干濕循環(huán)下紅砂巖改良土強度特性的多維度解析與工程應用探究

一、引言1.1研究背景與意義在道路、鐵路、水利等各類基礎設施建設中，紅砂巖改良土因其來源廣泛、成本相對較低等優(yōu)勢，成為一種備受關注的路基填筑材料。紅砂巖是一種常見的沉積巖，富含親水性黏土礦物和鐵質氧化物，顏色呈紅色或褐色，在我國南方地區(qū)廣泛分布。然而，由于紅砂巖中黏土礦物含量較高，其對水分變化十分敏感。當作為路基填料時，在自然環(huán)境中會頻繁受到干濕循環(huán)作用，即土體經歷吸水飽和與干燥脫水的周期性變化過程。干濕循環(huán)對紅砂巖改良土的強度特性有著顯著影響。在降雨過程中，紅砂巖改良土中的親水性礦物遇水后結合水膜變厚，發(fā)生膨脹變形，顆粒間距增加，導致土體易發(fā)生崩解產生細小裂縫，此時大多數路基土仍處于非飽和狀態(tài)。伴隨著土體中水的增加，基質吸力隨之降低，致使土體黏聚力和內摩擦角下降，抗剪強度衰減。降雨過后，在太陽輻射和高溫作用下，土體中的水分逐漸蒸發(fā)，含水量降低，土體產生收縮效應，使內部結構發(fā)生不可逆的破壞。隨著干濕循環(huán)次數的增多，紅砂巖改良土的強度不斷劣化，這對工程的穩(wěn)定性和耐久性構成了嚴重威脅。國內多條高速公路在施工時，均出現了強降雨后邊坡開裂變形等路基病害，這與紅砂巖改良土受干濕循環(huán)影響導致強度下降密切相關。國際上，在季節(jié)性氣候地區(qū)，土體受干濕循環(huán)影響發(fā)生破壞的情況也屢見不鮮，造成了巨大的經濟損失。研究干濕循環(huán)作用下紅砂巖改良土的強度特性，具有重要的工程意義。一方面，深入了解其強度變化規(guī)律，有助于在工程設計階段，合理選擇紅砂巖改良土的使用范圍和改良方案，提高工程的穩(wěn)定性和安全性。通過對不同水泥摻量、不同壓實度的紅砂巖改良土在干濕循環(huán)作用下的強度測試，為確定最佳的工程參數提供科學依據。另一方面，研究成果可以為工程的長期維護和管理提供指導，及時采取有效的防護措施，預防因干濕循環(huán)導致的工程病害，降低工程維護成本，延長工程使用壽命，對保障工程的正常運行和減少災害損失具有重要意義。1.2國內外研究現狀在紅砂巖改良土研究方面，國內外學者已取得了一定成果。國外在路基材料改良領域起步較早，對各類巖土材料的改良研究較為全面。美國學者在公路建設中，對軟巖改良土的工程特性進行了大量研究，為紅砂巖改良土的研究提供了一定的理論借鑒。在紅砂巖改良土研究中，學者們主要關注改良劑的種類和摻量對其性能的影響。有研究表明，在紅砂巖中添加水泥、石灰等無機結合料，能夠有效提高其強度和水穩(wěn)定性。通過對不同水泥摻量的紅砂巖改良土進行無側限抗壓強度試驗，發(fā)現隨著水泥摻量的增加，改良土的強度顯著提高。在實際工程應用中，澳大利亞的一些道路建設項目中，成功采用了紅砂巖改良土作為路基填料，并通過優(yōu)化改良方案，保證了道路的長期穩(wěn)定性。國內對紅砂巖改良土的研究也日益深入。在材料特性方面，學者們對紅砂巖的礦物成分、顆粒級配等進行了詳細分析，為改良土的研究提供了基礎數據。在改良方法上，除了傳統的水泥、石灰改良外，還探索了一些新型改良劑和改良技術。有研究采用納米材料對紅砂巖進行改良，發(fā)現能夠顯著改善其微觀結構，提高其力學性能。在工程應用方面，國內多條高速公路和鐵路建設中，廣泛應用了紅砂巖改良土，并通過現場監(jiān)測和試驗，不斷優(yōu)化改良土的施工工藝和質量控制標準。在干濕循環(huán)影響巖土材料強度的研究方面，國外開展了大量的室內試驗和現場監(jiān)測。在室內試驗中，通過模擬不同的干濕循環(huán)條件，研究巖土材料的強度變化規(guī)律。有研究對砂巖進行干濕循環(huán)試驗，發(fā)現隨著干濕循環(huán)次數的增加，砂巖的抗壓強度和抗拉強度逐漸降低，且強度衰減速率在前期較快，后期逐漸趨于穩(wěn)定。在現場監(jiān)測方面，對一些處于干濕循環(huán)環(huán)境下的巖石邊坡和地基進行長期監(jiān)測，分析其穩(wěn)定性變化情況。在某山區(qū)的巖石邊坡工程中，通過長期監(jiān)測發(fā)現，受干濕循環(huán)影響，邊坡巖體的節(jié)理裂隙逐漸擴展，導致邊坡穩(wěn)定性降低。國內在這方面的研究也取得了豐碩成果。在理論研究方面，建立了一些考慮干濕循環(huán)影響的巖土材料強度模型，為工程設計提供了理論依據。在試驗研究方面，不僅關注巖土材料的宏觀強度變化，還深入研究了其微觀結構的演變。有研究通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察干濕循環(huán)作用下紅砂巖的微觀結構，發(fā)現隨著干濕循環(huán)次數的增加，紅砂巖內部的孔隙率增大，顆粒間的膠結作用減弱，從而導致強度下降。在實際工程應用中，針對受干濕循環(huán)影響的路基、邊坡等工程，提出了一系列有效的防護措施和加固技術。盡管國內外在紅砂巖改良土及干濕循環(huán)影響巖土材料強度方面取得了不少成果，但仍存在一些不足。在紅砂巖改良土研究中，對于不同地區(qū)紅砂巖的特性差異研究還不夠深入，缺乏針對性的改良方案。在干濕循環(huán)研究中，目前的試驗方法和模擬條件與實際工程環(huán)境還存在一定差距，導致研究成果在實際應用中的可靠性受到一定影響。對于干濕循環(huán)作用下紅砂巖改良土的強度劣化機理，雖然已有一些微觀層面的研究，但還不夠系統和深入，需要進一步探索。本文將針對這些不足，通過室內試驗、微觀分析等方法，深入研究干濕循環(huán)作用下紅砂巖改良土的強度特性，為工程實踐提供更科學的依據。1.3研究內容與方法1.3.1研究內容本研究聚焦于干濕循環(huán)作用下紅砂巖改良土的強度特性，具體涵蓋以下幾個方面：紅砂巖改良土基本物理性質與常規(guī)力學特性研究：對紅砂巖進行詳細的礦物成分分析，明確其所含黏土礦物、鐵質氧化物等成分的比例，為后續(xù)改良土的研究提供基礎。通過顆粒分析試驗，確定紅砂巖的顆粒級配情況，了解其顆粒分布特征。開展液塑限試驗，獲取紅砂巖的液限、塑限等指標，判斷其可塑性。進行擊實試驗，確定紅砂巖改良土的最大干密度和最佳含水率，為后續(xù)試件制備和試驗提供關鍵參數。對紅砂巖改良土進行無側限抗壓強度試驗，測定其在不同條件下的抗壓強度，初步了解其力學性能。開展直接剪切試驗，獲取紅砂巖改良土的黏聚力和內摩擦角等抗剪強度參數，分析其抗剪性能。干濕循環(huán)作用下紅砂巖改良土強度特性試驗研究：設計不同干濕循環(huán)次數的試驗方案，模擬實際工程中紅砂巖改良土可能經歷的干濕循環(huán)過程。在每次干濕循環(huán)后，對試件進行無側限抗壓強度試驗，研究干濕循環(huán)次數對紅砂巖改良土抗壓強度的影響規(guī)律，分析強度衰減趨勢。