周明凯 徐福增 穆璇

摘 要：通过对不同干密度红黏土无砂和加砂试样分别进行增湿与不增湿直接剪切试验，通过试验对不增湿条件下无砂与加砂红黏土的抗剪强度变化规律及增湿条件下对无砂与加砂红黏土抗剪强度的影响展开研究。试验结果表明：加砂对红黏土粘聚力的影响大于对内摩擦角的影响。不增湿条件下土样抗剪强度受到初始含水率、干密度及掺砂的影响。在相同增湿条件下加砂试样比无砂试样的强度较低，且加砂试样的内摩擦角相对于无砂土样变化小。

关键词：红黏土；抗剪强度；试验；掺砂；增湿

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.10.207

1 引言

云南省位于我国西南边陲，地形复杂，自然环境千差万别，每年11月至次年4月为干季，天气干燥少雨，夏季受西南季风影响，降水充沛，雨量大，雨水渗透到土体中，导致含水率上升，基质吸力不断减小[1-2]，当土体由非饱和状态变为饱和状态时，土体的抗剪强度逐渐减小，并可能诱发滑坡泥石流等地质灾害[3-4]，从而给建筑物和构筑物的安全带来威胁。因此，深刻认识增湿条件下，土体的强度特性对解决工程问题具有十分重要的意义。

红黏土在省内分布十分广泛，因其具有高粘粒含量、高含水率、高塑性指数、低压实性的特点，故不能完全满足施工对填料的要求，因而常需要对其进行人工改良使用。目前对红黏土的改良，主要有化学改性和物理改性两种方法。化学改性通常是在红黏土中掺入水泥、石灰、粉煤灰等粉体材料[5-8]，通过一系列化学反应，生成胶凝材料，提高土体的粘聚力，降低含水率，易于压实并具有较高的强度；物理改性通常是在紅黏土中掺入砂砾、碎石等颗粒状材料，改善红黏土的水理性质，并利用砂砾、碎石产生的摩阻力改良红黏土的性能[9-12]。

目前，诸多学者对红黏土改良后抗剪强度及其主要影响因素有了较为深入的研究，而对红黏土掺砂后增湿强度的研究较少。本文针对红黏土掺砂后增湿强度研究中的不足，通过对重塑土样进行“风干”处理，利用ZJ型应变控制式直剪仪对不同干湿条件下掺砂红黏土的抗剪强度进行试验研究，分析掺砂对红黏土增湿强度特性的影响，对工程实践中红黏土的改良处理具有参考价值。

2 试验材料与方法

2.1 供试材料

试验用土取自云南省昆明市盘龙区某施工场地，砂土为浅黄色，红黏土为红褐色，经过风干、碾碎后过2mm的筛备用。红黏土的基本物理指标如表1所示：

取2mm筛下土充分拌匀作为试验用土，试样分为4组，干密度1.3 g/cm3掺砂比例为0、10%，干密度1.4 g/cm3掺砂比例为0、10%，每组8个样分别进行不增湿与增湿直剪试验。为方便试样击实，按30%的含水率用喷雾器均匀喷洒于土样上充分拌匀后，装入保鲜袋内扎紧袋口，并将保鲜袋放入密封盒中盖紧，置于避光处润湿一昼夜，以保证土样中的水分均匀。用烘干法测定润湿土样不同位置的含水率，按所需干密度称取所需土样质量。为进行增湿直剪试验，需要控制试样的初始含水率，把制好的试样置于室外进行二次风干，试验时，试样的含水率为3.5±0.5%。

2.2 增湿条件下的直剪试验

直剪试验所用试样直径61.8mm、高20mm，在ZJ型应变控制式直剪仪上进行，垂直压力分别为100、200、300、400kPa，以0.8mm/min的速率剪切[13]，每组分为不增湿和增湿两种情况，增湿方案为：用注射器吸取10ml水，当试样开始剪切时，从剪切盒顶盖的缝隙向试样中加水，加水速度尽量缓慢均匀，不宜过快，注水时间控制在3min以内。增湿过程中试样含水率分布不均匀且随时间不断变化，因此本次试验中的应力变量采用总应力[14]，不测量基质吸力。

3 结果与讨论

3.1 掺砂对红黏土强度影响

图1给出不同干密度下加砂与无砂两种土样在不增湿条件下抗剪强度与垂直压力的关系曲线，从图中可以看出，加砂后强度包线在τ-σ坐标上会往下移，即：试样在相同干密度，且垂直压力小于400kPa时，无砂土样的强度包线总是位于加砂土样的上方。出现这种现象的主要原因是尽管两种土样的初始含水率相同，但红黏土中掺入10%砂后，砂的含水率较红黏土低得多，使加砂土样红黏土含水率有所提高，红黏土颗粒之间的相互引力受到影响而减弱，最终导致掺砂土样的抗剪强度偏低。

