含水率-温度双因素影响的红黏土力学特性分析.pdf
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1、2532023年6 月中路夕第3期第43 卷DOI:10.14048/j.issn.1671-2579.2023.03.040含水率-温度双因素影响的红黏土力学特性分析王江,包特门白乙拉,杨伟光,周琦,傅鹤林(1.中交第四公路工程局第一工程有限公司,北京市10002;2.中南大学土木工程学院,湖南长沙410075)摘要:在新的气候环境和工程建设要求下,涉及红黏土的工程问题不断突出,待深入掌握残坡积红黏土的力学和工程性质。该文以湖南省内典型红黏土为研究对象,基于不固结不排水直剪试验,开展含水率和温度双因素影响下的残坡积红黏土力学特性研究,重点关注影响红黏土力学性能的最不利条件。研究结果表明:受单
2、因素含水率影响,随含水率的增加红黏土的抗剪强度减小10%40%;而考虑含水率与温度双因素影响,温度增加时,红黏土的抗剪强度随含水率增加而减小的效果减弱;红黏土的黏聚力同时受温度和含水率的影响,同一温度下,含水率增加,黏聚力减小40%70%,温度越高,含水率对黏聚力的影响越小;同一含水率下,温度为30 时,黏聚力最小;非极端温度范围内(10 30),红黏土的内摩擦角主要受温度影响,温度增加,内摩擦角增加5%10%。关键词:含水率;温度;红黏土;力学特性;直剪试验中图分类号:U414文献标志码:A0引言近年来,随着气候环境的变化,湖南地区的雨期由每年5一7 月份加长至4一8 月份,雨期温度10 4
3、0,存在极大的差异性,加之雨期的间歇间断性,高低温与干湿组合的复杂气候形成一种常态化,已有学者开始探究快速检测南方湿热地区红黏土路基的方法1-3。当前,对红黏土的力学特性研究中,多考虑含水率或温度单一因素影响,对于常态化的复杂气候条件显然不再适用。因此,有必要对含水率及温度双因素影响下的坡地红黏土力学特性展开研究,以揭示红黏土质斜坡的失稳机理并提出相应的灾害防治手段。含水率作为红黏土的基本物理参数,对红黏土的力学特性起决定性作用。关于含水率对红黏土力学特性影响的研究,已有大量学者展开了工作,并取得了阶段性的进展。学术界普遍认为红黏土的抗剪强度随含水率的增大而减小4。张培培等5 通过直剪试验发现
4、红黏土的抗剪强度随含水率的增大呈非线性减小,其减小的速率由小变大;张添锋等6 确定了抗剪强度随含水率减小快慢的分界含水率为20%;李怀鑫等7 则认为含水率为15%2 4%时,红黏土的抗剪强度随含水率呈线性减小。也有学者认为红黏土的抗剪强度并非随含水率增加而减小。吴昱东8 提出红黏土的抗剪强度与黏聚力均随含水率的增加而呈现先增大后减小的变化规律;谭罗荣等9提出高含水率红黏土的工程力学性质反而较好的规律,并通过一种土体胶凝结构模型,阐述了这种现象的合理性。在含水率一定时,温度必定成为影响红黏土力学特性的重要因素。王云龙10 通过研究不同初始含水率下红黏土中水的蒸发,间接说明了温度对含水率变化的影响
5、,进而导致红黏土物理力学性能的变化;常留成1 直接指出了温度对红黏土黏聚力的显著影响,当温度大于6 5时,红黏土的黏聚力会随温度的升高而增加。在此基础上,多会会等12 将含水率与温度对红黏土的影响建立起联系,得出含水率对强度特性的温度敏感性明显高于干密度。与此同时,对于多因素影响红黏土力学特性的研究,学者们主要考虑了含水率和液塑限双重影响下红黏土的抗剪强度特性1317 。除此之外,同时考虑干密度与含水率对红黏土的抗剪强度影响也是目前研究的重点14,而考虑压实度和液塑限影响下路堤收稿日期:2 0 2 1-0 9-18基金项目:湖南创新型省份建设专项经费资助项目(编号:2 0 19RS1059);
6、湖南省教育厅重点项目(编号:19A477)作者简介:王江潘,男,大学本科,工程师.E-mail:12 910 7 0 8 6 1 q q.c o m254公中路外第43卷边坡稳定性在近期也受到了广泛的关注19-2 0 。由于试验温度难以控制,考虑多因素对于红黏土性能的影响研究中,温度与含水率共同作用下红黏土的力学特性研究涉及较少。显然对于复杂气候的常态化,迫切需要寻求含水率与温度双重因素影响下的红黏土力学特性,对相应的工程予以理论指导。为此,本文试图通过直剪试验与红黏土的微观特性分析,明确含水率与温度差异下的红黏土力学模式,以获得含水率与温度在斜坡失稳过程中的影响机制。1材料与方法1.1试验土
