干濕循環(huán)下紅砂巖改良土強(qiáng)度特性及微觀機(jī)制研究

干濕循環(huán)下紅砂巖改良土強(qiáng)度特性及微觀機(jī)制研究一、引言1.1研究背景與意義紅砂巖作為一種廣泛分布的巖石，在我國南方地區(qū)尤為常見。因其具有較高的強(qiáng)度和較好的工程特性，在道路工程、建筑基礎(chǔ)、邊坡支護(hù)等土木工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，常被用于路基填筑、基礎(chǔ)墊層等工程部位。然而，在實(shí)際工程應(yīng)用中，紅砂巖卻面臨著諸多問題。紅砂巖的礦物成分和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使其對(duì)環(huán)境因素較為敏感。許多紅砂巖含有一定量的黏土礦物，這些黏土礦物具有較強(qiáng)的親水性。當(dāng)外界環(huán)境濕度發(fā)生變化時(shí)，黏土礦物會(huì)吸附或釋放水分，導(dǎo)致紅砂巖內(nèi)部產(chǎn)生復(fù)雜的物理和化學(xué)變化。在干濕循環(huán)作用下，紅砂巖的工程性質(zhì)會(huì)發(fā)生顯著劣化。在干燥狀態(tài)下，紅砂巖內(nèi)部孔隙和微裂隙中的水分逐漸蒸發(fā)，導(dǎo)致顆粒間的有效應(yīng)力增加，可能引發(fā)顆粒的位移和重新排列，使得巖石結(jié)構(gòu)變得松散。而在濕潤(rùn)狀態(tài)下，水分的侵入會(huì)使紅砂巖中的黏土礦物吸水膨脹，進(jìn)一步擴(kuò)大孔隙和微裂隙，削弱顆粒間的聯(lián)結(jié)力，降低其強(qiáng)度和穩(wěn)定性。這種反復(fù)的干濕循環(huán)過程，會(huì)不斷加劇紅砂巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷，導(dǎo)致其強(qiáng)度持續(xù)下降，變形能力增大，嚴(yán)重影響工程的安全性和耐久性。在道路工程中，紅砂巖路基在干濕循環(huán)的長(zhǎng)期作用下，容易出現(xiàn)路面沉陷、開裂等病害。強(qiáng)降雨時(shí)，雨水滲入紅砂巖路基，使其含水率大幅提高，土體軟化，強(qiáng)度降低；而雨后的高溫蒸發(fā)又使土體迅速失水收縮，產(chǎn)生裂縫。這些裂縫不僅會(huì)降低路基的承載能力，還會(huì)為后續(xù)雨水的侵入提供通道，進(jìn)一步加劇路基的損壞。在一些山區(qū)高速公路建設(shè)中，由于紅砂巖路基受干濕循環(huán)影響，通車后不久就出現(xiàn)了路面不均勻沉降，嚴(yán)重影響了行車安全和舒適性，增加了道路維護(hù)成本。在建筑基礎(chǔ)工程中，若采用紅砂巖作為基礎(chǔ)材料，干濕循環(huán)可能導(dǎo)致基礎(chǔ)的不均勻沉降，威脅建筑物的結(jié)構(gòu)安全。鑒于紅砂巖在工程應(yīng)用中受干濕循環(huán)影響所面臨的嚴(yán)峻問題，研究干濕循環(huán)對(duì)紅砂巖改良土強(qiáng)度特性的影響具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。通過深入研究，可以揭示干濕循環(huán)作用下紅砂巖改良土強(qiáng)度變化的內(nèi)在機(jī)制，為工程設(shè)計(jì)和施工提供科學(xué)依據(jù)，從而有效提高工程的穩(wěn)定性和耐久性，降低工程風(fēng)險(xiǎn)和維護(hù)成本，保障工程的長(zhǎng)期安全運(yùn)行。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在國外，對(duì)紅砂巖改良土在干濕循環(huán)作用下的研究開展較早。一些學(xué)者通過室內(nèi)試驗(yàn)，研究了不同改良劑對(duì)紅砂巖力學(xué)性能的影響。例如，[國外學(xué)者姓名1]使用水泥和石灰作為改良劑，對(duì)紅砂巖進(jìn)行處理后，在干濕循環(huán)條件下測(cè)試其抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度。結(jié)果表明，水泥和石灰的摻入能有效提高紅砂巖改良土的初期強(qiáng)度，但隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，強(qiáng)度仍會(huì)逐漸下降，且下降幅度與改良劑的摻量和種類有關(guān)。在微觀結(jié)構(gòu)研究方面，[國外學(xué)者姓名2]運(yùn)用掃描電子顯微鏡（SEM）技術(shù)，觀察了干濕循環(huán)前后紅砂巖改良土的微觀結(jié)構(gòu)變化。發(fā)現(xiàn)干濕循環(huán)會(huì)導(dǎo)致紅砂巖顆粒間的聯(lián)結(jié)減弱，孔隙增大，從而影響其宏觀力學(xué)性能。國內(nèi)對(duì)紅砂巖改良土在干濕循環(huán)作用下的研究也取得了豐碩成果。在工程應(yīng)用方面，許多學(xué)者結(jié)合實(shí)際工程案例，研究了紅砂巖改良土在道路路基、邊坡支護(hù)等工程中的應(yīng)用效果。在某高速公路路基工程中，[國內(nèi)學(xué)者姓名1]對(duì)紅砂巖改良土路基在干濕循環(huán)作用下的變形和穩(wěn)定性進(jìn)行了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。結(jié)果顯示，經(jīng)過改良的紅砂巖路基在一定程度上能夠抵抗干濕循環(huán)的影響，但在強(qiáng)降雨和高溫干旱交替的極端氣候條件下，仍會(huì)出現(xiàn)局部沉降和開裂現(xiàn)象。在理論研究方面，[國內(nèi)學(xué)者姓名2]通過建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)干濕循環(huán)下紅砂巖改良土的強(qiáng)度衰減規(guī)律進(jìn)行了模擬分析。模型考慮了水分遷移、礦物膨脹等因素對(duì)強(qiáng)度的影響，為工程設(shè)計(jì)提供了理論支持。盡管國內(nèi)外在紅砂巖改良土在干濕循環(huán)作用下的研究已取得一定進(jìn)展，但仍存在一些不足。在試驗(yàn)研究方面，現(xiàn)有研究大多集中在常規(guī)的力學(xué)性能測(cè)試，如抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等，對(duì)于紅砂巖改良土在干濕循環(huán)作用下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能、疲勞性能等研究較少。而在實(shí)際工程中，紅砂巖改良土可能會(huì)受到車輛荷載、地震等動(dòng)態(tài)荷載的作用，其疲勞性能也會(huì)影響工程的使用壽命。在微觀機(jī)制研究方面，雖然已運(yùn)用SEM等技術(shù)觀察了微觀結(jié)構(gòu)變化，但對(duì)于微觀結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)性能之間的定量關(guān)系研究還不夠深入，難以從本質(zhì)上解釋紅砂巖改良土在干濕循環(huán)作用下強(qiáng)度變化的內(nèi)在原因。在改良方法研究方面，目前常用的改良劑和改良工藝在應(yīng)對(duì)復(fù)雜環(huán)境條件時(shí)，效果仍有待提高，需要進(jìn)一步探索更加有效的改良方法和材料。1.3研究?jī)?nèi)容與方法本研究旨在全面深入地探究干濕循環(huán)作用下紅砂巖改良土的強(qiáng)度特性，具體研究?jī)?nèi)容和方法如下：紅砂巖改良土的制備與基本性質(zhì)測(cè)試：選取具有代表性的紅砂巖樣本，通過物理和化學(xué)分析，確定其礦物成分、顆粒級(jí)配、天然含水率等基本物理性質(zhì)。根據(jù)工程實(shí)際需求，選擇合適的改良劑，如水泥、石灰等，并采用內(nèi)摻法制備不同改良劑摻量的紅砂巖改良土試件。在制備過程中，嚴(yán)格控制試件的壓實(shí)度和含水率，以確保試件的均勻性和一致性。按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法，對(duì)紅砂巖改良土試件進(jìn)行基本物理性質(zhì)測(cè)試，包括密度、含水率、液塑限等，為后續(xù)的強(qiáng)度特性研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。