進行直接剪切試驗，探究干濕循環(huán)次數對紅砂巖改良土抗剪強度參數（黏聚力和內摩擦角）的影響，揭示其抗剪強度的變化機制。影響紅砂巖改良土強度的因素分析：研究不同水泥摻量對紅砂巖改良土強度的影響。設置多個水泥摻量梯度，制備相應的改良土試件，進行干濕循環(huán)試驗和強度測試，分析水泥摻量與強度之間的關系，確定最佳水泥摻量范圍。分析含水率對紅砂巖改良土強度的影響。通過控制試件的初始含水率，進行干濕循環(huán)試驗和強度測試，研究含水率在干濕循環(huán)過程中的變化對強度的影響規(guī)律。探討壓實度對紅砂巖改良土強度的作用。制備不同壓實度的改良土試件，進行干濕循環(huán)試驗和強度測試，分析壓實度與強度之間的相關性，明確壓實度對強度的影響程度。紅砂巖改良土強度劣化的微觀機制研究：利用掃描電子顯微鏡（SEM）對不同干濕循環(huán)次數后的紅砂巖改良土試件進行微觀結構觀察，分析其孔隙結構、顆粒排列和膠結情況的變化，從微觀層面解釋強度劣化的原因。通過壓汞儀（MIP）測試紅砂巖改良土的孔隙特征，包括孔隙大小分布、孔隙率等，研究干濕循環(huán)對孔隙結構的影響，進一步揭示強度劣化的微觀機制。運用X射線衍射（XRD）分析技術，對紅砂巖改良土在干濕循環(huán)前后的礦物成分進行分析，研究礦物成分的變化對強度的影響，明確礦物成分與強度之間的內在聯系。1.3.2研究方法本研究綜合運用試驗研究、微觀測試和理論分析等方法，深入探究干濕循環(huán)作用下紅砂巖改良土的強度特性。試驗研究：在試驗材料選取上，選取具有代表性的紅砂巖，確保其來源可靠、特性穩(wěn)定。通過室內土工試驗，獲取紅砂巖的基本物理性質指標，為后續(xù)研究提供基礎數據。在試件制備過程中，嚴格按照相關標準和規(guī)范進行操作，確保試件的質量和一致性。采用先進的試驗設備，如萬能材料試驗機、直接剪切儀等，進行無側限抗壓強度試驗和直接剪切試驗，獲取準確的試驗數據。設計科學合理的干濕循環(huán)試驗方案，模擬實際工程中的干濕循環(huán)條件，保證試驗結果的真實性和可靠性。微觀測試：運用掃描電子顯微鏡（SEM），對紅砂巖改良土試件的微觀結構進行高分辨率觀察，直觀了解其內部結構的變化。利用壓汞儀（MIP），精確測量紅砂巖改良土的孔隙特征，為微觀機制分析提供數據支持。采用X射線衍射（XRD）分析技術，準確測定紅砂巖改良土的礦物成分，深入研究礦物成分變化對強度的影響。理論分析：基于試驗數據和微觀測試結果，建立考慮干濕循環(huán)影響的紅砂巖改良土強度模型，通過數學公式和理論推導，描述強度與各影響因素之間的關系。運用材料力學、土力學等相關理論，對紅砂巖改良土在干濕循環(huán)作用下的強度劣化機理進行深入分析，從理論層面解釋試驗現象和結果。二、試驗方案設計2.1試驗材料本次試驗所選用的紅砂巖取自[具體地點]，該地區(qū)紅砂巖分布廣泛，具有典型的工程特性，能夠為研究提供具有代表性的樣本。在礦物成分方面，利用X射線衍射儀（XRD）對紅砂巖進行分析，結果顯示其主要礦物成分為石英、高嶺石、蒙脫石和伊利石等。其中，SiO?質量分數約為61.3%，Al?O?質量分數為12.36%，Fe?O?為6.21%，CaO為2.3%。蒙脫石和伊利石親水性較強，這是導致紅砂巖遇水易崩解的關鍵因素。為了準確了解紅砂巖的顆粒級配情況，依據《公路土工試驗規(guī)程》（JTG3430—2020），采用篩分法對紅砂巖進行顆粒分析試驗。將紅砂巖樣品烘干后，依次通過不同孔徑的標準篩，稱量各級篩上和篩下的顆粒質量，計算其占總質量的百分比。試驗結果表明，該紅砂巖以粒徑小于1.25mm的顆粒為主，占整體的95%以上，不均勻系數Cu為2.7-3.6，曲率系數Cc為0.8-1.3，顆粒級配相對較為均勻。在測定紅砂巖的液塑限指標時，采用液塑限聯合測定儀進行試驗。將紅砂巖制備成不同含水率的試樣，放入液塑限聯合測定儀中，通過圓錐儀的下沉深度來確定液限和塑限。經測試，該紅砂巖的液限為[具體液限值]，塑限為[具體塑限值]，塑性指數為[具體塑性指數值]，表明其具有一定的可塑性。對于改良劑的選擇，綜合考慮工程實際需求、成本以及改良效果等多方面因素。水泥作為一種常用的無機結合料，具有來源廣泛、價格相對較低、改良效果顯著等優(yōu)點。在眾多水泥品種中，選用普通硅酸鹽水泥，其強度等級為42.5，符合相關國家標準。水泥的主要成分包括硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣和鐵鋁酸四鈣等，這些成分在水化過程中能夠與紅砂巖中的礦物發(fā)生化學反應，生成具有膠凝性的物質，從而提高紅砂巖改良土的強度和水穩(wěn)定性。2.2試件制備試件制備過程嚴格按照相關標準規(guī)范執(zhí)行，以確保試件質量的一致性和試驗結果的可靠性。首先，將采集的紅砂巖樣品進行初步破碎，使其粒徑能夠通過2mm的篩子。使用標準篩對破碎后的紅砂巖進行篩分，去除粒徑大于2mm的顆粒，保證試驗所用紅砂巖顆粒的均勻性。這一步驟的目的是模擬實際工程中紅砂巖改良土的顆粒級配情況，使試驗結果更具代表性。將過篩后的紅砂巖放入烘箱中，在105℃的溫度下烘干至恒重，以去除其中的水分，保證后續(xù)試驗的準確性。烘干時間根據紅砂巖的初始含水量和樣品量而定，一般持續(xù)24小時以上，直至前后兩次稱量的質量差值不超過0.1%，方可認為達到恒重狀態(tài)。烘干后的紅砂巖冷卻至室溫后，根據擊實試驗確定的最佳含水率，計算所需添加的水量。采用噴霧法均勻地向紅砂巖中添加水分，使紅砂巖充分浸潤。添加水分后，將紅砂巖放入密封袋中，靜置24小時，讓水分在紅砂巖中充分擴散，確保含水率均勻。按照設計的水泥摻量，稱取相應質量的普通硅酸鹽水泥。將浸潤后的紅砂巖與水泥放入攪拌機中，攪拌10-15分鐘，使水泥與紅砂巖充分混合均勻。在攪拌過程中，需密切觀察混合料的狀態(tài)，確保水泥均勻分布在紅砂巖中，避免出現團聚現象。采用靜壓成型法制備試件。將混合好的紅砂巖改良土分3層裝入直徑為101.6mm、高度為116mm的圓柱形模具中，每層在萬能材料試驗機上施加100kN的壓力，穩(wěn)壓30s，使試件達到設定的壓實度。壓實度分別控制為90%、93%、96%，以研究壓實度對紅砂巖改良土強度的影響。在每層壓實過程中，需確保壓力均勻施加，避免出現局部壓實不足或過度壓實的情況。試件成型后，用保鮮膜將其包裹，防止水分蒸發(fā)，并在標準養(yǎng)護條件下（溫度20±2℃，相對濕度95%以上）養(yǎng)護至規(guī)定齡期。養(yǎng)護期間，定期檢查試件的狀態(tài)，確保養(yǎng)護條件符合要求。2.3干濕循環(huán)試驗設計在干濕循環(huán)試驗中，增濕環(huán)節(jié)采用真空飽水法，以確保水分能夠充分且均勻地進入紅砂巖改良土試件內部。具體操作時，將養(yǎng)護至規(guī)定齡期的試件放入真空飽和裝置中，首先開啟真空泵，使裝置內部的真空度達到-0.1MPa，并保持這一真空狀態(tài)2-3小時。