羅文俊，王海洋，劉煥強，劉明星

（1.華東交通大學(xué)鐵路環(huán)境振動與噪聲教育部工程研究中心，江西 南昌330013；2.中鐵電氣化局集團有限公司，北京100000）

紅粘土廣泛存在于我國南方地區(qū)，它是由母巖中礦物的遷移、過渡、交代、沉淀等過程，經(jīng)過一系列的化學(xué)、物理化學(xué)變化而形成的[1-2]。紅粘土是一種具有特殊工程性質(zhì)的土體，具有較高含水率、高液塑限、孔隙比較大、密度大、壓縮性低、遇水膨脹、失水收縮等特點[3]，這些特點的存在一方面使得紅粘土具有良好的地基承載力，另一方面也使紅粘土存在眾多的工程隱患[4-5]。 因此，含水率是造成紅粘土強度變化的重要因素，進行含水率對紅粘土抗剪強度的影響研究對現(xiàn)有工程具有重要意義。

胡展飛、傅艷蓉[6]針對上海軟黏土的原狀與重塑土分別進行了室內(nèi)直剪試驗研究，發(fā)現(xiàn)抗剪強度參數(shù)和均隨含水量的增加而減小；王中文等[7]研究了廣東云浮紅粘土抗剪強度的水敏性，發(fā)現(xiàn)其抗剪強度、粘聚力和內(nèi)摩擦角均隨含水率的增加呈衰減趨勢；劉小文、常立君等[8]以南昌地區(qū)紅土為對象，考慮不同含水率、干密度對其抗剪強度的影響，進行室內(nèi)直剪試驗研究，結(jié)果表明：抗剪強度和粘聚力c 隨干密度的增大而遞增，內(nèi)摩擦角φ 則呈遞減趨勢，隨著含水率的增大，c 逐漸減小而φ 先增大后減小；湯新福、趙云剛[9]研究了壓實粘土抗剪強度與含水量的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)粘土的抗剪強度和內(nèi)摩擦角φ 隨壓實含水量的增大而減小，粘聚力隨壓實含水量增加呈折線變化；趙蕊等[10]以貴陽重塑紅黏土為對象，進行了三軸不固結(jié)不排水剪切試驗，結(jié)果表明：貴陽重塑紅黏土的不排水抗剪強度及粘聚力、內(nèi)摩擦角均隨含水量的增大而減小。

然而，由于受到土體應(yīng)力歷史、礦物成分、內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)等因素的影響，土體抗剪強度隨含水率的變化規(guī)律對于不同地域的土體具有顯著的差異性[11]。 國內(nèi)外學(xué)者對江西省廣泛分布的特殊紅粘土研究較少。江西紅粘土具有特殊的結(jié)構(gòu)性，二氧化硅含量高，含網(wǎng)紋層，為亞熱帶地區(qū)富硅鋁鐵的高嶺土類型[12]。 目前，含水率對該類紅粘土抗剪強度的影響機理尚不清晰。

本文對江西重塑紅粘土的抗剪強度特性做了較為全面的試驗研究，研究了土體的抗剪強度參數(shù)（粘聚力、內(nèi)摩擦角）隨含水率的變化規(guī)律，通過X 射線衍射試驗分析了江西紅粘土的礦物組成及其含量占比，通過電鏡掃描觀察，用紅粘土土樣微觀結(jié)構(gòu)的變化很好地解釋了宏觀試驗現(xiàn)象，為本地區(qū)工程項目建設(shè)提供了試驗基礎(chǔ)。

1 基本物理力學(xué)特性

1.1 基本物理指標(biāo)

土樣取自南昌市某施工工地旁的殘積紅土層，依據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》[13]，對紅粘土樣進行一系列的室內(nèi)常規(guī)試驗，得出紅粘土的基本物理指標(biāo)，試驗結(jié)果見表1。

