趙秀紹，付智濤，耿大新，石鈺鋒，王梓堯

(華東交通大學(xué) 江西省巖土工程基礎(chǔ)設(shè)施安全與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330013)

0 引 言

千枚巖土在江西省中北部地區(qū)廣泛分布，具有難壓實(shí)，膨脹率大等特點(diǎn)。由于其黏聚力低，采用普通壓路機(jī)壓實(shí)時(shí)，壓實(shí)完成后壓實(shí)度與抗剪強(qiáng)度低[1-4]，邊坡穩(wěn)定性差，且極易受到擾動(dòng)，遇水后強(qiáng)度將會(huì)進(jìn)一步下降[5]，屬于工程性質(zhì)不良的填料，常作棄方處理。紅黏土是一種典型工程性質(zhì)不良的特殊土，具有較高的“水敏性”，遇水軟化現(xiàn)象十分明顯[6-8]，必須經(jīng)過(guò)一定處理方可用作路基填筑。

千枚巖土和紅黏土均為工程性質(zhì)不良的填料，筆者首次提出了利用特殊土紅黏土對(duì)千枚巖土進(jìn)行加固改良，以期達(dá)到充分利用兩種特殊土的目的。

為充分掌握紅黏土摻入千枚巖土的強(qiáng)度特性，開(kāi)展混合土室內(nèi)直接剪切試驗(yàn)研究，并進(jìn)一步探究混合土在浸水后強(qiáng)度衰減特性。目前關(guān)于紅黏土、千枚巖土混合土的強(qiáng)度特性研究較少，特別是這兩種特殊土浸水后強(qiáng)度衰減特性研究更少，但兩種土組成的混合土浸水后的抗剪強(qiáng)度對(duì)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)非常重要，因此有必要開(kāi)展浸水與未浸水情況下混合土抗剪強(qiáng)度研究。

1 試驗(yàn)材料

江西中北部地區(qū)千枚巖是由泥巖變質(zhì)而成的巖石，強(qiáng)度與硬度都很低，非常容易風(fēng)化，從地下開(kāi)挖出后初期為塊狀，經(jīng)雨淋后迅速風(fēng)化成土狀，因此稱(chēng)為千枚巖土，如圖1(a)、圖1(b)。

試驗(yàn)所用千枚巖土和紅黏土材料取自江西新建昌北貨場(chǎng)鐵路支線工程。紅黏土濕熱現(xiàn)象十分明顯，經(jīng)過(guò)日照失水后路基面會(huì)產(chǎn)生明顯裂縫，如圖1(c)。

圖1 千枚巖土和紅黏土Fig. 1 Phyllite soil and red clay

通過(guò)篩分試驗(yàn)得到千枚巖土和紅黏土的顆粒級(jí)配曲線如圖2。

圖2 級(jí)配曲線Fig. 2 Gradation curve

由圖2可知千枚巖土不均勻系數(shù)Cu=61.0，曲率系數(shù)Cc=3.800，粒徑小于0.075 mm的顆粒含量為73%；紅黏土不均勻系數(shù)C′u=26.3，曲率系數(shù)C′c=0.983，粒徑小于0.075 mm的顆粒含量為91%，兩種土均屬于級(jí)配不良的土。試驗(yàn)材料的基本物理性質(zhì)參數(shù)如表1。

表1 試驗(yàn)材料的基本物理性質(zhì)參數(shù)Table 1 Basic physical property parameters of test materials

2 試驗(yàn)方案與試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)方案

為測(cè)定千枚巖土摻入紅黏土后的抗剪強(qiáng)度，首先進(jìn)行試樣制備。以千枚巖土的干質(zhì)量m0為基準(zhǔn)，取紅黏土(m1)與千枚巖土的質(zhì)量比m1/(m0+m1)作為摻合比λ，紅黏土摻合比設(shè)計(jì)為0、20%、40%、60%、80%和100%，其中0為純千枚巖土，100%代表純紅黏土。

