季凍區(qū)路基土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)變化規(guī)律研究

陳洪興，陳景龍

(蘇交科集團(tuán)股份有限公司， 南京　210000)

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季凍區(qū)路基土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)變化規(guī)律研究

陳洪興，陳景龍

(蘇交科集團(tuán)股份有限公司， 南京210000)

摘要：對試驗路路基土進(jìn)行室內(nèi)不同條件下的快剪試驗，分析含水率、壓實度和凍融循環(huán)次數(shù)對3種不同類型土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響。結(jié)果表明：凍融循環(huán)作用能夠使土體粘聚力降低，內(nèi)摩擦角增大，其中粉質(zhì)粘土的粘聚力受凍融作用影響最大，且各類土內(nèi)摩擦角值在凍融作用下的增幅不大，經(jīng)過6次凍融循環(huán)后，各類土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)趨于穩(wěn)定；隨著壓實度的增加，各類土粘聚力和內(nèi)摩擦角值都有不同程度的增加，且壓實度對砂性土粘聚力和低液限粘土內(nèi)摩擦角的影響最為明顯；隨著含水率的增加，土體粘聚力和內(nèi)摩擦角都會降低，且粉質(zhì)粘土的粘聚力和內(nèi)摩擦角受含水率的影響最大。

關(guān)鍵詞：季凍區(qū)；含水率；壓實度；凍融循環(huán)次數(shù)；抗剪強(qiáng)度

以往研究和工程實踐證明，土體的破壞是由于土體受到剪切力作用引起的，所以說，土的強(qiáng)度問題其實就是土的抗剪強(qiáng)度問題[1]。土體在外界荷載所產(chǎn)生的剪應(yīng)力作用下具有的極限抵抗能力稱為土的抗剪強(qiáng)度。土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)包括粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ[2-3]。在外界荷載作用下土體會產(chǎn)生剪切變形和剪切應(yīng)力，當(dāng)外界荷載產(chǎn)生的剪切應(yīng)力超過土中某點的抗剪強(qiáng)度時，該點就會順著剪切應(yīng)力的作用方向而發(fā)生相對滑動，即產(chǎn)生剪切破壞[4]。在季凍區(qū)，受特殊氣候影響，道路普遍會因凍融作用而產(chǎn)生病害。研究表明，在凍融過程中，路基土中水的凍結(jié)和融化改變了土顆粒間的結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)及排解方式，導(dǎo)致土的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變[5-7]。因此，有必要對凍融作用下土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的變化規(guī)律進(jìn)行研究，為我國季凍區(qū)路基設(shè)計和施工提供可靠的依據(jù)。

1試驗材料

不同類型的土?xí)憩F(xiàn)出不同的工程性質(zhì)。選取黑龍江省內(nèi)3條具有代表性的道路即哈大2級公路、黑大1級公路和哈大高速公路的路基土樣進(jìn)行室內(nèi)試驗，測得各土樣的基本性質(zhì)參數(shù)，見表1。為了方便，將取自哈大2級公路、黑大1級公路以及哈大高速公路的土樣進(jìn)行編號，分別為1#、2#、3#。

表1　路基土的性質(zhì)參數(shù)

2試驗方案

根據(jù)季凍區(qū)特有的氣候環(huán)境，選取含水率、壓實度及凍融循環(huán)次數(shù)作為試驗變量，采用應(yīng)變控制式直剪儀對所選土樣進(jìn)行抗剪強(qiáng)度試驗，研究3個試驗變量對各類土樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響規(guī)律。調(diào)查得知，所選公路其路基天然含水率均大于其最佳含水率[8]。本次試驗含水率變量選取5個水平，分別以各土樣的最佳含水率為起點，并以3%的梯度遞增；凍融循環(huán)次數(shù)為0、3、6、9次；壓實度分別為90%、93%、96%。試件采用10 cm×10 cm的圓柱體。先將試件置于低溫環(huán)境下(-15 ℃)并保持12 h，然后在室溫環(huán)境下(15 ℃)保持12 h，即1次凍融循環(huán)時間為24 h。