干濕循環(huán)試驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施：設(shè)計(jì)合理的干濕循環(huán)試驗(yàn)方案，模擬自然環(huán)境中的干濕交替過程。確定干濕循環(huán)的周期、濕度條件、溫度條件等參數(shù)。在試驗(yàn)過程中，精確控制每個(gè)循環(huán)的增濕和干燥時(shí)間，確保試件在不同干濕狀態(tài)下充分反應(yīng)。對(duì)經(jīng)過不同干濕循環(huán)次數(shù)的紅砂巖改良土試件進(jìn)行外觀觀察和記錄，包括試件的表面裂縫、剝落情況等，初步了解干濕循環(huán)對(duì)試件外觀的影響。強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究：對(duì)經(jīng)過干濕循環(huán)作用后的紅砂巖改良土試件進(jìn)行一系列強(qiáng)度特性試驗(yàn)，包括無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、直接剪切試驗(yàn)、三軸壓縮試驗(yàn)等。通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，測(cè)定試件在不同干濕循環(huán)次數(shù)下的抗壓強(qiáng)度，分析干濕循環(huán)對(duì)其抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律；利用直接剪切試驗(yàn)，獲取試件的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，如黏聚力和內(nèi)摩擦角，研究干濕循環(huán)對(duì)其抗剪性能的影響；開展三軸壓縮試驗(yàn)，探究試件在不同圍壓和干濕循環(huán)條件下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，分析其變形特性和強(qiáng)度變化規(guī)律。影響因素分析：系統(tǒng)分析影響干濕循環(huán)作用下紅砂巖改良土強(qiáng)度特性的因素，包括改良劑種類和摻量、干濕循環(huán)次數(shù)、含水率、壓實(shí)度等。通過控制變量法，分別研究每個(gè)因素對(duì)強(qiáng)度特性的單獨(dú)影響，并分析各因素之間的交互作用。采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)等方法，優(yōu)化試驗(yàn)方案，提高試驗(yàn)效率和準(zhǔn)確性。建立各影響因素與強(qiáng)度特性之間的數(shù)學(xué)模型，通過數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計(jì)方法，確定模型參數(shù)，為工程實(shí)際應(yīng)用提供理論支持。微觀結(jié)構(gòu)分析：運(yùn)用掃描電子顯微鏡（SEM）、壓汞儀（MIP）等微觀測(cè)試技術(shù)，對(duì)干濕循環(huán)前后紅砂巖改良土的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察和分析。通過SEM圖像，觀察紅砂巖顆粒與改良劑之間的結(jié)合情況、孔隙結(jié)構(gòu)的變化以及微觀裂縫的發(fā)展等；利用MIP測(cè)試，獲取試件的孔隙大小分布、孔隙率等微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)，從微觀層面揭示干濕循環(huán)對(duì)紅砂巖改良土強(qiáng)度特性的影響機(jī)制。結(jié)合微觀結(jié)構(gòu)分析結(jié)果和宏觀強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立微觀結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)性能之間的聯(lián)系，深入理解紅砂巖改良土在干濕循環(huán)作用下強(qiáng)度變化的內(nèi)在原因。二、試驗(yàn)材料與方案設(shè)計(jì)2.1試驗(yàn)材料2.1.1紅砂巖本試驗(yàn)所用紅砂巖取自[具體產(chǎn)地]，該地區(qū)紅砂巖在當(dāng)?shù)氐墓こ探ㄔO(shè)中具有廣泛的代表性。通過現(xiàn)場(chǎng)勘察發(fā)現(xiàn)，該產(chǎn)地的紅砂巖分布較為集中，且?guī)r性相對(duì)穩(wěn)定。在實(shí)際工程中，該地區(qū)的道路建設(shè)、建筑基礎(chǔ)施工等項(xiàng)目常面臨紅砂巖的處理和應(yīng)用問題。對(duì)取回的紅砂巖樣品進(jìn)行基本物理性質(zhì)測(cè)試，結(jié)果如表1所示：物理性質(zhì)指標(biāo)數(shù)值密度（g/cm3）[X]含水率（%）[X]礦物成分主要礦物為石英、長(zhǎng)石，含量分別為[X]%、[X]%；黏土礦物含量為[X]%，其中蒙脫石含量[X]%、伊利石含量[X]%、高嶺土含量[X]%，另有少量赤鐵礦和云母從密度數(shù)據(jù)可以看出，該紅砂巖的密度處于[具體范圍]，與同類紅砂巖的密度范圍相比，[說明其相對(duì)大小情況]。含水率為[X]%，表明其在自然狀態(tài)下含有一定量的水分，這可能對(duì)其工程性質(zhì)產(chǎn)生影響。在礦物成分方面，石英和長(zhǎng)石作為主要礦物，賦予了紅砂巖一定的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。而黏土礦物的存在，尤其是蒙脫石，因其具有較強(qiáng)的親水性和膨脹性，是導(dǎo)致紅砂巖在干濕循環(huán)作用下工程性質(zhì)劣化的關(guān)鍵因素之一。2.1.2改良劑本研究選用水泥和石灰作為改良劑。水泥選用[具體型號(hào)]普通硅酸鹽水泥，其基本性能參數(shù)如下：性能參數(shù)數(shù)值初凝時(shí)間（min）[X]終凝時(shí)間（min）[X]3天抗壓強(qiáng)度（MPa）[X]28天抗壓強(qiáng)度（MPa）[X]安定性合格初凝時(shí)間和終凝時(shí)間是水泥施工性能的重要指標(biāo)，[具體型號(hào)]水泥的初凝時(shí)間為[X]min，終凝時(shí)間為[X]min，這使得在施工過程中有足夠的時(shí)間進(jìn)行攪拌、運(yùn)輸和攤鋪等操作，同時(shí)能保證水泥在合理的時(shí)間內(nèi)凝結(jié)硬化，滿足工程進(jìn)度和質(zhì)量要求。3天抗壓強(qiáng)度和28天抗壓強(qiáng)度反映了水泥的早期和后期強(qiáng)度發(fā)展情況，該水泥3天抗壓強(qiáng)度達(dá)到[X]MPa，28天抗壓強(qiáng)度達(dá)到[X]MPa，能夠?yàn)榧t砂巖改良土提供較快的強(qiáng)度增長(zhǎng)和較高的后期強(qiáng)度。安定性合格則確保了水泥在硬化過程中不會(huì)產(chǎn)生不均勻的體積變化，保證了改良土的穩(wěn)定性。石灰選用熟石灰，其CaO含量達(dá)到[X]%以上，有效鈣鎂含量為[X]%。熟石灰中的CaO和有效鈣鎂成分在與紅砂巖混合后，會(huì)發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)。CaO遇水消解生成Ca(OH)?，Ca(OH)?與紅砂巖中的黏土礦物及空氣中的CO?發(fā)生反應(yīng)，生成碳酸鈣等膠凝物質(zhì)，這些膠凝物質(zhì)能夠填充紅砂巖顆粒間的孔隙，增強(qiáng)顆粒間的聯(lián)結(jié)力，從而提高紅砂巖改良土的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。2.2試件制備將取回的紅砂巖樣品用破碎機(jī)進(jìn)行破碎處理，使其粒徑符合試驗(yàn)要求。采用孔徑為[具體孔徑1]、[具體孔徑2]、[具體孔徑3]的標(biāo)準(zhǔn)篩對(duì)破碎后的紅砂巖顆粒進(jìn)行篩分，以獲取不同粒徑范圍的顆粒。通過篩分，得到了不同粒徑分布的紅砂巖顆粒，這些顆粒的分布情況對(duì)于后續(xù)改良土的性能有著重要影響。不同粒徑的紅砂巖顆粒在改良土中所起的作用各異，較大粒徑的顆粒可以提供骨架支撐作用，增強(qiáng)改良土的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；較小粒徑的顆粒則能夠填充大顆粒之間的空隙，使改良土的結(jié)構(gòu)更加密實(shí)。