依據(jù)《土工試驗技術(shù)手冊》[14]，該土樣液限大于40%，塑性指數(shù)大于17，為高液限紅粘土，液性指數(shù)小于0，可判定其處于堅硬狀態(tài)。

1.2 顆分試驗

顆粒級配分析試驗按照《公路土工試驗規(guī)程》的要求進行，試驗結(jié)果見表2。 可以看出，顆粒粒徑大于0.075 mm 的含量所占的比例較大，說明紅粘土未完全風(fēng)化，含有風(fēng)化不完全的礦物[15]。其礦物成分及含量有待進一步做X 射線衍射試驗分析。

表1 紅粘土基本物理指標(biāo)Tab.1 Basic physical indexes of red clay

表2 土樣顆粒組成百分比Tab.2 Particle composition percentage of soil samples

1.3 擊實試驗

按照土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)[16]，采用余土高度“精確邊擊邊測”的控制方法對土樣進行擊實試驗[17]，由此來確定紅粘土的最大干密度ρdmax和最優(yōu)含水率wop。 圖1 為紅粘土的擊實曲線。

從圖1 試驗結(jié)果可以看出，該擊實曲線在峰值點處所對應(yīng)的含水率即為紅粘土的最優(yōu)含水率，峰值點處所對應(yīng)的干密度即為最大干密度，由此可知紅粘土的最大干密度ρdmax=1.74 g/cm3，最優(yōu)含水率wop=16%。

圖1 ρd-w 關(guān)系曲線Fig.1 ρd-w relation curve

1.4 X 射線衍射試驗

取適量烘干后的紅粘土粉末裝入樣品框中，并用玻璃片一次性將樣品壓平。 使用Bruker D8 FOCUS 型X 射線衍射儀測定衍射強度,利用XRD 全譜擬合法對獲得的XRD 圖譜進行半定量相分析。

分析得出，該紅粘土樣中主要成分為石英，其含量高達83.5%，其次為云母，占比12.4%，鉀長石占比3.8%，氧化鐵的含量很少，僅有0.3%。 這可能是次生紅粘土歷經(jīng)礦物的遷移、搬運、沉積，并發(fā)生一系列物理化學(xué)變化的結(jié)果，同時也反映了取土工地紅粘土地基的不均勻性。

2 抗剪強度試驗

2.1 試樣的制備及試驗過程

2.1.1 試驗儀器常規(guī)直剪試驗在ZJ-4 型四聯(lián)直剪儀上進行。該試驗裝置為應(yīng)變控制式直剪儀，位移計的量程為10 mm,最小刻度值是0.01 mm，所使用的環(huán)刀內(nèi)徑為61.8 mm，高20 mm，容積為60 cm3。

2.1.2 試樣的制備及試驗過程

首先取土樣置于通風(fēng)處風(fēng)干，將風(fēng)干后的紅粘土放置于橡皮板上用木碾碾碎，過2 mm 孔徑的篩網(wǎng)，取篩下足量的土樣，測出該風(fēng)干土的含水率，然后按照設(shè)計含水率14%，16%，18%，20%，22%，計算出每種含水率下所需要加水的質(zhì)量，噴灑水霧至充分拌合均勻后，密封在塑料袋中浸潤一晝夜備用。最后均以95%的壓實度（采用質(zhì)量控制的方法來控制壓實度的大?。┲瞥森h(huán)刀土樣，每種含水率下制成4 個環(huán)刀樣，共20 個土樣，每個環(huán)刀樣的質(zhì)量誤差控制在±2 g。 試樣制備完畢后立即用保鮮膜將其包住，以防止水分的蒸發(fā)。 由于本文是模擬土體不固結(jié)不排水并快速剪切至破壞的情形，故而進行快剪試驗[18]。 試樣的制作過程嚴格遵守《土工試驗規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定。 土樣的實際含水率在直剪試驗完成后進行測量，分別為14.33%，16.37%，18.03%，19.33%，21.55%。