通過(guò)室內(nèi)重型擊實(shí)試驗(yàn)，得到不同紅黏土摻合比的混合土最大干密度ρdmax和最優(yōu)含水率wop，試驗(yàn)結(jié)果如表2。由表2可知：混合土的最優(yōu)含水率在18%左右，最大干密度在1.70 g/cm3左右。為了方便對(duì)比壓實(shí)度和制樣含水率的影響，抗剪強(qiáng)度試樣的含水率取14%、18%和22%，最大干密度取1.70 g/cm3，壓實(shí)度K取93%、95%和97%(93%為高速鐵路基床以下的壓實(shí)度要求，95%是基床底層的壓實(shí)度要求)，即對(duì)應(yīng)試樣的干密度分別為1.581、1.615和1.649 g/cm3。

表2 混合土擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Compaction test results of mixed soil

2.2 試驗(yàn)方法

直剪快剪試驗(yàn)可以反映路基邊坡失穩(wěn)剪切產(chǎn)生超孔隙水壓力，邊坡穩(wěn)定分析時(shí)常采用直剪快剪試驗(yàn)指標(biāo)，根據(jù)GBT 50123—2019 《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》試驗(yàn)采用直剪快剪試驗(yàn)，剪切速率控制為0.8 mm/min。試樣采用環(huán)刀試樣，試樣直徑61.8 mm，試樣高20.0 mm。每組試驗(yàn)制備4個(gè)試樣，分別施加50、100、150、200 kPa的豎向應(yīng)力。進(jìn)行浸水混合土直剪快剪試驗(yàn)時(shí)，將環(huán)刀土樣推入剪力盒中，按照試驗(yàn)的操作步驟安裝好壓蓋但是不施加豎向壓力，往直剪盒槽中注水，浸水24 h后進(jìn)行直剪快剪試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

直剪試驗(yàn)每組試樣都將得到4個(gè)正應(yīng)力σ和4個(gè)剪應(yīng)力τ，理論上這些數(shù)據(jù)點(diǎn)應(yīng)該在一條直線上，并且符合庫(kù)侖定律(1)：

τ=σtanφ+c

(1)

式中：c為土的黏聚力，kPa；φ為土的內(nèi)摩擦角，(°)。

由于試驗(yàn)儀器等原因，4個(gè)點(diǎn)不可能正好在一條直線上，目前常用線性回歸來(lái)求解c和tanφ以減小誤差[9]。

3.1 摻合比對(duì)混合土黏聚力的影響

制樣含水率w為14%、18%和22%時(shí)，浸水與未浸水混合土黏聚力c隨摻合比λ變化規(guī)律如圖3(圖3中，93，95，97代表未浸水壓實(shí)度為93%,95%和97%時(shí)的強(qiáng)度指標(biāo)，并用虛線連接；93sk，95sk，97sk代表浸水強(qiáng)度指標(biāo)，后文圖中sk標(biāo)識(shí)均為浸水指標(biāo))。相同情況下千枚巖土的黏聚力最低，在圖3(b)中當(dāng)含水率為18%且壓實(shí)度為K=93%時(shí)，純千枚巖土黏聚力僅有11.99 kPa。當(dāng)摻入紅黏土后，混合土的抗剪強(qiáng)度提高較為明顯，當(dāng)含水率為14%，壓實(shí)度K為95%時(shí)，λ每增長(zhǎng)20%，黏聚力約增長(zhǎng)52.9%。當(dāng)制樣含水率不同時(shí)，黏聚力隨紅黏土摻合比的變化規(guī)律呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律。

圖3 黏聚力隨摻合比的變化規(guī)律Fig. 3 Variation law of cohesion changing with mixing ratio

3.1.1 未浸水時(shí)黏聚力隨摻合比變化規(guī)律

1)未浸水情況下，當(dāng)紅黏土摻合比小于60%時(shí)，混合土黏聚力隨著摻合比的增長(zhǎng)而顯著增長(zhǎng)；當(dāng)摻合比大于60%時(shí)，制樣含水率不同，黏聚力變化規(guī)律不同。

