān)系曲線，同時(shí)以抗剪強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，垂直壓力為橫坐標(biāo)，繪出抗剪強(qiáng)度曲線。較為典型的土樣A相應(yīng)曲線見(jiàn)圖2、3。

圖2 原狀土樣A剪應(yīng)力與剪切位移的關(guān)系

圖3 原狀土樣A抗剪強(qiáng)度與垂直壓力的關(guān)系

之后，將完成剪切試驗(yàn)的原狀土制備成與原狀土原狀密度和含水率相同的重塑土樣，進(jìn)行剪切特性試驗(yàn)，并進(jìn)行與原狀土樣相同的操作方式。重塑土樣A相應(yīng)曲線見(jiàn)圖4、5。

圖4 重塑土樣A剪應(yīng)力與剪切位移的關(guān)系

圖5 重塑土樣A抗剪強(qiáng)度與垂直壓力的關(guān)系

根據(jù)粒徑級(jí)配曲線以及4個(gè)土樣原狀土樣和重塑土樣剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線及抗剪強(qiáng)度曲線，分別計(jì)算原狀土樣和重塑土樣的粒徑級(jí)配指標(biāo)，即不均勻系數(shù)Cu、曲率系數(shù)Cc、平均粒徑d50，以及抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，即內(nèi)摩擦角φ的正切值和黏聚力c。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 土樣參數(shù)及抗剪指標(biāo)

2.2 不同含水率紅黏土剪切試驗(yàn)

將3個(gè)原狀土試樣1、2、3號(hào)進(jìn)行剪切特性試驗(yàn)，繪制剪應(yīng)力和剪切位移的關(guān)系曲線，同時(shí)以抗剪強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，垂直壓力為橫坐標(biāo)，繪出抗剪強(qiáng)度曲線。原狀土樣1號(hào)相應(yīng)曲線見(jiàn)圖6、7。

圖6 原狀1號(hào)土樣剪應(yīng)力與剪切位移的關(guān)系

圖7 原狀1號(hào)土樣抗剪強(qiáng)度與垂直壓力的關(guān)系

將完成剪切試驗(yàn)的原狀土制備成與原狀土原狀密度和含水率相同的重塑土樣，再次進(jìn)行剪切特性試驗(yàn)，繪制出剪應(yīng)力和剪切位移的關(guān)系曲線及抗剪強(qiáng)度曲線。重塑土樣1號(hào)相應(yīng)曲線見(jiàn)圖8、9。

圖8 重塑1號(hào)土樣剪應(yīng)力與剪切位移的關(guān)系

圖9 重塑1號(hào)土樣抗剪強(qiáng)度與垂直壓力的關(guān)系

根據(jù)3個(gè)不同含水率的原狀土樣和重塑土樣剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線及抗剪強(qiáng)度曲線，分別計(jì)算原狀土樣和重塑土樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，即內(nèi)摩擦角φ的正切值和黏聚力c。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 不同含水率原狀與重塑紅黏土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

3 試驗(yàn)分析及討論

3.1 不同粒徑級(jí)配紅黏土剪切特性對(duì)比分析

根據(jù)表3繪制原狀土樣和重塑土樣的不均勻系數(shù)Cu與內(nèi)摩擦角φ的正切值和黏聚力c之間的關(guān)系，見(jiàn)圖10。從圖10可知：

圖10 不均勻系數(shù)Cu與抗剪指標(biāo)的關(guān)系

繪制原狀土樣與重塑土樣的曲率系數(shù)Cc與抗剪指標(biāo)的關(guān)系，見(jiàn)圖11。從圖11可知：

圖11 曲率系數(shù)Cc與抗剪指標(biāo)的關(guān)系

繪制原狀土樣與重塑土樣的平均粒徑d50與抗剪指標(biāo)的關(guān)系，見(jiàn)圖12。從圖12可知：

圖12 平均粒徑d50與抗剪指標(biāo)的關(guān)系

3.2 不同含水率紅黏土剪切特性對(duì)比分析

根據(jù)表4原狀土樣與重塑土樣含水率與內(nèi)摩擦角φ和黏聚力c之間的關(guān)系，繪制含水率與抗剪指標(biāo)的關(guān)系，見(jiàn)圖13。從圖13可知：