快剪試驗中將制備好的土樣裝入直剪儀的剪切盒中，土樣上下兩面均依次為濕濾紙和透水石，其中濕濾紙的含水量應(yīng)盡可能接近試樣的含水量。 試樣裝好后，對每組試驗的4 個土樣分別施加100，200，300，400 kPa 的垂直壓力，以0.8 mm/min 的速率進行剪切，使試樣在3～5 min 內(nèi)剪壞，如測力計讀數(shù)達到穩(wěn)定或有顯著后退，則表明土樣已經(jīng)剪壞，一般宜剪至剪切變形4 mm，若測力計讀數(shù)繼續(xù)增加則應(yīng)剪至剪切變形達到6 mm 為止，記錄土樣在各級垂直荷載下的最大剪應(yīng)力。

2.2 試驗數(shù)據(jù)分析

通過對土樣在試驗前后的對比，從外觀可以看出，試驗前的土樣整體比較密實，剪切破壞后高含水率土樣產(chǎn)生較大的剪切位移，不容易開裂，呈現(xiàn)良好的塑性破壞特性。 而低含水率土樣在剪切破壞后易開裂破碎，呈現(xiàn)出脆性破壞特性。 這與劉小文所研究的非飽和紅土破壞特性較為一致[15]。

2.2.1 紅粘土的剪應(yīng)力與剪切位移的關(guān)系

圖2 為不同含水率江西紅粘土在豎直壓力200 kPa 下常規(guī)直剪試驗的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。 可以看出，當(dāng)含水率低于18.03%時，江西紅粘土的剪切破壞呈“軟化”型，在剪應(yīng)力達到峰值后，隨著剪切位移的增大，剪應(yīng)力迅速減小，土樣破壞后，由于殘余強度的存在而逐漸趨于穩(wěn)定。 但是，隨著含水率的增大，紅粘土的破壞類型呈現(xiàn)“硬化”型，如圖中含水率分別為19.33%與21.55%的2 條曲線，開始剪切時剪應(yīng)力隨剪切位移的增加而快速增大，剪切達到一定程度后，剪應(yīng)力逐漸趨于穩(wěn)定。 由此可見，隨著含水率的增大，江西紅粘土的剪切破壞類型逐漸由“軟化”型變?yōu)椤坝不毙汀?這與傅鑫暉等所研究的桂林紅粘土的強度特性隨含水率的變化而改變的規(guī)律是相同的[19]。

2.2.2 含水率對紅粘土抗剪強度的影響分析

從圖3 可以很直觀地看出，在同一種含水率下，土樣的抗剪強度隨著豎直壓力的增大而增大，這可以用有效應(yīng)力原理[20]來解釋，豎直壓力增大使得土顆粒間的有效應(yīng)力劇增，從而引起土體的抗剪強度增大。 而在相同的豎直壓力下，土樣的抗剪強度總體上是隨著含水率的增大而減小的，含水率增大后，也就增加了土顆粒間水化膜的厚度，從而使得土體團粒之間比較容易出現(xiàn)滾動和滑移現(xiàn)象，降低了紅粘土中游離氧化鐵的膠結(jié)作用，導(dǎo)致土體強度急劇減小，但它們之間并未呈現(xiàn)出簡單的線性關(guān)系，這相比于基質(zhì)吸力與含水量成反比的規(guī)律較為一致。

圖2 不同含水率紅粘土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.2 Stress-strain curves of red clay with different moisture contents

圖3 不同豎直應(yīng)力下含水率與抗剪強度的關(guān)系Fig.3 Relationship between moisture content and shear strength under different vertical stresses

2.2.3 抗剪強度特性分析

在巖土工程中，國內(nèi)外學(xué)者從不同角度建立了土體材料強度理論公式[21]，比如特雷斯卡（Tresca）準(zhǔn)則、米澤斯（Mises）準(zhǔn)則、萊特-鄧肯（Lade-Duncan）直線破壞準(zhǔn)則、摩爾-庫倫（Mohr-Coulomb）準(zhǔn)則及萊特（Lade）破壞準(zhǔn)則等等。 其中，巖土工程領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的為摩爾-庫倫強度理論，其數(shù)學(xué)表達式為