3.2 掺砂对红黏土增湿强度影响

不同干密度下加砂与无砂两种土样在增湿条件下抗剪强度与垂直压力的关系曲线如图2，从图中可以看出，在增湿条件下，相同干密度的加砂土样的强度包线总是位于无砂土样的下方，这是因为尽管两种土样的初始干密度相同，但红黏土中掺入10%砂后，砂的渗透系数较红黏土高得多，在相同的增湿条件下，加砂土样的含水率更高，红黏土颗粒之间的粘聚作用受到影响而减弱，最终导致掺砂土样在增湿条件下的抗剪强度偏低。

3.3 抗剪强度参数变化

加砂与无砂土样在不增湿（NW）和增湿（W）条件下的抗剪强度参数如表2所示。

在不增湿条件下，红黏土掺砂后能够使土体粘聚力c值减小，内摩擦角φ值增大，且掺砂对红黏土粘聚力的影响大于对内摩擦角的影响。粘聚力减小的主要原因是红黏土中掺入一定量的砂后，砂分散于土颗粒中，自身没有粘聚力，降低了红黏土颗粒之间的联结力，使颗粒之间的胶凝作用减弱。掺砂后，红黏土中的胶凝物质与砂砾经过团粒化的作用，一部分砂砾被红黏土包裹形成较大的粗糙团粒，其余未被红黏土包裹的砂砾填充在红黏土与团粒之间孔隙中，增强了颗粒之间的咬合程度，从而导致红黏土掺砂后内摩擦角增大。

在增湿条件下，增湿使加砂和无砂两种土样c、φ值都下降，且加砂土样相对于无砂土样的内摩擦角φ变化较小，这是因为在相同的增湿条件下，入渗到土体内的水分不断增多，颗粒间的胶结作用逐渐减弱，使土颗粒之间有一定的润滑作用，导致土颗粒间的摩擦强度降低，因加砂后砂分散在土颗粒中，而砂的摩擦强度较红黏土高，从而出现加砂土样比无砂土样的内摩擦角φ变化较小的现象。

4 结论

本文主要对不增湿及增湿条件下红黏土加砂与无砂的强度特性展开研究，结果表明红黏土中掺砂削弱了土颗粒之间的联结能力，增强了红黏土颗粒之间的内摩擦能力，且对红黏土粘聚力的影响程度大于对内摩擦角的影响。不增湿条件下土样抗剪强度受到初始含水率及掺砂量的影响。在相同增湿条件下加砂土样比无砂土样的抗剪强度较低，土样c、φ值都减小，且加砂土样的内摩擦角φ相对于无砂土样变化小。

参考文献：

[1]张鹏程，汤连生，邓钟尉等.非饱和土湿吸力与含水率的定量关系研究[J].岩土工程学报，2011，34（08）：1453-1457.

[2]李涛，刘波，杨伟红等.基质吸力对重塑红黏土抗剪强度影响的试验研究[J].中国矿业大学学报，2013，42（03）：375-381.

[3]常金源，包含，伍法权等.降雨条件下浅层滑坡穩定性探讨[J].岩土力学，2015，36（04）：995-1001.

[4]豆红强，韩同春，龚晓南等.降雨条件下考虑饱和渗透系数变异性的边坡可靠度分析[J].岩土力学，2016，37（04）：1144-1152.

[5]曾军.石灰改良红黏土的试验研究[J].铁道科学与工程学报，2016，

13（07）：1289-1293.

[6]刘之葵，郭彤，王剑.粉煤灰和二灰对桂林红黏土力学性质的影响[J].水文地质工程地质，2017，44（03）：86-92.

[7]胡文华，刘超群，刘中启等.水泥或石灰改良红黏土的力学强度特性试验研究[J].路基工程，2017（05）：11-14+19.

[8]朱莹莹，李就好，刘懿韬等.水泥粉煤灰改良南方红黏土的试验研究[J].公路工程，2017，42（02）：145-149.

[9]刘攀，李守德，董薇.消石灰和砂砾改良红黏土对比试验研究[J].能源与环保，2017，39（05）：24-28.

[10]杨俊，邹林，狄先均等.天然砂砾改良红黏土的力学指标试验及数学模型预估[J].公路交通科技，2015，32（09）：41-48.

[11]董薇，黄待望，王红英.掺砂改良红黏土室内试验研究[J].能源与环保，2018，40（11）：157-162.

[12]石崇喜，黄英，杨玉婷等.掺砂红土的力学特性及掺砂机理研究[J].工程勘察，2011，39（04）：1-8.

[13]中华人民共和国水利部.GB/T 50123-1999，土工试验方法标准[M].北京：中国计划出版社，1999.

[14]Zhang C，Wang X，Zou X，et al.Estimation of surface shear

strength of undisturbed soils in the eastern part of northern

China's wind erosion area [J].Soil & Tillage Research，2018（178）：

1-10.

云南农业大学研究生创新基金项目资助。

作者简介：周明凯（1993-），男，山东潍坊人，硕士研究生在读，主要从事岩土工程方面的研究。