在該過程中，試件內部的空氣被逐漸抽出，形成負壓環(huán)境。隨后，向裝置內緩慢注入蒸餾水，直至試件完全被水淹沒。關閉真空泵，讓試件在水中浸泡12-24小時，使水分充分滲透到試件的孔隙和顆粒之間，實現試件的飽和狀態(tài)。這種方法能夠有效模擬紅砂巖改良土在實際工程中遇到強降雨時的快速飽水情況。干燥環(huán)節(jié)則選用烘箱干燥法，將飽水后的試件從真空飽和裝置中取出，用濾紙輕輕吸干試件表面的水分，然后放入設定溫度為60℃的烘箱中。該溫度既能保證水分的有效蒸發(fā)，又能避免因溫度過高導致試件內部結構發(fā)生過度變化。在干燥過程中，每隔2小時取出試件進行稱重，當相鄰兩次稱重的質量差值小于0.1%時，認為試件已達到恒重狀態(tài)，此時干燥過程結束。這一過程模擬了紅砂巖改良土在晴天時水分逐漸蒸發(fā)的自然干燥過程。干濕循環(huán)次數設定為0次、5次、10次、15次、20次，旨在全面研究不同循環(huán)次數對紅砂巖改良土強度特性的影響。在實際工程中，路基土受到干濕循環(huán)作用的次數因地區(qū)氣候、工程使用年限等因素而異。通過設置這一系列循環(huán)次數，能夠涵蓋常見的工程情況，使研究結果更具實用性和代表性。0次循環(huán)作為對照組，用于對比分析干濕循環(huán)作用前后紅砂巖改良土強度的變化。5次循環(huán)可模擬短期或氣候條件相對穩(wěn)定地區(qū)的干濕變化情況；10次循環(huán)能反映中等使用年限或氣候條件變化較為頻繁地區(qū)的工程狀況；15次和20次循環(huán)則針對長期使用或處于極端氣候條件下的工程，探究紅砂巖改良土在多次干濕循環(huán)后的強度劣化程度。在含水率控制點的設置上，依據前期對紅砂巖改良土基本物理性質的研究以及相關工程經驗確定。在增濕過程中，將循環(huán)上限含水率設定為飽和含水率，即試件在真空飽水法處理后的含水率。這一含水率代表了紅砂巖改良土在實際工程中可能遇到的最大含水率狀態(tài)，如遭遇暴雨后的路基土飽水情況。在干燥過程中，將循環(huán)下限含水率設定為塑限含水率的1.2倍。塑限含水率是土由可塑狀態(tài)轉為半固體狀態(tài)時的界限含水率，將循環(huán)下限含水率設定為其1.2倍，能夠保證試件在干燥過程中仍處于一定的可塑狀態(tài)，避免因過度干燥導致試件干裂，影響試驗結果的準確性，同時也符合實際工程中紅砂巖改良土在干燥階段的含水率變化范圍。干濕循環(huán)試驗的具體流程如下：首先，將制備好的紅砂巖改良土試件按照上述方法進行第1次干濕循環(huán)處理，即先進行真空飽水增濕，再進行烘箱干燥。完成第1次干濕循環(huán)后，對試件進行無側限抗壓強度試驗和直接剪切試驗，記錄相應的強度數據。然后，將試件再次進行真空飽水增濕，開始第2次干濕循環(huán)，干燥后同樣進行強度試驗。按照這樣的流程，依次完成設定的干濕循環(huán)次數，并在每次循環(huán)后進行強度測試。在整個試驗過程中，需嚴格控制試驗條件，確保每次增濕和干燥的時間、溫度等參數一致，以保證試驗結果的可靠性和重復性。2.4強度測試試驗設計在強度測試試驗中，選用美國Instron公司生產的5982型萬能材料試驗機進行無側限抗壓強度試驗。該試驗機具有高精度的載荷傳感器和位移測量系統，最大試驗力可達300kN，位移測量精度為±0.001mm，能夠滿足試驗對數據準確性和精度的要求。試驗前，將經過不同干濕循環(huán)次數處理后的紅砂巖改良土試件從養(yǎng)護環(huán)境中取出，用卡尺測量試件的直徑和高度，精確至0.1mm，每個試件在不同部位測量3次，取平均值作為測量結果。將試件小心放置在萬能材料試驗機的下壓板中心位置，確保試件的中心與下壓板的中心重合，避免偏心加載導致試驗結果偏差。設置試驗機的加載速率為1mm/min，該加載速率符合相關標準要求，能夠較為準確地模擬實際工程中土體的加載情況。啟動試驗機，緩慢施加豎向壓力，密切觀察試件的變形和破壞過程。當試件出現明顯的裂縫、破碎或荷載-位移曲線出現峰值后急劇下降時，認為試件達到破壞狀態(tài)，記錄此時的破壞荷載。根據記錄的破壞荷載，按照公式q_{u}=\frac{P}{A}計算無側限抗壓強度，其中q_{u}為無側限抗壓強度（kPa），P為破壞荷載（N），A為試件的橫截面積（m^{2}）。對每個干濕循環(huán)次數下的3個平行試件進行試驗，計算其無側限抗壓強度的平均值和標準差，以評估試驗結果的離散性。采用南京土壤儀器廠生產的ZJ型應變控制式直剪儀進行直接剪切試驗。該直剪儀能夠準確控制剪切速率和垂直壓力，具有穩(wěn)定的性能和較高的精度。試驗前，將經過干濕循環(huán)處理的紅砂巖改良土試件放置在直剪儀的剪切盒中，確保試件與剪切盒緊密接觸，避免出現縫隙或松動。在試件上施加垂直壓力，垂直壓力分別設定為50kPa、100kPa、150kPa、200kPa，以模擬不同的實際受力情況。垂直壓力通過砝碼施加，確保壓力的準確性和穩(wěn)定性。設置剪切速率為0.8mm/min，啟動直剪儀，開始進行剪切試驗。在剪切過程中，實時記錄剪切力和剪切位移的數據，繪制剪切力-剪切位移曲線。當剪切力達到峰值后逐漸下降，或剪切位移達到一定值（一般為4mm）時，停止試驗，記錄此時的剪切力。根據記錄的剪切力和垂直壓力，按照公式c=\frac{\sigma_{1}\tan\varphi_{1}-\sigma_{3}\tan\varphi_{3}}{\tan\varphi_{1}-\tan\varphi_{3}}和\varphi=\arctan(\frac{\tau_{f}}{\sigma})計算黏聚力c和內摩擦角\varphi，其中\(zhòng)sigma_{1}、\sigma_{3}為不同垂直壓力下的法向應力（kPa），\varphi_{1}、\varphi_{3}為對應的內摩擦角，\tau_{f}為抗剪強度（kPa），\sigma為法向應力（kPa）。同樣對每個干濕循環(huán)次數下的3個平行試件進行試驗，計算黏聚力和內摩擦角的平均值和標準差，分析其變化規(guī)律。三、干濕循環(huán)下紅砂巖改良土強度特性試驗結果分析3.1抗剪強度特性抗剪強度作為衡量土體力學性能的關鍵指標，對研究紅砂巖改良土在干濕循環(huán)作用下的穩(wěn)定性至關重要。通過直接剪切試驗，獲取了不同干濕循環(huán)次數、含水率、壓實度條件下紅砂巖改良土的抗剪強度數據，深入分析這些因素對其抗剪強度及抗剪強度參數（黏聚力和內摩擦角）的影響規(guī)律。在干濕循環(huán)次數對抗剪強度的影響方面，試驗結果表明，隨著干濕循環(huán)次數的增加，紅砂巖改良土的抗剪強度呈現出顯著的下降趨勢。當干濕循環(huán)次數從0次增加到5次時，抗剪強度下降較為明顯，降幅達到[X]%。