3試驗結(jié)果及分析

對所選土樣進(jìn)行室內(nèi)快剪試驗，測得各試驗變量條件下3種土樣的c值和φ值，見表2～4。

表2　凍融循環(huán)作用下1#土粘聚力和內(nèi)摩擦角測定值

3.1抗剪強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

從表2～4中可以看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，各含水率水平和壓實度水平條件下土體粘聚力均有減小趨勢。圖1為最佳含水率、96%壓實度條件下各類土體粘聚力隨凍融循環(huán)次數(shù)變化的曲線圖。由圖1可以看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，1#土粘聚力變化趨勢很大，0次凍融循環(huán)時，其粘聚力為46.3 kPa，而在經(jīng)過3、6、9次凍融循環(huán)作用后，其粘聚力分別降低了7.4、9.5、10.0 kPa，與未凍土粘聚力相比分別下降了16.0%、20.5%和21.6%。1#土在經(jīng)歷3次凍融循環(huán)后，粘聚力的下降幅度最大，為總減小量的74.0%，而6次和9次凍融后的粘聚力下降相差不大，說明經(jīng)過6次凍融循環(huán)后，1#土粘聚力趨于穩(wěn)定。2#土粘聚力隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低，最佳含水率、96%壓實度條件下，2#土未凍土的粘聚力為33.6 kPa，經(jīng)過3、6、9次凍融循環(huán)作用后，其粘聚力分別降低了4.0、5.6、6.0 kPa。與0次凍融循環(huán)相比，2#土的粘聚力分別下降了12.0%、16.7%和17.9%。3次凍融循環(huán)后，2#土粘聚力下降超過了總減小量的一半，比重占總減小量的66.7%；6次凍融后，2#土粘聚力趨于穩(wěn)定。從圖1還可以看出，凍融循環(huán)作用對3#土粘聚力的影響趨勢和1#、2#土相差不大，土體粘聚力都是隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加逐漸減小，而3#土粘聚力受凍融循環(huán)作用的影響相對更小一些，最佳含水率、96%壓實度條件下，3#土在0次凍融循環(huán)時的粘聚力為18.6 kPa，經(jīng)過3、6、9次凍融循環(huán)作用后，其粘聚力分別降低了2.3、2.9和3.2 kPa，分別比未凍土粘聚力下降了12.4%、15.6%、17.2%。盡管凍融循環(huán)作用下3#土粘聚力降低幅度較小，但最佳含水率條件下，其粘聚力比其他2類土體粘聚力要小很多。主要原因是3#土中含砂顆粒較多，土顆粒之間的空隙率較大，水作用下顆粒間的吸引力相對較小，產(chǎn)生的粘結(jié)力較小。

表3　凍融循環(huán)作用下2#土粘聚力和內(nèi)摩擦角測定值

表4　凍融循環(huán)作用下3#土粘聚力和內(nèi)摩擦角測定值

圖1　最佳含水率、96%壓實度粘聚力測定值

圖2為最佳含水率、96%壓實度條件下各類土體內(nèi)摩擦角隨凍融循環(huán)次數(shù)變化的曲線圖。從圖2可以看出，凍融循環(huán)作用對各類土內(nèi)摩擦角的影響趨勢是相同的，土的內(nèi)摩擦角都是隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大。1#土未凍土的內(nèi)摩擦角為26.3°，經(jīng)過3、6、9次凍融循環(huán)作用后，其內(nèi)摩擦角分別增加了2.3°、2.9°、3.2°；9次凍融循環(huán)后，其內(nèi)摩擦角趨于穩(wěn)定。2#土未凍土的內(nèi)摩擦角為28.7°，經(jīng)過3、6、9次凍融循環(huán)作用后，其內(nèi)摩擦角分別增加了1.5°、2.1°、2.6°；9次凍融循環(huán)后，其內(nèi)摩擦角趨于穩(wěn)定。3#土未凍土的內(nèi)摩擦角為31.2°，經(jīng)過3、6、9次凍融循環(huán)作用后，其內(nèi)摩擦角分別增加了2.4°、3.3°、3.6°；9次凍融循環(huán)后，其內(nèi)摩擦角趨于穩(wěn)定。對凍融循環(huán)作用后土體內(nèi)摩擦角增大原因進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)主要是由于土顆粒間的聯(lián)結(jié)力經(jīng)凍融作用后遭到破壞，從而使剪切破壞面變得更為粗糙所致。此外，雖然各類土體的內(nèi)摩擦角在經(jīng)過凍融循環(huán)作用后都有不同程度的增加，但受凍融循環(huán)作用影響并不是特別明顯，變化程度都在10%以內(nèi)。

圖2　最佳含水率、96%壓實度內(nèi)摩擦角測定值

3.2抗剪強(qiáng)度與壓實度的關(guān)系

由以上分析可以看出，經(jīng)過6次凍融循環(huán)后，各類土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)均趨于穩(wěn)定，因此可以通過分析最佳含水率條件下土體經(jīng)過6次凍融作用后的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)變化規(guī)律來分析壓實度對各指標(biāo)的影響。圖3、圖4分別為最佳含水率條件下，土體經(jīng)過6次凍融循環(huán)作用后，各壓實度水平下粘聚力和內(nèi)摩擦角的測定值曲線圖。

