摘 要：【目的】土—水特征曲線是非飽和紅黏土的重要概念，從結(jié)構(gòu)性出發(fā)分析紅黏土的土—水特征曲線對(duì)實(shí)際工程具有重要意義?！痉椒ā坎捎秒x心機(jī)對(duì)初始狀態(tài)相同的原狀和重塑紅黏土進(jìn)行宏觀土—水特征曲線試驗(yàn)，獲得原狀和重塑紅黏土的土—水特征曲線，并通過電鏡掃描試驗(yàn)，觀察原狀和重塑紅黏土的微觀結(jié)構(gòu)特征，分析結(jié)構(gòu)性對(duì)紅黏土土—水特征曲線的影響?！窘Y(jié)果】試驗(yàn)結(jié)果表明，原狀和重塑紅黏土的基質(zhì)吸力隨著體積含水率的減小而增加，體積含水率相同的情況下，原狀土的基質(zhì)吸力較大；原狀土的原生結(jié)構(gòu)沒有破壞，骨架穩(wěn)定，孔隙較小，重塑土骨架遭到破壞，孔隙較大且分布均勻，因此原狀土失水速率較慢，持水能力較強(qiáng)，進(jìn)氣值較大?！窘Y(jié)論】研究結(jié)果揭示了結(jié)構(gòu)性影響紅黏土土—水特征曲線的內(nèi)在機(jī)理，可為解決實(shí)際工程問題提供理論支持。

關(guān)鍵詞：紅黏土；結(jié)構(gòu)性；土—水特征曲線；電鏡掃描

中圖分類號(hào)：TU446" " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1003-5168（2024）14-0068-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.14.013

Experimental Study on the Influence of Structural Properties on the Soil—Water Characteristic Curve of Red Clay

Abstract： [Purposes] The soil—water characteristic curve is an important concept of unsaturated red clay， and it is of great significance to analyze the soil—water characteristic curve of red clay from the structural point of view. [Methods] The macroscopic soil—water characteristic curves of the undisturbed and remodeled red clay with the same initial state were tested by centrifuge， and the soil—water characteristic curves of the undisturbed and remodeled red clay were obtained， and the microstructure characteristics of the undisturbed and remodeled red clay were observed by electron microscope scanning test， and the influence of structure on the soil—water characteristic curve of red clay was discussed from the macro and micro perspectives. [Findings] The test results show that the matrix suction of undisturbed and remodeled red clay increases with the decrease of volumetric moisture content， and the matrix suction of undisturbed soil is larger when the volumetric moisture content is the same. The original structure of the undisturbed soil is not damaged， the skeleton is stable， the pores are small， the skeleton of the reshaped soil is damaged，and the pores are large and evenly distributed， so the water loss rate of the undisturbed soil is slow， the water—holding capacity is strong， and the air intake value is larger.[Conclusions] The results reveal the internal mechanism of structural influence on the soil—water characteristic curve of red clay， which can provide theoretical support for solving practical engineering problems.

Keywords： red clay; structural; soil—water characteristic curve; electron microscope scan

0 引言

紅黏土在我國(guó)西南地區(qū)分布廣泛，是一種區(qū)域性特殊性土，主要分布在廣西、貴州、湖南和廣西等地［1］。紅黏土力學(xué)性質(zhì)良好，常被作為路基填料。而工程建設(shè)中的紅黏土常處于非飽和狀態(tài)，非飽和紅黏土是由土顆粒、水和氣體等組成的三相多孔介質(zhì)，同時(shí)具有高含水量、高孔隙比、高液限等較差的物理特性。