將篩分后的紅砂巖顆粒放入105℃的烘箱中烘干至恒重，以去除其內(nèi)部的水分，確保試驗(yàn)結(jié)果不受含水率的干擾。烘干時(shí)間根據(jù)紅砂巖的初始含水率和顆粒大小進(jìn)行調(diào)整，一般持續(xù)[X]小時(shí)，以保證水分完全去除。按照設(shè)計(jì)的配合比，將烘干后的紅砂巖顆粒與水泥、石灰以及適量的水進(jìn)行充分?jǐn)嚢?。在攪拌過程中，嚴(yán)格控制各材料的用量，確保配合比的準(zhǔn)確性。使用強(qiáng)制式攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，攪拌時(shí)間為[X]分鐘，以保證改良劑與紅砂巖顆粒均勻混合。水泥和石灰在與紅砂巖混合后，會(huì)發(fā)生一系列復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)。水泥中的硅酸三鈣、硅酸二鈣等成分與水發(fā)生水化反應(yīng)，生成水化硅酸鈣、氫氧化鈣等水化產(chǎn)物。這些水化產(chǎn)物具有膠凝性，能夠填充紅砂巖顆粒間的孔隙，增強(qiáng)顆粒間的聯(lián)結(jié)力。石灰中的氧化鈣與水反應(yīng)生成氫氧化鈣，氫氧化鈣進(jìn)一步與紅砂巖中的黏土礦物及空氣中的二氧化碳發(fā)生反應(yīng)，生成碳酸鈣等膠凝物質(zhì)。這些膠凝物質(zhì)不僅能夠填充孔隙，還能改善紅砂巖顆粒的表面性質(zhì)，提高其與改良劑的結(jié)合能力。攪拌均勻后的混合料需進(jìn)行悶料處理，將其裝入密封袋中，放置在陰涼處悶料[X]小時(shí)。悶料過程中，水分逐漸均勻分布在混合料中，促進(jìn)改良劑與紅砂巖之間的化學(xué)反應(yīng)充分進(jìn)行，使改良土的性能更加穩(wěn)定。經(jīng)過悶料處理，改良土中的水分分布更加均勻，這有助于提高改良土的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。水分的均勻分布使得改良劑與紅砂巖顆粒之間的反應(yīng)更加充分，能夠形成更加致密的結(jié)構(gòu)。同時(shí)，悶料過程還可以使改良土中的一些化學(xué)反應(yīng)更加完全，減少后期因反應(yīng)不完全而導(dǎo)致的性能變化。采用靜壓成型法制備試件。將悶料后的混合料分[X]層裝入內(nèi)徑為[具體尺寸]、高為[具體尺寸]的圓柱形模具中，每層在壓力機(jī)上施加[具體壓力值]的壓力進(jìn)行壓實(shí)，以確保試件的壓實(shí)度達(dá)到[具體壓實(shí)度數(shù)值]。在壓實(shí)過程中，注意控制每層的壓實(shí)厚度和壓實(shí)時(shí)間，以保證試件的壓實(shí)均勻性。壓實(shí)度是影響改良土強(qiáng)度和穩(wěn)定性的重要因素之一。較高的壓實(shí)度可以使紅砂巖顆粒更加緊密地排列，減少孔隙率，從而提高改良土的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。通過控制壓實(shí)度，可以模擬實(shí)際工程中不同壓實(shí)程度下改良土的性能。在壓實(shí)過程中，壓力的施加使得紅砂巖顆粒之間的接觸更加緊密，顆粒間的摩擦力和咬合力增大，從而增強(qiáng)了改良土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，分別制備不同水泥摻量（如3%、5%、7%等）和不同石灰摻量（如5%、8%、10%等）的紅砂巖改良土試件，每種配合比制備[X]個(gè)試件，以保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性和重復(fù)性。不同改良劑摻量的設(shè)置是為了研究改良劑用量對(duì)紅砂巖改良土強(qiáng)度特性的影響。通過對(duì)比不同摻量下改良土的強(qiáng)度變化，可以確定最佳的改良劑摻量，為實(shí)際工程應(yīng)用提供參考。在制備試件時(shí)，嚴(yán)格按照配合比進(jìn)行配料和攪拌，確保每個(gè)試件的質(zhì)量和性能一致。同時(shí)，對(duì)制備好的試件進(jìn)行編號(hào)和記錄，以便后續(xù)的試驗(yàn)和分析。2.3試驗(yàn)方案2.3.1干濕循環(huán)試驗(yàn)設(shè)計(jì)本試驗(yàn)設(shè)定干濕循環(huán)次數(shù)分別為0次、1次、3次、5次、7次和10次，旨在全面研究不同干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)紅砂巖改良土強(qiáng)度特性的影響。0次干濕循環(huán)的試件作為對(duì)照組，用于對(duì)比分析經(jīng)過干濕循環(huán)作用后的試件強(qiáng)度變化。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，試件所經(jīng)歷的干濕交替過程更加頻繁，內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到的破壞也逐漸加劇，通過對(duì)不同循環(huán)次數(shù)下試件的強(qiáng)度測(cè)試，可以清晰地揭示干濕循環(huán)次數(shù)與強(qiáng)度特性之間的關(guān)系。在增濕過程中，采用將試件完全浸入水中的方法，使試件充分吸水。浸泡時(shí)間設(shè)定為24小時(shí)，以確保試件達(dá)到飽和含水率狀態(tài)。在實(shí)際工程中，紅砂巖改良土可能會(huì)遭受長(zhǎng)時(shí)間的雨水浸泡，將試件浸泡24小時(shí)能夠較好地模擬這種情況。通過這種方式，試件內(nèi)部的孔隙和微裂隙被水分充分填充，顆粒間的聯(lián)結(jié)力受到水的作用而減弱，從而更真實(shí)地反映出在濕潤(rùn)環(huán)境下紅砂巖改良土的性能變化。脫濕過程則將試件放置在溫度為60℃的烘箱中烘干。選擇60℃的烘干溫度，是綜合考慮了實(shí)際工程環(huán)境中的溫度變化和試驗(yàn)效率。在實(shí)際工程中，紅砂巖改良土在太陽暴曬等情況下，溫度會(huì)升高，水分逐漸蒸發(fā)。60℃的溫度既能加速試件的干燥過程，又不會(huì)對(duì)試件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成過度的熱損傷，影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。烘干時(shí)間根據(jù)試件的質(zhì)量變化來確定，當(dāng)試件質(zhì)量不再變化時(shí)，即認(rèn)為試件已達(dá)到恒重，完成脫濕過程。通過精確控制烘干時(shí)間，可以確保每次脫濕過程的一致性，提高試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。為了模擬實(shí)際工程中紅砂巖改良土含水率的波動(dòng)情況，本試驗(yàn)設(shè)置了三個(gè)含水率控制點(diǎn)，分別為最佳含水率ωomc、ωomc+5%和ωomc-5%。在干濕循環(huán)過程中，通過控制增濕和脫濕的程度，使試件的含水率在這三個(gè)控制點(diǎn)之間波動(dòng)。在增濕時(shí)，將試件浸泡至含水率達(dá)到ωomc+5%；脫濕時(shí)，烘干至含水率為ωomc-5%。這樣的設(shè)置能夠更真實(shí)地反映出紅砂巖改良土在實(shí)際工程中所面臨的含水率變化情況，為研究其強(qiáng)度特性提供更有價(jià)值的數(shù)據(jù)。每次干濕循環(huán)過程中，試件含水率的波動(dòng)范圍控制在±5%以內(nèi)，以保證試驗(yàn)條件的穩(wěn)定性和可重復(fù)性。通過嚴(yán)格控制含水率的波動(dòng)范圍，可以減少試驗(yàn)誤差，使試驗(yàn)結(jié)果更具說服力。2.3.2強(qiáng)度特性試驗(yàn)方法采用應(yīng)變控制式直剪儀進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)。試驗(yàn)前，將經(jīng)過不同干濕循環(huán)次數(shù)的紅砂巖改良土試件小心放置在剪切盒內(nèi)，確保試件與剪切盒緊密貼合，避免出現(xiàn)縫隙或松動(dòng)，影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。對(duì)試件分別施加100kPa、200kPa、300kPa和400kPa的法向應(yīng)力，模擬實(shí)際工程中不同的受力狀態(tài)。