贵州红粘土力学参数，非洲红粘土强度及变形特性研究

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刘成昆于洛宾李红

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摘要为了分析非洲热带雨林高液密度黄土的强度和变形特性，对三种不同含水率的原状和重塑黄土进行了三轴压实不排水试验。试验结果表明，三种不同含水率的未变形黄土的应力应变曲线表明，随着含水率的降低，应变软化特征越明显。不同的水分含量会导致应变硬化特性。原始黄土和重塑黄土的粘聚力和内摩擦角随着含水率的增加而减小，相同含水率的原始黄土的残余强度值与重塑黄土相似。

关键词原状黄土；三轴变形；

红粘土常见于热带、亚热带地区，是碳酸盐岩中经过特殊的物理化学反应而形成的一类具有特殊物理机械性能的粘土。红粘土区别于其他粘土的主要特点是其物理机械性能较差，但强度性能优异。黄土的强度特性主要体现在土体的抗剪力上。抗剪力是计算边坡稳定性时的一个重要参数。同时，红粘土的成分具有复杂的物理和化学性质，因此在含水率、压缩程度等条件下其剪切强度也不同。Murray使用直接剪切试验研究了贵州原状黄土的不同抗剪强度参数如何受到土壤含水量的影响。孔令伟、赵英文模拟了贵港原状红粘土的除湿情况。除湿过然后先减少。

除了对原状黄土的强度和变形进行研究外，许多学者还对变形黄土的强度和变形进行了相关研究，以更好地了解黄土的力学特性。通过直剪试验，梁斌得出了重塑红黏土各项抗剪强度参数受含水率影响的规律。得到的结论与其他学者对原状土的性质即抗剪强度和抗剪强度得到的结论相似。粘聚力粘聚力与土壤含水量呈线性负相关。近年来，我国在非洲开展的公路建设项目日益增多。喀麦隆地区地处西非低地丘陵地形，属热带雨林气候，常年降雨，黄土发育、分布广泛。关于非洲此类固液黄土的物理和力学特性的信息很少。目前尚缺乏相关研究，缺乏工程应用经验。因此，有必要对非洲热带雨林黄土的强度和变形进行试验研究。

1测试流程

11红粘土的基本性质

按照公路土工试验标准和规程对原状红粘土进行含水率试验、密度试验、临界含水率试验、比重试验等基本物理性能试验，结果发现其颜色为红色。来自非洲雨林地区的粘土具有较高的液限和自然含水率，基本物理性能测试结果如表1所示。

表1基本物理参数原图下载

12红粘土三轴试验

试验土采自雅都高速公路PK8+250~PK8+400路段。考虑到非洲热带雨林气候，不同深度黄土的干湿循环不同，土壤性质可能会发生不同程度的变化，因此我们计划使用不同深度不同含水率的三种原状黄土。1m。根据试验要求，用不同含水量的生黄土和重塑黄土各制备4个样品，共需要24个土样，每个土样尺寸为391mm80mm。最后，对三组相同含水率的原状重塑黄土试件在100kPa、150kPa、200kPa、250kPa围压下进行了综合不排水CU试验。对于一组含水率相同的土样，应根据不同围压分级进行各向同性压实，并打开排水阀排水。0s、15s、1mim、5min、10min、20min、30min、40min.根据时间测量排水管水位。若最后一次变形不大于001mm，则土样已固结。固结稳定时，剪切速率为05、1、8mm/min，测量孔隙水压力时，剪切速率为005。一般情况下，选择失效点有两个标准一是主应力差的峰值。另外，如果当剪切达到15个轴向应变时没有峰值，则将15处的相应值视为失效值。

2红粘土强度及变形特性分析

21红粘土应力应变曲线分析

根据岩土工程试验方法，分析绘制应力应变曲线时，应以轴向应变为横坐标，主应力差为纵坐标绘制应力应变关系曲线。根据方程1。

式中，1-3为主应力差，C为测功机校准系数，R为测功机读数，1为轴向应变。

图1原状红黏土应力-应变曲线

如图1所示，非洲高液限黄土的应力-应变曲线表明，初始阶段应力随着应变速率的增大而增大，当达到一定峰值后，应力开始随着应变速率的增大而减小。应变率。表现出明显的应变软化特征。对于含水量437，应力-应变曲线在各种围压下表现最规则，这可能是由于土壤样品制备过程中干扰较少。随着含水率逐渐增大，红粘土的弹性阶段范围也增大，这可能是因为含水率较低时，土体的抗剪强度较大，土体颗粒之间的连接更加紧密。弹性范围小。同时，土体的残余应力逐渐减小，这可能是由于含水量高的土体的抗剪力较低所致。受损的土壤更快地扩散到周围的土壤中，导致应变更快地积累，可能对内部土壤造成严重的结构破坏，从而减少残余应力。

图1原状黄土应力-应变曲线原图下载

2红粘土应力应变曲线的重构

在制作土样重塑红粘土的过程中，原有的红粘土被风干，土壤内部的水分流失，导致土颗粒之间的所有结构连接失效，导致土样被重新制作。土体的内部连接被重新组织，表现出与原状土体不同的应力应变关系。如图2所示，随着土体应变在屈服阶段后继续增加，根据含水率和围压条件的应力应变曲线与原始黄土的曲线有本质的不同。土体主应力逐渐增大，弹性阶段重塑红黏土的应力应变曲线仍保持线性关系，且随着应变的增大，应力不断增大，直至达到一定值，为基本上不会改变。转化的红粘土表现出本质上的硬化特性。

