晉北黃土路堤填料力學(xué)特性研究

牛力強(qiáng)

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

0 引言

黃土地區(qū)土性區(qū)域化分布較為顯著，以山西境內(nèi)黃土分布為例，從南到北黃土黏粒成分逐漸減少，砂粒成分逐漸增多，同時(shí)由于不同類型的黃土具有不同的易溶鹽、石膏和碳酸鈣含量，因此黃土填料的工程性質(zhì)也差異較大[1-2]。采用黃土作為路堤填料時(shí)，如果設(shè)計(jì)參數(shù)取值稍有偏差，就有可能造成路堤沉降甚至滑塌破壞[3-4]。

通過對(duì)山西境內(nèi)孫啟莊—大同、夏家營—汾陽、大同—新廣武、得勝口—大同、太原—陽泉5條高速公路路基路面病害情況調(diào)查結(jié)果顯示，通車運(yùn)營后的3～5年內(nèi)高填方路堤沉陷現(xiàn)象極其普遍，可以說是“十填九陷”，路基沉陷導(dǎo)致的路面裂縫、凹陷等病害嚴(yán)重降低了高速公路使用性能，加之路面再修復(fù)困難，造成了巨大的材料浪費(fèi)并留下安全隱患。因此對(duì)黃土路堤填料進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，分析其力學(xué)特性就顯得十分必要。

1 依托工程概況

山平（山陰至平魯）高速公路是國家高速公路網(wǎng)榮成到烏海的組成部門，起點(diǎn)位于山西省朔州市山陰縣合盛堡，接在建的靈丘至山陰高速公路，經(jīng)山陰、吳馬營、向陽堡、平魯、小路莊、鳳凰城，止于朔州市平魯區(qū)二道梁，接內(nèi)蒙古自治區(qū)擬建的十七溝至大飯鋪高速公路，路線全長108 km。路線穿越山西省北部典型黃土高原地區(qū)，項(xiàng)目大部分路段位于山嶺區(qū)，填方路段較多，且基本都是用黃土填筑。

為查明山平高速公路黃土路堤填料力學(xué)特性，本文通過對(duì)山平高速公路K210+987—K211+087現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)路段黃土路堤填料進(jìn)行壓縮、直剪和三軸剪切等室內(nèi)土工試驗(yàn)，對(duì)壓實(shí)黃土的壓縮系數(shù)，抗剪強(qiáng)度等工程力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)定，為山平高速乃至整個(gè)晉北地區(qū)公路路基設(shè)計(jì)提供必要的設(shè)計(jì)參數(shù)。

2 壓縮試驗(yàn)

土的壓縮試驗(yàn)是測(cè)定土體在壓力作用下產(chǎn)生變形的過程，是室內(nèi)測(cè)定土的壓縮性的基本途徑。通過計(jì)算求得的各項(xiàng)壓縮指標(biāo)，用來分析判別土的壓縮特性和天然土層的固結(jié)狀態(tài)，從而計(jì)算土工建筑及地基的沉降量，并估算區(qū)域性的地面沉降量[5]。

根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50123—1999）[6]，配置含水率在最佳含水率（11.5%）附近的土樣（實(shí)際含水率為 11.1%），按 50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa、800 kPa分級(jí)加壓，加載10 min后測(cè)量變形量。進(jìn)行了5組平行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1，并繪制出e-P曲線如圖1所示。

圖1 孔隙比與壓力關(guān)系曲線

結(jié)果表明，0.1 MPa-1＜α1-2=0.196 MPa-1＜ 0.5 MPa-1，該黃土路堤填料重塑土樣屬中壓縮性土。

3 直剪試驗(yàn)

直剪試驗(yàn)是最直接的測(cè)定土體抗剪強(qiáng)度的方法是土工試驗(yàn)的重要手段，在工程實(shí)際中得到廣泛應(yīng)用。根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40—2007）[7]，快剪試驗(yàn)和固結(jié)快剪試驗(yàn)僅適用于滲透系數(shù)k＜106 cm/s的黏土。

3.1 最佳含水率時(shí)的抗剪強(qiáng)度

根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40—2007）[7]，試驗(yàn)采用固結(jié)快剪方法，配置含水率在最佳含水率（11.5%）附件的土樣（實(shí)際含水率為11.66%），按照《規(guī)程》規(guī)定的試驗(yàn)步驟，先使試樣加壓固結(jié)，然后進(jìn)行剪切。記錄測(cè)力計(jì)百分表讀數(shù)，繪制τ-ΔL曲線和τ-P曲線如圖2、圖3所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，黃土路堤填料重塑土樣的黏聚力為32.58 kPa、內(nèi)摩擦角為27.25°。

圖2 剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線

圖3 抗剪強(qiáng)度與垂直壓力關(guān)系曲線

3.2 不同含水率下剪應(yīng)力—剪切應(yīng)變關(guān)系曲線

為研究不同含水率下黃土路堤填料的力學(xué)性質(zhì)，分別配置了含水率為10.86%、11.66%、12.15%、13.08%、14.45%的土樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)，測(cè)得不同含水率和豎向壓力條件下土樣的剪應(yīng)力與剪切應(yīng)變變化曲線如圖4所示，并得到土樣的抗剪強(qiáng)度（表3）。從圖4可以看出，100 kPa時(shí)含水率對(duì)抗剪強(qiáng)度影響較大，而隨著法向應(yīng)力的增大，含水率對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響逐漸減小，表2所示土樣的抗剪強(qiáng)度也同樣符合這樣的變化規(guī)律。