7、样及制备试验中的坡地红黏土取自湖南省长株潭地区,依据公路土工试验规程(JTG34302020)21,对该红黏土样进行室内常规试验,得出红黏土的基本物理指标见表1。用X射线衍射试验分析该黏土的矿物成分,其中高岭石为56.59%,针铁矿为15.6 1%,石英为12.45%,三水铝石为11.44%。表1试样的物理参数含水率/密度/干密度/液限/塑限/最优含最大干密度/塑性指数%(gcm-3)(g cm-3)%水率/%(g cm-3)14.891.861.6238.81919.817.31.81试样制备前土体过2 mm筛,由于常温条件下红黏土的风干脱水具有可逆性,而高温下具有不可逆性,因此选择使用风干
8、土进行制样,试样性质更接近原状土。试验开始前,通过反复预试验,得出试样加载前不同温度工况下的温度损失,将土体配至试验所需温度及含水率,使得试样温度及含水率降到最低。1.2试验装置及方案设计试验采用ZJ-4型四联直剪仪进行。直剪仪为应变控制式,竖向应力选取10 0 kPa、2 0 0 k Pa、30 0 k Pa、400kPa共4个水平,剪切速率0.8 mm/min。一方面,研究为探寻含水率对红黏土的力学特性影响,其含水率在试验过程中应保持不变,即试验过程不排水;另一方面,基于湖南坡地浅层红黏土研究对象,其边坡降雨致滑失稳往往都是短时间内发生,为揭示实际工程滑坡的变形特征,选择不固结不排水的快剪
9、试验。考虑到湘潭地区近30 年的气温及极端高温天气的不断上升,并结合试验的设备条件,选取一545作为试验温度变化区间,并设置0、15、30、454种不同的温度水平进行试验。试验中从剪切盒温度及环境温度两个方面控制温度。通过试样的天然含水率、最优含水率以及液塑限,同时考虑到环刀样的成形情况,试验试样选取15%21%作为含水率变化区间,并设置15%、17%、19%、2 1%4种不同的含水率水平。用与试样含水率相近的湿棉布围住剪切盒以控制湿度。在4种温度及4种湿度的基础上,依据控制变量原则设计16 组试验工况,分别对应16 种不同的温度及含水率条件。2结果与分析2.1湿热影响下的抗剪强度特性基于4种
10、不同的含水率水平,可以得到红黏土抗剪强度与温度的关系,在4种含水率中,红黏土试样的抗剪强度均随竖向压力的增大而增大,说明竖向压力的增大土颗粒间的有效应力增加,土体抗剪强度增加,符合有效应力原理。不同含水量水平下,红黏土的抗剪强度与温度的变化关系见图1。参考李广信2 2 关于冻土抗剪强度随温度的变化,在同一应力水平上,冻土的抗剪强度随温度的增加而降低,在温度为0 时,冻土的抗剪强度应为最低值;图1显示,高含水率(19%、2 1%)的红黏土抗剪强度随温度(高于0)的增加而增加,这与冻土情况下抗剪强度随温度变化的趋势恰好相反,说明高含水率下温度处于0 时,土体抗剪效果最不利。不同含水率下红黏土抗剪强
11、度随温度的变化曲线如图2 所示。2552023年第3期王江学特性分析350竖向应力/kPa350竖向应力/kPa+100-0-200-100-0-200-300-400-300-400300个300AA25025020020015015010010050500102030405001020304050温度/温度/(a)含水率15%(b)含水率17%350竖向应力/kPa350竖向应力/kPa+100-0-200-100-0-200300300-400300-300-400AA250425020020015015010010050500102030405001020304050温度/温度/(c)
12、含水率19%(d)含水率2 1%图1不同含水率下抗剪强度随温度变化曲线竖向应力/kPa竖向应力/kPa300个300100-0-200-100-0-200一30 0-400300400250A25020020015015010010050501517192115171921含水率/%温度/(a)0(b)15 竖向应力/kPa竖向应力/kPa-100-0-200-100-0-2003004300300-400300-400A25025020020015015010010050501517192115171921含水率/%含水率/%(c)30(d)45 图2不同温度下抗剪强度随含水率变化曲线由图2
13、 可知:在相同的竖向压力与温度水平下,红黏土的抗剪强度均随含水率的增大而减小,这与罗文俊等4 探究不同含水率红黏土抗剪强度的结论基本一致,但本研究中抗剪强度随含水率的减少量更小,即含水率的增加减弱抗剪强度的效果不明显,考虑到其试验在常温下进行,而本研究中温度在0 256公中路外第43卷时,红黏土试样的抗剪强度随含水率的增加下降最快。在15环境下的试验与常温较为接近,但抗剪强度随含水率减小的幅度远不及文献4 的结果。进一步分析发现,两种红黏土的矿物组成存在很大的差异,推断红黏土的矿物组成会影响含水率对抗剪强度的影响。对照4种不同温度下,红黏土的抗剪强度随含水率减小的幅度,发现随着温度的升高,因含
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