三峡库区红粘土室内试验研究

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摘要：针对红层软岩遇水易软化、崩解的特点，以三峡库区沿线的红层软岩为例，选取该路段沿线具有代表性的红粘土崩解过程的颗粒级配变化情况，试验结果表明：红层软岩的类型、胶结物类别以及岩石中黏土矿物的含量等是决定红层软岩崩解性强弱的主要内在因素。对红层软岩的崩解机制进行较为深入的研究，对三峡库区红粘土的治理和防护具有重要的现实意义。

关键词：三峡库区；红粘土；软化；崩解；机制

Abstract: according to the characteristics of red-bed soft rock water softening, disintegration, with red bed soft rock in the Three Gorges Reservoir along the line as an example, selects the red clay along the highway is representative of the disintegrating particle gradation change process, test results show that: the red-bed soft rock type, cement and clay rock mineral content is the main internal factors determining the slaking properties of Red Beds Soft Rock strength. In-depth research on Mechanism of disintegration of red-bed soft rock, governance and the protection of the Three Gorges Reservoir area of red clay is of important realistic significance.

Keywords: in the Three Gorges Reservoir area; red clay; softening; disintegration; mechanism

中图分类号：TU446文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)

1 试验取样与制备

试验取土来自三峡市灵山镇某武警营房施工项目的所在场地。本次取钻进10孔，每孔取土一筒，红土层厚为地面以下0-3米，取土深度为1-2米。试验中采用回转钻机进行钻进取土，最后用蜡封口，保存。

原状土使用制备试样时，配合原状土取样筒使用卧室推土器，推出所需原状土的用量，然后剩余的部分再用蜡封好，以备以后使用。如图1所示，由于使用了原状取样筒和卧式推土器，使原状土的利用效率得原始状态得到了保证，并大大提高了原状土的利用效率。

图1 原状取样筒级卧式推土器

为了研究三峡市灵山镇红粘土工程特性，本文拟进行以下红粘土物理力学试验：含水率试验、密度试验、土粒比重试验、颗粒分析实验、液塑限试验、击实试验、胀缩性试验、固结试验、直剪试验、无侧限抗压强度试验。

2 常规土工试验

2.1 试验内容

本试验按照中华人民共和国国家标准《土工试验方法标准》(GB/T50123一1999)、参照袁聚云主编的土工试验与原理进行试验，具体试验项目有：密度试验、含水率试验、比重试验、、液塑限试验、击实试验、颗粒分析试验。

主要试验方法分述如下：

（1）含水率试验

含水率的测定方法主要有烘干法、酒精燃烧法、炒干法、比重法等。本试验采用烘干法。试样应在土样的中心部位采取，尽量保持与原状土含水率相符，每筒土取3个试样，在105-110℃的恒温下烘8个小时，取其平均值作为该层土的含水率。

（2）密度试验

土的密度是指土的单位体积的质量，是土的基本物理性质指标之一。在天然状态下的密度称为天然密度，其单位为g/cm3。

该试验方法有环刀法、蜡封法、灌水法、灌砂法等。对于细粒土，采用环刀法；对于易碎裂、难以切削或不规则的土体，可用蜡封法；对于现场粗粒土，一般用灌水法或灌砂法。本试验中采用环刀法。

（3）比重试验

土粒比重Gs，是土粒在温度105～110℃下烘至恒重时的质量与土粒同体积4℃时纯水质量的比值。

根据土粒粒径的不同，土的比重试验可分别采用比重瓶法、浮称法或虹吸筒法。本试验采用比重瓶法。对于粒径小于5 mm的土，易采用比重瓶法进行。试验材料为原状土的烘干土，该试验重复两次，取两次平行试验的平均值作为红粘土的比重。

（4）液塑限试验

细粒土由于含水率不同，分别处于流动状态，可塑状态、半固体状态和固体状态。液限是细粒土呈可塑状态的上限含水率，塑限是细粒土呈可塑状态的下限含水率。本试验是测定细粒土的液限和塑限含水量，用作计算土的塑性指标和液性指数，按塑性指数或塑性图对粘性土进行分类，并可结合土体的原始孔隙比来评价粘性土地基的承载能力。本试验选用液塑限联合测定法。

（5）击实试验

击实试验分轻型击实试验和重型击实试验两种方法。本试验选择轻型击实试验。试验材料选择风干土，试验设备轻型击实仪。击实时应注意环形分层击实，层与层之间刮毛；击实完成后称重，测定含水率时应该取中心部位的土样。