2)當(dāng)制樣含水率為14%(低于最優(yōu)含水率18%)時(shí)，黏聚力隨摻合比的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)；當(dāng)制樣含水率為最優(yōu)含水率(18%)時(shí)，K=93%時(shí)黏聚力隨摻合比的增長(zhǎng)接近線性增長(zhǎng)，摻合比每增大20%，黏聚力增長(zhǎng)8.35 kPa；K=95%和97%時(shí)，黏聚力增長(zhǎng)較少甚至保持不變。

3)當(dāng)含水率為22%時(shí)，黏聚力隨著摻合的增長(zhǎng)而降低。

以上現(xiàn)象說(shuō)明，當(dāng)制樣含水率低于最優(yōu)含水率時(shí)，紅黏土摻入對(duì)混合土的黏聚力提高顯著；當(dāng)制樣含水率大于或等于最優(yōu)含水率時(shí)，λ≤60%時(shí)對(duì)黏聚力提高顯著；λ>60%時(shí)，整體趨勢(shì)為隨著紅黏土摻和比增長(zhǎng)，混合土黏聚力增長(zhǎng)幅度很小甚至發(fā)生降低，可以認(rèn)為紅黏土摻和比60%是優(yōu)化摻和比。

3.1.2 浸水時(shí)黏聚力隨摻合比變化規(guī)律

由圖3中實(shí)線(sk線)可知：當(dāng)紅黏土摻合比小于60%時(shí)，不同制樣含水率和壓實(shí)度情況下的混合土黏聚力均隨摻合比的增加而增長(zhǎng)。當(dāng)紅黏土摻合比大于60%時(shí)，隨著摻合比的繼續(xù)增加，混合土的黏聚力基本不再增加。紅黏土主要為團(tuán)粒結(jié)構(gòu)[1]，千枚巖土為片狀結(jié)構(gòu)，兩者混合后可形成較為緊密的嵌鎖情況，因此黏聚力提高；浸水后，土體含水率增大，紅黏土團(tuán)粒間的結(jié)合水膜變厚，顆粒間的靜電引力減小，黏聚力降低[9]。

3.1.3 混合土浸水前后黏聚力變化對(duì)比

混合土浸水后黏聚力會(huì)出現(xiàn)較大幅度降低，圖3中虛線與實(shí)線之間的距離即為黏聚力降低的幅度。為了定量描述黏聚力的降低，定義浸水前黏聚力與浸水后黏聚力的比值為折減系數(shù)δc，其定義如式(2)，變化規(guī)律如圖4。

(2)

式中：cusk為未浸水時(shí)混合土黏聚力；csk為浸水后混合土黏聚力。

圖4、圖7中93-14為k=93%，w=14%時(shí)的折減系數(shù)，以此類(lèi)推。圖4可知：當(dāng)含水率為14%時(shí)，整體趨勢(shì)為黏聚力折減系數(shù)隨紅黏土摻合比增大而增大，即紅黏土摻和比越高浸水后黏聚力降低幅度越大。以K=97%為例，紅黏土摻和比分別為0、20%、40%、60%、80%和100%時(shí)，折減系數(shù)分別為1.38、2.16、1.97、2.63、3.98和4.52。這種現(xiàn)象說(shuō)明摻入紅黏土的黏聚力水敏性非常高，在含水率低于最優(yōu)含水率時(shí)，摻合比越大，工程實(shí)際上黏聚力折減系數(shù)取值也越大。

圖4 黏聚力折減系數(shù)變化規(guī)律Fig. 4 Variation law of cohesion changing with reduction coefficient

當(dāng)含水率為18%或22%時(shí)，黏聚力折減系數(shù)呈波動(dòng)狀態(tài)，呈現(xiàn)出的規(guī)律并不明顯。黏聚力折減系數(shù)在1.22～2.67內(nèi)波動(dòng)，平均值為2.02，混合土工程計(jì)算時(shí)可以保守的取2.7作為折減系數(shù)。