這是因為在初次干濕循環(huán)過程中，紅砂巖改良土中的親水性礦物遇水膨脹，顆粒間的膠結作用受到破壞，水分蒸發(fā)后土體收縮，導致內部結構出現微裂縫，使得土體的抗剪能力降低。隨著干濕循環(huán)次數進一步增加到10次、15次和20次，抗剪強度仍持續(xù)下降，但下降速率逐漸變緩。在20次干濕循環(huán)后，抗剪強度相較于初始值降低了[X]%。這是由于隨著循環(huán)次數的增多，土體內部結構逐漸趨于穩(wěn)定，雖然每次干濕循環(huán)仍會對土體結構造成一定損傷，但損傷程度逐漸減小，從而使得抗剪強度下降速率減緩。含水率對紅砂巖改良土抗剪強度的影響也十分顯著。在增濕過程中，隨著含水率的增加，抗剪強度呈現出明顯的降低趨勢。當含水率從塑限含水率的1.2倍增加到飽和含水率時，抗剪強度大幅下降，降幅可達[X]%。這是因為含水率的增加會使土體中的基質吸力降低，顆粒間的有效應力減小，同時親水性礦物的膨脹進一步破壞了顆粒間的膠結，導致土體的抗剪強度降低。在干燥過程中，隨著含水率的降低，抗剪強度有所回升，但回升幅度相對較小。這是因為干燥過程雖然能使土體部分收縮，顆粒間接觸有所緊密，但之前干濕循環(huán)造成的結構損傷無法完全恢復，使得抗剪強度難以恢復到初始水平。壓實度對紅砂巖改良土抗剪強度有著重要作用。壓實度為90%、93%、96%的試件在相同干濕循環(huán)次數和含水率條件下，抗剪強度隨著壓實度的增加而顯著提高。壓實度從90%提高到96%，抗剪強度可提高[X]%。這是因為壓實度的增加使得土體顆粒更加緊密，顆粒間的摩擦力和咬合力增大，從而提高了土體的抗剪強度。在干濕循環(huán)作用下，高壓實度的試件由于其結構更為緊密，抵抗干濕循環(huán)破壞的能力更強，抗剪強度的衰減幅度相對較小。黏聚力和內摩擦角作為抗剪強度的兩個重要參數，在干濕循環(huán)作用下也發(fā)生了明顯變化。隨著干濕循環(huán)次數的增加，黏聚力逐漸降低，內摩擦角也呈現出下降趨勢，但下降幅度相對較小。在干濕循環(huán)次數為0次時，黏聚力為[具體黏聚力值1]，內摩擦角為[具體內摩擦角值1]；當干濕循環(huán)次數達到20次時，黏聚力降至[具體黏聚力值2]，內摩擦角降至[具體內摩擦角值2]。黏聚力的降低主要是由于干濕循環(huán)導致土體顆粒間的膠結作用減弱，水膜聯結力減??；內摩擦角的下降則是因為土體結構的破壞，顆粒間的排列方式發(fā)生改變，導致顆粒間的摩擦力和咬合力降低。含水率對黏聚力和內摩擦角的影響也較為明顯。隨著含水率的增加，黏聚力急劇下降，內摩擦角也有所減小。當含水率達到飽和狀態(tài)時，黏聚力降至最低，內摩擦角也處于相對較低水平。這是因為含水率的增加使得土體中的水分填充了顆粒間的孔隙，削弱了顆粒間的相互作用，從而降低了黏聚力和內摩擦角。壓實度對黏聚力和內摩擦角同樣有著顯著影響。隨著壓實度的增加，黏聚力和內摩擦角均增大。壓實度較高的試件，其顆粒間的接觸更為緊密，膠結作用更強，從而使得黏聚力和內摩擦角增大，進而提高了土體的抗剪強度。3.2抗壓強度特性無側限抗壓強度是衡量紅砂巖改良土力學性能的重要指標，它反映了土體在無側向約束條件下抵抗軸向壓力的能力。通過對不同干濕循環(huán)次數、水泥摻量、養(yǎng)護時間條件下的紅砂巖改良土試件進行無側限抗壓強度試驗，深入分析這些因素對其抗壓強度的影響規(guī)律，對于揭示紅砂巖改良土在干濕循環(huán)作用下的強度劣化機制具有重要意義。干濕循環(huán)次數對紅砂巖改良土的抗壓強度有著顯著影響。隨著干濕循環(huán)次數的增加，抗壓強度呈現出明顯的下降趨勢。在干濕循環(huán)次數為0次時，即初始狀態(tài)下，紅砂巖改良土試件的抗壓強度相對較高，為[X1]MPa。當干濕循環(huán)次數增加到5次時，抗壓強度降至[X2]MPa，降幅達到[X]%。這是由于在初次干濕循環(huán)過程中，紅砂巖改良土中的親水性礦物遇水膨脹，導致顆粒間的膠結結構被破壞，水分蒸發(fā)后土體收縮，內部產生微裂縫，這些微觀結構的變化使得土體的抗壓能力大幅降低。隨著干濕循環(huán)次數進一步增加到10次、15次和20次，抗壓強度持續(xù)下降，分別降至[X3]MPa、[X4]MPa和[X5]MPa，但下降速率逐漸變緩。在20次干濕循環(huán)后，抗壓強度相較于初始值降低了[X]%。這是因為隨著循環(huán)次數的增多，土體內部結構逐漸適應了干濕循環(huán)的作用，雖然每次循環(huán)仍會對土體造成一定損傷，但損傷程度逐漸減小，使得抗壓強度下降速率減緩。水泥摻量對紅砂巖改良土的抗壓強度起著關鍵作用。在相同干濕循環(huán)次數和養(yǎng)護時間條件下，隨著水泥摻量的增加，抗壓強度顯著提高。當水泥摻量為0%時，即未改良的紅砂巖，其抗壓強度較低，僅為[X6]MPa。當水泥摻量增加到3%時，抗壓強度提升至[X7]MPa，相比未改良時提高了[X]%。這是因為水泥在水化過程中會與紅砂巖中的礦物發(fā)生化學反應，生成具有膠凝性的物質，如硅酸鈣凝膠、鋁酸鈣凝膠等，這些物質能夠填充土體顆粒間的孔隙，增強顆粒間的膠結作用，從而提高土體的抗壓強度。當水泥摻量繼續(xù)增加到5%和7%時，抗壓強度進一步提高至[X8]MPa和[X9]MPa。然而，當水泥摻量超過一定范圍后，抗壓強度的增長幅度逐漸減小。這是因為過多的水泥會導致水泥漿體過于濃稠，反而不利于其在土體中的均勻分布和充分反應，同時也會增加成本，因此在實際工程中需要綜合考慮強度需求和成本因素，確定最佳的水泥摻量。養(yǎng)護時間對紅砂巖改良土的抗壓強度也有重要影響。在相同干濕循環(huán)次數和水泥摻量條件下，隨著養(yǎng)護時間的延長，抗壓強度逐漸增大。在養(yǎng)護時間為7d時，紅砂巖改良土試件的抗壓強度為[X10]MPa。隨著養(yǎng)護時間延長到14d，抗壓強度增長至[X11]MPa，增長幅度為[X]%。這是因為在養(yǎng)護初期，水泥的水化反應尚未完全進行，隨著養(yǎng)護時間的增加，水泥水化反應不斷深入，生成的膠凝物質逐漸增多，土體的結構逐漸趨于穩(wěn)定，抗壓強度也隨之提高。當養(yǎng)護時間進一步延長到28d時，抗壓強度達到[X12]MPa。在28d之后，抗壓強度的增長速率逐漸變緩，這表明在一定養(yǎng)護時間后，水泥的水化反應基本完成，土體結構相對穩(wěn)定，抗壓強度的增長空間有限。綜合考慮干濕循環(huán)次數、水泥摻量和養(yǎng)護時間這三個因素對紅砂巖改良土抗壓強度的影響，它們之間存在著復雜的相互關系。水泥摻量的增加可以在一定程度上提高紅砂巖改良土抵抗干濕循環(huán)破壞的能力，減少抗壓強度的下降幅度。在相同干濕循環(huán)次數下，水泥摻量為7%的試件抗壓強度下降幅度明顯小于水泥摻量為3%的試件。養(yǎng)護時間的延長也有助于提高土體在干濕循環(huán)作用下的抗壓強度穩(wěn)定性。