饱和重塑红黏土三轴固结排水剪切特性试验

黄世传; 徐兴倩; 赵熹; 杨苑君; 刘慧梅; 王海军; 王永昊

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2500259

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (5) :2092-2103 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2500259

建筑科学

饱和重塑红黏土三轴固结排水剪切特性试验

黄世传 ¹ ,
徐兴倩 ¹^,²^,^* ,
赵熹 ¹ ,
杨苑君 ¹ ,
刘慧梅 ¹ ,
王海军 ³ ,
王永昊 ¹

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Test on Characteristics of Triaxial Consolidated Drained Shear of Saturated Remolded Red Clay

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摘要

红黏土作为一种天然建筑材料被广泛应用于地基、路基、坝体防渗等工程,但因饱和红黏土固结排水耗费时间较长,从而导致其自稳过程中剪切特性尚未明晰。开展不同干密度、围压条件下饱和红黏土三轴固结排水试验(consolidated drained,CD),探讨饱和红黏土的应力状态、变形特性及强度变化规律,提出饱和红黏土固结排水本构模型。结果表明:饱和红黏土应力-应变曲线以应变ε₁=10%为临界值,经历弹性变形和应变硬化两个阶段,其应变表现为硬化特征,体应变经历线性增长和剪胀破坏过程,出现明显的剪胀现象,有效应力经历快速增长和应力强化阶段。饱和红黏土应力路径均为线性增长的平行直线,黏聚力c随干密度增大逐渐增大,内摩擦角ϕ随干密度增大缓慢增大,抗剪强度随围压增大逐渐增大。结合饱和红黏土三轴试验结果,提出饱和红黏土固结排水指数本构模型,计算红黏土破坏比R_f范围为0.86~0.99,且破坏比随着围压增大而呈现减小趋势,应力-应变特性符合应变硬化特征。该模型能够有效反映饱和红黏土固结排水条件下的变形规律,可为红土型滑坡滑带红黏土变形演化及边坡监测预警深入研究提供依据。

Abstract

Red clay is widely used in foundation, roadbed, dam seepage prevention and other projects as a natural building material. However, it takes a long time for saturated red clay to consolidate and drain, so its shear characteristics in the process of self-stabilization are not clear. Consolidated-drained (CD) triaxial tests were conducted on saturated red clay under varying dry densities and confining pressures to investigate its stress evolution, deformation mechanisms, and strength variation patterns, ultimately developing a constitutive model for consolidation and drainage behavior. The results show that the stress-strain curve of saturated red clay takes strain ε₁=10% as the critical value dividing two stages elastic deformation and strain hardening, its strain shows hardening characteristics and the bulk strain undergoes linear growth and dilatancy failure process. The obvious dilatation phenomenon appears, and the effective stress undergoes rapid growth and stress strengthening stage. The stress paths of saturated red clay are all parallel straight lines with linear growth, the cohesion gradually increases with the increasing dry density, the internal friction angle increases slowly with the increasing dry density, and the shear strength gradually increases with the increase of confining pressure. Based on the results of triaxial tests on saturated red clay, a constitutive model for the consolidation drainage index of saturated red clay is proposed. The calculated failure ratio (R_f) of red clay ranges from 0.86 to 0.99, showing a decreasing trend with increasing confining pressure. The stress-strain characteristics exhibit strain hardening behavior. The developed model effectively captures the deformation behavior of saturated red clay under consolidated-drained conditions, providing a theoretical framework for investigating strain evolution in shear zones of lateritic landslides and offering critical insights to facilitate advanced research on slope monitoring and early-warning systems.

