0.   引言

红土被认为是一种特殊土^[1-4]，其物理性质较差但其工程性质较好。在我国，红土主要分布在南方地区，北方部分地区也有分布。而三轴试验作为一种经典土工试验被广泛地应用于红土工程性质的研究^[5-6]中，通过三轴试验可得到土体的应力应变曲线，并在此基础上分析其变形机理得到工程参数等。土体三轴剪切时的体积应变变化规律是研究的重点之一。李广信等^[7]、姚仰平等^[8]对土样体积变化与受力的关系进行了总结。沈珠江^[9]对体应变与应变关系进行了数学模型的描述。沈珠江^[10]、王立忠等^[11]、谷建晓等^[12]通过结构性土应力-应变曲线的分析，对结构性土的变形进行了阶段划分并解释了其机理。

由于红土工程特性的地域差异极大，且现有研究对江西地区红土剪切变形机理关注较少，本文对南昌重塑红土开展了固结排水条件下的三轴试验，试样密度分别为1.75，1.80，1.85，1.90，1.95 g/cm³，围压分别为50，100，200，300 kPa。在对比各土样的应力-应变曲线和应力-体应变曲线后，将南昌重塑红土的三轴剪切变形划分为三个阶段，并结合文献[13，14]，分析了红土中团聚体对剪切变形的影响。基于试验数据，进一步对土样体积应变和平均正应力、剪应力的关系进行了讨论。

1.   试样制备

土样取自江西省南昌市东华理工大学西门外的建筑工地。土体呈棕红色、棕黄色，质地较均匀，杂质较少。天然含水率约为23%，土体天然密度为1.85 g/cm³。经比重瓶法测得G_s=2.69；经液塑限联合测定法测得液限含水率w_L=37%，塑限含水率w_P= 20%，塑性指数I_P=17；天然孔隙比e₀大约为0.76。参照相关规范^[15-16]，对土料进行研磨过筛，按天然含水率w=23%进行配制，调配好的土料包上保鲜膜闷料一昼夜。试样采用静压制样法，分五次压实，中间打毛，

以保证重塑试样的均匀性。

2.   试验方案

试验为CD条件下的三轴试验，研究土体密度对南昌重塑红土工程性质的影响。控制重塑三轴试样初始密度${\rho _0}$分别为1.75，1.80，1.85，1.90，1.95 g/cm³，围压分别为50，100，200，300 kPa。共进行了5组20个样的固结排水三轴剪切试验。固结时间参照相关标准^[16]，设定为2 h，且当固结时间到达2 h时，试样体积几乎停止变化；剪切速率设置为0.08%/min；当轴向应变达20%时，试验结束。

3.   ${\varepsilon _{\text{v}}}{\text{ - }}{\varepsilon _{\text{1}}}$及$({\sigma _1} - {\sigma _3}){\text{ - }}{\varepsilon _{\text{1}}}$曲线对比分析

图 1为剪切过程中，同围压${\sigma _3}$的情况下，不同密度试样偏应力${\sigma _1} - {\sigma _3}$及体积应变${\varepsilon _{\text{v}}}$随轴向应变${\varepsilon _{\text{1}}}$变化的散点图。除${\rho _{\text{0}}}$=1.95 g/cm³，${\sigma _3}$=50 kPa试样外，其他土样的总体积剪切压缩。同时，围压越大，${\varepsilon _{\text{v}}}{\text{ - }}{\varepsilon _{\text{1}}}$曲线随密度而产生的差异越小。在围压较低时，各密度曲线更加发散，差异更大；围压较高时，各密度的${\varepsilon _{\text{v}}}{\text{ - }}{\varepsilon _{\text{1}}}$曲线更加聚拢。而$({\sigma _1} - {\sigma _3}){\text{ - }}{\varepsilon _{\text{1}}}$曲线则不同：围压越高，各密度的$({\sigma _1} - {\sigma _3}){\text{ - }}{\varepsilon _{\text{1}}}$曲线越发散；低围压时，各密度的$({\sigma _1} - {\sigma _3}){\text{ - }}{\varepsilon _{\text{1}}}$曲线越聚拢。可以看出高密度试样更易于在剪切后期发生相较于体积应变峰值时的相对膨胀，但高围压会抑制试样剪胀现象的发生。

