罗聪聪，龚爱民，徐兴倩，谢 非，刘安尧，栗瑞珺

(云南农业大学水利学院，云南 昆明 650201)

0 引 言

云南是我国典型的多山地区，干湿季节明显，区内红黏土广泛分布，昆明盆地周边红黏土较为发育[1]。红黏土是由石灰岩、玄武岩等岩石经强烈的红土化作用形成的棕红色、褐黄色的区域性特殊土，具有高液限、高塑性、大孔隙比、低压实性等特征[2-3]。随着云南山区建设步伐不断加快，高速公路、铁路、水利水电等大型工程项目不断增多，红黏土型工程问题日益凸显，尤其是红土型滑坡问题。区域内存在大量的红土型边坡，在地震、降雨条件下常引发工程滑坡问题，严重影响实际工程的顺利开展和安全运行[4]。

红黏土的抗剪强度是评判边坡稳定性的重要参数，其测试的准确性直接影响边坡稳定性评价结果及滑坡工程防治效果。近年来，很多学者开展了原状与重塑红黏土剪切特性的对比分析研究。唐益群等[5]探讨了贵州石漠化地区原状与重塑红黏土抗剪强度受含水率控制的变化规律，得出含水率的变化是影响红黏土水土流失的重要因素。张彦召等[6-7]利用三轴试验得出贵阳原状红黏土抗剪强度明显高于重塑土，两者的差异性取决于土体中孔隙的微观维度和尺度。聂庆科等[8]对比分析广西靖西击实原状与重塑红黏土剪切特性表明，红黏土具有很强的结构性，呈现出应变硬化特征。陈佳雨等[9]讨论了广西桂林原状和重塑红黏土强度特性，揭示了土体微观结构性能对宏观力学性质的影响机理。

目前，针对云南红黏土剪切强度特性的研究取得了很多成果，主要集中于非饱和红黏土强度特性[10]、干湿循环条件下抗剪强度变化规律[11-12]、污染红黏土抗剪强度特性[13-14]、抗剪强度网络模型[15]、改良红黏土强度特性[16]、室内滑坡模型试验[17-18]等方面。上述研究主要集中于对云南原状或重塑红黏土强度特性的研究，针对原状与重塑土的剪切特性的差异性对比分析研究相对较少，尚缺两者的差异性量化关系分析。为此，本文通过取自云南昆明市区代表性红黏土样，以含水率和粒径级配为变量，基于室内直剪试验对比分析了原状与重塑土样的抗剪强度差异性，提出了差异性量化关系，初步探讨了差异性存在的主要原因，可为昆明市区红黏土抗剪强度的取值提供参考。

1 试验方法

1.1 取样及物理指标

为研究粒径级配对于抗剪强度的影响，试验红黏土取自昆明市4个不同的地点，共取4个原状土样，标记为A、B、C、D。根据GB/T 50123—1999《土工试验方法标准》[19]进行物理力学性质试验，试验结果见表1。同时，按照颗分试验结果，绘制4个土样的粒径级配曲线，见图1。从图1可知，此次试验土样土颗粒较为均匀，级配良好。

表1 粒径级配试验原状土样参数

图1 红黏土粒径级配累积曲线

为研究含水率对于土样抗剪强度的影响，试验所取的红黏土来自于云南昆明某山向阳坡，在山顶、山腰、山脚分别取了一定量的红黏土，分别标记为1、2、3号，将所取回的土样进行基础物理力学性质试验，试验结果见表2。

表2 含水率试验原状土样参数

1.2 试验方法

根据GB/T 50123—1999，在4个点取回的土样中每个点取3组、每组500 g共12组进行试验。烘干后，使用振动筛进行颗分试验，同时测出土样的含水率，方便以后用以作为配制含水率相同的重塑土样。以含水率为影响因素的试验中，在3个不同的地点所取回的土样中随机各称取3组、每组500 g共9组进行烘干，测得土样的天然含水率。

土样制备完成后，使用袋子将土样进行短时间密封且将其放入保湿环境内，以便后续的使用。完成试验后，把原状土土样进行烘干和碾碎后，自然风干一定时间，之后按照GB/T 50123—1999中重塑土样的制备方法，将其制备成与原状土样的原位密度、含水率、粒径级配相同的重塑土样，将重塑土样再一次进行与原状土样完全相同的直接剪切试验。

试验采用ZJ型应变控制式直剪仪进行直剪试验。按照GB/T 50123—1999，施加50、100、200 kPa和300 kPa的竖向荷载，直剪仪的转数为4 r/min，以剪切位移为6 mm作为试验结束的依据。

2 试验结果

2.1 不同粒径级配红黏土剪切试验

对于4个原状土试样进行剪切特性试验，绘制剪应力和剪切位移的关系曲线，同时以抗剪强度为纵坐标，垂直压力为横坐标，绘出抗剪强度曲线。较为典型的土样A相应曲线见图2、3。

