對(duì)季凍區(qū)路基強(qiáng)度及穩(wěn)定性的試驗(yàn)研究

李 晶

(黑龍江東方學(xué)院)

1 引 言

路基是公路工程的重要組成部分,它既是路面的主體,又是路面的基礎(chǔ),承受著本身巖土自重和路面重量以及由路面?zhèn)鬟f下來的行車荷載,其強(qiáng)度及穩(wěn)定性不僅影響公路營(yíng)運(yùn)的安全,而且直接影響路面的工程質(zhì)量,最終影響整個(gè)公路的使用品質(zhì)。

處于季凍區(qū)的土基,伴隨著土中水的凍結(jié)和融化,常發(fā)生凍脹和融沉兩種地質(zhì)凍害。凍脹現(xiàn)象的發(fā)生將導(dǎo)致土的體積膨脹,引起附加應(yīng)力和變形;融沉現(xiàn)象使土基出現(xiàn)沉陷,同時(shí)使土體處于飽和或過飽和狀態(tài)而引起地基承載力的降低。因此,研究季凍區(qū)土基的強(qiáng)度及穩(wěn)定性,準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)土基的質(zhì)量對(duì)保證道路使用品質(zhì)至關(guān)重要。

松北區(qū)位于松花江哈爾濱城區(qū)段北岸,地處歐亞大陸東部的中高緯度,處于季節(jié)性凍土的分布區(qū)內(nèi),多年平均無霜期僅為 140 d,最大凍深大 1.95 m。隨著該區(qū)的大規(guī)模建設(shè),土基的強(qiáng)度和穩(wěn)定性逐漸成為道路工作者關(guān)注的重點(diǎn)。本文以此為契機(jī),著眼于該區(qū)內(nèi)的已建道路,試驗(yàn)研究了該區(qū)的土基強(qiáng)度指標(biāo)及穩(wěn)定性,為該區(qū)的道路建設(shè)和進(jìn)一步的理論研究打下了基礎(chǔ)。

2 路基強(qiáng)度指標(biāo)

2.1 CBR和回彈模量

CBR(California Bearing Ratio)即加州承載比,是用于評(píng)定路基土和路面材料強(qiáng)度的指標(biāo)。路基的回彈模量表示路基土在彈性變形階段內(nèi),在垂直荷載作用下,抵抗豎向變形的能力。

在研究路基強(qiáng)度指標(biāo)之前,先進(jìn)行了路基土基本物理性質(zhì)的試驗(yàn)研究,經(jīng)實(shí)驗(yàn)知路基土為低液限粉質(zhì)粘土,天然含水率為 23.9%,密度 1.71 g/cm3,最佳含水率為 14.4%,最大干密度為 1.85 g/cm3。在試驗(yàn)研究路基填土的 CBR值和回彈模量時(shí),按照公路土工試驗(yàn)規(guī)程(JTG E 40-2007)的相關(guān)要求,分別按照天然含水率和最佳含水率制備土樣,浸水4 d后最終測(cè)得路基土的 CBR值分別為 6.6%和 3.1%,在P=100 kPa的最大單位壓力下測(cè)得的路基回彈模量分別為36.6MPa和 15.8MPa。

從該試驗(yàn)結(jié)果可知,對(duì)于該區(qū)的低液限粉質(zhì)粘土路基來說,當(dāng)土中的含水率在接近其最佳含水率時(shí),路基填料強(qiáng)度以及承載能力能夠滿足公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG D 30-2004)及公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG D50-2006)中對(duì)一般等級(jí)公路路基強(qiáng)度的使用要求,但不足以適應(yīng)重大交通量的荷載作用。

2.2 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

土的抗剪強(qiáng)度是指土體抵抗剪切破壞的極限能力,是土的重要力學(xué)性質(zhì)之一。在工程實(shí)踐中常常需要計(jì)算路基的承載力、評(píng)價(jià)路基土的穩(wěn)定性、預(yù)估填方或挖方邊坡在外力和土體自重作用下的穩(wěn)定性、以及計(jì)算擋土墻的土壓力,這些都要用到土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo),都需要測(cè)定土體的抗剪強(qiáng)度。

把莫爾 -庫(kù)侖定律用于室內(nèi)試驗(yàn)的研究,便可以得到工程設(shè)計(jì)中所需要的抗剪強(qiáng)度參數(shù),指的是土的粘聚力C和內(nèi)摩擦角。抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)方法有多種,在試驗(yàn)室常見的有直接剪切試驗(yàn)、三軸壓縮試驗(yàn)、無側(cè)限抗壓試驗(yàn)、十字板試驗(yàn);在現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試的有十字板剪切試驗(yàn)、大型直接剪切試驗(yàn)等,本文中所涉及到的剪切試驗(yàn)結(jié)果均來自直接剪切試驗(yàn)方法。由直接剪切試驗(yàn)測(cè)得該區(qū)低液限粉質(zhì)粘土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)粘聚力為 118.49 kPa,內(nèi)摩擦角為 29.8°,以作為進(jìn)一步理論研究的試驗(yàn)基礎(chǔ)。