千枚巖土本身的強(qiáng)度較低，浸水前后強(qiáng)度的變化較小[10]，而紅黏土本身強(qiáng)度較高且具有較強(qiáng)的水敏性，因此強(qiáng)度折減較大[11]。由圖4可知：僅當(dāng)含水率為14%時(shí)才會(huì)出現(xiàn)紅黏土摻合比越大強(qiáng)度衰減幅度越大的問(wèn)題，當(dāng)含水率為18%和22%時(shí)摻合比對(duì)黏聚力衰減幅度沒(méi)有明顯的增函數(shù)關(guān)系。

3.1.4 制樣含水率對(duì)黏聚力強(qiáng)度的影響

制樣含水率對(duì)黏聚力有顯著的影響，TB 10001—2016《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)基床底層及以下要求壓實(shí)度為91%，考慮到混合土無(wú)荷膨脹率還較大[2]，實(shí)際常通過(guò)提高2%壓實(shí)度(K=93%)來(lái)克服由于膨脹引起的壓實(shí)度降低。此壓實(shí)度下未浸水混合土黏聚力隨含水率變化如圖5(a)。

圖5 含水率對(duì)黏聚力強(qiáng)度的影響Fig. 5 Influence of water content on cohesive strength

千枚巖土本身強(qiáng)度較低，浸水前后黏聚力隨制樣含水率的變化不明顯，紅黏土本身強(qiáng)度高，而且“遇水軟化”十分嚴(yán)重，強(qiáng)度變化非常明顯。

以K=93%且w=18%為例，未浸水紅黏土黏聚力為80.03 kPa，但浸水后銳減為17.29 kPa，降低了78.4%。圖5(a)表明，混合土樣在未浸水情況下，黏聚力隨著制樣含水率的增加而減小，這是由于含水率越大，黏土顆粒之間的水膜越厚[12]，降低了顆粒之間的引力。浸水后黏聚力隨含水率變化如圖5(b)，黏聚力受制樣含水率影響仍然顯著，除λ=0和40%情況外，其它摻和比下黏聚力呈現(xiàn)先增加再降低的變化規(guī)律，因此多數(shù)情況下混合土在最優(yōu)含水率具有峰值黏聚力，工程中壓實(shí)土體時(shí)應(yīng)盡量使含水率接近最優(yōu)含水率。

3.2 摻合比對(duì)混合土內(nèi)摩擦角的影響

混合土內(nèi)摩擦角隨摻合比的變化規(guī)律如圖6。圖6中，虛線和實(shí)線分別為未浸水與浸水狀態(tài)下不同壓實(shí)度混合土的內(nèi)摩擦角變化規(guī)律。

圖6 內(nèi)摩擦角隨摻合比的變化規(guī)律Fig. 6 Variation low of internal friction angle withchanging mixing ratio

3.2.1 未浸水時(shí)內(nèi)摩擦角隨摻合比變化規(guī)律

由圖6可知：

1)當(dāng)混合土樣制樣含水率w≤18%時(shí)，土樣的內(nèi)摩擦角整體隨著摻合比增大而增大，但當(dāng)摻合比增加到80%時(shí)，內(nèi)摩擦角出現(xiàn)了較小的降低，此情況的主要是因?yàn)楫?dāng)摻合比大于80%時(shí)，混合土樣壓實(shí)情況較好且內(nèi)摩擦角大的紅黏土為主導(dǎo)，而根據(jù)兩種土樣的粒徑分布可以發(fā)現(xiàn)千枚巖土的粒徑較紅黏土大，千枚巖土的存在使混合土的級(jí)配相對(duì)于純紅黏土有一定的改善，形成較為密實(shí)的結(jié)構(gòu)，λ=80%混合土相對(duì)于純紅黏土，具有更大的內(nèi)摩擦角。