土—水特征曲線是反映土持水特性和力學(xué)性質(zhì)的重要曲線，其主要受應(yīng)力狀態(tài)、微觀孔隙結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)性等因素影響。對(duì)于同一種土而言，結(jié)構(gòu)性的變化會(huì)影響紅黏土的持水能力和力學(xué)特性，從而對(duì)土的工程性質(zhì)產(chǎn)生較大的影響。因此，結(jié)構(gòu)性土相關(guān)的土—水特征曲線研究對(duì)非飽和土理論研究有十分重要的意義。目前，針對(duì)紅黏土的結(jié)構(gòu)性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究。陳筠等［2］利用電鏡掃描對(duì)微生物礦化紅黏土的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)微生物處置紅黏土加強(qiáng)了土顆粒間的連接，使抗剪強(qiáng)度有所提高。Zhang等［3］利用掃描電鏡研究原狀和重塑紅黏土的微觀結(jié)構(gòu)，并分析結(jié)構(gòu)性對(duì)其宏觀力學(xué)性質(zhì)影響。Chen等［4-5］對(duì)不同比例的石灰和碳酸鈣處理紅黏土進(jìn)行電鏡掃描，發(fā)現(xiàn)兩者都會(huì)引起土顆粒的團(tuán)聚并改變紅黏土的孔隙結(jié)構(gòu)，從而引起宏觀力學(xué)性質(zhì)的改變。關(guān)于紅黏土土—水特征曲線的研究，何忠明等［6］、張鵬程等［7］通過對(duì)非飽和土基質(zhì)吸力與含水率之間的關(guān)系進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)基質(zhì)吸力與含水率呈非線性關(guān)系。蔡國(guó)慶等［8］利用濾紙法、平衡法及飽和鹽溶液法研究泥漿土和壓實(shí)土的土—水特征曲線，發(fā)現(xiàn)初始孔隙比相同時(shí)，泥漿土進(jìn)氣值更大，持水性更好。陶高梁等［9］采用壓力板儀研究了黏土土—水特征曲線，試驗(yàn)結(jié)果表明，滲透系數(shù)隨基質(zhì)吸力的增大而減小。Wang等［10］研究了干密度對(duì)壓實(shí)土—土水特征曲線的影響，研究發(fā)現(xiàn)，壓實(shí)土的土—水特征曲線在高吸力階段與干密度無關(guān)，但在低吸力范圍內(nèi)具有很好的相關(guān)性。Yao ［11］研究了土在凍融過程中的土—水特征曲線，發(fā)現(xiàn)在含水量、密實(shí)度相同的情況下，試驗(yàn)土的基質(zhì)吸力隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小。對(duì)于相同的凍融循環(huán)次數(shù)，密實(shí)度越大，土體的基質(zhì)吸力越大。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)紅黏土的微觀結(jié)構(gòu)和土—水特征曲線進(jìn)行了大量的研究，但通過微觀試驗(yàn)研究土體的結(jié)構(gòu)性對(duì)土—水特征曲線的影響關(guān)注還較少。因此，本研究以廣西紅黏土為研究對(duì)象，采用離心機(jī)法，對(duì)初始狀態(tài)相同的原狀和重塑紅黏土進(jìn)行一系列土—水特征曲線試驗(yàn)研究，并通過電鏡掃描試驗(yàn)觀察其微觀結(jié)構(gòu)特征，探明了紅黏土結(jié)構(gòu)性對(duì)其土—水特征曲線的影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)土樣從廣西某高速路基中獲取，取樣深度為2～3 m。將土樣在烘箱中烘干，碾碎過篩，按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123—2019）獲得試驗(yàn)土樣基本物理指標(biāo)，見表1。紅黏土天然含水率約為60.4%，比一般黏性土天然含水率常見值（20%～50%）高出將近20個(gè)百分點(diǎn)，液限值達(dá)到90.3%。所以，紅黏土非常特殊，不僅含水量很高，而且具有高液限的特點(diǎn)。

1.2 試驗(yàn)原理及方法

1.2.1 離心機(jī)法。離心機(jī)基本原理是將離心場(chǎng)代替重力場(chǎng)［4］。重力場(chǎng)中的g由離心場(chǎng)的離心加速度代替。能量轉(zhuǎn)換關(guān)系見式（1）至式（4）。

以上式中：r為離心半徑，cm；H為計(jì)算基質(zhì)吸力，bar；n為離心機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；ρ為水的密度，g/cm3。

本次試驗(yàn)采用H1400pF型高速冷凍離心機(jī)，設(shè)置8個(gè)不同的轉(zhuǎn)速，分別為500、1 000、2 500、4 500、6 500、8 500、11 000、13 000 r/min。制備初始狀態(tài)相同的原狀與重塑紅黏土環(huán)刀土樣，并將兩者放入真空飽和容器中進(jìn)行飽和，完成離心試驗(yàn)，通過計(jì)算得到體積含水率與基質(zhì)吸力的特征曲線，即紅黏土土—水特征曲線。

1.2.2 電鏡掃描。為研究紅黏土微觀結(jié)構(gòu)對(duì)土—水特征曲線的影響，對(duì)初始狀態(tài)相同的原狀和重塑試樣分別取樣進(jìn)行電鏡掃描，分析紅黏土收縮過程中微觀形貌、顆粒連結(jié)、孔隙分布及等效孔徑大小，通過SEM電鏡掃描試驗(yàn)對(duì)紅黏土微觀幾何形態(tài)進(jìn)行定性分析。基于試驗(yàn)結(jié)果，采用PCAS孔隙識(shí)別和定量分析系統(tǒng)對(duì)孔隙特征進(jìn)行定量分析，從微觀角度揭示紅黏土結(jié)構(gòu)性對(duì)土—水特征曲線的影響。

2 紅黏土宏微觀試驗(yàn)

2.1 宏觀離心機(jī)試驗(yàn)及分析

本研究利用離心機(jī)進(jìn)行原狀和重塑土的土—水特征曲線試驗(yàn)，將含水率相同的試樣分別在上述8個(gè)轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)定條件下計(jì)算相應(yīng)的基質(zhì)吸力，得到相同含水率下原狀和重塑土的土—水特征曲線，如圖1所示。

由圖1可知，初始狀態(tài)相同的原狀與重塑土基質(zhì)吸力與體積含水率變化規(guī)律基本一致，呈現(xiàn)基質(zhì)吸力隨著體積含水率的減小而逐漸增大的趨勢(shì)，體積含水率相同的條件下，原狀土對(duì)應(yīng)的基質(zhì)吸力較大，這說明了原狀土持水能力相對(duì)較強(qiáng)。