Graphical abstract

关键词

红黏土 / 三轴试验 / 固结排水 / 剪切特性 / 本构模型

Key words

red clay / triaxial test / consolidated drainage / shear characteristics / constitutive model

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黄世传, 徐兴倩, 赵熹, 杨苑君, 刘慧梅, 王海军, 王永昊. 饱和重塑红黏土三轴固结排水剪切特性试验[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(5): 2092-2103 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2500259

HUANG Shi-zhuan, XU Xing-qian, ZHAO Xi, YANG Yuan-jun, LIU Hui-mei, WANG Hai-jun, WANG Yong-hao. Test on Characteristics of Triaxial Consolidated Drained Shear of Saturated Remolded Red Clay[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(5): 2092-2103 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2500259

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红黏土是碳酸岩类岩石(石灰岩、白云岩等)在亚热带的湿热气候环境中经历红土化作用形成的一种高塑性黏土^[1],它是一种区域性特殊土,大多呈红褐色,少部分呈黄褐色,集中分布于重庆、广西、贵州、云南、湖南等省区^[2]。红黏土具有高孔隙比、高含水率、高强度和压缩性差等不良物理性质,在公路、铁路和水利工程等基础设施的建设和运营中,因饱和红黏土裂隙发育、明显收缩性常常会引发崩塌、滑坡和不均匀沉降等地质灾害^[3-5]。因此,探讨饱和红黏土变形特性、应力状态及强度变化规律对工程安全施工具有重要意义。

固结排水措施能增强土体应力,使土体在排水过程中达到变形稳定状态,不同土体在固结排水条件下的变形特性及应力-应变规律有所不同。排水剪过程中黄土的应力-应变曲线表现出硬化趋势,土体的偏应力和结构强度逐渐增大^[6-7];饱和软土的应力-应变趋势呈硬化型,随着偏应力的增大,软土结构变得密实^[8-9];砂土的应变表现出软化和剪缩现象,其特征状态偏应力随围压或相对密度的增大而增大,体变随围压(或相对密度)增大而增大(或减小)^[10-12]。饱和黏性土的应力-应变曲线呈软化及体缩变形特征,且随着围压的逐渐增大,应变软化及体缩特征越明显^[13-14]。以上研究大多针对黄土、软土、砂土等土体进行,对饱和红黏土变形规律及应力-应变特性的研究较少。

土体本构关系是描述土体力学性状及变形特性的数学模型。刘家顺等^[15]从饱和黏土有效应力路径和渐进状态特性等方面探讨排水边界条件对其力学特性的影响,建立饱和黏土渐近状态本构模型。张勇等^[16]采用室内三轴排水剪切试验,分析重塑软土的剪切特性并建立重塑软土三轴排水剪切本构模型。童国庆等^[17]通过开展不同围压和剪切速率下原状黄土三轴剪切试验,结合微观试验验证,揭示加载速率对黄土邓肯-张模型参数的影响规律。王云飞等^[18]基于重塑黏土的真三轴试验,分析不同含水率和中应力比下土体强度变化规律,建立重塑黏土的改进邓肯-张模型。Wang等^[19]分析三轴排水条件下不同应力对滑带土蠕变特性影响规律,提出滑带土蠕变本构模型。Mashinchian等^[20]开展菲鲁兹库桑迪土三轴排水试验,验证了亚塑性本构模型适用性。Ma等^[21]对软土进行三轴排水剪切试验,提出软土的非线性弹性本构模型。综上,专家学者们对黄土、砂土、黏性土的变形规律及本构模型研究有较多了解,但对多处于饱和状态红土型滑坡滑带红黏土的剪切破坏特征不明晰,亟需开展固结排水条件下饱和红黏土本构模型的相关研究。

现以云南红黏土为例,原位取样测定红黏土的基本指标,以干密度和围压为变量,开展室内饱和重塑红黏土的三轴固结排水剪切试验,分析饱和红黏土应力-应变、体积应变、有效应力及抗剪强度等力学指标的变化规律,提出饱和红黏土三轴固结排水本构模型,为红黏土边坡工程防灾减灾工作提供理论依据。

1 试验内容及方法

1.1 试验材料

试样取自云南省昆明市,自然风干碾碎,过2 mm网筛,将其放入105 ℃的烘箱中恒温干燥24 h,分装放入密封容器中备用。依据《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)^[22],通过常规土力学试验测定土样基本物理指标,结果如表1所示。

