毛细作用下的红黏土饱和度与抗剪强度及其指标关联性研究

毛细作用下的红黏土饱和度与抗剪强度及其指标关联性研究

赵晟

广西基础勘察工程有限责任公司541000

摘要：本文通过对广西壮族自治区桂林市临桂区代表性红黏土进行直剪试验，得到抗剪强度及其指标随饱和度改变的变化规律。经过大量的工程经验，发现实际工程案例中极少出现饱和度小于75的原状土，主要受到毛细作用。黏聚力随着饱和度的减小先上升后小幅度下降，内摩擦角的变化幅度整体很小，分三个段式变化，而抗剪强度变化呈半抛物线形式。

1绪论

红黏土广泛分布于广西、贵州、云南等地，由于其含有大量Fe3+、Al3+离子，色泽通常呈红褐色或红色，由此而得名。红黏土矿物成分主要由高岭石组成，因此具有明显的膨胀性和收缩性，各项力学指标受饱和度的影响较大。土体抗剪强度作为在工程设计中判别土层稳定性的重要依据，具有很强的研究意义。红黏土具有高孔隙比、低密度的特点，但是却具有与其不对应的较高的强度和较低的压缩性。目前对于抗剪强度的计算，大多使用莫尔－库伦破坏理论，其原理计算原理简单，且安全系数较高，因此在设计中大量引用，但是根据大量数据表明，其计算所得抗剪强度与实际情况相差甚远，过于保守的强度估计会导致资源浪费和增加基础自重，因此，准确的抗剪强度计算公式不仅利于环境保护也能减少工程事故。

近年来，有大量学者对非饱和土抗剪强度指标进行了实验，Bishop[1]提出了经典非饱和土抗剪强度公式：

图2、3分别是黏聚力和内摩擦角与饱和度之间的关系。黏聚力随着饱和度的减小，这是由于在毛细作用阶段，失去的水份为自由水，自由水不具有粘性，且会减小由于双电子层力造成的吸附作用，因此当饱和度降低时，黏聚力随之升高，到了一定阶段后，有轻微的下降，随后稳定，这是由于红黏土具有明显的双孔隙结构[7]，普通的干燥方法只能挥发大孔隙中的水分，小孔隙或微孔隙中的水分保持不变，一部分大孔隙由气体充满，土样内部从连续介质变为不连续，水的“拉力”变小，因此对黏聚力有轻微的抑制作用。

内摩擦角的变化可以大体分为3个阶段：小幅度变化－快速变化－保持稳定，这与内摩擦角的影响因素相关。内摩擦角主要受内部颗粒的机械咬合力和结合面光滑程度影响，破坏面越粗糙，内摩擦角越大[6]。随着含水率的减小，被结合水包裹的土体颗粒逐渐显露出来，加大了机械咬合力，但红黏土属于细粒土，且外表包裹着一层光滑的结合水膜，机械咬合力并不能持续增加，因此，变化会趋于稳定。

由此可见广西红黏土抗剪强度与饱和度在毛细作用下呈抛物线关系，可以在没有充足的试验能力条件下初步判定强度的大小。

3结论

本文在对针对广西壮族自治区桂林市临桂区某小区的红黏土进行研究，得到抗剪强度及其影响参数与饱和度的关系，并从微观和数值两方面对其进行分析：

（1）黏聚力随着饱和度的减小先上升后小幅度下降，这是由于在毛细作用阶段，水化矿物质的胶结作用会随着水分流失而增强，但是随着饱和度降低，土样内部从连续介质变为不连续，对黏聚力有轻微的抑制作用。

（2）内摩擦角的变化幅度整体很小，变化过程经历三个阶段。内摩擦角主要受内部颗粒的机械咬合力和结合面光滑程度影响，破坏面越粗糙，内摩擦角越大。而红黏土由于土颗粒较小，且被水膜包裹，因此变化具有分段性

（3）随着饱和度的降低，抗剪强度先升高后趋于稳定，且符合半抛物线方程，后半部分虽然有水平发展的趋势，但是由于在实际工程中作承载作用的红黏土饱和度不会过低，因此，实际应用中，可以不作考虑。

参考文献：

[1]BishopAW，AlpanI，BlightGE，etal.FactorsControllingtheStrengthofPartlySaturatedCohesiveSoils[C]//ResearchConferenceonShearStrengthofCohesiveSoils.ASCE，1961：503-532.

[2]FredlundDG，MorgensternNR，WidgerRA.Theshearstrengthofunsaturatedsoils[J].RevueCanadienneDeGéotechnique，2002，15（3）：313-321.

[3]MatsushiY，MatsukuraY.Cohesionofunsaturatedresidualsoilsasafunctionofvolumetricwatercontent[J].BulletinofEngineeringGeology&theEnvironment，2006，65（4）：449-455.

[4]袁志辉，倪万魁，刘茹，等.基于吸应力的非饱和黄土抗剪强度研究[J].合肥工业大学学报：自然科学版，2015（5）：648-653.

[5]孙希望，徐运龙，杨果岳，等.昆明地区压实红黏土抗剪强度特征研究[J].土工基础，2017（4）：465-467.

[6]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（3）：375-381.

[7]汤连生，王洋，张鹏程，等.非饱和黏性土粒间吸力测试研究[J].岩土工程学报，2003，25（3）：304-307.