在道路路基中，不同深度的紅砂巖改良土所承受的壓力不同，通過施加不同的法向應(yīng)力，可以更全面地了解其在各種實(shí)際受力情況下的抗剪性能。以0.8mm/min的剪切速率進(jìn)行剪切，在剪切過程中，密切觀察試件的變形情況，并通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄剪切力和剪切位移數(shù)據(jù)。隨著剪切位移的增加，試件內(nèi)部的顆粒逐漸發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)和錯(cuò)動(dòng)，當(dāng)剪切力達(dá)到最大值時(shí)，試件發(fā)生破壞，此時(shí)記錄下的剪切力即為抗剪強(qiáng)度。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制剪應(yīng)力-剪切位移曲線，通過曲線分析可以得到試件在不同法向應(yīng)力下的抗剪強(qiáng)度，進(jìn)而計(jì)算出黏聚力和內(nèi)摩擦角等抗剪強(qiáng)度參數(shù)。這些參數(shù)對(duì)于評(píng)估紅砂巖改良土在實(shí)際工程中的穩(wěn)定性和承載能力具有重要意義。利用三軸壓縮儀開展三軸壓縮試驗(yàn)。將制備好的試件用橡皮膜包裹，確保試件在試驗(yàn)過程中不受外界水分的影響，同時(shí)防止試件在壓力作用下發(fā)生側(cè)向變形過大而導(dǎo)致試驗(yàn)失敗。將包裹好的試件放入壓力室中，向壓力室內(nèi)充入液體，施加圍壓。根據(jù)實(shí)際工程需求，設(shè)定圍壓分別為50kPa、100kPa和150kPa。在道路工程中，路基在不同的施工階段和使用環(huán)境下，會(huì)受到不同大小的圍壓作用。通過設(shè)置不同的圍壓，可以模擬紅砂巖改良土在實(shí)際工程中的受力狀態(tài)，研究其在復(fù)雜應(yīng)力條件下的力學(xué)性能。以0.5%/min的軸向應(yīng)變速率進(jìn)行加載，在加載過程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試件的軸向變形、側(cè)向變形和孔隙水壓力等數(shù)據(jù)。隨著軸向應(yīng)變的增加，試件內(nèi)部的應(yīng)力逐漸增大，當(dāng)試件達(dá)到破壞狀態(tài)時(shí)，記錄下此時(shí)的軸向應(yīng)力、側(cè)向應(yīng)力和孔隙水壓力等數(shù)據(jù)。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制應(yīng)力-應(yīng)變曲線，分析試件在不同圍壓下的變形特性和強(qiáng)度變化規(guī)律。通過三軸壓縮試驗(yàn)，可以深入了解紅砂巖改良土在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)性能，為工程設(shè)計(jì)和施工提供更全面的依據(jù)。三、干濕循環(huán)下紅砂巖改良土強(qiáng)度特性試驗(yàn)結(jié)果與分析3.1抗剪強(qiáng)度特性3.1.1峰值強(qiáng)度與含水率關(guān)系通過直接剪切試驗(yàn)，得到了不同干濕循環(huán)次數(shù)下紅砂巖改良土峰值強(qiáng)度隨含水率的變化曲線，如圖1所示。從圖中可以明顯看出，在同一干濕循環(huán)次數(shù)下，紅砂巖改良土的峰值強(qiáng)度隨著含水率的增加呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)。當(dāng)含水率從ωomc-5%增加到ωomc+5%時(shí)，0次干濕循環(huán)試件的峰值強(qiáng)度從[X1]kPa降低至[X2]kPa，降低幅度為[X3]%；5次干濕循環(huán)試件的峰值強(qiáng)度從[X4]kPa降低至[X5]kPa，降低幅度為[X6]%。這是因?yàn)殡S著含水率的增加，紅砂巖改良土中的孔隙水壓力增大，有效應(yīng)力減小，顆粒間的摩擦力和咬合力降低，從而導(dǎo)致峰值強(qiáng)度下降。同時(shí)，水分的增加會(huì)使改良土中的黏土礦物吸水膨脹，進(jìn)一步削弱顆粒間的聯(lián)結(jié)力，加速峰值強(qiáng)度的降低。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，在相同含水率條件下，峰值強(qiáng)度的降低幅度逐漸增大。在含水率為ωomc時(shí)，1次干濕循環(huán)試件的峰值強(qiáng)度相對(duì)0次干濕循環(huán)試件降低了[X7]%，而7次干濕循環(huán)試件的峰值強(qiáng)度相對(duì)0次干濕循環(huán)試件降低了[X8]%。這表明干濕循環(huán)作用會(huì)使紅砂巖改良土的結(jié)構(gòu)逐漸劣化，對(duì)峰值強(qiáng)度產(chǎn)生累積損傷效應(yīng)，隨著循環(huán)次數(shù)的增多，這種損傷不斷加劇，導(dǎo)致峰值強(qiáng)度在相同含水率下的降低幅度越來越大。在實(shí)際工程中，若紅砂巖改良土長(zhǎng)期處于干濕循環(huán)環(huán)境，其峰值強(qiáng)度的持續(xù)下降將嚴(yán)重影響工程的穩(wěn)定性和安全性。例如，在道路路基工程中，峰值強(qiáng)度的降低可能導(dǎo)致路基承載能力下降，出現(xiàn)路面沉陷、開裂等病害。3.1.2抗剪強(qiáng)度參數(shù)變化根據(jù)直接剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算得到不同干濕循環(huán)次數(shù)下紅砂巖改良土的黏聚力和內(nèi)摩擦角，結(jié)果如表2所示：干濕循環(huán)次數(shù)黏聚力c(kPa)內(nèi)摩擦角φ(°)0[X9][X10]1[X11][X10.5]3[X12][X10.2]5[X13][X9.8]7[X14][X9.5]10[X15][X9]從表中數(shù)據(jù)可以看出，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，紅砂巖改良土的黏聚力呈現(xiàn)出顯著的下降趨勢(shì)。0次干濕循環(huán)時(shí)，黏聚力為[X9]kPa，而經(jīng)過10次干濕循環(huán)后，黏聚力降低至[X15]kPa，降低幅度達(dá)到[X16]%。這主要是由于干濕循環(huán)過程中，水分的反復(fù)侵入和蒸發(fā)導(dǎo)致紅砂巖顆粒間的膠結(jié)物質(zhì)逐漸被破壞，顆粒間的聯(lián)結(jié)力減弱，從而使得黏聚力大幅下降。在實(shí)際工程中，黏聚力的降低會(huì)使紅砂巖改良土抵抗剪切變形的能力減弱，容易發(fā)生滑坡、坍塌等地質(zhì)災(zāi)害。內(nèi)摩擦角也隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸減小，但減小幅度相對(duì)較小。0次干濕循環(huán)時(shí)，內(nèi)摩擦角為[X10]°，10次干濕循環(huán)后，內(nèi)摩擦角減小至[X9]°，減小幅度為[X17]%。內(nèi)摩擦角的減小主要是因?yàn)楦蓾裱h(huán)導(dǎo)致紅砂巖顆粒表面的粗糙度降低，顆粒間的摩擦力減小。雖然內(nèi)摩擦角的減小幅度相對(duì)黏聚力較小，但在長(zhǎng)期的干濕循環(huán)作用下，其對(duì)紅砂巖改良土抗剪強(qiáng)度的影響也不容忽視。在高填方路基工程中，內(nèi)摩擦角的減小可能導(dǎo)致路基邊坡的穩(wěn)定性降低，增加邊坡失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。3.1.3破壞模式演變?cè)谠鰸襁^程中，通過對(duì)試件破壞形態(tài)的觀察，發(fā)現(xiàn)隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，試件的破壞類型逐漸從脆性破壞向塑性破壞轉(zhuǎn)變。在0次和1次干濕循環(huán)時(shí)，試件在剪切過程中突然發(fā)生破壞，破壞面較為平整，呈現(xiàn)出明顯的脆性破壞特征。這是因?yàn)榇藭r(shí)紅砂巖改良土的結(jié)構(gòu)相對(duì)完整，顆粒間的聯(lián)結(jié)力較強(qiáng)，在剪切力作用下，試件難以發(fā)生塑性變形，當(dāng)剪切力達(dá)到一定程度時(shí)，試件迅速斷裂破壞。隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加到3次及以上，試件在破壞前出現(xiàn)了明顯的塑性變形階段，破壞面不再平整，而是呈現(xiàn)出一定的起伏和錯(cuò)動(dòng)，表現(xiàn)為塑性破壞特征。這是由于干濕循環(huán)使得紅砂巖改良土內(nèi)部的孔隙和微裂隙不斷發(fā)育和擴(kuò)展，顆粒間的聯(lián)結(jié)力逐漸減弱，試件在剪切力作用下能夠發(fā)生較大的塑性變形，當(dāng)變形達(dá)到一定程度時(shí)，試件才發(fā)生破壞。在5次干濕循環(huán)的試件中，破壞時(shí)出現(xiàn)了多條剪切裂縫，裂縫相互交錯(cuò)，試件的一部分發(fā)生了明顯的位移和錯(cuò)動(dòng)，呈現(xiàn)出典型的塑性破壞形態(tài)。這種破壞模式的演變表明，干濕循環(huán)作用對(duì)紅砂巖改良土的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能產(chǎn)生了顯著影響，使其從具有較高強(qiáng)度和脆性的材料逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)度降低、塑性增強(qiáng)的材料。在工程設(shè)計(jì)和施工中，需要充分考慮這種破壞模式的變化，合理選擇設(shè)計(jì)參數(shù)和施工工藝，以確保工程的安全穩(wěn)定。3.2抗壓強(qiáng)度特性3.2.1單軸抗壓強(qiáng)度變化對(duì)不同干濕循環(huán)次數(shù)下紅砂巖改良土的單軸抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖2所示。從圖中可以清晰地看出，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，紅砂巖改良土的單軸抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)。當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)從0次增加到10次時(shí)，水泥摻量為5%的紅砂巖改良土單軸抗壓強(qiáng)度從[X17]MPa降低至[X18]MPa，降低幅度達(dá)到[X19]%。這主要是因?yàn)樵诟蓾裱h(huán)過程中，水分的反復(fù)侵入和蒸發(fā)使得紅砂巖顆粒間的膠結(jié)物質(zhì)逐漸被破壞，顆粒間的聯(lián)結(jié)力減弱，從而導(dǎo)致單軸抗壓強(qiáng)度降低。水分侵入時(shí)，會(huì)使紅砂巖中的黏土礦物吸水膨脹，增大顆粒間的孔隙，削弱顆粒間的摩擦力和咬合力；而水分蒸發(fā)時(shí)，又會(huì)使顆粒間的有效應(yīng)力發(fā)生變化，進(jìn)一步破壞顆粒間的聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)。不同水泥摻量的紅砂巖改良土單軸抗壓強(qiáng)度下降幅度存在差異。水泥摻量為3%的改良土在10次干濕循環(huán)后，單軸抗壓強(qiáng)度降低幅度為[X20]%，而水泥摻量為7%的改良土降低幅度為[X21]%。這表明水泥摻量對(duì)紅砂巖改良土在干濕循環(huán)作用下的強(qiáng)度穩(wěn)定性有重要影響。較高的水泥摻量可以提供更多的膠凝物質(zhì)，增強(qiáng)顆粒間的聯(lián)結(jié)力，從而在一定程度上減緩干濕循環(huán)對(duì)單軸抗壓強(qiáng)度的劣化作用。在實(shí)際工程中，可根據(jù)工程要求和環(huán)境條件，合理選擇水泥摻量，以提高紅砂巖改良土的強(qiáng)度穩(wěn)定性。若工程所在地區(qū)干濕循環(huán)作用較為強(qiáng)烈，可適當(dāng)增加水泥摻量，以保證改良土在長(zhǎng)期使用過程中的強(qiáng)度滿足要求。3.2.2三軸抗壓強(qiáng)度與圍壓關(guān)系通過三軸壓縮試驗(yàn)，得到了不同圍壓和干濕循環(huán)次數(shù)下紅砂巖改良土的三軸抗壓強(qiáng)度，結(jié)果如表3所示：干濕循環(huán)次數(shù)圍壓50kPa時(shí)三軸抗壓強(qiáng)度(MPa)圍壓100kPa時(shí)三軸抗壓強(qiáng)度(MPa)圍壓150kPa時(shí)三軸抗壓強(qiáng)度(MPa)0[X22][X23][X24]1[X25][X26][X27]3[X28][X29][X30]5[X31][X32][X33]7[X34][X35][X36]10[X37][X38][X39]在相同干濕循環(huán)次數(shù)下，隨著圍壓的增大，紅砂巖改良土的三軸抗壓強(qiáng)度顯著提高。在0次干濕循環(huán)時(shí)，圍壓從50kPa增加到150kPa，三軸抗壓強(qiáng)度從[X22]MPa提高到[X24]MPa，提高幅度為[X40]%。這是因?yàn)閲鷫旱脑龃笙拗屏嗽嚰膫?cè)向變形，使試件內(nèi)部的顆粒排列更加緊密，顆粒間的摩擦力和咬合力增大，從而提高了三軸抗壓強(qiáng)度。在實(shí)際工程中，如道路路基、基礎(chǔ)墊層等，紅砂巖改良土往往會(huì)受到一定的圍壓作用，圍壓的存在可以有效提高其承載能力。在路基工程中，路堤的填筑會(huì)對(duì)紅砂巖改良土路基產(chǎn)生一定的圍壓，使得路基的強(qiáng)度和穩(wěn)定性得到增強(qiáng)。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，在相同圍壓下，三軸抗壓強(qiáng)度逐漸降低。在圍壓為100kPa時(shí)，干濕循環(huán)次數(shù)從0次增加到10次，三軸抗壓強(qiáng)度從[X23]MPa降低至[X38]MPa，降低幅度為[X41]%。這表明干濕循環(huán)對(duì)紅砂巖改良土的三軸抗壓強(qiáng)度有明顯的劣化作用，其劣化機(jī)制與單軸抗壓強(qiáng)度類似，主要是由于水分的反復(fù)作用破壞了顆粒間的聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)。在實(shí)際工程中，應(yīng)充分考慮干濕循環(huán)對(duì)紅砂巖改良土三軸抗壓強(qiáng)度的影響，合理設(shè)計(jì)工程結(jié)構(gòu)，確保工程的安全穩(wěn)定。在水利工程中，大壩基礎(chǔ)若采用紅砂巖改良土，由于庫水位的周期性漲落會(huì)導(dǎo)致基礎(chǔ)受到干濕循環(huán)作用，可能會(huì)降低其三軸抗壓強(qiáng)度，因此需要采取相應(yīng)的防護(hù)措施，如鋪設(shè)防滲層等，以減少干濕循環(huán)的影響。四、影響紅砂巖改良土強(qiáng)度特性的因素分析4.1含水率的影響含水率是影響紅砂巖改良土強(qiáng)度特性的關(guān)鍵因素之一，其對(duì)強(qiáng)度劣化的影響機(jī)制較為復(fù)雜，主要通過基質(zhì)吸力降低和顆粒膨脹等作用來實(shí)現(xiàn)。紅砂巖改良土屬于非飽和土，其內(nèi)部孔隙中存在著氣體和水分。在非飽和狀態(tài)下，土顆粒間存在基質(zhì)吸力，這種吸力是維持土體強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的重要因素。當(dāng)含水率增加時(shí)，土體中的孔隙水逐漸增多，氣體所占空間被壓縮，基質(zhì)吸力隨之降低。這是因?yàn)殡S著水分的增加，土顆粒表面的水膜逐漸增厚，顆粒間的距離增大，導(dǎo)致顆粒間的有效應(yīng)力減小。在直接剪切試驗(yàn)中，當(dāng)含水率從ωomc-5%增加到ωomc+5%時(shí)，紅砂巖改良土的峰值強(qiáng)度顯著降低。這是由于基質(zhì)吸力的降低，使得顆粒間的摩擦力和咬合力減弱，試件在較小的剪切力作用下就會(huì)發(fā)生破壞。在實(shí)際工程中，如道路路基在雨季時(shí)，大量雨水滲入紅砂巖改良土路基，導(dǎo)致其含水率大幅提高，基質(zhì)吸力降低，路基的抗剪強(qiáng)度下降，容易出現(xiàn)路面沉陷、開裂等病害。紅砂巖中含有一定量的黏土礦物，如蒙脫石、伊利石等，這些黏土礦物具有較強(qiáng)的親水性。當(dāng)含水率增加時(shí)，黏土礦物會(huì)大量吸水膨脹，導(dǎo)致紅砂巖顆粒體積增大。這種膨脹作用會(huì)使顆粒間的孔隙被擠壓，孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。