壓實(shí)度和圍壓對(duì)路基壓實(shí)黏質(zhì)土抗剪強(qiáng)度的影響

黃子馨，張互助，胡 晗，李達(dá)凱

(吉林建筑大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130118)

0 前 言

土是由地殼表層的整體巖石經(jīng)風(fēng)化作用而形成的一種松散礦物顆?；驇r屑集合體，儲(chǔ)量豐富且具有一定的力學(xué)強(qiáng)度，在工程建設(shè)中廣泛地被作為建筑材料、建筑物地基或是建筑物周?chē)橘|(zhì)使用[1]。因此，許多工程問(wèn)題都與土的工程性質(zhì)和力學(xué)性能密不可分。對(duì)于路基工程來(lái)說(shuō)，抗剪強(qiáng)度作為土體抵抗剪切破壞能力的表征，是邊坡穩(wěn)定性分析、承載能力評(píng)價(jià)和支擋結(jié)構(gòu)物土壓力計(jì)算的重要參數(shù)[2-4]。由于土體狀態(tài)以及周?chē)h(huán)境的不同，土的性質(zhì)變得十分復(fù)雜，力學(xué)特性尤其為甚。因此，正確可靠地評(píng)價(jià)路基壓實(shí)土的抗剪強(qiáng)度特性對(duì)于指導(dǎo)路基工程設(shè)計(jì)與施工、保證路基結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與穩(wěn)定性具有重要的理論意義及工程實(shí)用價(jià)值。

路基壓實(shí)土抗剪強(qiáng)度特性的影響因素主要有土質(zhì)類(lèi)別、含水率、壓實(shí)度和應(yīng)力狀態(tài)等[5-8]。目前的研究主要集中在含水率和壓實(shí)度對(duì)壓實(shí)土抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響方面[7-13]，對(duì)于直接體現(xiàn)路基承載能力的抗剪強(qiáng)度的研究鮮有涉及[5,14]。為此，本文擬以分布廣泛并在路基工程中應(yīng)用較為普遍的黏質(zhì)土作為研究對(duì)象，考慮路基工程壓實(shí)度要求、使用期含水率狀況以及路基應(yīng)力狀態(tài)的影響，對(duì)不同含水率、不同壓實(shí)度與不同圍壓水平下的試驗(yàn)試件進(jìn)行系統(tǒng)的三軸壓縮試驗(yàn)，根據(jù)土的極限平衡理論計(jì)算確定各工況下路基壓實(shí)黏質(zhì)土的抗剪強(qiáng)度，分析路基壓實(shí)黏質(zhì)土抗剪強(qiáng)度隨壓實(shí)度以及圍壓的變化規(guī)律及作用機(jī)理，以為路基工程設(shè)計(jì)與施工實(shí)踐提供理論依據(jù)與參考。

1 試驗(yàn)用土與試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)用土

試驗(yàn)所用的土為取自東北季節(jié)性冰凍地區(qū)某道路工程建設(shè)項(xiàng)目取土場(chǎng)的黏質(zhì)土，顆粒粒徑分布曲線見(jiàn)圖1。

圖1 土體顆粒級(jí)配曲線

1.2 試驗(yàn)方案

最佳含水率狀態(tài)下填筑完成的路基，在使用期間其含水率會(huì)因所處環(huán)境而發(fā)生變化，已有研究表明路基含水率的變化范圍大致在7.4%～28.5%[15]，而路基壓實(shí)度一般根據(jù)道路等級(jí)和部位不同的要求為90%～100%[16]。為了全面地研究壓實(shí)度以及土體應(yīng)力狀態(tài)變化條件下路基壓實(shí)黏質(zhì)土的抗剪強(qiáng)度特性以及更好地模擬路基的實(shí)際工作狀況，試驗(yàn)分9.3%、12.3%、15.3%、18.3%和21.3% 5個(gè)含水率水平，85%、90%、93%、96%和99% 5個(gè)壓實(shí)度水平以及100、200、300 kPa 三個(gè)圍壓水平進(jìn)行，共計(jì)75組。