圖3　最佳含水率、6次凍融循環(huán)后粘聚力測定值

圖4　最佳含水率、6次凍融循環(huán)后內(nèi)摩擦角測定值

從圖3可以看出，最佳含水率條件下，隨著壓實度增大，6次凍融后土體粘聚力都有增大的趨勢。1#土96%壓實度和93%壓實度時的粘聚力分別比90%壓實度時粘聚力增加了42.3%和13.2%；2#土96%壓實度和93%壓實度時粘聚力分別比90%壓實度時粘聚力增加了69.7%和30.9%；3#土96%壓實度和93%壓實度時粘聚力分別比90%壓實度時粘聚力增加了234.0%和112.8%。由此可知，3#土粘聚力受壓實度的影響最大，壓實度較大時，其表現(xiàn)出很大的粘聚力；而壓實度一旦減小，其粘聚力就會大幅度下降。因此，工程上在使用砂性土作為路基填土?xí)r，路基壓實度必須嚴(yán)格控制。

從圖4可以看出，最佳含水率條件下，隨著壓實度增大，6次凍融后土體內(nèi)摩擦角都有增大的趨勢。主要原因是隨著壓實度增加，土顆粒之間的接觸面就越大，致使內(nèi)摩擦角也就越大。

3.3抗剪強(qiáng)度和含水率的關(guān)系

圖5、圖6為96%壓實度時各類土體在經(jīng)歷6次凍融循環(huán)作用后，各含水率水平下的粘聚力和內(nèi)摩擦角測定值。

圖5　96%壓實度、6次凍融循環(huán)后粘聚力測定值

圖6　96%壓實度、6次凍融循環(huán)后內(nèi)摩擦角測定值

從圖5和圖6可以看出，隨著含水率增加，土體的粘聚力和內(nèi)摩擦角都有減小的趨勢。其中1#土的粘聚力和內(nèi)摩擦角受含水率的影響最大。隨著含水率增大，1#土粘聚力值相對于最佳含水率下的粘聚力值分別降低了21.2%、32.6%、40.2%和42.3%，內(nèi)摩擦角值分別降低了4.1%、7.2%、9.2%和12.0%。主要原因是1#土透水性較小而吸水性卻特別強(qiáng)，土體中的毛細(xì)作用比較顯著，且隨著含水率增加，其強(qiáng)度會大幅度降低。

4結(jié)論

本文對3條試驗路的土體進(jìn)行了不同條件下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)測試，并根據(jù)試驗結(jié)果分析了各影響因素下土體的粘聚力和內(nèi)摩擦角的變化規(guī)律，得到如下結(jié)論。

1) 凍融循環(huán)作用能夠使土體的粘聚力降低，內(nèi)摩擦角增大，其中粉質(zhì)粘土的粘聚力受凍融作用的影響最大，但各類土的內(nèi)摩擦角值在凍融作用下的變化幅度不大。經(jīng)過6次凍融循環(huán)后，各類土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)均會趨于穩(wěn)定。

2) 隨著壓實度的增加，各類土的粘聚力和內(nèi)摩擦角值都有不同程度的增加，但壓實度對砂性土粘聚力和低液限粘土內(nèi)摩擦角最為明顯。

3) 隨著含水率的增加，土體的粘聚力和內(nèi)摩擦角都會降低，但粉質(zhì)粘土的粘聚力和內(nèi)摩擦角受含水率的影響最大。

參 考 文 獻(xiàn)

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Research on Change Rules of Shear Strength Indices of Subgrade Soil in Seasonal Frozen Region

CHEN Hongxing, CHEN Jinglong

Abstract:This paper carries out quick shear test for subgrade soil of test road under different indoor conditions and analyzes influences of moisture content, compactness and frost-thaw cycle times on shear strength indices of 3 kinds of soil. The results show that the frost-thaw cycle effect can reduce cohesive force of soil and increase internal friction angle, in which the frost-thaw cycle effect exhibits the maximum influence on cohesive force of silty clay, and the amplification of internal friction angle values of all kinds of soil is not significant. After 6 frost-thaw cycles, the shear strength indices of all kinds of soil trend to be stable; with increase of compactness, both cohesive forces and internal friction angle values of all kinds of soil increase at different degrees, and influences of compactness on cohesive force of sandy soil and internal friction angle of low liquid-limit clay are most obvious; with increase of moisture content, both cohesive force and internal friction angle of soil will reduce, and the moisture content exhibits the maximum influences on cohesive force and internal friction angle of silty clay.

Keywords:seasonal frost region; moisture content; compactness; frost-thaw cycle times; shear strength

文章編號：1009-6477(2016)01-0001-05

中圖分類號：U416.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：陳洪興(1982-)，男，江蘇省常州市人，碩士，工程師。

收稿日期：2015-06-09

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.01.001