（6）颗粒分析试验

颗粒大小分析试验是测定干土中各种粒组所占该土总质量的百分数，借以明确颗粒大小分布情况，供土的分类与概略判断土的工程性质及选料之用。

颗粒分析试验可分为筛析法、密度计法、移液管法。由于红粘土属于细粒土，故试验方法选择密度计法。本试验材料选用风干土，过2mm筛后进行试验。

2.2 试验结果

（1）含水率试验

由试验可得表1，原状土的天然含水率为29.52%-42.67%。

表1 原状红粘土含水率

（2）密度试验

由试验可得表2，原状土的天然密度为1.61g/cm3-1.68g/cm3。

表2 原状红粘土密度

（3）土粒比重试验

土粒比重试验所得的比重的平均值为2.74。表3为灵山红粘土的比重与其他各地红粘土的比较。从表中数据可以看出，云南红粘土比重较高，而武汉较低。

表3 国内红粘土比重对比

（4）液塑限试验

由联合液塑限试验可得以下双对数坐标曲线，如图2，

图2 圆锥下沉深度与含水率关系曲线

查图，可知：

当下沉深度为17mm时，对应的液限为56.9%；

当下沉深度为2mm时，对应的塑限为31.0%。

因此，可得红粘土的塑性指数为

液性指数的计算公式为：

（5）击实试验

图3 红粘土的击实曲线

由击实曲线图3可知，该红粘土的最优含水率为24.5%，最大干密度为1.535g/cm3。表4为国内其他地区的红粘土击实参数指标。

表4 国内红粘土击实参数对比

（6）颗粒分析试验

图4 红粘土的颗粒分析曲线

其粒径的具体数据为：

表5 不同粒径的质量百分比

3 直接剪切试验

直接剪切试验就是直接对试样进行剪切的试验，简称直剪试验，是测定土的抗剪强度的一种常用方法，通常采用4个试样，分别在不同的垂直压力下，施加水平剪切力，测得试样破坏时的剪切力，然后根据库伦定律确定土的抗剪强度参数内摩擦角和粘聚力。

3.1 快剪试验

采用原状土样，以每分钟0.8mm的剪切速度施加剪力，直至剪坏，一般在3~5分钟内完成，适用于渗透系数小于10-6cm/s的细粒土。这种发放将使粒间有效应力维持原状，不受试验外力的影响，但由于这种粒间有效应力的数值无法求得，所以试验结果只能求得（）的混合值。快速法使用于测定粘性土天然强度，但角将会偏大。

1、试验结果：

（1）按式下式计算剪应力：

式中：——剪应力（kPa）；

——量力环中测微表读数（0.0 lmm）；

——量力环系数，本试验使用的四台直剪仪量力环系数分别为0.244，0.244，0.238，0.244，（kPa /0.01mm）。

（2）按下式计算剪切位移：

式中：——剪切位移（0.01mm）；

——手轮转数。

以剪应力τ为纵坐标，剪切位移L为横坐标，绘制剪应力τ与剪切位移L关系曲线（关系曲线）如下：

图6 快剪试验应力应变曲线

由图及测得数据可得各个垂直压力下的红粘土的抗剪强度为：

p=100时，；

p =200时，；

p =300时，；

p =400时，。

以剪应力τ为纵坐标，垂直压应力P为横坐标（注意纵、横坐标比例尺应一致），绘制剪应力τ与垂直压应力P的关系曲线（关系曲线），该直线的倾角即为土的内摩擦角（°），该直线在纵坐标上的截距即为土的粘聚力（kPa）。

图7 快剪试验抗剪强度包络线

3.2 固结快剪试验

先使土样在某一级垂直压力作用下，固结至排水变形稳定，再以每分钟0.8mm的剪切速率施加剪力，直至剪坏，一般在3-5分钟内完成，适用于渗透系数小于10-6cm/s的细粒土。由于时间短促，剪力所产生的超静水压力不会转化为粒间的有效应力，用几个土样在不同垂直压力下进行慢减，便能求得抗剪强度参数。和值，这种和值称为总应力法抗剪强度参数。

试验结果：

剪应力τ与剪切位移L关系曲线如下：

图8 固结快剪试验应力应变曲线

可得：

p=100时，；

p=200时，；

p=300时，；

p=400时，。

绘制剪应力τ与垂直压应力P的关系曲线，如下：

图9 固结快剪试验抗剪强度包络线

4 标准固结试验

标准固结试验是将天然状态下的原状土或人工制备的扰动土，制备成一定规格的土样，然后在侧限与轴向排水条件下测定土在不同荷载下的压缩变形，且试样在每级压力下的固结时间为24h。本试验分为4组平行试验同时进行，其中一组进行回弹试验。

1．试验设备：

固结仪：GJZ-3型三联中压固结，由固结容器、加荷设备、变形量测设备等组成；

环刀:面积30cm3，高2cm；天平；测微表；精度；其它：秒表、烘箱、修土刀、称量盒、滤纸等。

2．试验结果：

表6固结试验土样的初始试验指标

某一压力范围内的压缩系数，应按下式计算：

式中、——各级压力下试样固结稳定后的空隙比。

某一压力范围内的压缩模量，应按下式计算：

式中——某压力范围内的压缩模量，MPa；

——试样的初始空隙比。

某一压力范围内的体积压缩系数，应按下式计算：

式中——某压力范围内的体积压缩系数，MPa-1。

以孔隙比为纵坐标，压力为横坐标绘制的孔隙比与压力的关系曲线，见图10、图11与图12。

图10 固结试验孔隙比与压力关系曲线

以孔隙比为纵坐标，压力为横坐标绘制的孔隙比与压力的关系曲线，见图12。

图11 孔隙比与压力（对数）关系曲线（第一组、第二组）

图12 孔隙比与压力（对数）关系曲线（第三组、第四组）

表7 荷载100-200kPa下的固结试验结果

表7为固结试验结果，三峡库区红粘土的压缩系数及压缩模量为中等压缩性土。表8是三峡与其他地区的对比结果。

表8 其他地区红粘土固结指标

结论

土工试验是土力学研究的基础和重要手段，是研究土的工程性质的必经手段。进行了以下室内试验得到了含水率试验、密度试验、比重试验、液塑限试验、击实试验、颗粒分析试验、自由膨胀率试验、收缩试验、直接剪切试验、固结试验以及无侧限压缩试验；并获得了相应试验的试验参数和曲线。这对三峡库区红粘土的病害治理具有重要的指导意义。

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