图2 原状土样A剪应力与剪切位移的关系

图3 原状土样A抗剪强度与垂直压力的关系

之后，将完成剪切试验的原状土制备成与原状土原状密度和含水率相同的重塑土样，进行剪切特性试验，并进行与原状土样相同的操作方式。重塑土样A相应曲线见图4、5。

图4 重塑土样A剪应力与剪切位移的关系

图5 重塑土样A抗剪强度与垂直压力的关系

根据粒径级配曲线以及4个土样原状土样和重塑土样剪应力与剪切位移关系曲线及抗剪强度曲线，分别计算原状土样和重塑土样的粒径级配指标，即不均匀系数Cu、曲率系数Cc、平均粒径d50，以及抗剪强度指标，即内摩擦角φ的正切值和黏聚力c。计算结果见表3。

表3 土样参数及抗剪指标

2.2 不同含水率红黏土剪切试验

将3个原状土试样1、2、3号进行剪切特性试验，绘制剪应力和剪切位移的关系曲线，同时以抗剪强度为纵坐标，垂直压力为横坐标，绘出抗剪强度曲线。原状土样1号相应曲线见图6、7。

图6 原状1号土样剪应力与剪切位移的关系

图7 原状1号土样抗剪强度与垂直压力的关系

将完成剪切试验的原状土制备成与原状土原状密度和含水率相同的重塑土样，再次进行剪切特性试验，绘制出剪应力和剪切位移的关系曲线及抗剪强度曲线。重塑土样1号相应曲线见图8、9。

图8 重塑1号土样剪应力与剪切位移的关系

图9 重塑1号土样抗剪强度与垂直压力的关系

根据3个不同含水率的原状土样和重塑土样剪应力与剪切位移关系曲线及抗剪强度曲线，分别计算原状土样和重塑土样的抗剪强度指标，即内摩擦角φ的正切值和黏聚力c。计算结果见表4。

表4 不同含水率原状与重塑红黏土抗剪强度指标

3 试验分析及讨论

3.1 不同粒径级配红黏土剪切特性对比分析

根据表3绘制原状土样和重塑土样的不均匀系数Cu与内摩擦角φ的正切值和黏聚力c之间的关系，见图10。从图10可知：

图10 不均匀系数Cu与抗剪指标的关系

绘制原状土样与重塑土样的曲率系数Cc与抗剪指标的关系，见图11。从图11可知：

图11 曲率系数Cc与抗剪指标的关系

绘制原状土样与重塑土样的平均粒径d50与抗剪指标的关系，见图12。从图12可知：

图12 平均粒径d50与抗剪指标的关系

3.2 不同含水率红黏土剪切特性对比分析

根据表4原状土样与重塑土样含水率与内摩擦角φ和黏聚力c之间的关系，绘制含水率与抗剪指标的关系，见图13。从图13可知：

图13 含水率与抗剪指标的关系

(1)重塑土样和原状土样的含水率与内摩擦角成线性关系，说明无论是原状土样还是重塑土样，其含水率对内摩擦角的影响不是很明显。根据拟合曲线，用原状土拟合多项式减去重塑土拟合多项式得出，原状土样与重塑土样之间的差异关系式为Δtanφ=-0.003 7ω+0.061 1。

(2)随着含水率的增大，原状土样的黏聚力先增大后减小；与之相反，随着含水率的增大，重塑土样的黏聚力先减小后增大，说明含水率对黏聚力有着显著的影响。根据拟合曲线，用原状土拟合多项式减去重塑土拟合多项式得出，原状土样与重塑土样之间的差异关系式为Δc=-0.471 5ω2+20.796 2ω-216.101。

原状土样与重塑土样的含水率与抗剪强度的关系见图14。从图14可知，在竖向荷载的压力条件下，土样抗剪强度与含水率间线性关系较好，用线性拟合后，相关系数R2均达到0.98以上。因此，在一定的程度上，可以近似地认为在某一竖向荷载下，抗剪强度与含水率成正比，用原状土拟合多项式减去重塑土拟合多项式得出，原状土样与重塑土样之间的差异关系式为Δτ=-0.675 7ω+24.679。

图14 含水率与抗剪强度的关系

4 结 语

本文基于直接剪切试验，对不同级配和含水率的昆明原状与重塑红黏土的剪切特性进行了研究，得出以下结论：

(1)红黏土级配指标(不均匀系数、曲率系数、平均粒径)与原状和重塑土的剪切特性之间存在着一定的关系。对于天然红黏土，级配指标不均匀系数、曲率系数、平均粒径发生改变会对红黏土的剪切特性产生较大影响。因此，粒径级配是影响原状与重塑红黏土剪切特性的主要因素。

(2)以含水率作为主要研究对象对剪切特性的探讨，在不同的竖向荷载下，红黏土土样的抗剪强度与含水率之间的线性关系拟合程度较为理想，采用线性拟合后，所得到的相关系数R2均可以达到0.98以上。因此，在一定的程度上可以近似认为在一定的竖向荷载下，红黏土的抗剪强度与其含水率之间成正比关系。

(3)在试验的过程中，随着土体不均匀性增强，土体连续性会发生改变，从而使土体内部结构组成形式发生改变，土颗粒间的变化对剪切特性会产生较大影响。因此，下一步可以采用一些可以观察其微观结构的仪器，进一步从微观结构探讨土体颗粒之间的变化对于红黏土的抗剪强度影响。