摘要：本文在總結(jié)歸納了紅粘土的抗剪強度理論和抗剪強度影響因素的基礎(chǔ)上，結(jié)合室內(nèi)直剪試驗和三軸試驗，研究了紅粘土的強度特性及裂隙發(fā)育對于紅粘土強度破壞特征的影響，以及直剪試驗和三軸試驗強度指標(biāo)對比以及兩種試驗的快慢剪之間的關(guān)系，對于渝湘高速紅粘土地段的設(shè)計參數(shù)的選取具有參考作用。
　　關(guān)鍵詞：紅粘土；強度；試驗
　　
　　1引言
　　渝湘高速是西部開發(fā)中省際通道中的一段，是寧波至樟木國家重點干線公路的重要組成部分，也是重慶“兩環(huán)八射”骨架公路中屬于“八射”的重要路段，沿線紅粘土分布廣泛，給公路施工帶來了很大影響，為了更好地保證路基施工質(zhì)量的要求，使用了不同的試驗方法測量沿線紅粘土的強度指標(biāo)，研究了其強度特性。
　　2直剪試驗與三軸試驗對強度的影響
　　由于試驗方法的不同，在測定抗剪強度指標(biāo)時，剪切破壞的應(yīng)力也不同，導(dǎo)致抗剪強度參數(shù)值也不同，見下表：

　　根據(jù)上表可知，直剪試驗的強度指標(biāo)離散性比較大，首要原因是剪切面只能控制在剪切上下盒的接觸面上，而該接觸面未必就是軟弱結(jié)構(gòu)面、裂隙面；其次在于直剪試驗內(nèi)剪切應(yīng)變分布不均勻，另外試樣排水條件的控制程度等也是強度指標(biāo)離散性大的原因之一。此外，發(fā)現(xiàn)直剪試驗的內(nèi)摩擦角大于三軸試驗的內(nèi)摩擦角，內(nèi)聚力因為直剪試驗的離散性大而互有大小。直剪試驗的內(nèi)摩擦角大于三軸試驗是由于一般情況下，三軸試驗和直剪試驗處于不等價的應(yīng)力狀態(tài)。三軸試驗時，試樣處于三向應(yīng)力狀態(tài)；而直剪試驗時，試樣處于雙向應(yīng)力狀態(tài)。在三向應(yīng)力狀態(tài)下，由于σ2=σ3。且兩個方向均由液壓接觸加載，能保證載荷是均勻分布的。方向與剛性壓頭接觸面積相對另兩方向面積較小，具有較好的平衡調(diào)劑作保障，也能保證除壓頭局部外的軸向為均布壓力[1]。但是，直剪試驗在四個面上為剛性接觸加載，加工試件時，既要保證截面與截面的平行性，又要保證截面與截面的垂直性，由此會導(dǎo)致誤差，造成四個加載面上應(yīng)力分布不均勻性的狀況。另外，為消除試件受到的轉(zhuǎn)矩作用，導(dǎo)致難以確定四個加載面上的實際應(yīng)力分布情況。剪切開始后，上下盒發(fā)生相對位移。試樣上下被剪兩部分隨之發(fā)生相對位移，使原來軸向的正壓力變?yōu)槠�軸壓力，試樣產(chǎn)生斜剪，理論剪切面就會小于實際剪切面要大。
　　三軸剪切試驗的優(yōu)點在于，可以控制大小主應(yīng)力及排水條件，能夠模仿土體在實際土層中的受力狀況試驗中處于與工程相近的三向受力狀態(tài)，易于反映土體不連續(xù)性和各向異性受力狀態(tài)明確，剪切面不固定，破壞面是土體的最薄弱面，并根據(jù)工程所需準(zhǔn)確測定土的孔隙壓力及體積變化[2]。
　　直剪試驗試驗所需試樣較少，試驗速度較快，時間較短，剪切峰值易于確定，儀器設(shè)備構(gòu)造和操作比較簡單，人員容易掌握，所以目前仍是室內(nèi)試驗的重要手段，我國在此方面中已積累了大量經(jīng)驗，工程實際中仍在廣泛應(yīng)用。但剪切試驗受儀器結(jié)構(gòu)的限制，無法控制排水，只能以剪切速率的快慢來控制試樣的排水條件，直剪試驗的缺點是剪切面只能在中間水平向，剪切破壞面系人為規(guī)定，破壞面不一定就是最薄弱面，而且剪切面下應(yīng)力分布不均勻，不符合土所處的實際應(yīng)力狀態(tài)。
　　綜上所述，所以三軸剪切更為客觀，更接近自然情況，渝湘高速最終在紅粘土地基的施工和設(shè)計中選用三軸試驗的強度指標(biāo)。
　　3快慢剪對于強度的影響
　　土體的剪切強度與試樣在剪切過程中孔隙水壓力的消散程度有關(guān)。因此，對于同一土體，由于剪切前后的固結(jié)程度和排水條件不同，即使作用在剪切面上的法向總應(yīng)力σ相同，其抗剪強度及其指標(biāo)C、φ值也不相同，即土的抗剪強度應(yīng)該用有效應(yīng)力法來計算。由于許多實際工程的邊界條件比較復(fù)雜，求解和測定孔隙水壓力異常困難，所以在實際應(yīng)用中，通常把孔隙水壓力對抗剪強度的影響考慮到總應(yīng)力中去，制定了三種不同排水條件的剪切試驗方法，以近似模擬工程中的實際固結(jié)排水條件。
　　表2直剪試驗的快剪與慢剪強度指標(biāo)對比