图  1  南昌重塑红土$({\sigma _1} - {\sigma _3}){\text{ - }}{\varepsilon _{\text{1}}}$和${\varepsilon _{\text{v}}}{\text{ - }}{\varepsilon _{\text{1}}}$曲线对比图

Figure  1.  Comparison of $({\sigma _1} - {\sigma _3}){\text{ - }}{\varepsilon _{\text{1}}}$ and ${\varepsilon _{\text{v}}}{\text{ - }}{\varepsilon _{\text{1}}}$ curves of Nanchang remodelled laterite

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对比$({\sigma _1} - {\sigma _3}){\text{ - }}{\varepsilon _{\text{1}}}$和${\varepsilon _{\text{v}}}{\text{ - }}{\varepsilon _{\text{1}}}$曲线，可分别将曲线分成三个阶段，且两种曲线的各阶段相互对应，如图 2所示。试验所得重塑红土试样的$({\sigma _1} - {\sigma _3}){\text{ - }}{\varepsilon _{\text{1}}}$曲线，与天然结构性土相似^[10-12]，可分成三部分。这说明重塑土样同样具有一定抵抗剪切变形的强度。

图  2  南昌重塑红土$({\sigma _1} - {\sigma _3}){\text{ - }}{\varepsilon _{\text{1}}}$和${\varepsilon _{\text{v}}}{\text{ - }}{\varepsilon _{\text{1}}}$曲线图

Figure  2.  $({\sigma _1} - {\sigma _3}){\text{ - }}{\varepsilon _{\text{1}}}$ and ${\varepsilon _{\text{v}}}{\text{ - }}{\varepsilon _{\text{1}}}$ curves of Nanchang remodelled laterite

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分析其原因：重塑红土会形成相对封闭的团聚体结构^[13-14]，小的团聚体还会聚集成大的团聚体，这种结构具有一定抵抗剪切变形的能力，在一定外力作用下才会破裂。故重塑红土的$({\sigma _1} - {\sigma _3}){\text{ - }}{\varepsilon _{\text{1}}}$曲线在第一阶段时，呈弹性变形，但此阶段比天然结构土的第一阶段要短很多，这是重塑红土中土体结构被破坏，相比于天然结构土，其抵抗剪切变形的能力被大大削弱；在第二阶段中，土样中的大小团聚体受剪切破裂，抵抗剪切变形能力减弱，土体塑性变形比例大幅上升，曲线斜率逐渐减小；第三阶段时，土样中大小团聚体基本被破坏，此时塑性变形为变形主体，土样出现硬化或塑性破坏。

${\varepsilon _{\text{v}}}{\text{ - }}{\varepsilon _{\text{1}}}$曲线可对应$({\sigma _1} - {\sigma _3}){\text{ - }}{\varepsilon _{\text{1}}}$曲线分成3个阶段：第一阶段，${\varepsilon _{\text{v}}}$随${\varepsilon _{\text{1}}}$变化不大，曲线近似于斜率较小的直线。此阶段土体中团聚体未破裂且其锁定了大量的空间，有一定抵抗剪切变形的能力。变形以弹性形变为主。第二阶段，初期曲线快速上升，斜率较大。随着${\varepsilon _{\text{1}}}$增大，曲线斜率变小，高围压下斜率变化小于低围压下斜率变化。土样密度越大，曲线的斜率变化越大，甚至小于0，密度越小，曲线斜率变化越小。在此阶段，由于剪切应力的上升，团聚体被大量破坏而释放出了较大的压缩空间，故初期${\varepsilon _{\text{v}}}{\text{ - }}{\varepsilon _{\text{1}}}$曲线快速上升。随着团聚体逐渐被破坏，土颗粒间的孔隙被压缩，压缩空间随之减小，故曲线斜率也逐渐减小。此阶段变形由以弹性变形为主过渡到塑性变形为主。在第三阶段时，变形以塑性形变为主，土体中的团聚体基本破裂，且经过前两个阶段的压缩，土体内部的孔隙已经很小。当土样密度较高时，土体中颗粒排列更加紧密，随着剪应力增加，土体颗粒在径向上发生“滚动”和位移，土体的紧密状态被破坏，由此发生剪胀。而高围压会抑制位移和“滚动”，从而抑制剪胀或使土体进一步压缩。而低围压条件下，抑制径向上发生“滚动”和位移能力较差，易于发生剪胀^[17]。