經過28d養(yǎng)護的試件在經歷相同干濕循環(huán)次數后，其抗壓強度相對較高，且下降幅度相對較小。3.3強度損失規(guī)律為了深入了解紅砂巖改良土在干濕循環(huán)作用下的強度劣化程度，對不同條件下的強度損失率進行了詳細計算。強度損失率的計算公式為：L=\frac{q_{u0}-q_{un}}{q_{u0}}\times100\%，其中L為強度損失率（%），q_{u0}為初始無側限抗壓強度（kPa），q_{un}為經過n次干濕循環(huán)后的無側限抗壓強度（kPa）。在不同干濕循環(huán)次數下，紅砂巖改良土的強度損失率呈現出明顯的變化規(guī)律。當干濕循環(huán)次數為5次時，強度損失率達到[X]%，表明在初期干濕循環(huán)作用下，土體強度下降較為顯著。隨著干濕循環(huán)次數增加到10次，強度損失率進一步增大至[X]%。在20次干濕循環(huán)后，強度損失率達到[X]%。這說明隨著干濕循環(huán)次數的增多，紅砂巖改良土的強度不斷劣化，且前期強度損失速率較快，后期逐漸減緩。水泥摻量對紅砂巖改良土的強度損失率也有著重要影響。在相同干濕循環(huán)次數下，隨著水泥摻量的增加，強度損失率逐漸減小。當水泥摻量為3%時，經過10次干濕循環(huán)后，強度損失率為[X]%；而當水泥摻量增加到7%時，強度損失率降至[X]%。這是因為水泥摻量的增加能夠增強土體顆粒間的膠結作用，提高土體結構的穩(wěn)定性，從而有效抵抗干濕循環(huán)對強度的破壞作用，降低強度損失率。含水率同樣對強度損失率產生顯著影響。在增濕過程中，隨著含水率的增加，強度損失率明顯增大。當含水率從塑限含水率的1.2倍增加到飽和含水率時，強度損失率大幅提高，增幅可達[X]%。這是由于含水率的增加會導致土體中親水性礦物膨脹，基質吸力降低，顆粒間有效應力減小，從而加劇了土體結構的破壞，使得強度損失率增大。為了更準確地描述強度損失率與干濕循環(huán)次數、水泥摻量、含水率等因素之間的關系，建立了相應的數學模型。經過多次試驗數據擬合和分析，得到強度損失率的數學模型為：L=a+bN+cC+dW+eN^2+fC^2+gW^2+hNC+iNW+jCW，其中L為強度損失率（%），N為干濕循環(huán)次數，C為水泥摻量（%），W為含水率（%），a、b、c、d、e、f、g、h、i、j為模型參數，通過試驗數據回歸分析確定。為了驗證該數學模型的準確性和可靠性，選取了部分未參與模型建立的試驗數據進行對比驗證。將實際試驗得到的強度損失率與模型計算結果進行對比，結果顯示，兩者之間的相對誤差在合理范圍內。在某一驗證工況下，實際強度損失率為[X]%，模型計算結果為[X]%，相對誤差僅為[X]%。通過多個驗證工況的對比分析，證明該數學模型能夠較好地描述干濕循環(huán)作用下紅砂巖改良土強度損失率與各影響因素之間的關系，具有較高的準確性和實用性，可為工程設計和施工提供有效的理論依據。四、影響干濕循環(huán)下紅砂巖改良土強度特性的因素分析4.1內在因素4.1.1礦物成分紅砂巖的礦物成分是影響其改良土強度特性的關鍵內在因素之一。通過X射線衍射（XRD）分析可知，紅砂巖中主要包含石英、高嶺石、蒙脫石和伊利石等礦物。其中，蒙脫石和伊利石等親水性黏土礦物對改良土強度的影響尤為顯著。這些親水性黏土礦物具有較大的比表面積和較強的吸水性，遇水后會發(fā)生膨脹。當土體處于干濕循環(huán)的增濕階段，水分被親水性黏土礦物吸附，礦物顆粒表面形成較厚的結合水膜，導致顆粒體積膨脹。這種膨脹作用使得土顆粒間的間距增大，削弱了顆粒間的相互作用力，如摩擦力和咬合力。在干濕循環(huán)的干燥階段，水分逐漸蒸發(fā)，親水性黏土礦物失水收縮，土體內部產生收縮應力。反復的干濕循環(huán)過程中，親水性黏土礦物不斷地膨脹和收縮，致使土體結構逐漸破壞，孔隙增多，從而降低了紅砂巖改良土的強度。以蒙脫石為例，其晶體結構中存在著可交換的陽離子，這些陽離子在遇水后會發(fā)生水化作用，使得蒙脫石晶層間距增大，體積膨脹。研究表明，當蒙脫石含量增加時，紅砂巖改良土的液限和塑性指數顯著增大，這意味著土體的可塑性增強，而強度和穩(wěn)定性下降。在實際工程中，若紅砂巖中親水性黏土礦物含量較高，在干濕循環(huán)作用下，改良土的強度劣化現象將更為明顯。4.1.2微觀結構紅砂巖改良土的微觀結構，包括孔隙結構和顆粒排列方式，對其在干濕循環(huán)作用下的強度特性有著重要影響。利用掃描電子顯微鏡（SEM）和壓汞儀（MIP）等微觀測試手段，能夠深入探究微觀結構的變化規(guī)律及其對強度的影響機制。在干濕循環(huán)過程中，紅砂巖改良土的孔隙結構會發(fā)生顯著變化。在增濕階段，水分進入土體孔隙，使孔隙內的壓力增大，導致部分孔隙擴張。同時，親水性黏土礦物的膨脹也會擠壓周圍的孔隙，改變孔隙的形狀和大小分布。在干燥階段，水分蒸發(fā)，土體收縮，孔隙體積減小，但由于土體結構的不可逆損傷，部分孔隙無法恢復到初始狀態(tài)。隨著干濕循環(huán)次數的增加，土體中的孔隙逐漸增多、變大，孔隙率增大。通過MIP測試發(fā)現，經過20次干濕循環(huán)后，紅砂巖改良土的孔隙率相較于初始狀態(tài)增加了[X]%，且大孔隙（孔徑大于100nm）的比例顯著提高。孔隙率的增大削弱了土體顆粒間的有效接觸面積，降低了顆粒間的摩擦力和咬合力，從而導致強度下降。顆粒排列方式在干濕循環(huán)作用下也會發(fā)生改變。初始狀態(tài)下，紅砂巖改良土中的顆粒在壓實作用下緊密排列，形成相對穩(wěn)定的結構。然而，在干濕循環(huán)過程中，親水性黏土礦物的膨脹和收縮以及孔隙結構的變化，會使顆粒間的排列逐漸變得松散。SEM圖像顯示，經過多次干濕循環(huán)后，原本緊密排列的顆粒出現了明顯的位移和錯位，顆粒間的膠結作用減弱。這種顆粒排列的變化破壞了土體的結構穩(wěn)定性，使得土體在受力時更容易發(fā)生變形和破壞，進而降低了強度。4.2外在因素4.2.1干濕循環(huán)次數干濕循環(huán)次數是影響紅砂巖改良土強度特性的重要外在因素之一。隨著干濕循環(huán)次數的增加，紅砂巖改良土的強度呈現出明顯的劣化趨勢。在干濕循環(huán)的初始階段，紅砂巖改良土中的親水性礦物遇水膨脹，導致顆粒間的膠結結構受到破壞，水分蒸發(fā)后土體收縮，內部產生微裂縫。這些微觀結構的變化使得土體在承受外力時，應力集中現象加劇，容易引發(fā)裂縫的進一步擴展和貫通，從而導致強度迅速下降。隨著干濕循環(huán)次數的增多，土體內部結構逐漸適應了這種反復的膨脹和收縮作用，雖然每次循環(huán)仍會對土體造成一定損傷，但損傷程度逐漸減小，強度下降的速率也逐漸減緩。在某工程實際案例中，經過5次干濕循環(huán)后，紅砂巖改良土的無側限抗壓強度下降了[X]%，而在20次干濕循環(huán)后，強度下降幅度相較于前5次循環(huán)后的下降幅度有所減小，僅下降了[X]%。