同時(shí)，膨脹產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力會(huì)破壞顆粒間的原有聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)，削弱顆粒間的聯(lián)結(jié)力。在干濕循環(huán)過程中，隨著含水率的變化，顆粒的膨脹和收縮反復(fù)進(jìn)行，進(jìn)一步加劇了內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷。在單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中，隨著含水率的增加，紅砂巖改良土的單軸抗壓強(qiáng)度明顯下降。這是因?yàn)轭w粒的膨脹和結(jié)構(gòu)的破壞，使得試件在受壓時(shí)更容易產(chǎn)生變形和破壞，從而降低了抗壓強(qiáng)度。在邊坡工程中，紅砂巖改良土邊坡受雨水浸泡后，含水率升高，黏土礦物膨脹，可能導(dǎo)致邊坡土體松動(dòng)，增加滑坡的風(fēng)險(xiǎn)。4.2壓實(shí)度的影響壓實(shí)度是影響紅砂巖改良土強(qiáng)度特性的重要因素之一，其對(duì)強(qiáng)度的影響機(jī)制主要體現(xiàn)在顆粒排列和孔隙結(jié)構(gòu)的改變上。在相同的干濕循環(huán)條件下，對(duì)不同壓實(shí)度的紅砂巖改良土試件進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試，結(jié)果表明壓實(shí)度對(duì)其強(qiáng)度特性有著顯著影響。當(dāng)壓實(shí)度較高時(shí)，紅砂巖顆粒在壓力作用下更加緊密地排列，孔隙率降低。這使得顆粒間的接觸面積增大，摩擦力和咬合力增強(qiáng)，從而提高了改良土的強(qiáng)度。在直接剪切試驗(yàn)中，壓實(shí)度為96%的紅砂巖改良土試件在相同干濕循環(huán)次數(shù)和含水率條件下，其峰值強(qiáng)度明顯高于壓實(shí)度為90%的試件。這是因?yàn)楦邏簩?shí)度下，顆粒間的聯(lián)結(jié)更加緊密，抵抗剪切變形的能力更強(qiáng)，需要更大的剪切力才能使試件發(fā)生破壞。在實(shí)際工程中，如道路路基施工，通過提高壓實(shí)度，可以有效增強(qiáng)路基的承載能力，減少路面的變形和損壞。在高等級(jí)公路的路基填筑中，要求壓實(shí)度達(dá)到較高標(biāo)準(zhǔn)，以確保路基在長(zhǎng)期使用過程中能夠承受車輛荷載和自然環(huán)境的作用，保持良好的穩(wěn)定性。然而，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，高壓實(shí)度下紅砂巖改良土強(qiáng)度的下降幅度也相對(duì)較大。這是因?yàn)樵诟蓾裱h(huán)過程中，水分的反復(fù)侵入和蒸發(fā)會(huì)對(duì)高壓實(shí)度下緊密排列的顆粒結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更大的破壞作用。水分侵入時(shí)，在高壓實(shí)度的孔隙結(jié)構(gòu)中，水壓力更容易積聚，對(duì)顆粒間的聯(lián)結(jié)產(chǎn)生更大的沖擊；而水分蒸發(fā)時(shí)，顆粒的收縮也會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部應(yīng)力集中，加速顆粒間聯(lián)結(jié)的破壞。在單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中，壓實(shí)度為96%的試件在經(jīng)過10次干濕循環(huán)后，單軸抗壓強(qiáng)度的降低幅度比壓實(shí)度為90%的試件更大。這表明在干濕循環(huán)作用下，高壓實(shí)度雖然能提高紅砂巖改良土的初始強(qiáng)度，但也使其對(duì)干濕循環(huán)的敏感性增加，強(qiáng)度的穩(wěn)定性相對(duì)較差。在實(shí)際工程中，對(duì)于可能受到干濕循環(huán)作用的紅砂巖改良土結(jié)構(gòu)，不能單純追求高壓實(shí)度，還需要綜合考慮其他因素，如改良劑的使用、防護(hù)措施的設(shè)置等，以提高其強(qiáng)度的穩(wěn)定性和耐久性。在水利工程的堤壩建設(shè)中，若采用紅砂巖改良土，除了保證一定的壓實(shí)度外，還需要采取防滲措施，減少水分對(duì)改良土的影響，從而保證堤壩的安全穩(wěn)定。在低壓實(shí)度條件下，紅砂巖改良土的孔隙率較大，顆粒間的接觸不夠緊密，聯(lián)結(jié)力較弱。這導(dǎo)致其在干濕循環(huán)作用下更容易受到破壞，強(qiáng)度下降更為明顯。在干濕循環(huán)次數(shù)較少時(shí)，低壓實(shí)度試件的強(qiáng)度就已經(jīng)明顯低于高壓實(shí)度試件。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，低壓實(shí)度試件的強(qiáng)度下降趨勢(shì)更為陡峭，很快就會(huì)降低到較低水平。在三軸壓縮試驗(yàn)中，壓實(shí)度為90%的試件在較低的圍壓下就容易發(fā)生破壞，且隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，其在相同圍壓下的三軸抗壓強(qiáng)度下降幅度比高壓實(shí)度試件更大。這是因?yàn)榈蛪簩?shí)度下，顆粒間的薄弱聯(lián)結(jié)在干濕循環(huán)的作用下更容易被破壞，導(dǎo)致試件的整體強(qiáng)度迅速降低。在實(shí)際工程中，如一些臨時(shí)工程或?qū)?qiáng)度要求相對(duì)較低的工程部位，若采用低壓實(shí)度的紅砂巖改良土，需要充分考慮其在干濕循環(huán)環(huán)境下的強(qiáng)度衰減問題，采取相應(yīng)的加固措施或縮短使用期限，以確保工程的安全。在一些臨時(shí)道路的修建中，若使用低壓實(shí)度的紅砂巖改良土，在經(jīng)過一定次數(shù)的干濕循環(huán)后，可能會(huì)出現(xiàn)路面嚴(yán)重變形、承載力不足等問題，影響道路的正常使用，因此需要定期對(duì)道路進(jìn)行維護(hù)和加固。4.3干濕循環(huán)次數(shù)的影響隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，紅砂巖改良土的強(qiáng)度逐漸衰減，這是由多種因素共同作用導(dǎo)致的，其內(nèi)在規(guī)律具有一定的復(fù)雜性。在干濕循環(huán)過程中，水分的反復(fù)侵入和蒸發(fā)對(duì)紅砂巖改良土的微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了顯著影響。紅砂巖中含有一定量的黏土礦物，如蒙脫石、伊利石等，這些黏土礦物具有較強(qiáng)的親水性。在增濕階段，水分迅速侵入紅砂巖顆粒間的孔隙和微裂隙中，黏土礦物大量吸水膨脹，導(dǎo)致顆粒體積增大，顆粒間的孔隙被擠壓變形，原有的緊密結(jié)構(gòu)被破壞。而在脫濕階段，水分逐漸蒸發(fā)，顆粒失水收縮，由于顆粒間的聯(lián)結(jié)力在膨脹過程中已受到一定程度的削弱，收縮過程中容易產(chǎn)生新的微裂隙，且這些微裂隙會(huì)隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸擴(kuò)展和貫通。在經(jīng)過多次干濕循環(huán)后，通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察發(fā)現(xiàn)，紅砂巖改良土的微觀結(jié)構(gòu)中孔隙數(shù)量明顯增多，孔隙尺寸增大，顆粒間的接觸變得松散，這使得改良土的整體強(qiáng)度大幅下降。水分的反復(fù)作用還會(huì)對(duì)紅砂巖改良土中的膠結(jié)物質(zhì)產(chǎn)生破壞。在紅砂巖改良過程中，水泥和石灰等改良劑與紅砂巖顆粒發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成了具有膠凝性的物質(zhì)，這些膠凝物質(zhì)填充在顆粒間的孔隙中，增強(qiáng)了顆粒間的聯(lián)結(jié)力。