1.2 试验仪器

采用南京土壤仪器厂生产的SLB-1A型应力应变控制式三轴剪切渗透试验仪,主要由轴向力传感器、位移传感器、压力室、孔压传感器、围压控制器、反压控制器及数据采集系统组成,主要技术参数:轴向力范围0~10 kN、围压范围0~1.99 MPa、反压范围0~0.99 MPa、体积变化范围0~480 mL,可在等应力或等应变控制方式下进行饱和、非饱和土的常规三轴剪切试验,属于多功能柔性控制三轴试验仪(图2)。

1.3 试验方案

为探讨不同干密度和不同围压对饱和重塑红黏土力学特性的影响,通过重塑红黏土制备4个不同干密度(1.2、1.25、1.3、1.35 g/cm³)试样,设计5个不同围压(50、100、200、300、400 kPa)开展红黏土固结排水试验研究。具体参数设置为:应变速率控制在0.001 mm/min,数据采样间隔为30 s,当试样的最大变形量达到12 mm,停止试验,共计20组试验。

1.4 试验步骤

(1)试样制备:按设定干密度称取不同质量的红黏土,通过分层击实法分4层装入三轴制样器,确保每层均匀压实,制备试样尺寸为Φ 39.1×80 mm。

(2)试样饱和:将制备好的试样放入真空饱和器中先抽气1 h,再充分浸泡10 h,制备饱和红黏土试样。

(3)试样固结:将饱和试样套上橡胶模安装于压力室底座,套上压力室罩,密封并注水,调节好轴力传感器,逐级施加围压,打开排水阀对红黏土试样进行固结。

(4)排水剪切:在试样固结完成后,以0.001 mm/min的轴向应变速率对试样进行剪切试验并依据《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)^[22],轴向应变到达15%时认定试样破坏,结束试验。

2 饱和红黏土三轴剪切特性分析

2.1 饱和红黏土应力-应变分析

2.1.1 偏应力-轴向应变关系

图3为在不同干密度和围压条件下饱和重塑红黏土的应力-应变曲线。可以看出,饱和红黏土的应力-应变曲线具有较好的一致性,当轴向应变达到土体破坏值(ε₁=15%)时,饱和红黏土的偏应力趋于稳定,应力-应变关系呈现硬化特征,大致分为两个阶段:弹性变形阶段和应变硬化阶段。在弹性变形阶段,即轴向应变小于10%时,随着轴向应变的增加,偏应力迅速上升,且围压越大,线性增长趋势越明显;当轴向应变大于10%后,饱和红黏土进入应变硬化阶段,随着轴向应变的增大,偏应力逐渐增大,硬化趋势越明显。此外,随着干密度和围压的增加,应力-应变曲线整体上移,表明饱和红黏土抗变形能力提升。

2.1.2 有效应力-轴向应变关系

图4为不同干密度和围压条件下饱和重塑红黏土的有效应力与轴向应变曲线,可以看出,饱和红黏土有效应力经历快速增长和逐渐强化阶段,当轴向应变达到土体破坏值ε₁=15%时,饱和红黏土的有效应力仍持续缓慢增加。在剪切阶段的初期,即有效应力曲线处于快速增长阶段,随着围压的增大,饱和红黏土有效应力迅速增加;在剪切阶段中后期,即有效应力曲线处于应力强化阶段,有效应力呈缓慢增加趋势。随着干密度和围压的增大,有效应力曲线整体向上移动,相同轴应变对应的有效应力值也随之增大,表明饱和红黏土固结排水能有效促使土体有效应力提高。

2.1.3 体应变-轴向应变关系

图5为在不同干密度和围压下饱和重塑红黏土的体积应变与轴向应变曲线。可以看出,饱和红黏土体积应变-轴向应变曲线变化规律大致相同,当轴向应变达到土体破坏值ε₁=15%时,饱和红黏土的体积应变趋于稳定,体积应变-轴向应变关系呈剪胀特征,大致分为两个阶段:线性增长阶段和剪胀破坏阶段。在线性增长阶段,干密度越小,饱和红黏土的体应变越大,线性增长趋势明显,反之,饱和红黏土的体应变越小,增长趋势相对减弱;在剪胀破坏阶段,相同干密度条件下,随着围压增大体应变明显增大,表现出剪胀特征,表明饱和红黏土的剪胀性与干密度和加压荷载密切相关。