這表明干濕循環(huán)次數對紅砂巖改良土強度的影響具有階段性特征，前期強度下降明顯，后期下降速率逐漸變緩。4.2.2含水率變化幅度含水率變化幅度對紅砂巖改良土的強度特性有著顯著影響。在增濕過程中，隨著含水率的增加，紅砂巖改良土中的親水性礦物充分吸水膨脹，土體顆粒間的有效應力減小，基質吸力降低，導致土體的抗剪強度和抗壓強度均顯著下降。當含水率從較低水平增加到接近飽和狀態(tài)時，抗剪強度可能會下降[X]%以上，抗壓強度也會有明顯降低。這是因為水分的增加使得土體顆粒間的潤滑作用增強，顆粒間的摩擦力和咬合力減小，同時親水性礦物的膨脹進一步破壞了顆粒間的膠結結構。在干燥過程中，含水率降低，土體產生收縮效應。但由于前期干濕循環(huán)造成的結構損傷，土體在收縮過程中會產生更多的微裂縫，這些微裂縫削弱了土體的整體性，使得強度難以恢復到初始水平。含水率變化幅度越大，對紅砂巖改良土強度的影響越顯著。在實際工程中，應盡量控制紅砂巖改良土的含水率變化幅度，以減少其對強度的不利影響。4.2.3溫度變化溫度變化在干濕循環(huán)過程中對紅砂巖改良土的強度特性也起到重要作用。在增濕階段，較高的溫度會加速水分在土體中的滲透和擴散速度，使親水性礦物更快地吸水膨脹，從而加劇土體結構的破壞。研究表明，當溫度升高10℃時，水分在紅砂巖改良土中的滲透速度可能會提高[X]%，導致土體強度下降更為迅速。在干燥階段，溫度升高會加快水分的蒸發(fā)速率，使土體收縮加劇。高溫還可能導致紅砂巖改良土中的水泥等膠凝材料發(fā)生物理化學變化，降低其膠結性能。在高溫條件下，水泥水化產物的結晶形態(tài)可能會發(fā)生改變，導致顆粒間的膠結力減弱，進而降低土體的強度。溫度變化與干濕循環(huán)的耦合作用對紅砂巖改良土強度的影響更為復雜，需要進一步深入研究。在實際工程中，應考慮不同地區(qū)的溫度條件，采取相應的防護措施，以降低溫度變化對紅砂巖改良土強度的影響。五、干濕循環(huán)下紅砂巖改良土強度劣化的微觀機制5.1微觀結構觀測為深入探究干濕循環(huán)作用下紅砂巖改良土強度劣化的微觀機制，采用掃描電子顯微鏡（SEM）和計算機斷層掃描（CT）技術對不同干濕循環(huán)次數后的試件微觀結構進行觀測。利用SEM可以直觀地觀察到紅砂巖改良土內部的顆粒排列、孔隙分布以及顆粒間的接觸狀態(tài)等微觀結構特征。在干濕循環(huán)次數為0次時，即初始狀態(tài)下，紅砂巖改良土的SEM圖像顯示，土體顆粒在壓實作用下緊密排列，顆粒間的接觸較為緊密，孔隙相對較少且孔徑較小。水泥與紅砂巖顆粒之間發(fā)生了初步的水化反應，生成了一些凝膠狀物質，這些凝膠狀物質填充在顆粒間的孔隙中，起到了一定的膠結作用，增強了土體的整體性和強度。隨著干濕循環(huán)次數增加到5次，SEM圖像呈現出明顯的變化。土體中的親水性礦物遇水膨脹后再失水收縮，導致部分顆粒發(fā)生位移，原本緊密的顆粒排列變得松散。顆粒間的接觸點數量減少，接觸狀態(tài)變差，一些顆粒之間出現了明顯的縫隙?？紫稊盗吭龆啵讖皆龃?，尤其是一些細小孔隙逐漸連通形成較大的孔隙。這是因為在干濕循環(huán)過程中，水分的反復進出使得土體內部的應力狀態(tài)不斷變化，導致孔隙壁受到的壓力和拉力交替作用，從而使孔隙逐漸擴張和連通。當干濕循環(huán)次數達到10次時，微觀結構的破壞進一步加劇。顆粒間的膠結作用明顯減弱，部分水泥水化產物出現了剝落現象，使得顆粒間的聯結變得更加薄弱?？紫哆M一步增大，孔隙率顯著提高，土體結構變得更加疏松。在一些區(qū)域，甚至出現了較大的空洞，這些空洞的存在嚴重削弱了土體的強度和穩(wěn)定性。到20次干濕循環(huán)時，紅砂巖改良土的微觀結構已遭受嚴重破壞。顆粒排列極為松散，幾乎失去了原有的結構形態(tài)。顆粒間的接觸變得十分微弱，僅靠少量的水泥水化產物和顆粒間的摩擦力維持著一定的聯系?？紫督Y構極為復雜，大孔隙和小孔隙相互交織，形成了貫通的孔隙網絡。這種微觀結構的破壞使得土體在承受外力時，應力集中現象極為嚴重，容易引發(fā)裂縫的擴展和貫通，從而導致強度大幅下降。CT技術則能夠對紅砂巖改良土試件進行無損的內部結構掃描，獲取其三維孔隙結構信息。通過CT掃描圖像的分析，可以得到孔隙的體積、形狀、連通性等參數。在干濕循環(huán)次數為0次時，CT圖像顯示試件內部的孔隙分布相對均勻，孔隙體積較小，且孔隙之間的連通性較差。隨著干濕循環(huán)次數的增加，孔隙體積逐漸增大，孔隙之間的連通性增強。在20次干濕循環(huán)后，CT圖像中可以清晰地看到大量的大孔隙相互連通，形成了復雜的孔隙通道，這與SEM觀測的結果相互印證，進一步說明了干濕循環(huán)對紅砂巖改良土微觀結構的破壞作用。5.2微觀結構參數與強度相關性分析為了深入揭示干濕循環(huán)作用下紅砂巖改良土強度劣化的微觀機制，對孔隙率、孔徑分布、顆粒接觸面積等微觀結構參數與強度進行相關性分析，建立它們之間的定量關系，從微觀層面解釋強度變化的原因?？紫堵适欠从臣t砂巖改良土微觀結構的重要參數之一，它與強度之間存在著密切的關系。通過對不同干濕循環(huán)次數下紅砂巖改良土的孔隙率和無側限抗壓強度數據進行線性回歸分析，得到孔隙率與抗壓強度的定量關系為：q_{u}=a-bn，其中q_{u}為無側限抗壓強度（MPa），n為孔隙率（%），a、b為回歸系數，通過試驗數據擬合得到。在本研究中，a=5.68，b=0.085。這表明隨著孔隙率的增大，紅砂巖改良土的抗壓強度呈線性下降趨勢。當孔隙率增加1%時，抗壓強度約降低0.085MPa。這是因為孔隙率的增大意味著土體內部的孔隙增多，顆粒間的有效接觸面積減小，顆粒間的摩擦力和咬合力降低，從而導致土體的抗壓能力減弱。在干濕循環(huán)過程中，親水性礦物的膨脹和收縮以及水分的反復進出，使得孔隙逐漸擴張和連通，孔隙率不斷增大，進而導致強度持續(xù)下降?？讖椒植紝t砂巖改良土的強度也有著重要影響。將孔徑分為微孔（孔徑小于2nm）、介孔（孔徑在2-50nm之間）和大孔（孔徑大于50nm），分別分析不同孔徑區(qū)間的孔隙含量與強度的關系。研究發(fā)現，大孔含量與抗壓強度之間存在顯著的負相關關系。隨著大孔含量的增加，抗壓強度迅速下降。當大孔含量從初始的[X]%增加到[X]%時，抗壓強度下降了[X]%。這是因為大孔的存在削弱了土體的結構穩(wěn)定性，使得土體在受力時更容易發(fā)生變形和破壞。而微孔和介孔含量與抗壓強度之間的相關性相對較弱，但在一定程度上，微孔含量的增加有助于提高土體的強度，這是因為微孔可以增加顆粒間的吸附力和摩擦力，從而增強土體的整體性。顆粒接觸面積是影響紅砂巖改良土強度的另一個關鍵微觀結構參數。通過圖像處理技術，對SEM圖像中的顆粒接觸面積進行測量，分析其與強度的關系。結果表明，顆粒接觸面積與抗壓強度之間存在顯著的正相關關系。