然而，在干濕循環(huán)作用下，水分的侵入和蒸發(fā)會(huì)使這些膠凝物質(zhì)發(fā)生溶解、水解等化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致其膠凝性能下降，顆粒間的聯(lián)結(jié)力逐漸減弱。在多次干濕循環(huán)后，水泥水化產(chǎn)物中的氫氧化鈣會(huì)與水中的二氧化碳發(fā)生反應(yīng)，生成碳酸鈣沉淀，這種沉淀的生成不僅會(huì)降低膠凝物質(zhì)的強(qiáng)度，還會(huì)占據(jù)孔隙空間，影響水分的排出和氣體的交換，進(jìn)一步加速了改良土強(qiáng)度的衰減。從宏觀力學(xué)性能角度來看，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，紅砂巖改良土的抗剪強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)。在直接剪切試驗(yàn)中，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增多，紅砂巖改良土的峰值強(qiáng)度、黏聚力和內(nèi)摩擦角都逐漸減小。這是因?yàn)槲⒂^結(jié)構(gòu)的破壞和膠結(jié)物質(zhì)的損傷，使得顆粒間的摩擦力和咬合力降低，試件在較小的剪切力作用下就會(huì)發(fā)生破壞。在單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中，干濕循環(huán)次數(shù)的增加導(dǎo)致試件的抗壓強(qiáng)度顯著降低，試件在受壓時(shí)更容易產(chǎn)生變形和破壞。當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)達(dá)到10次時(shí)，紅砂巖改良土的單軸抗壓強(qiáng)度相較于0次干濕循環(huán)時(shí)降低了[X]%，這充分說明了干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)其抗壓強(qiáng)度的影響程度。在實(shí)際工程中，干濕循環(huán)次數(shù)的增加對(duì)紅砂巖改良土強(qiáng)度的影響不容忽視。在道路路基工程中，長(zhǎng)期的干濕循環(huán)作用可能導(dǎo)致路基的承載能力下降，出現(xiàn)路面沉陷、開裂等病害，影響道路的正常使用和行車安全。在邊坡工程中，干濕循環(huán)次數(shù)的增加會(huì)降低紅砂巖改良土邊坡的穩(wěn)定性，增加滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。因此，在工程設(shè)計(jì)和施工中，需要充分考慮干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)紅砂巖改良土強(qiáng)度特性的影響，采取有效的防護(hù)措施，如設(shè)置排水系統(tǒng)、鋪設(shè)防滲層等，以減少干濕循環(huán)對(duì)改良土的作用，保證工程的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和安全性。五、紅砂巖改良土強(qiáng)度劣化的微觀機(jī)制探究5.1微觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)方法為深入探究干濕循環(huán)作用下紅砂巖改良土強(qiáng)度劣化的微觀機(jī)制，本研究采用了多種先進(jìn)的微觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)方法，其中掃描電子顯微鏡（SEM）和X射線衍射（XRD）礦物分析技術(shù)發(fā)揮了關(guān)鍵作用。SEM是一種用于觀察材料微觀結(jié)構(gòu)的重要工具，其工作原理基于電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的二次電子成像。在對(duì)紅砂巖改良土進(jìn)行SEM觀測(cè)時(shí)，首先從經(jīng)過不同干濕循環(huán)次數(shù)的試件中選取具有代表性的部分，切割成尺寸約為5mm×5mm×5mm的小塊樣品。為了確保樣品在觀測(cè)過程中能夠清晰成像，需要對(duì)其進(jìn)行一系列預(yù)處理。將樣品放入真空鍍膜儀中，在其表面鍍上一層約10nm厚的金膜，以提高樣品的導(dǎo)電性和二次電子發(fā)射率。這一步驟至關(guān)重要，因?yàn)榱己玫膶?dǎo)電性可以避免在電子束照射下樣品表面產(chǎn)生電荷積累，從而保證成像的清晰度和準(zhǔn)確性。將處理好的樣品放置在SEM的樣品臺(tái)上，調(diào)整電子束的加速電壓、束流等參數(shù)，以獲得最佳的成像效果。一般情況下，加速電壓設(shè)置為15-20kV，束流控制在10-20nA。通過SEM，可以清晰地觀察到紅砂巖顆粒的形態(tài)、大小、排列方式以及顆粒間的聯(lián)結(jié)情況。在未經(jīng)干濕循環(huán)的紅砂巖改良土中，SEM圖像顯示紅砂巖顆粒與水泥、石灰等改良劑之間結(jié)合緊密，顆粒表面被膠凝物質(zhì)包裹，形成了較為致密的結(jié)構(gòu)。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，能夠明顯觀察到顆粒間的聯(lián)結(jié)逐漸減弱，孔隙數(shù)量增多且尺寸增大，部分膠凝物質(zhì)出現(xiàn)脫落現(xiàn)象。在經(jīng)過10次干濕循環(huán)的樣品中，SEM圖像顯示顆粒間的縫隙明顯增大，孔隙變得更加連通，這與宏觀強(qiáng)度試驗(yàn)中強(qiáng)度下降的結(jié)果相呼應(yīng)，直觀地揭示了干濕循環(huán)對(duì)紅砂巖改良土微觀結(jié)構(gòu)的破壞作用。XRD礦物分析技術(shù)則用于確定紅砂巖改良土中的礦物成分及其含量變化。該技術(shù)的原理是利用X射線在晶體中的衍射效應(yīng)，通過分析衍射圖譜來識(shí)別礦物種類和確定其含量。在進(jìn)行XRD測(cè)試時(shí)，首先將紅砂巖改良土樣品研磨成粉末狀，使其粒徑小于75μm，以保證樣品能夠充分發(fā)生衍射。將研磨好的粉末樣品均勻地涂抹在樣品臺(tái)上，放入XRD衍射儀中。設(shè)置掃描范圍為5°-80°，掃描速度為4°/min，步長(zhǎng)為0.02°。通過XRD分析，可以準(zhǔn)確地確定紅砂巖改良土中所含的礦物成分，如石英、長(zhǎng)石、黏土礦物等，以及在干濕循環(huán)作用下這些礦物成分的變化情況。在未經(jīng)干濕循環(huán)的紅砂巖改良土中，XRD圖譜顯示主要礦物成分為石英、長(zhǎng)石和一定量的黏土礦物，其中黏土礦物主要包括蒙脫石、伊利石和高嶺土。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，XRD圖譜中黏土礦物的衍射峰強(qiáng)度發(fā)生變化，表明其含量有所改變。在經(jīng)過多次干濕循環(huán)后，蒙脫石的衍射峰強(qiáng)度相對(duì)減弱，這可能是由于蒙脫石在干濕循環(huán)過程中與水分發(fā)生反應(yīng)，部分轉(zhuǎn)化為其他礦物，或者其晶體結(jié)構(gòu)受到破壞，導(dǎo)致其在XRD圖譜中的信號(hào)減弱。這種礦物成分的變化進(jìn)一步影響了紅砂巖改良土的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀力學(xué)性能，為深入理解強(qiáng)度劣化機(jī)制提供了重要線索。5.2微觀結(jié)構(gòu)變化特征通過SEM觀察，在未經(jīng)干濕循環(huán)的紅砂巖改良土中，紅砂巖顆粒與水泥、石灰等改良劑之間結(jié)合緊密，形成了較為致密的結(jié)構(gòu)。紅砂巖顆粒表面被水泥水化產(chǎn)物和石灰反應(yīng)生成的膠凝物質(zhì)包裹，顆粒之間通過這些膠凝物質(zhì)相互聯(lián)結(jié)，形成了穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu)。從SEM圖像中可以看到，孔隙分布較為均勻，且孔隙尺寸較小，多為微孔和介孔，孔隙率較低。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，紅砂巖改良土的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化。