　　三種不同排水條件的剪切試驗方法及其使用條件如下：
　　(l)快剪(Q)與不固結(jié)不排水剪(UU)
　　快剪和不固結(jié)不排水剪用于模擬土體來不及固結(jié)排水就較快加載以至剪切破壞的情況。近年來，地基穩(wěn)定性驗算一般應(yīng)采用快剪和不固結(jié)不排水剪的指標(biāo)；驗算斜坡穩(wěn)定性時，若土體排水條件差、透水性較弱，也應(yīng)該采用快剪和不固不排水剪的指標(biāo)。
　　(2)固結(jié)快剪(CQ)與固結(jié)不排水剪(CU)
　　固結(jié)快剪與固結(jié)不排水剪試驗用于模擬土體在自重應(yīng)力或正常荷載下已充固結(jié)，而后荷載突然增加的情況。在實際工程中，當(dāng)建筑物在施工期間已排水結(jié)，但竣工后有大量或突發(fā)荷載施于其上時，可以采用固結(jié)快剪和固結(jié)不排水的指標(biāo)。
　　(3)慢剪(S)與固結(jié)排水剪(CD)
　　慢剪與固結(jié)排水剪試驗用于模擬土體充分固結(jié)后才開始緩慢施加荷載的況。由于慢剪及固結(jié)排水剪試驗中的孔隙水壓始終為零，總應(yīng)力就等于有效應(yīng)力為了近似模擬渝湘高速紅粘土路基的實際固結(jié)排水條件，對紅粘土進了三種不同排水條件下的剪切試驗，試驗結(jié)果對比如表2和3所示。
　　表3三軸試驗的快剪與慢剪強度指標(biāo)對比

　　由表2和3可以發(fā)現(xiàn)無論是直剪試驗還是三軸試驗，其固結(jié)排水剪和不固結(jié)不排水剪(慢剪)的凝聚力和內(nèi)摩擦角都大于不固結(jié)不排水剪(快剪)試驗的參數(shù)。這是因為紅粘土中的結(jié)合水連結(jié)具有與一般粘性土一樣的普遍規(guī)律，其中強結(jié)合水膜中的分子不能移動，但是弱結(jié)合水膜中的水分子可以移動，對土顆粒的相對運動起潤滑作用。排水剪時，隨著水的不斷排出，土中以弱結(jié)合水膜形式存在的水分子就越來越少，自由水也越來越少。隨著含水量的減少，結(jié)合水膜變薄，土顆粒間距離減小，摩擦作用增強，其結(jié)果就是使土的凝聚力和內(nèi)摩擦角增大，強度增大。因此，在渝湘高速紅粘土地區(qū)的設(shè)計和施工中，要根據(jù)具體的工程概況選擇相應(yīng)的快慢剪指標(biāo)。另外，還可以通過固結(jié)排水的方式來提高紅紅粘土地基的強度。

　　4結(jié)論
　　1、裂隙發(fā)育紅粘土的強度與完整紅粘土強度變化范圍較大，這主要是因為裂隙傾斜面與施加的剪切應(yīng)力方向的不同造成的。另外紅粘土因為其內(nèi)裂隙發(fā)育，產(chǎn)生若干軟弱結(jié)構(gòu)面(裂隙面)，當(dāng)受剪應(yīng)力作用時，土樣將首先沿著這些結(jié)構(gòu)面的位置發(fā)生破壞，當(dāng)這種抗剪力大于結(jié)構(gòu)面上的剪應(yīng)力時，沿該結(jié)構(gòu)面的破壞就不再發(fā)展了，而此時，當(dāng)剪應(yīng)力達到或超過其他結(jié)面上的抗剪強度時，這些結(jié)構(gòu)面又發(fā)生新的破壞，于是形成了裂隙紅粘土多級破壞的特征，裂隙發(fā)育紅粘土的應(yīng)力—應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出多級變化的特點。
　　2、豎向壓力較低時，由于對土的約束較小，紅粘土的強度相對較低，峰值強度對應(yīng)的剪切應(yīng)變較小，殘余強度降低明顯；豎向壓力較大時，對土約束較大，紅粘土體強度有較大提高。隨著壓力的增大，峰值后強度有所降低，殘余強度也有較大提高。
　　3、直剪試驗的內(nèi)摩擦角大于三軸試驗的內(nèi)摩擦角，內(nèi)聚力因為直剪試驗的離散性大而互有大小。這是因為直剪試驗在四個面上為剛性接觸加載，加工試件時，既要保證截面與截面的平行性，又要保證截面與截面的垂直性，這樣就會導(dǎo)致一定的誤差，造成四個加載面上應(yīng)力分布不均勻。另外，通過直剪與三軸試驗對比可以得出：直剪和三軸試驗的固結(jié)排水剪和不固結(jié)不排水剪(慢剪)的凝聚力和內(nèi)摩擦角都大于不固結(jié)不排水剪(快剪)試驗的參數(shù)。
　　參考文獻
　　[1]楊慶，賀潔，欒茂田.非飽和紅粘土和膨脹土抗剪強度的比較研究[J].巖土力學(xué)，2003，24（1）：13-16.
　　[2]FredlundDG，RahardjoH.非飽和土土力學(xué)[M].陳仲頤，張在明，陳愈炯，等譯.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1997.