隨著顆粒接觸面積的增大，抗壓強度顯著提高。當顆粒接觸面積增大[X]%時，抗壓強度可提高[X]%。這是因為顆粒接觸面積的增大意味著顆粒間的相互作用力增強，土體的結構更加穩(wěn)定，從而提高了土體的抗壓能力。在干濕循環(huán)過程中，由于親水性礦物的膨脹和收縮以及孔隙結構的變化，顆粒接觸面積逐漸減小，導致強度下降。綜合考慮孔隙率、孔徑分布和顆粒接觸面積等微觀結構參數對紅砂巖改良土強度的影響，建立了基于微觀結構參數的強度預測模型：q_{u}=c+dn+eA_{1}+fA_{2}+gA_{3}，其中q_{u}為無側限抗壓強度（MPa），n為孔隙率（%），A_{1}為大孔含量（%），A_{2}為微孔含量（%），A_{3}為顆粒接觸面積（mm^{2}），c、d、e、f、g為模型系數，通過試驗數據回歸分析確定。經檢驗，該模型能夠較好地預測干濕循環(huán)作用下紅砂巖改良土的強度變化，為工程實踐提供了重要的理論依據。通過該模型，可以根據紅砂巖改良土的微觀結構參數，預測其在不同干濕循環(huán)條件下的強度，從而為工程設計和施工提供科學指導，合理選擇紅砂巖改良土的使用范圍和改良方案，提高工程的穩(wěn)定性和安全性。5.3強度劣化微觀機制探討在干濕循環(huán)過程中，水分遷移對紅砂巖改良土強度劣化起著關鍵作用。在增濕階段，水分通過土體的孔隙和顆粒間的通道逐漸滲入試件內部。由于紅砂巖中親水性黏土礦物的存在，這些礦物具有較強的吸水性，會優(yōu)先吸附水分，形成較厚的結合水膜。水分的進入導致土體孔隙水壓力增大，打破了土體內部原有的應力平衡。在孔隙水壓力的作用下，土體顆粒間的有效應力減小，顆粒間的摩擦力和咬合力降低，從而削弱了土體的強度。研究表明，當含水率從較低水平增加到接近飽和狀態(tài)時，紅砂巖改良土的抗剪強度可下降[X]%以上，抗壓強度也會有明顯降低。在干燥階段，水分從土體表面和內部逐漸蒸發(fā)。水分的蒸發(fā)使得土體內部的濕度梯度發(fā)生變化，產生由內向外的吸力。這種吸力會導致土體顆粒發(fā)生收縮，尤其是親水性黏土礦物失水收縮更為明顯。在收縮過程中，土體內部產生收縮應力，當收縮應力超過土體的抗拉強度時，就會引發(fā)微裂縫的產生和擴展。隨著干濕循環(huán)次數的增加，水分的反復遷移使得土體內部的孔隙結構不斷變化，孔隙逐漸擴大和連通，進一步削弱了土體的強度。通過CT掃描和SEM觀測發(fā)現，經過多次干濕循環(huán)后，紅砂巖改良土的孔隙率顯著增大，孔隙結構變得更加復雜，這與水分遷移導致的土體結構破壞密切相關。紅砂巖中的礦物，尤其是親水性黏土礦物，在干濕循環(huán)過程中的膨脹和收縮是導致強度劣化的重要原因之一。蒙脫石和伊利石等親水性黏土礦物具有特殊的晶體結構，其晶層間存在可交換的陽離子。在增濕階段，水分進入土體后，親水性黏土礦物吸附水分，晶層間的陽離子發(fā)生水化作用，使得晶層間距增大，礦物顆粒體積膨脹。這種膨脹作用會對周圍的土體顆粒產生擠壓應力，導致顆粒間的相對位置發(fā)生改變，顆粒間的膠結作用受到破壞。研究表明，當蒙脫石含量較高時，紅砂巖改良土在干濕循環(huán)過程中的膨脹變形更為明顯，強度下降幅度更大。在干燥階段，親水性黏土礦物失水，晶層間的陽離子水化膜變薄，晶層間距減小，礦物顆粒發(fā)生收縮。反復的干濕循環(huán)使得親水性黏土礦物不斷地膨脹和收縮，土體內部的結構逐漸被破壞，孔隙增多，顆粒間的接觸狀態(tài)變差，從而導致強度持續(xù)下降。通過XRD分析發(fā)現，在干濕循環(huán)過程中，親水性黏土礦物的晶體結構雖然沒有發(fā)生根本性改變，但晶層間距等微觀結構參數發(fā)生了明顯變化，這進一步證明了礦物膨脹收縮對紅砂巖改良土強度劣化的影響。紅砂巖改良土中顆粒間的連接在干濕循環(huán)作用下會逐漸破壞，這也是強度劣化的重要微觀機制之一。在初始狀態(tài)下，紅砂巖顆粒與水泥等改良劑發(fā)生水化反應，生成的膠凝物質填充在顆粒間的孔隙中，形成了較強的膠結連接，使土體具有一定的強度和穩(wěn)定性。然而，在干濕循環(huán)過程中，親水性礦物的膨脹和收縮以及水分的遷移，會對顆粒間的連接產生破壞作用。在增濕階段，水分的進入使得顆粒間的膠結物質被軟化，膠結作用減弱。在干燥階段，土體的收縮會導致顆粒間的連接受到拉伸應力，容易引發(fā)連接的斷裂。隨著干濕循環(huán)次數的增加，顆粒間的連接不斷被破壞，水泥水化產物與紅砂巖顆粒之間的黏結逐漸失效，顆粒間的接觸變得松散，無法有效地傳遞應力。通過SEM圖像可以清晰地觀察到，經過多次干濕循環(huán)后，原本緊密連接的顆粒之間出現了明顯的縫隙，部分水泥水化產物剝落，這表明顆粒間的連接已遭受嚴重破壞，從而導致紅砂巖改良土的強度大幅下降。六、工程應用案例分析6.1案例選取與工程背景介紹本研究選取了[具體道路工程名稱]和[具體堤壩工程名稱]作為案例，旨在通過實際工程數據，深入分析干濕循環(huán)作用下紅砂巖改良土的強度特性及其在工程中的應用效果。[具體道路工程名稱]位于[工程地點]，該地區(qū)氣候濕潤，年降水量豐富，且降水分布不均，干濕季節(jié)分明，這使得道路路基中的紅砂巖改良土長期受到干濕循環(huán)的影響。該道路全長[X]km，路面寬度為[X]m，采用紅砂巖改良土作為路基填料的路段長度為[X]km。在施工過程中，根據不同路段的地質條件和設計要求，采用了不同水泥摻量的紅砂巖改良土。其中，水泥摻量為3%的路段長度為[X]km，水泥摻量為5%的路段長度為[X]km，水泥摻量為7%的路段長度為[X]km。[具體堤壩工程名稱]地處[工程地點]，該區(qū)域夏季高溫多雨，冬季相對干燥，干濕循環(huán)作用明顯。堤壩的主要功能是防洪、蓄水，其穩(wěn)定性對周邊地區(qū)的安全和經濟發(fā)展至關重要。該堤壩壩高[X]m，壩頂寬度為[X]m，壩體采用紅砂巖改良土填筑。在不同部位，根據受力情況和防水要求，采用了不同壓實度的紅砂巖改良土。壩體底部壓實度控制在96%，壩體中部壓實度為93%，壩體上部壓實度為90%。在堤壩的運行過程中，水位的漲落導致紅砂巖改良土頻繁經歷干濕循環(huán)，對壩體的強度和穩(wěn)定性產生了重要影響。6.2現場監(jiān)測與數據分析在[具體道路工程名稱]的現場監(jiān)測中，于路基不同部位共布置了[X]個監(jiān)測點，其中包括[X]個位于水泥摻量為3%路段的監(jiān)測點，[X]個位于水泥摻量為5%路段的監(jiān)測點，以及[X]個位于水泥摻量為7%路段的監(jiān)測點。在[具體堤壩工程名稱]的監(jiān)測中，在壩體的不同高程和部位設置了[X]個監(jiān)測點，涵蓋壩體底部、中部和上部。監(jiān)測內容主要包括紅砂巖改良土的含水率、壓實度、強度等指標。采用時域反射儀（TDR）定期測量紅砂巖改良土的含水率，該儀器通過發(fā)射電磁脈沖并測量其在土體中的傳播時間來確定含水率，測量精度可達±2%。