圖4 剪應(yīng)力與剪切位移變化曲線

表2 不同含水率和豎向壓力條件下土樣的抗剪強(qiáng)度 kPa

3.3 不同含水率下的抗剪強(qiáng)度

根據(jù)不同豎向壓力下土樣的抗剪強(qiáng)度，可以計(jì)算得出不同含水率條件下土樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角如圖5、圖6所示。

圖5 黏聚力與含水率關(guān)系曲線

圖6 內(nèi)摩擦角與含水率關(guān)系曲線

從圖5可以看出，黏聚力對(duì)含水率的變化比較敏感，含水率在最佳含水率附近時(shí)填土黏聚力在30 kPa左右；而圖6顯示，含水率的變化對(duì)內(nèi)摩擦角的影響相對(duì)較小，填土內(nèi)摩擦角總體在28°左右。

4 三軸壓縮試驗(yàn)

根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40—2007）[7]按最佳含水率（11.5%，實(shí)際測(cè)得11.72%），制備3個(gè)密度與含水率相同的三軸試樣，對(duì)各試樣分別施加100 kPa、200 kPa 和 300 kPa 的圍壓 σ3，再以 ε=0.08 mm/min的軸向應(yīng)變速率給試樣施加軸向壓力直至破壞，取步長為2對(duì)軸向變形及相應(yīng)的軸向主應(yīng)力差σ1-σ3進(jìn)行記錄，得到主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變曲線和不固結(jié)不排水剪強(qiáng)度包線如圖7所示。

由圖7可以看出，隨著主應(yīng)力差的不斷增大，試樣軸向應(yīng)變也不斷增大，當(dāng)軸向應(yīng)變達(dá)到一定值時(shí)，曲線出現(xiàn)峰值，表明試樣已經(jīng)破壞，如果曲線沒有峰值，按規(guī)范取軸向應(yīng)變?yōu)?5%時(shí)對(duì)應(yīng)的主應(yīng)力差為破壞時(shí)的最大主應(yīng)力差。從圖中可以得出，含水率為15.43%的山平高速黃土路堤填料不固結(jié)不排水剪切強(qiáng)度為：黏聚力cu=43.02 kPa，內(nèi)摩擦角φu=17.58°。

圖7 不固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)結(jié)果

表3 直剪試驗(yàn)與不固結(jié)不排水剪試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

表3為直剪試驗(yàn)與不固結(jié)不排水剪試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，從表中可以看出，配置含水率接近最佳含水率的土樣，對(duì)其分別進(jìn)行直剪試驗(yàn)和不固結(jié)不排水試驗(yàn)得出的黏聚力和內(nèi)摩擦角區(qū)別較大，不固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)測(cè)得的黏聚力大于直剪試驗(yàn)測(cè)得的黏聚力，而內(nèi)摩擦角小于直剪試驗(yàn)測(cè)得的內(nèi)摩擦角，分析產(chǎn)生這種結(jié)果的原因是直剪試驗(yàn)不能嚴(yán)格控制排水條件且所假定的剪切面并非土樣抗剪最薄弱面，而不固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)較為嚴(yán)格地控制了排水條件，剪切面也是根據(jù)實(shí)際情況測(cè)量的，所以采用不固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)結(jié)果更為準(zhǔn)確一些。

5 小結(jié)

通過對(duì)晉北地區(qū)山平高速公路K210+987—K211+087現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)路段黃土路堤填料進(jìn)行壓縮、直剪和不固結(jié)不排水等室內(nèi)土工試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

a）對(duì)填料重塑土樣進(jìn)行5組壓縮試驗(yàn)，測(cè)得平均壓縮系數(shù)為0.196 MPa-1，屬中壓縮性土。

b）對(duì)含水率在最佳含水率附近的4組不同含水率填土重塑土樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)，測(cè)得含水率為11.66%（最佳含水率為11.5%）時(shí)填土黏聚力內(nèi)摩擦角分別為32.58 kPa和27.25°；對(duì)比分析其他含水率下測(cè)得的黏聚力和內(nèi)摩擦角發(fā)現(xiàn)，黏聚力對(duì)含水率的變化比較敏感，在最佳含水率附近時(shí)填土黏聚力在30 kPa左右；內(nèi)摩擦角受含水率變化的影響相對(duì)較小，填土內(nèi)摩擦角總體在28°左右。

c）對(duì)比分析不同豎向壓力下不同含水率填土的抗剪強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)100 kPa時(shí)含水率對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響較大，隨著壓力的增大，含水率對(duì)填土的抗剪強(qiáng)度影響不大。

d）配置含水率為最佳含水率附近的土樣（實(shí)際為11.72%），對(duì)其進(jìn)行不固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)，測(cè)得相應(yīng)的黏聚力cu=43.02 kPa，內(nèi)摩擦角φu=17.58°。