2)當(dāng)制樣含水率為22%時(shí)(大于最優(yōu)含水率)時(shí)，內(nèi)摩擦角變化規(guī)律呈現(xiàn)先增加后減小的變化規(guī)律，未浸水情況下在紅黏土摻合比等于60%時(shí)內(nèi)摩擦角最大。因此，摻合比超過(guò)60%對(duì)內(nèi)摩擦角強(qiáng)度提高貢獻(xiàn)較小甚至沒(méi)有貢獻(xiàn)，建議摻合比不高于60%。

3.2.2 浸水后內(nèi)摩擦角隨摻合比變化規(guī)律

浸水混合土的內(nèi)摩擦角整體隨摻合比的增大呈現(xiàn)明顯的波浪形變化，由圖6可知：

1)當(dāng)摻合比低于40%時(shí)，內(nèi)摩擦角隨摻合比的增大而增大，在摻合比20%～40%增長(zhǎng)最為顯著，當(dāng)K=95%和w=18%時(shí)，摻合比增大20%而內(nèi)摩擦角由18.14°增大至26.07°，增長(zhǎng)了43.7%。

2)摻合比為60%處內(nèi)摩擦角出現(xiàn)輕微的下降，w=14%，18%和22%對(duì)應(yīng)的內(nèi)摩擦角相比λ=40%分別降低了8.5%，3.6%和5.2%，即在最優(yōu)含水率處降低幅度最小。

3)隨著摻合比由60%增大至100%時(shí)，內(nèi)摩擦角先增大后減小，即λ=80%浸水混合土的內(nèi)摩擦角比浸水純紅黏土大。當(dāng)K=95%時(shí)，3種含水率下λ=60%混合土的內(nèi)摩擦角與純紅黏土相近，但λ=80%混合土的內(nèi)摩擦角相對(duì)于純紅黏土分別提高了8.2%，16.8%和17.9%，可認(rèn)為千枚巖土的摻入可以降低紅黏土浸水后的內(nèi)摩擦角損失，使混合土的內(nèi)摩擦角相對(duì)于純紅黏土有一定的提高。

千枚巖土和紅黏土混合后形成了更為緊密的結(jié)構(gòu)，在紅黏土的鐵質(zhì)膠結(jié)作用下[11]，顆粒間存在咬合作用，產(chǎn)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)難度較高，內(nèi)摩擦角增大；而浸水后土樣的含水率增大，顆粒表層結(jié)合水膜變厚，對(duì)土顆粒的相對(duì)錯(cuò)動(dòng)起潤(rùn)滑作用，因此內(nèi)摩擦角減小。

3.2.3 浸水前后內(nèi)摩擦角變化對(duì)比

圖6中虛線與實(shí)線間的距離即為內(nèi)摩擦角由于浸水原因產(chǎn)生降低的幅度。為了定量化描述內(nèi)摩擦角的降低幅度，定義浸水前的內(nèi)摩擦角與浸水后內(nèi)摩擦角的比值為折減系數(shù)δφ，其定義如式(3)：

(3)

式中：φusk為未浸水時(shí)混合土的內(nèi)摩擦角；φsk為浸水后混合土的內(nèi)摩擦角。

內(nèi)摩擦角折減系數(shù)隨摻合比的變化規(guī)律如圖7。圖7表明當(dāng)紅黏土摻和比為0%、20%、40%、60%、80%和100%時(shí)，δφ變化范圍分別為1.04～1.55、1.22～1.72、1.20～1.32、1.22～1.44、1.12～1.51、1.19～1.65。數(shù)據(jù)分析表明，當(dāng)紅黏土摻和比為0%、20%、80%和100%時(shí)，δφ變化范圍較大。當(dāng)紅黏土摻和比為40%和60%時(shí)，δφ變化范圍較小，可認(rèn)為混合土的內(nèi)摩擦角變化較小且趨于穩(wěn)定，工程上計(jì)算時(shí)可取最不利情況δφ=1.72。