2.2 饱和红黏土抗剪强度特性分析

土体应力路径反映其应力变化对土体抗剪强度的影响,基于饱和红黏土三轴固结排水试验得到p-q曲线,如图6所示。

(1)

$\left\{\begin{array}{l}p=\frac{1}{3}({\sigma }_{1}+2{\sigma }_{3})\\ q={\sigma }_{1}-{\sigma }_{3}\end{array}\right.$

式(1)中:p为平均主应力,kPa;q为偏应力,kPa。

如图6所示,饱和重塑红黏土在剪切过程中的应力路径曲线均为线性增长的平行直线,不同干密度和围压条件下饱和红黏土应力路径具有相似性,红黏土的偏应力随着平均主应力的增加而增加。在相同干密度情况下,高围压下红黏土的应力路径较长,表现出更强的应力效应;而低围压下红黏土的应力路径较短,应力效应相对较弱。在相同围压条件下,不同干密度条件下红黏土的应力路径长度相差较小,即饱和红黏土的干密度对其应力效应影响较小,应力路径状态与土体的固结压力密切相关。随着孔隙水被逐渐排出,有效应力逐渐增强,内部产生正孔压,土体的强度得到有效提高。

根据莫尔库仑理论绘制固结排水条件下饱和红黏土绘制莫尔应力圆(图7),饱和红黏土的抗剪强度参数如表2所示,计算出土体抗剪强度指标(图8)。由图8可知,饱和红黏土的黏聚力(c)、内摩擦角(ϕ)随着干密度的增加均呈线性增长趋势,在不同干密度条件下,随着围压的逐渐增大,饱和红黏土的抗剪强度逐渐增大。

3 饱和红黏土固结排水本构模型

由饱和红黏土应力-应变分析知,其应力-应变曲线呈现应变硬化型,可解释为,随着应变的增加,红黏土偏应力无限趋近于上限水平渐进线,符合双曲线关系^[23][式(2)]。经研究发现,指数函数与双曲线关系存在无限趋近上限的水平渐进线,采用指数函数拟合饱和红黏土三轴应力-应变数据得到红黏土三轴固结排水指数本构模型[式(3)]。

(2)σ₁-σ₃=$\frac{{\epsilon }_{\mathrm{a}}}{a+b{\epsilon }_{\mathrm{a}}}$

式中:σ₁为最大主应力,MPa;σ₃为最小应力,MPa;ε_a为轴向应变;σ₁-σ₃为偏应力,MPa;a、b为试验参数,由具体试验确定。

(3)σ₁-σ₃=c[1-exp(-dε₁)]

式(3)中:ε₁为轴向应变;c、d为试验参数,由土体性质和试验条件确定。

图9为固结排水条件下饱和红黏土本构模型的拟合关系,具体的模型参数如表3所示。可知,在不同干密度和围压条件下饱和红黏土指数本构模型应力-应变拟合曲线与试验结果总体吻合较好,该模型平均拟合精度R²为0.95,证明指数本构模型参数c、d的准确性,说明该模型能较好地反映饱和红黏土固结排水条件下的应变硬化特征。

4 讨论

4.1 双曲线模型与指数本构模型关系对比

为验证指数本构模型的适用性,以固结排水条件下饱和重塑红黏土的常规三轴试验结果为基础,选择饱和红黏土不同干密度和围压条件下的应力-应变关系曲线,将饱和红黏土的指数本构模型、双曲线模型及试验实测数据进行拟合对比分析,结果如图10所示。根据拟合情况可以看出,饱和红黏土剪切过程中,双曲线模型拟合的应力-应变关系与试验数据存在较大差距,所提指数本构模型与试验实测数据有较高的符合度;在土体结构破坏前,不同围压下饱和红黏土指数本构模型与试验数据都具更高的拟合度,双曲线模型与试验数据有较大差距;饱和红黏土结构破坏后,指数本构模型和双曲线模型拟合结果与试验实测数据有较好的拟合度;红黏土在围压为50~100 kPa时,两个模型拟合度相差较小,围压在200~400 kPa时,两个模型的拟合度相差较大。

