不同初始條件下高液限土的力學(xué)特性研究

張婉璐;謝 軍;徐 鍇;程 瀟

(1.河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所，南京210098;2.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室，南京210098;3.廣州市市政工程設(shè)計研究院，廣州510100)

浙江龍泉地區(qū)分布著大量不能直接用于路堤填料的高液限土，高液限土作為一種不良地質(zhì)土，具有液限高、天然含水率高、持水能力強、強度低、水穩(wěn)定性差等不良性質(zhì)，若直接用于填筑路堤，會引起多種危害。因而，國內(nèi)外目前對于高液限土做了大量的研究［1－5］，其中國外對于高液限土的研究主要集中在對工后穩(wěn)定和變形的影響，如Allam［6］通過試驗得出含水率的改變將直接影響土體的特征;A.S.AL －Homoud［7］指出在干濕循環(huán)作用下高液限土土體的強度和膨脹性會發(fā)生疲勞效應(yīng)。但是，由于高液限土種類繁多，加之有明顯的地域性，受到地質(zhì)、氣候、水文等條件差異的影響。并且，從國內(nèi)現(xiàn)有的大量的高液限土路基工程來看，各個地區(qū)對高液限土的利用也都有一定的差別。

本文則主要針對高液限土的力學(xué)特性，來研究含水率和壓實度這兩個路基填料的重要指標對其抗剪強度以及水敏感性的影響。而目前針對高液限土的水穩(wěn)性、抗剪強度指標及其變化規(guī)律的研究比較少［8－10］，所以確定抗剪強度對于研究路基穩(wěn)定性、邊坡穩(wěn)定性具有重要的意義。

1 試驗內(nèi)容

試驗用土取自浙江龍泉至福建浦城高速公路具有代表性的K15+780斷面右側(cè)邊坡，取土深度為3 m。土體含水率35.2%，孔隙比1.12，最優(yōu)含水率 21.8%，最大干密度 1.69 g/cm3，18.2%。

1.1 直剪試驗

高液限土的制樣干密度為1.56 g/cm3，按16%、19%、22%、24%、26%、28%、30%7 種含水率制備7組試樣，每組4個樣，上覆壓力分別為100、200、300、400 kPa。將制備好的試樣，分別在不同的垂直壓力下，施加水平剪應(yīng)力，求得破壞時的剪切應(yīng)力。直剪試驗選用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀，試驗結(jié)果如表1所示。

1.2 無側(cè)限抗壓試驗

針對不同含水率、不同壓實度的高液限土進行無側(cè)限抗壓強度試驗，設(shè)計88%、90%、93%、95%四種壓實度，含水率分別為18%、20%、22%、24% 、26% 、28% 、30% 。

1.3 飽和前后無側(cè)限抗壓強度試驗

設(shè)計 17%、20%、24%、26%、28%、31%6種不同含水率，按93%壓實度，利用三軸對開膜制作直徑39.1 mm、高80 mm的試樣。試驗步驟:對于飽和前的無側(cè)限抗壓強度試驗，將擊實后的試樣從對開膜中取出，放入密封塑料袋內(nèi)，靜置一晝夜后進行測試;對于飽和后的無側(cè)限抗壓強度試驗，將擊實后的試樣連同對開膜放入飽和器內(nèi)，抽氣飽和12 h后進行強度測試。

表1不同含水率下對應(yīng)的抗剪強度指標Tab.1 Shear strength index under different water content

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 含水率對抗剪強度的影響

圖1給出了高液限土抗剪強度與含水率的關(guān)系，可知，高液限土的抗剪強度隨著含水率的增加呈階段性變化，低含水率時(16% ～19%)兩條包線相近，強度下降緩慢;19%含水率接近最優(yōu)含水率，含水率從19%增加至22%，土顆粒之間的膠結(jié)物質(zhì)開始迅速溶解，抗剪強度急劇降低;26%含水率是一關(guān)鍵點，該含水率接近高液限土的塑限而且飽和度較高，隨著含水率進一步增加，孔隙水壓力急劇降低引起抗剪強度大幅降低，而含水率超過28%后，土體接近飽和，含水率對強度的影響幾乎為零。抗剪強度的表達式為:

2.2 含水率與粘聚力和內(nèi)摩擦角的關(guān)系

現(xiàn)有的文獻資料中對粘聚力多采用指數(shù)擬合［8－10］，本文也將粘聚力取對數(shù)值進行擬合，記為1nc，見圖2?？梢院苊黠@看出，取對數(shù)后的粘聚力值1nc與含水率ω的擬合結(jié)果相關(guān)性較高。并且粘聚力隨著含水率不斷減小，且大約含水率在26%時，減小幅度陡然增大，是因為:粘性土的粘聚力主要受結(jié)合水膜、顆粒間膠結(jié)物以及毛細水作用影響［8］。低含水率時土粒間距較小，顆粒間的水膜連結(jié)作用強，土體粘聚力大，而且26%是塑限含水率，也就是土體可塑狀態(tài)與半固體狀態(tài)的臨界點，因此塑限含水率以上一定范圍內(nèi)土體強度迅速下降。

進行回歸分析，得到如下關(guān)系:

土體的內(nèi)摩擦角隨著含水率的變化如圖3所示，其隨著含水率的增大而減小，含水率介于16%～30%之間時二者呈負線性相關(guān)，內(nèi)摩擦角在36°～21°范圍內(nèi)變化，且該范圍比較小。根據(jù)非飽和土原理可知，基質(zhì)吸力與含水率成反比關(guān)系，含水率越大，毛細水現(xiàn)象越弱，負孔隙水壓力逐漸消失，由毛細水壓力所引起的摩擦阻力也越小，導(dǎo)致內(nèi)摩擦角降低。

2.3 含水率和壓實度對無側(cè)限抗壓強度的影響

圖4、5顯示了含水率、壓實度與無側(cè)限抗壓強度的關(guān)系，可以看出:

1)高液限土的無側(cè)限抗壓強度整體上隨著含水率的增加而下降，而且隨著壓實度的增加，這種變化越明顯。低含水率、高壓實度時，土體具有較高的強度，95%壓實度下，18%含水率的試樣qu高達1 MPa，20%含水率時qu為0.8 Mpa。

2)壓實度低于95%時，不同含水率下高液限土的qu均低于0.7 MPa，特別是含水率大于26%時，強度不到0.5 MPa，土體抵抗變形的能力嚴重下降。這說明低壓實度或較高含水率的高液限土均不滿足公路路基規(guī)范要求。

3)壓實度對高液限土的強度影響顯著，壓實度越大，土體結(jié)構(gòu)排列越緊密，抗剪強度越高。含水率越低，壓實度對無側(cè)限抗壓強度的影響越明顯。18%含水率時，88%壓實度對應(yīng)的qu為0.44 MPa，壓實度提高至90%時qu提高了35%，93%壓實度時提高了52%，95%壓實度時提高了135%。這說明了低含水率時，壓實度越大，無側(cè)限抗壓強度與壓實度的關(guān)系曲線越陡。如果高液限土在較干的狀態(tài)下填筑，適當?shù)靥岣邏簩嵍刃Ч^好。

2.4 含水率對飽和前后無側(cè)限抗壓強度的影響

不同含水率下高液限土飽和前后的無側(cè)限抗壓強度及其衰減率見表2、圖6，圖表中不同初始含水率對應(yīng)試樣不同的初始狀態(tài)。

可以看出，高液限土浸水飽和后強度下降，且根據(jù)其衰減率很明顯的發(fā)現(xiàn)飽和后qu受初始狀態(tài)的影響較大，隨著初始狀態(tài)含水率的增大，其飽和前后qu衰減率不斷減小，如17%含水率的試樣飽和后衰減率為94%，24%含水率時衰減率為76%。而在31%含水率的試樣飽和后強度出現(xiàn)增加、衰減率出現(xiàn)負值，這主要是由于31%含水率時接近飽和，水很難再進入土體的孔隙內(nèi)。

3 結(jié)論

1)較高壓實度下，隨著含水率的增加，土體由脆性破壞逐漸轉(zhuǎn)化成塑性破壞，抗剪強度呈階段性變化，含水率在最優(yōu)含水率和塑限附近，強度包線間距明顯增大。

2)通過直剪試驗得出，粘聚力與含水率呈指數(shù)負相關(guān)性，摩擦角與含水率呈線性負相關(guān)性。受結(jié)合水膜厚度、膠結(jié)物質(zhì)、毛細水作用等因素的影響，在最優(yōu)含水率和塑限附近，粘聚力下降幅度明顯增大。

3)含水率和壓實度對高液限土的無側(cè)限抗壓強度qu有著顯著的影響。低含水率、高壓實度時，土體強度能完全滿足路基規(guī)范要求。同壓實度下，qu與含水率呈線性負相關(guān)性;同含水率下，qu與壓實度成正比，且含水率越大時，強度隨壓實度變化越顯著。

4)高液限土的水敏感性強，不同含水率下，飽和前后無側(cè)限抗壓強度變化明顯。低含水率時，在水的作用下強度急劇降低，含水率越大，飽和后強度衰減越小。

［1］楊書燕.高液限粘土微結(jié)構(gòu)分析與強度機理的研究［D］.天津:河北工業(yè)大學(xué)，2003.

［2］劉銀生.高液限粘土適于直接填筑分類指標研究［J］.中南公路工程，2003(1):59－62.

［3］容玲聰，劉銀生，趙純健，等.高液限土路堤縱向裂縫形成分析［J］.公路，2003(11):142－144.

［4］朱勇，鄧百洪，方建勤，等.高速公路路堤高液限土的變化機理及工程處理方法的研究［J］.工程建設(shè)，2006，4(2):22－25.

［5］傅丹霞，魯厚玉.高液限高含水弱膨脹土填料的試驗研究［J］.三峽大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2003，6(3):222－225.

［6］ALLAM.Effect of wetting and drying in shear strength［J］.Geotech.Engrg.ASCE 1981，107(4):681 －687.

［7］A S AL －HOMOUD.Cyclic swelling behavior of clays［J］.Journal of Geotechnical Engineering，1995(7):562－565.

［8］孔令偉.荊門膨脹土的水穩(wěn)定性及其力學(xué)效應(yīng)［J］.巖土工程學(xué)報，2004，26(6):727－731.

［9］劉順青.高液限土和紅黏土的水敏感性研究［J］.深圳大學(xué)學(xué)報:理工版，2013，30(1):78－82.

［10］胡昕.高液限土和煤系土抗剪強度的水敏感性研究［J］.四川大學(xué)學(xué)報，2010，42(1):54－58.