在經(jīng)過1-3次干濕循環(huán)后，SEM圖像顯示顆粒間的聯(lián)結(jié)開始出現(xiàn)松動(dòng)，部分膠凝物質(zhì)出現(xiàn)脫落現(xiàn)象。這是因?yàn)樗值姆磸?fù)侵入和蒸發(fā)對(duì)膠凝物質(zhì)產(chǎn)生了破壞作用，使其與紅砂巖顆粒之間的黏結(jié)力減弱?？紫稊?shù)量有所增加，且部分孔隙開始連通，形成了較大的孔隙通道。這是由于黏土礦物的膨脹和收縮導(dǎo)致顆粒間的相對(duì)位置發(fā)生改變，從而使孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)達(dá)到5-7次時(shí)，微觀結(jié)構(gòu)的破壞進(jìn)一步加劇。顆粒間的縫隙明顯增大，膠凝物質(zhì)的脫落更為嚴(yán)重，部分紅砂巖顆粒失去了與膠凝物質(zhì)的聯(lián)結(jié)，處于松散狀態(tài)?？紫堵曙@著增大，孔隙尺寸也明顯增大，大孔隙的比例增加。此時(shí)，紅砂巖改良土的微觀結(jié)構(gòu)變得更加松散，顆粒間的相互作用減弱，這直接導(dǎo)致了其宏觀強(qiáng)度的降低。在道路路基中，這種微觀結(jié)構(gòu)的變化會(huì)使路基的承載能力下降，容易出現(xiàn)路面沉陷等病害。經(jīng)過10次干濕循環(huán)后，紅砂巖改良土的微觀結(jié)構(gòu)已遭到嚴(yán)重破壞。顆粒間的聯(lián)結(jié)幾乎完全喪失，紅砂巖顆粒呈離散狀態(tài)分布?？紫督Y(jié)構(gòu)變得極為復(fù)雜，孔隙相互連通，形成了大量的大孔隙和裂隙。這種微觀結(jié)構(gòu)的變化使得紅砂巖改良土的強(qiáng)度大幅降低，幾乎失去了原有的工程性能。在邊坡工程中，若紅砂巖改良土經(jīng)歷如此嚴(yán)重的微觀結(jié)構(gòu)破壞，邊坡的穩(wěn)定性將受到極大威脅，極易發(fā)生滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。XRD礦物分析結(jié)果表明，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，紅砂巖改良土中的礦物成分也發(fā)生了一定變化。在未經(jīng)干濕循環(huán)時(shí)，紅砂巖中的主要礦物為石英、長(zhǎng)石和黏土礦物，其中黏土礦物主要包括蒙脫石、伊利石和高嶺土。水泥和石灰與紅砂巖反應(yīng)后，生成了一些新的礦物，如碳酸鈣、水化硅酸鈣等。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，蒙脫石的含量逐漸減少。這是因?yàn)槊擅撌诟蓾裱h(huán)過程中，與水分發(fā)生反應(yīng)，其晶體結(jié)構(gòu)逐漸被破壞，部分轉(zhuǎn)化為其他礦物。在多次干濕循環(huán)后，XRD圖譜中蒙脫石的衍射峰強(qiáng)度明顯減弱，表明其含量降低。水泥水化產(chǎn)物中的氫氧化鈣在干濕循環(huán)過程中，會(huì)與水中的二氧化碳發(fā)生反應(yīng)，生成碳酸鈣沉淀。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，碳酸鈣的含量逐漸增加。這一反應(yīng)不僅改變了礦物成分，還影響了微觀結(jié)構(gòu)。碳酸鈣沉淀的生成會(huì)占據(jù)孔隙空間，導(dǎo)致孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)一步改變，同時(shí)也會(huì)影響顆粒間的聯(lián)結(jié)力。在經(jīng)過10次干濕循環(huán)后，XRD圖譜中碳酸鈣的衍射峰強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，表明其含量大幅增加。這種礦物成分的變化與微觀結(jié)構(gòu)的變化相互作用，共同導(dǎo)致了紅砂巖改良土強(qiáng)度的劣化。5.3微觀結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度劣化關(guān)系紅砂巖改良土的微觀結(jié)構(gòu)變化對(duì)其強(qiáng)度劣化有著直接且顯著的影響，這種影響主要通過孔隙結(jié)構(gòu)改變、顆粒間聯(lián)結(jié)破壞以及礦物成分變化等多個(gè)方面來實(shí)現(xiàn)。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，紅砂巖改良土的孔隙率顯著增大。在未經(jīng)干濕循環(huán)時(shí)，改良土的孔隙率相對(duì)較低，孔隙主要以小孔和微孔為主，這些孔隙分布較為均勻，且相互之間的連通性較差。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，水分的反復(fù)侵入和蒸發(fā)導(dǎo)致孔隙逐漸擴(kuò)大和連通。在經(jīng)過5次干濕循環(huán)后，通過壓汞儀（MIP）測(cè)試發(fā)現(xiàn)，紅砂巖改良土的孔隙率從初始的[X1]%增加到了[X2]%，且大孔隙（孔徑大于100nm）的比例明顯增加?？紫堵实脑龃笫沟眉t砂巖改良土的有效承載面積減小，顆粒間的相互作用力減弱，從而導(dǎo)致其強(qiáng)度降低。在單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中，孔隙率的增大使得試件在受壓時(shí)更容易產(chǎn)生變形和破壞，抗壓強(qiáng)度隨之下降。當(dāng)孔隙率增大到一定程度時(shí)，試件內(nèi)部形成了貫通的孔隙通道，使得其抵抗外力的能力大幅減弱，強(qiáng)度劣化明顯。干濕循環(huán)作用還會(huì)導(dǎo)致紅砂巖改良土顆粒間的聯(lián)結(jié)力顯著降低。在未經(jīng)干濕循環(huán)時(shí)，水泥和石灰等改良劑與紅砂巖顆粒發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成的膠凝物質(zhì)將顆粒緊密地黏結(jié)在一起，形成了穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，水分的反復(fù)作用使得這些膠凝物質(zhì)逐漸被破壞。在經(jīng)過10次干濕循環(huán)后，SEM圖像顯示部分膠凝物質(zhì)出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，紅砂巖顆粒之間的聯(lián)結(jié)變得松散。顆粒間聯(lián)結(jié)力的降低使得紅砂巖改良土在受力時(shí)，顆粒間容易發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)和錯(cuò)動(dòng)，從而降低了其抗剪強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。在直接剪切試驗(yàn)中，顆粒間聯(lián)結(jié)力的減弱導(dǎo)致試件在較小的剪切力作用下就會(huì)發(fā)生破壞，黏聚力和內(nèi)摩擦角都明顯減小。紅砂巖改良土中的礦物成分在干濕循環(huán)過程中也會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而影響其強(qiáng)度特性。XRD礦物分析結(jié)果表明，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，蒙脫石等黏土礦物的含量逐漸減少。蒙脫石在干濕循環(huán)過程中，與水分發(fā)生反應(yīng)，其晶體結(jié)構(gòu)逐漸被破壞，部分轉(zhuǎn)化為其他礦物。黏土礦物含量的減少會(huì)改變紅砂巖改良土的微觀結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)。黏土礦物具有較強(qiáng)的親水性和膨脹性，其含量的減少會(huì)使改良土的吸水性和膨脹性降低，但同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致顆粒間的潤(rùn)滑作用減弱，顆粒間的摩擦力增大，在一定程度上影響改良土的強(qiáng)度。水泥水化產(chǎn)物中的氫氧化鈣與水中的二氧化碳反應(yīng)生成碳酸鈣沉淀，碳酸鈣的生成會(huì)占據(jù)孔隙空間，改變孔隙結(jié)構(gòu)，同時(shí)也會(huì)影響顆粒間的聯(lián)結(jié)力，進(jìn)一