图2重建红粘土的应力-应变曲线下载原图

22红粘土抗剪强度分析

确定抗剪强度时，必须建立以剪应力为纵坐标、竖向应力为横坐标的坐标系，根据损伤类型，取破坏时最大主应力差的一半。

半径，最大主应力之和的一半

以圆心为圆心，绘制应力圆，并绘制与应力源相切的强度包络线。如果只有两个应力源，则可以确定距每个应力源中心的长度。直线的Di为Di，每个应力源的半径为Ri，并且可以使用距每个应力源中心的距离Di来量化，以使建立的直线更接近每个圆的切线。确定每个应力源半径Ri的差的绝对值之和的直线，由此可以设置目标函数。公式在2:中给出。

圆心到直线的距离是

其中，n为应力源数量。

按照上式进行规划求解，当得到最小值时，得到的k和b就是粘土的内摩擦角和粘聚力的正切值。为了快速、准确地处理测试数据，本文采用Python语言自主开发了计算不同变形状态下的内摩擦角和粘聚力的软件。软件在程序内实现了方程2的规划和求解，并计算了内聚力c和内摩擦角的值。图3为含水率为437时的粘聚力和内摩擦角结果。该软件除了计算各种抗剪强度参数外，还可以获得土体的抗剪强度包络线图。图4显示了水分含量为437时获得的结果。

图3抗剪强度计算结果图下载原图

图4剪切强度包络线图下载原图

1原状红黏土抗剪强度分析

由于非洲雨林常年降雨，红粘土的含水量会因地区而异。探索黄土抗剪强度参数与含水率之间的关系和变化规律，黄土含水率可能会发生变化。土壤的相关特性。不同含水量条件下的最大强度和残余强度如表2所示。

表2原始剪切强度参数下载原图

从剪切强度参数表可以看出，即使含水量发生变化，剪切强度与残余强度之比也基本保持不变。同时可以看出，含水率达到437前后，剪切强度和残余强度变化幅度不同。可以看出，当含水率低于437时，剪切强度和残余强度比含水率为437时消失得更快。内容大于437。内摩擦角随土壤含水量的变化与剪切强度随含水量的变化大致相同，含水量越低，内摩擦角减小得越快。同时，通过各种抗剪强度变量随含水率的变化，可以得出含水率的变化是红粘土物理力学性能变化的主要原因。

2重塑红黏土抗剪强度分析

不同含水率下重塑红粘土的最大强度和残余强度见表3。

表3剪切强度参数重建原图下载

从表3可以看出，重塑后的非洲黄土的强度远低于原始黄土，但内摩擦角基本保持在17左右，尽管受土壤含水量的影响较小。随着土壤含水率的增加，重塑土的抗剪强度也逐渐降低，其降低幅度与原黄土的抗剪强度与含水率的关系类似，且含水率越低，抗剪强度越高。水分含量。剪切强度剪切强度下降得更快。

23原生黄土与重塑黄土对比分析

1应力-应变曲线对比分析

原始黄土和重塑黄土的应力应变关系如图5和图6所示。通过对图中两种土类的应力应变曲线分析，可以得出以下规律原状土壤首先经历弹性阶段，随着应变率增加，应力也增加。经过弹性阶段后，原状黄土的强度增加到最大，然后应变进入塑性阶段。在此阶段，当达到每条曲线中的应力时，围压的变化会导致应变。最大值不同。随着围压的增加，土体达到最大强度应变。另外，当原状黄土中的应力达到最大强度时，原状黄土中的应力开始增加。黄土中的应力在低于250kPa时下降最快，表明在250kPa围压下测试的样本可能会受到损坏。一旦土壤达到最大应力，原始损伤就会加速应力崩溃的速度。

不同围压下改良土的应变硬化关系清晰且具有较高的相似性。但不同围压下原黄土的曲线变化均表现出应变软化特征，但又存在细微差别。在围压下，在达到最大强度之前的塑性变形阶段出现两个峰值。在应力下降阶段，应力随变形下降的速率也不同。原因可能是原状红粘土内部存在杂质，可能会导致样品与样品之间的结果略有差异，但可以通过实验来解释实验结果，以研究红粘土的整体变形软化关系和趋势。够了。该区红黏土形变软化特征[J].为了更清楚地比较原始红黏土与重塑红黏土的差异，对两种黏土在相同围压下的应力应变曲线进行了对比分析，如图5~图8所示。

图5100kPa极限压力对比图下载原图

图6150kPa围压对比图下载原图

图7100kPa围压对比图下载原图

图8150kPa围压对比图下载原图

从上图可以看出，在应变率达到原始黄土的最高应变率之前，原始黄土达到最高强度后，原始黄土与重塑黄土的主应力差异逐渐增大。随着围压的增加，当围压达到250kPa时，重塑红粘土的残余强度逐渐下降。它是原始的红粘土。也就是说，与高围压下的原始红土相比，