圖13 含水率與抗剪指標(biāo)的關(guān)系

(1)重塑土樣和原狀土樣的含水率與內(nèi)摩擦角成線性關(guān)系，說(shuō)明無(wú)論是原狀土樣還是重塑土樣，其含水率對(duì)內(nèi)摩擦角的影響不是很明顯。根據(jù)擬合曲線，用原狀土擬合多項(xiàng)式減去重塑土擬合多項(xiàng)式得出，原狀土樣與重塑土樣之間的差異關(guān)系式為Δtanφ=-0.003 7ω+0.061 1。

(2)隨著含水率的增大，原狀土樣的黏聚力先增大后減??；與之相反，隨著含水率的增大，重塑土樣的黏聚力先減小后增大，說(shuō)明含水率對(duì)黏聚力有著顯著的影響。根據(jù)擬合曲線，用原狀土擬合多項(xiàng)式減去重塑土擬合多項(xiàng)式得出，原狀土樣與重塑土樣之間的差異關(guān)系式為Δc=-0.471 5ω2+20.796 2ω-216.101。

原狀土樣與重塑土樣的含水率與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系見(jiàn)圖14。從圖14可知，在豎向荷載的壓力條件下，土樣抗剪強(qiáng)度與含水率間線性關(guān)系較好，用線性擬合后，相關(guān)系數(shù)R2均達(dá)到0.98以上。因此，在一定的程度上，可以近似地認(rèn)為在某一豎向荷載下，抗剪強(qiáng)度與含水率成正比，用原狀土擬合多項(xiàng)式減去重塑土擬合多項(xiàng)式得出，原狀土樣與重塑土樣之間的差異關(guān)系式為Δτ=-0.675 7ω+24.679。

圖14 含水率與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系

4 結(jié) 語(yǔ)

本文基于直接剪切試驗(yàn)，對(duì)不同級(jí)配和含水率的昆明原狀與重塑紅黏土的剪切特性進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論：

(1)紅黏土級(jí)配指標(biāo)(不均勻系數(shù)、曲率系數(shù)、平均粒徑)與原狀和重塑土的剪切特性之間存在著一定的關(guān)系。對(duì)于天然紅黏土，級(jí)配指標(biāo)不均勻系數(shù)、曲率系數(shù)、平均粒徑發(fā)生改變會(huì)對(duì)紅黏土的剪切特性產(chǎn)生較大影響。因此，粒徑級(jí)配是影響原狀與重塑紅黏土剪切特性的主要因素。

(2)以含水率作為主要研究對(duì)象對(duì)剪切特性的探討，在不同的豎向荷載下，紅黏土土樣的抗剪強(qiáng)度與含水率之間的線性關(guān)系擬合程度較為理想，采用線性擬合后，所得到的相關(guān)系數(shù)R2均可以達(dá)到0.98以上。因此，在一定的程度上可以近似認(rèn)為在一定的豎向荷載下，紅黏土的抗剪強(qiáng)度與其含水率之間成正比關(guān)系。

(3)在試驗(yàn)的過(guò)程中，隨著土體不均勻性增強(qiáng)，土體連續(xù)性會(huì)發(fā)生改變，從而使土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成形式發(fā)生改變，土顆粒間的變化對(duì)剪切特性會(huì)產(chǎn)生較大影響。因此，下一步可以采用一些可以觀察其微觀結(jié)構(gòu)的儀器，進(jìn)一步從微觀結(jié)構(gòu)探討土體顆粒之間的變化對(duì)于紅黏土的抗剪強(qiáng)度影響。