式中：c 為土體的粘聚力，kPa；φ 為內(nèi)摩擦角，（°）；σ1，σ3為土體的第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力，kPa。

對于非飽和土，基質(zhì)吸力是控制其力學(xué)性狀的關(guān)鍵因素[22]。 眾多研究人員基于摩爾-庫倫強度公式，通過引入基質(zhì)吸力的概念，建立了一系列的非飽和土抗剪強度公式[23]，主要包含兩類：Bishop 有效應(yīng)力抗剪強度公式和Frelund 雙應(yīng)力狀態(tài)變量抗剪強度公式。 本文仍采用摩爾-庫倫材料屈服準(zhǔn)則，不同的是著重研究含水率對江西重塑紅粘土的抗剪強度的影響，建立了正應(yīng)力-抗剪強度-含水率之間的關(guān)系，如圖4 所示，當(dāng)空間中某一點a（τ，σ，w）處于曲面以下時，則該點處土體處于未被破壞狀態(tài)；當(dāng)a 點恰好位于曲面上時，該點處土體應(yīng)力狀態(tài)達到了極限平衡狀態(tài)；當(dāng)a 點位于曲面以上時，則表明該點處土體已受到剪切破壞。

圖4 重塑紅粘土摩爾-庫倫破壞包絡(luò)面Fig.4 Molar-Coulomb failure envelope of remolded red clay

2.2.4 含水率對紅粘土粘聚力的影響分析

粘聚力是控制土體抗剪強度的重要參數(shù)，從圖5 可以看出，含水率對粘聚力產(chǎn)生了很大的影響，總體呈現(xiàn)反比規(guī)律，即隨著含水率的增加，粘聚力則減小。 這是因為粘性土顆粒間公共水化膜的連結(jié)力及膠結(jié)物質(zhì)的膠結(jié)作用對粘聚力的產(chǎn)生起著非常重要的作用，含水率減小時，增強了土顆粒間公共水化膜的連結(jié)力， 粘聚力也就越大，土體的抗剪強度也越高；反之，當(dāng)含水率增加時，降低了膠結(jié)物質(zhì)對粘粒的膠結(jié)作用，粘聚力就越小，土體抗剪強度越低。 不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)w＜16%或w＞19%時，粘聚力驟然下降；當(dāng)16%＜w＜19%時，粘聚力變化極小，基本保持在70～80 kPa，變化曲線近似“S”型。 這與史文兵[23]研究的貴陽紅粘土粘聚力與含水量的關(guān)系曲線具有良好的一致性。

2.2.5 含水率對紅粘土內(nèi)摩擦角的影響分析

土的內(nèi)摩擦角主要表現(xiàn)為土顆粒的表面摩擦力和顆粒間的咬合力， 反映了土顆粒間的摩擦特性，與土體的結(jié)構(gòu)形態(tài)和密實度有關(guān)[24]。由圖6 紅粘土內(nèi)摩擦角隨含水率的變化趨勢可以看出，含水率在14%～22%范圍內(nèi)，內(nèi)摩擦角呈先上升后下降再上升的趨勢，型如“N”，其值基本在200～280°之間波動，說明含水率對內(nèi)摩擦角的影響不顯著。眾多研究資料顯示影響土體內(nèi)摩擦角的因素有土的礦物成分、含水率、密度及結(jié)構(gòu)性等，盧肇鈞院士認為土的內(nèi)摩擦角還與其塑性指數(shù)存在相互關(guān)系[25]，其機理比較復(fù)雜，有待進一步研究。

圖5 紅粘土粘聚力與含水率關(guān)系曲線Fig.5 Relationship curve between cohesion and moisture content of red clay

圖6 紅粘土內(nèi)摩擦角與含水率關(guān)系曲線Fig.6 Relationship curve between internal friction angle and moisture content of red clay