从拟合精度来看,不同干密度和围压条件下饱和红黏土双曲线模型与指数本构模型平均拟合精度均大于0.9,说明两种模型都能较好地模拟实测数据(表4)。其中,双曲线模型的平均拟合精度为0.90,指数模型的平均拟合精度为0.95,表明指数模型的拟合效果具有良好的可靠性,其应力-应变变化规律更符合固结排水条件下饱和红黏土的实际情况。综上,指数本构模型更能表征固结排水条件下饱和红黏土的变形规律及其应变硬化特性。

4.2 饱和红黏土破坏比计算

由双曲线模型^[24-25]定义土体的强度破坏比R_f为

(4)R_f=$\frac{({\sigma }_{1}-{\sigma }_{3}{)}_{\mathrm{f}}}{({\sigma }_{1}-{\sigma }_{3}{)}_{\mathrm{u}}}$

式(4)中:(σ₁-σ₃)_f为土样破坏时的强度值;(σ₁-σ₃)_u为土体强度极限值。参数中涉及的破坏强度值是取模型数据中(ε₁=15%)时的偏应力值,而土体极限值是根据两个模型取极限后,代入式(3)计算而得。

根据式(4),计算饱和重塑红黏土双曲线模型及指数模型的破坏比R_f(表5)。

通过计算可得到不同干密度和围压条件下饱和红黏土双曲线模型及指数模型的破坏比,其中,双曲线模型R_f的范围为0.71~0.89,指数模型R_f的范围为0.86~0.99(表3)。从图11中可知,饱和红黏土指数模型与双曲线模型破坏比整体呈下降趋势;相同干密度不同围压条件下,围压越大,饱和红黏土破坏比越小;相同围压不同干密度条件下,干密度越大,红黏土的破坏比越小。说明干密度和围压越大,土体抵抗剪切变形的能力越强,土体越不容易被破坏,符合本文研究的饱和红黏土应变硬化型特征。也可以看出,指数模型较双曲线模型的下降趋势更具规律性。随着围压的增大,双曲线模型破坏比呈波动减小的趋势,而指数模型破坏比大致呈线性减小的趋势。综上所述,指数模型破坏比更能够反映饱和红黏土在固结排水剪切条件下的实际变形情况。

5 结论

以开展不同围压、干密度下饱和重塑红黏土三轴固结排水剪切(CD)试验,分析饱和红黏土剪切特性,建立饱和重塑红黏土三轴固结排水本构模型,得出以下结论。

(1)在固结排水条件下,饱和红黏土应力-应变曲线经历弹性变形和应变硬化两个阶段,随轴向应变的增加,红黏土偏应力逐渐增大,表现为应变硬化特征;体应变曲线经线性增长和剪胀破坏过程,围压越大且干密度越小,剪胀特征越明显;有效应力曲线经历快速增长和应力强化阶段,表明固结排水有利于增强土体的抗变形能力。

(2)通过三轴试验得到饱和红黏土有效应力路径曲线是一系列增长且平行的直线,随干密度和围压的增大,其应力效应逐渐增强,强度指标(c、ϕ)均呈良好的线性增长趋势,抗剪强度随围压和干密度的增大而逐渐增大,固结排水条件下孔隙水压力转化为有效应力,饱和红黏土抗剪强度得到有效提高。

(3)基于饱和红黏土三轴应力-应变数据拟合指数本构模型,经与红黏土双曲线模型拟合精度、破坏比R_f对比分析后,得到指数模型应力-应变符合应变硬化特征,说明该模型更适合于描述饱和重塑红黏土固结排水条件下的变形规律。因此,就红土型滑坡滑带红黏土而言,固结排水方式提高土体的抗剪强度,采取合理的固结排水措施(如:暗管、廊道等)是有利于红土型边坡稳定性的有效手段。

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原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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基金资助

国家自然科学基金(42367025)

云南省基础研究计划农业联合专项(202301BD070001-171)

云南省教育厅科学研究基金(2024J044)

云南省教育厅科学研究基金(2024Y303)

云南省高层次人才培养支持计划“青年拔尖人才”专项(YNWR-QNBJ-2020-030)

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Received	Published	Revised
2025-01-11	2026-02-18	2025-10-28
Online Date
2026-05-27

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