3 凍融作用對(duì)土力學(xué)性質(zhì)的影響

土的凍融作用是凍土力學(xué)與工程中的重要研究課題,研究發(fā)現(xiàn)凍融通過改變土的結(jié)構(gòu)性從而改變土本身的性質(zhì)。由于凍融作用改變了土的結(jié)構(gòu)性,破壞了土顆粒間的聯(lián)結(jié)力,使得凍融前后的力學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化。凍融作用對(duì)土力學(xué)性質(zhì)影響的研究主要集中在凍融前后土的回彈模量、抗剪強(qiáng)度及壓縮性等方面。在本次試驗(yàn)研究中,考查的主要指標(biāo)是土的回彈模量和抗剪強(qiáng)度兩個(gè)方面。

以前的許多研究者都發(fā)現(xiàn),經(jīng)過很少幾個(gè)凍融循環(huán)的作用,土的模量都會(huì)大幅度地降低,并且根據(jù)土性質(zhì)的不同,土的模量會(huì)降低 25%～60%。對(duì)凍融作用對(duì)土的抗剪強(qiáng)度影響的研究要更多一些,但研究結(jié)果卻差異很大,有研究發(fā)現(xiàn)凍融后土的強(qiáng)度有所增加;有研究發(fā)現(xiàn)凍融使得土強(qiáng)度有所降低;還有研究發(fā)現(xiàn)凍結(jié)前后土的強(qiáng)度基本保持不變;Aoyama等發(fā)現(xiàn)經(jīng)過凍融土的粘聚力降低而內(nèi)摩擦角變化很小;Ogata等對(duì)不同類型土的研究發(fā)現(xiàn)粘聚力降低而內(nèi)摩擦角增大。

對(duì)松北區(qū)的路基填土進(jìn)行凍融作用試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在經(jīng)過有限次的凍融循環(huán)后,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,土中的含水量增加,使得土的密度迅速降低,導(dǎo)致路基土的承載能力不斷下降,回彈模量隨之減小,由初始的32.8MPa降低到 6次凍融循環(huán)后的 18.5MPa。在凍融作用對(duì)土抗剪強(qiáng)度的影響方面,隨著凍融循環(huán)的進(jìn)行,由于土中的含水率不斷變大,粘聚力大幅度降低,由初始的 118.49 kPa降低到 6次凍融循環(huán)后的 40.95 kPa,而在粘聚力降低的同時(shí)內(nèi)摩擦角卻有明顯的增大,由 29.1°增大到 6次凍融循環(huán)后的 37.2°。

4 結(jié) 論

現(xiàn)有的室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明,盡管該區(qū)的路基填筑材料,在達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)壓實(shí)度的情況下,路基填料的強(qiáng)度及承載能力能夠滿足該區(qū)一般等級(jí)道路的使用要求,但也發(fā)現(xiàn)該區(qū)的路基填土性質(zhì)易受季節(jié)及區(qū)內(nèi)地下水位變化的影響,路基的強(qiáng)度及穩(wěn)定性都有明顯的變化,在發(fā)展道路工程建設(shè)過程中應(yīng)重視在能夠引起土中含水率變化因素方面的相關(guān)研究。

凍融作用對(duì)土力學(xué)性質(zhì)影響的研究,在分析季凍區(qū)路基穩(wěn)定性中起著舉足輕重的作用。因此,在研究季凍區(qū)土質(zhì)路基強(qiáng)度和穩(wěn)定性及評(píng)價(jià)路基質(zhì)量的過程中,進(jìn)一步深入地試驗(yàn)研究并理論分析凍融作用對(duì)土力學(xué)性質(zhì)的影響,對(duì)該區(qū)經(jīng)濟(jì)建設(shè)、道路工程建設(shè)以及與之有關(guān)的環(huán)境保護(hù)、土壤水分保持等都具有十分重要的實(shí)踐意義。

[1] 王鐘琦.巖土工程測(cè)試技術(shù)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1986.

[2] 齊吉琳,張建明,朱元林.凍融作用對(duì)土結(jié)構(gòu)性影響的土力學(xué)意義[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2003,22(增 2):2690～2694.

[3] Simonsen Erik,JanooVincentC,IsacssonUl.Resilientproperties of unbound road materials during seasonal frost conditions.Journal ofCold Regions Engineering,2002.

[4] Aoyama K,Ogawa S,FukudaM.Temperature dependencies ofmechanical properties of soils subjected to freezing and thawin.In:Proceedingsof the 4th International Symposium on Ground Freezing.Rotterdam,Netherlands:A.A.Balkem Publishers,1985.217-222.

[5] OgataN,KataokaT,KomiyaA.Effectof freezing thawing on the mechanical properties of soil.In:Proceedings of the 4th International Symposium on Ground Freezing.Rotterdam,Netherlands:A.A.Balkema Publishers,1985.201～207.