2.2 微觀結(jié)構(gòu)試驗(yàn)及分析

為進(jìn)一步研究結(jié)構(gòu)性對(duì)紅黏土土—水特征曲線影響的內(nèi)在機(jī)理，對(duì)初始狀態(tài)相同的原狀和重塑紅黏土利用液氮和LC—10N—50A型冷凍干燥機(jī)對(duì)其進(jìn)行脫濕。然后，利用液氮將試樣冷凍，采用干燥機(jī)進(jìn)行干燥試驗(yàn)，其目的是使紅黏土原生結(jié)構(gòu)不被破壞。將干燥后試樣放在載物臺(tái)進(jìn)行噴金處理以增加其導(dǎo)電性，然后進(jìn)行掃描電鏡試驗(yàn)，從微觀角度，對(duì)紅黏土顆粒形狀及接觸方式、顆粒間連結(jié)特征、孔隙特征等進(jìn)行研究， 試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，原狀紅黏土中黏土礦物之間以面—面接觸和邊—面接觸形成球形、橢球形集聚體，并且以一定的角度相交，形成骨架孔隙結(jié)構(gòu)。黏土礦物彼此接觸并且以游離氧化物膠結(jié)形成有較強(qiáng)連結(jié)力的集聚體結(jié)構(gòu)，由絮狀物質(zhì)連接集聚體形成集聚體間結(jié)構(gòu)連結(jié)，集聚體內(nèi)部小孔隙較為發(fā)育，集聚體間以較大孔隙為主。重塑土經(jīng)過擾動(dòng)破壞了原有的原生結(jié)構(gòu)，集聚體間的膠結(jié)遭到破壞，結(jié)構(gòu)單元以圓形單一顆粒為主，顆粒間以點(diǎn)接觸為主，顆粒間孔隙相對(duì)較大且分布均勻。

本研究采用PCAS對(duì)電鏡掃描圖片進(jìn)行定量化分析，二值化處理如圖3所示，黑色代表孔隙，白色代表土顆粒。由圖3可知，原狀紅黏土含較多的微小孔隙，重塑土孔隙相對(duì)較大且分布較為均勻?？紫抖炕瘏?shù)見表2。對(duì)比二者孔隙分布均勻系數(shù)，重塑樣偏大，量化結(jié)果與分析一致。

宏觀和微觀研究結(jié)果表明，在初始狀態(tài)相同的條件下，重塑紅黏土內(nèi)部具有明顯的尺寸較大的顆粒間孔隙，孔隙分布較為均勻，這些相對(duì)較大的孔隙能夠儲(chǔ)存較多自由水，因此大量顆粒間孔隙的存在使得土樣在相同吸力時(shí)會(huì)以較快的速度失水，故失

水速率較快且進(jìn)氣值相對(duì)較??；相反，原狀紅黏土存在原生結(jié)構(gòu)，集聚體間孔隙較小，集聚體內(nèi)部小孔隙較多，儲(chǔ)存的結(jié)合水量相對(duì)較高，土體持水性能較強(qiáng)，具有相對(duì)較低的失水速率和較大的進(jìn)氣值。此外，對(duì)于黏性土而言，土中孔隙孔徑分布及數(shù)量對(duì)其在不同基質(zhì)吸力下的失水狀態(tài)有很大影響。不同結(jié)構(gòu)性的紅黏土其內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)具有明顯差異，具有不同的持水特性，結(jié)構(gòu)性通過影響土體的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)來影響土—水特征曲線。因此，結(jié)構(gòu)性是影響紅黏土—土水特征曲線的重要因素。

3 結(jié)論

本研究采用離心機(jī)法，將初始狀態(tài)相同的原狀和重塑紅黏土的土—水特征曲線進(jìn)行試驗(yàn)，同時(shí)利用電鏡掃描對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論。

①原狀與重塑土基質(zhì)吸力與體積含水率變化規(guī)律基本一致，呈現(xiàn)基質(zhì)吸力隨著體積含水率的減小而逐漸增大的趨勢(shì)。在體積含水率相同的條件下，原狀土對(duì)應(yīng)的基質(zhì)吸力較大，持水能力相對(duì)較強(qiáng)。

②通過對(duì)原狀和重塑土進(jìn)行電鏡掃描發(fā)現(xiàn)，原狀紅黏土的原生結(jié)構(gòu)沒有被破壞，存在明顯的集聚體內(nèi)相對(duì)較小的孔隙；重塑紅黏土集聚體間連結(jié)遭到破壞，多為均勻分布相對(duì)較大的孔隙。

③由宏微觀試驗(yàn)結(jié)果可知，結(jié)構(gòu)性通過影響紅黏土的孔隙結(jié)構(gòu)來影響土—水特征曲線的變化規(guī)律，重塑土內(nèi)部具有顆粒間相對(duì)較大的孔隙結(jié)構(gòu)，儲(chǔ)存自由水較多，失水速率較快，進(jìn)氣值相對(duì)較低。原狀土多為集聚體內(nèi)相對(duì)較小的孔隙，其儲(chǔ)存結(jié)合水較多，持水能力較強(qiáng)，進(jìn)氣值較大。

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