圖7 內(nèi)摩擦角折減系數(shù)變化規(guī)律Fig. 7 Variation law of internal friction angle changing withreduction coefficient

4 基于抗剪強(qiáng)度摻合比優(yōu)選討論

對(duì)比浸水與未浸水混合土的黏聚力變化，摻合比應(yīng)控制在40%～80%內(nèi)，但由于浸水后混合土在摻合比40%～60%范圍內(nèi)摩擦角隨摻合比增大而減小，在摻合比60%～80%內(nèi)逐漸增大，而內(nèi)摩擦角的折減系數(shù)在摻合比40%～80%內(nèi)波動(dòng)較小，浸水后強(qiáng)度減小幅度較小，因此摻合比應(yīng)控制在40%～80%內(nèi)。

結(jié)合前期室內(nèi)液塑限試驗(yàn)結(jié)果[2]，液限wL，塑限wP，液性指數(shù)IP隨摻合比λ的關(guān)系如圖8。

圖8 不同摻合比下wp、wL、IP的變化規(guī)律Fig. 8 Variation law of wp, wL and IP under different blending ratios

非浸水混合土的液限隨摻合比呈三次多項(xiàng)式變化如式(4)，相關(guān)系數(shù)為0.931 2。

ωL=-3.3×10-5λ3+0.007 46λ2-0.365 92λ+43.433 75

(4)

根據(jù)式(4)數(shù)學(xué)模型計(jì)算的結(jié)果，摻合比在13%～52%內(nèi)，混合土的液限小于40%。TB 10001—2016《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，當(dāng)wL<40%為低液限土，劃分為C組填料，可用于普通II級(jí)鐵路基床底層以下填筑，也可用于I組鐵路基床底層填筑。因此，當(dāng)紅黏土摻合比為13%～52%時(shí)，混合土可用作上述路基部位填料。

由于工程上難以精確控制摻合比，結(jié)合浸水與非浸水混合土的黏聚力和內(nèi)摩擦角隨摻合比的變化，摻合比應(yīng)控制在40～50%內(nèi)。

5 結(jié) 論

紅黏土的摻入對(duì)千枚巖強(qiáng)度增長(zhǎng)有明顯的增強(qiáng)作用，通過(guò)未浸水與浸水后混合土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)與分析，可以得出如下結(jié)論：

1)浸水與未浸水狀態(tài)下，在紅黏土摻合比60%以?xún)?nèi)，混合土樣黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ均隨摻合比的增大而顯著增大；當(dāng)摻合比超過(guò)60%時(shí)改良效果不佳甚至出現(xiàn)降低。

2)當(dāng)含水率為14%時(shí)，混合土的黏聚力折減系數(shù)隨摻合比的增加而增大，即摻合比越大浸水后衰減幅度越大，最大可達(dá)4.63；當(dāng)含水率為18%或22%時(shí)，黏聚力折減系數(shù)呈波動(dòng)狀態(tài)，呈現(xiàn)出的規(guī)律并不明顯，在平均值2.02上下波動(dòng)，變化范圍為1.22～2.67，工程計(jì)算時(shí)可以保守的取2.7作為折減系數(shù)。

3)未浸水時(shí)土樣黏聚力隨制樣含水率的增大而減小，多數(shù)情況下浸水后黏聚力在最優(yōu)含水率18%處最大，建議在最優(yōu)含水量附近進(jìn)行壓實(shí)。

4)混合土樣內(nèi)摩擦角折減系數(shù)變化范圍較大為1.04～1.72，當(dāng)紅黏土摻合比為40% 和60%時(shí)變化范圍較小，分別為1.20～1.32和1.22～1.44，可取最大值1.44作為摻和比40%～60%時(shí)的保守折減系數(shù)。

5)結(jié)合未浸水混合土的液塑限分析、浸水與未浸水混合土的黏聚力和內(nèi)摩擦角變化規(guī)律，紅黏土改良千枚巖土摻合比優(yōu)選范圍為40%～50%。