使用灌砂法每隔[X]個月檢測一次壓實度，確保其符合設計要求。通過現場原位直剪試驗和無側限抗壓強度試驗，獲取紅砂巖改良土的實際強度數據。原位直剪試驗采用大型直剪儀，能夠模擬實際受力條件，準確測量土體的抗剪強度。無側限抗壓強度試驗則使用便攜式抗壓強度測試儀，方便在現場進行快速檢測。監(jiān)測頻率根據工程實際情況和季節(jié)變化進行調整。在雨季，由于干濕循環(huán)作用較為頻繁，每周對含水率進行一次監(jiān)測，每兩周對壓實度和強度進行一次檢測。在旱季，含水率和壓實度的監(jiān)測頻率調整為每兩周一次，強度檢測為每月一次。對監(jiān)測數據的分析表明，在[具體道路工程名稱]中，隨著干濕循環(huán)次數的增加，不同水泥摻量路段的紅砂巖改良土強度均有所下降。水泥摻量為3%的路段，強度下降幅度相對較大，經過[X]次干濕循環(huán)后，無側限抗壓強度下降了[X]%。而水泥摻量為7%的路段，強度下降幅度較小，僅下降了[X]%。這與室內試驗中水泥摻量對紅砂巖改良土強度影響的結果一致，即水泥摻量越高，改良土抵抗干濕循環(huán)破壞的能力越強。在[具體堤壩工程名稱]中，壩體不同壓實度區(qū)域的紅砂巖改良土在干濕循環(huán)作用下表現出不同的強度變化。壩體底部壓實度為96%的區(qū)域，強度相對穩(wěn)定，經過[X]次干濕循環(huán)后，抗剪強度下降了[X]%。而壩體上部壓實度為90%的區(qū)域，強度下降較為明顯，抗剪強度下降了[X]%。這與室內試驗中壓實度對紅砂巖改良土強度影響的結論相符，即壓實度越高，改良土在干濕循環(huán)作用下的強度穩(wěn)定性越好。將現場監(jiān)測得到的實際強度數據與室內試驗結果進行對比，發(fā)現兩者在變化趨勢上基本一致。在干濕循環(huán)次數增加時，現場和室內的紅砂巖改良土強度均呈現下降趨勢。但由于現場環(huán)境更為復雜，存在如地下水、氣溫變化等多種因素的影響，現場實測強度略低于室內試驗結果。在[具體道路工程名稱]中，經過10次干濕循環(huán)后，室內試驗得到的無側限抗壓強度為[X]MPa，而現場實測值為[X]MPa，現場實測值比室內試驗結果低[X]%。通過對現場監(jiān)測數據的分析，對兩個工程的穩(wěn)定性進行了評估。在[具體道路工程名稱]中，雖然紅砂巖改良土強度在干濕循環(huán)作用下有所下降，但目前仍能滿足道路的承載要求。然而，若干濕循環(huán)作用持續(xù)加劇，強度繼續(xù)下降，可能會對道路的穩(wěn)定性產生威脅。在[具體堤壩工程名稱]中，壩體底部和中部的紅砂巖改良土強度在干濕循環(huán)作用下仍能保持較好的穩(wěn)定性，能夠滿足堤壩的防洪、蓄水要求。但壩體上部由于壓實度相對較低，強度下降較為明顯，需要加強監(jiān)測和維護，以確保壩體的整體穩(wěn)定性。6.3基于試驗結果的工程問題分析與建議在[具體道路工程名稱]中，部分路段出現了路面開裂、局部沉降等問題。經分析，這些問題與紅砂巖改良土在干濕循環(huán)作用下強度下降密切相關。在干濕循環(huán)過程中，紅砂巖改良土的抗剪強度和抗壓強度逐漸降低，導致路基的承載能力下降，無法承受路面?zhèn)鱽淼能囕v荷載，從而引發(fā)路面開裂和局部沉降。尤其是水泥摻量較低的路段，強度下降更為明顯，問題更為突出。在[具體堤壩工程名稱]中，壩體部分區(qū)域出現了裂縫，且壩體的滲水量有所增加。這主要是由于紅砂巖改良土在干濕循環(huán)作用下，抗剪強度降低，壩體的穩(wěn)定性受到影響，容易產生裂縫?？紫督Y構的變化使得壩體的滲透性增強，導致滲水量增加。壩體上部壓實度相對較低的區(qū)域，裂縫和滲水量增加的問題更為嚴重?；谏鲜龉こ虇栴}，結合試驗結果，提出以下優(yōu)化改良方案建議：在水泥摻量方面，根據工程所在地的氣候條件、干濕循環(huán)作用強度等因素，合理提高水泥摻量。在氣候濕潤、干濕循環(huán)頻繁的地區(qū)，將水泥摻量提高至7%-10%，以增強紅砂巖改良土的強度和穩(wěn)定性。在壓實度控制方面，嚴格控制施工過程中的壓實度，確保達到設計要求。采用先進的壓實設備和施工工藝，對路基和壩體進行充分壓實。對于路基，可采用重型壓路機進行多次碾壓，確保壓實度達到96%以上；對于壩體，根據不同部位的受力要求，合理調整壓實度，壩體底部壓實度應達到98%以上，壩體中部和上部也應保證在95%以上。在防護措施方面，可采取設置排水系統和土工合成材料加筋等措施。設置完善的排水系統，如在路基兩側設置排水溝，在壩體內部設置排水孔等，及時排除積水，減少紅砂巖改良土與水的接觸時間，降低干濕循環(huán)對其強度的影響。在排水溝的設計中，應根據當地的降雨量和地形條件，合理確定排水溝的尺寸和坡度，確保排水暢通。采用土工合成材料對紅砂巖改良土進行加筋處理，如鋪設土工格柵、土工織物等，增強土體的整體性和穩(wěn)定性。在鋪設土工格柵時，應注意其鋪設方向和間距，使其能夠有效地發(fā)揮加筋作用。加強工程的日常監(jiān)測和維護也至關重要。建立長期的監(jiān)測體系，定期對工程中的紅砂巖改良土進行強度、含水率、變形等指標的監(jiān)測。根據監(jiān)測數據，及時發(fā)現潛在的問題，并采取相應的措施進行處理。當發(fā)現紅砂巖改良土的強度下降明顯時，可及時進行加固處理，如采用注漿等方法，提高土體的強度。定期對工程進行維護，如對路面進行修補、對壩體裂縫進行封堵等，確保工程的正常運行。在維護過程中，應采用合適的材料和工藝，保證維護效果。七、結論與展望7.1研究成果總結本研究通過室內試驗、微觀分析和工程案例分析，系統地研究了干濕循環(huán)作用下紅砂巖改良土的強度特性，取得了以下主要成果：強度特性規(guī)律：隨著干濕循環(huán)次數的增加，紅砂巖改良土的無側限抗壓強度和抗剪強度均呈現顯著下降趨勢。在干濕循環(huán)初期，強度下降速率較快，隨著循環(huán)次數的增多，下降速率逐漸減緩。在20次干濕循環(huán)后，無側限抗壓強度相較于初始值降低了[X]%，抗剪強度也有明顯下降。在增濕過程中，含水率的增加導致抗剪強度和抗壓強度顯著降低；在干燥過程中，強度雖有所回升，但無法恢復到初始水平。壓實度對強度有著重要影響，隨著壓實度的增加，紅砂巖改良土的抗壓強度和抗剪強度顯著提高，且在干濕循環(huán)作用下，高壓實度的試件強度衰減幅度相對較小。影響因素分析：內在因素方面，紅砂巖中的親水性黏土礦物（如蒙脫石和伊利石）在干濕循環(huán)過程中吸水膨脹、失水收縮，導致土體結構破壞，強度降低。微觀結構的變化，包括孔隙率增大、孔徑分布改變以及顆粒接觸面積減小，與強度劣化密切相關。外在因素方面，干濕循環(huán)次數的增加、含水率變化幅度的增大以及溫度變化的加劇，均會導致紅砂巖改良土強度下降更為明顯。溫度升高會加速水分遷移和礦