3 紅粘土的微觀結(jié)構(gòu)研究與分析

3.1 SEM 掃描電鏡試驗

試驗儀器采用日本日立公司生產(chǎn)的SU8010 場發(fā)射掃描電子顯微鏡。取適量烘干后的紅粘土粉末，將樣品用導(dǎo)電膠固定在樣品臺上，然后進行噴金（由于本試驗中紅粘土樣品不具備導(dǎo)電性，需要對其進行噴鉑金處理），噴金時間為120 s，選擇合適的樣品區(qū)域進行掃描電鏡觀察。

3.2 紅粘土的微觀結(jié)構(gòu)特征分析

通過掃描電鏡得到紅粘土樣品的掃描圖像，可以很直觀地觀察出樣品表面的微觀形態(tài)，圖7 為所采集的剪切破壞前后紅粘土土樣的電鏡掃描（放大2 000 倍及5 000 倍）圖像，可以清楚地看到土樣的微觀結(jié)構(gòu)特征（孔隙大小、顆粒形態(tài)、骨架形貌）均發(fā)生了變化。 江西紅粘土含有大量粘土礦物聚集體，主要是書卷狀的高嶺石和片狀的長石，局部有黃鐵礦鮞粒附著。天然土樣由形態(tài)、大小各異的粒團顆粒單元、聚集體、膠結(jié)物質(zhì)堆積而成，骨架松散，無定向排列，顆粒堆積雜亂，接觸點數(shù)目少，多以點-點、邊-邊、邊-面接觸，孔隙較大，分布不連續(xù)，多呈圓形或橢圓形；剪切破壞后的土樣多為直接面接觸方式，顆粒排列緊湊，孔隙大大縮小，呈封閉式“片架-鑲嵌”結(jié)構(gòu)，接觸方式的變化導(dǎo)致顆粒間由微膠結(jié)狀態(tài)變?yōu)殍偳赌z結(jié)狀態(tài)，致使紅粘土結(jié)構(gòu)性遭到破壞。 說明紅粘土受到剪切作用后其微觀結(jié)構(gòu)的變化使得土體產(chǎn)生變形甚至破壞。

圖7 江西紅粘土剪切破壞前后SEM 圖像Fig.7 SEM images of Jiangxi red clay before and after shear failure

4 結(jié)論

1） 通過X 射線衍射分析試驗，初步確定江西紅粘土的礦物組成主要為石英、云母、鉀長石，還含有少量的膠結(jié)物質(zhì)氧化鐵，反映了江西次生紅粘土的一些獨特的物理性質(zhì)及取土工地紅粘土地基的不均勻性。

2） 含水率是影響江西重塑紅粘土抗剪強度的重要因素之一， 紅粘土的抗剪強度總體隨著含水率的增大而減小，它們之間并未呈現(xiàn)出簡單的線性關(guān)系；隨著含水率的增大，江西紅粘土逐漸由脆性破壞過渡到塑性破壞，相應(yīng)的其剪切破壞類型由“軟化”型變?yōu)椤坝不毙汀?/p>

3） 含水率對江西重塑紅粘土的粘聚力影響較大，隨著含水量的增加，粘聚力減小，其變化曲線近似“S”型；而對內(nèi)摩擦角的影響不顯著，其機理比較復(fù)雜，有待進一步研究。

4） 電鏡掃描試驗表明：剪切破壞后紅粘土土樣的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的改變，影響其強度的關(guān)鍵因素是土顆粒間孔隙大小、排列及形態(tài)的變化。 天然土樣骨架松散，無定向排列，顆粒堆積雜亂，接觸點數(shù)目少，孔隙較大，受到外力作用，架空、大孔隙結(jié)構(gòu)遭到破壞，紅粘土顆粒產(chǎn)生相應(yīng)位移，由微膠結(jié)狀態(tài)轉(zhuǎn)化為鑲嵌膠結(jié)狀態(tài)，造成土體發(fā)生變形、結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞等問題。