4.   ${\varepsilon _{\text{v}}}$随$q$，$p$变化的关系

绘制${\varepsilon _{\text{v}}}{\text{ - }}q$点线图，如图 3。可看出${\varepsilon _{\text{v}}}{\text{ - }}q$在曲线初期为斜率接近于0的直线。剪应力q到达一定值时，斜率增大，${\varepsilon _{\text{v}}}$快速上升，曲线近似于直线。在曲线末端，若剪切发生应力软化，则q会减小，曲线向右发展，若发生剪切膨胀，体应变随剪应力增大而减小。

图  3  南昌重塑红土${\varepsilon _{\text{v}}}{\text{ - }}q$曲线图

Figure  3.  ${\varepsilon _{\text{v}}}{\text{ - }}q$ curves of Nanchang remodelled laterite

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不同围压下，各密度试样的曲线斜率增大，曲线快速上升时所对应的剪应力q大致相等，此时剪应力约为50 kPa。此时土体中的团聚体被破坏，释放出了压缩空间。在围压为50到100 kPa时，由于高密度试样的压缩空间较小，在三轴剪切过程中，团聚体开始破裂（q≥50 kPa）后，曲线峰值更小。又因为在制样过程中，高密度试样中的团聚体更易被挤压破坏，从而使剪切阶段释放的压缩空间更少，${\varepsilon _{\text{v}}}{\text{ - }}q$上升曲线斜率更小。在围压为200 kPa到300 kPa时，因高围压固结缩小了试样之间的密度差距，从而使各曲线之间的差异减小。文献[7]指出在剪切过程中土的体积改变主要与土体所受的剪应力q有关。结合前文，试样中团聚体大量破坏和剪应力q的增大有关系。

绘制${\varepsilon _{\text{v}}}{\text{ - }}q{\text{/}}p$关系曲线如图 4。从图 4可见，试样出现塑性破坏时，q/p约为1.5；当q/p < 1.5时，试样未发生塑性破坏，而是产生了硬化。同时可看出各围压下${\varepsilon _{\text{v}}}{\text{ - }}q{\text{/}}p$曲线图的q/p区间基本都在0到1.5之间。文献[8]指出土体在剪切中的体积应变主要是加载过程中平均主应力p和剪应力q耦合所产生的。故而在${\varepsilon _{\text{v}}}{\text{ - }}q{\text{/}}p$曲线图中，各围压下的曲线横坐标的区间基本一致。

图  4  南昌重塑红土${\varepsilon _{\text{v}}}{\text{ - }}q/p$曲线图

Figure  4.  ${\varepsilon _{\text{v}}}{\text{ - }}q/p$ curves of Nanchang remodelled laterite

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5.   结论

本文对取自工地现场的南昌重塑红土制取了1.75，1.80，1.85，1.90，1.95 g/cm³ 5个不同密度的三轴重塑样，控制围压分别为50，100，200，300 kPa，做了5组20个样的CD三轴试验。绘制了$({\sigma }_{1}-{\sigma }_{3})\text{-}{\varepsilon }_{1}，$ ${\varepsilon _{\text{v}}}{\text{ - }}{\varepsilon _{\text{1}}}$，${\varepsilon _{\text{v}}}{\text{ - }}q$和${\varepsilon _{\text{v}}}{\text{ - }}q{\text{/}}p$关系曲线图，分析了变形特性和变形机理，得到如下结论：

（1）南昌重塑红土的剪切变形可分为3个阶段：第一阶段以弹性变形为主；第二阶段以塑性形变为主；第三阶段时，土样易出现塑性破坏。

（2）高密度试样更易发生剪胀，而高围压会抑制剪胀的发生。低围压下，由于抑制土颗粒径向位移和“滚动”的能力低，易于发生剪胀现象。

（3）南昌红土土样中团聚体破坏，压缩空间释放主要与偏应力q有关，此时q≈50 kPa。而土样在不同阶段的体应变主要与平均主应力p和剪应力q耦合作用有关，土样发生剪胀时，q/p≈1.5。