1.3 試驗(yàn)方法

將試驗(yàn)用土風(fēng)干、粉碎并過(guò)篩后，按試驗(yàn)要求達(dá)到的含水率與壓實(shí)度采用靜力壓實(shí)法成型尺寸為Ф39.1mm×80mm的圓柱形試驗(yàn)試件，采用TSZ-1B全自動(dòng)三軸儀對(duì)試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的土樣進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)，以測(cè)試確定路基壓實(shí)黏質(zhì)土的抗剪強(qiáng)度。本次試驗(yàn)采用不固結(jié)不排水試驗(yàn)方法，剪切速率0.08 mm/min，以主應(yīng)力差的峰值為破壞點(diǎn)，無(wú)峰值時(shí)取15%軸向應(yīng)變時(shí)的主應(yīng)力差值作為破壞點(diǎn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用計(jì)算機(jī)程序自動(dòng)采集并處理，可獲得不同試驗(yàn)條件下土的剪切峰值、粘聚力和內(nèi)摩擦角等力學(xué)參數(shù)，然后根據(jù)土的極限平衡理論即可按式(1)計(jì)算確定土的抗剪強(qiáng)度。

(1)

式中，τf為土的抗剪強(qiáng)度；σ1、σ3分別為極限平衡狀態(tài)下的大主應(yīng)力與小主應(yīng)力；c、φ分別為土的粘聚力與內(nèi)摩擦角。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 壓實(shí)度對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響

路基壓實(shí)黏質(zhì)土的抗剪強(qiáng)度隨壓實(shí)度的變化曲線如圖2所示。由圖2可見(jiàn)，不同圍壓與不同含水率水平下，抗剪強(qiáng)度隨壓實(shí)度的增加而非線性遞增，增幅隨含水率的增加而趨于平緩，其中壓實(shí)度小于93%時(shí)增加緩慢，大于93%時(shí)增加較快。以圍壓σ3=200 kPa的試驗(yàn)結(jié)果為例，含水率為9.3%時(shí)，壓實(shí)度由85%增加至99%時(shí)，抗剪強(qiáng)度增加了160.8%，而含水率為21.3%時(shí)增幅僅為38.1%；當(dāng)含水率為12.3%時(shí)，壓實(shí)度介于85%～93%時(shí)壓實(shí)度每增加1%，抗剪強(qiáng)度增加1.67 kPa，而93%～99%壓實(shí)度時(shí)的增幅高達(dá)4.89 kPa。由此可見(jiàn)，壓實(shí)度對(duì)路基壓實(shí)黏質(zhì)土抗剪強(qiáng)度的影響，偏干狀態(tài)比偏濕狀態(tài)明顯，密實(shí)狀態(tài)比疏松狀態(tài)明顯。其原因在于 壓實(shí)度的增加將使路基壓實(shí)土顆粒變得更為緊密，土粒間距縮小，這時(shí)通過(guò)公共結(jié)合水膜的水膠聯(lián)結(jié)作用就逐漸增強(qiáng)，抗剪強(qiáng)度相應(yīng)增大；含水率較大時(shí)，結(jié)合水膜較厚，甚至于出現(xiàn)了毛細(xì)水及自由水，從而減弱了因土粒間距縮小而引起的水膠聯(lián)結(jié)增強(qiáng)效應(yīng)，使壓實(shí)度對(duì)路基壓實(shí)土抗剪強(qiáng)度的影響變得不是那么顯著。

圖2 抗剪強(qiáng)度和壓實(shí)度的關(guān)系曲線

通過(guò)對(duì)不同圍壓與不同含水率水平下抗剪強(qiáng)度隨壓實(shí)度變化趨勢(shì)的分析，擬采用公式(2)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn)，不同圍壓與不同含水率水平下的抗剪強(qiáng)度均與壓實(shí)度呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，擬合方程的相關(guān)系數(shù)均在0.93以上，能夠較好地反映抗剪強(qiáng)度與壓實(shí)度的函數(shù)關(guān)系。

表1 抗剪強(qiáng)度隨壓實(shí)度變化的擬合結(jié)果

τf=aebK

(2)

式中，K為路基壓實(shí)黏質(zhì)土的壓實(shí)度；a、b為擬合系數(shù)。

2.2 圍壓對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響

路基壓實(shí)黏質(zhì)土的抗剪強(qiáng)度隨圍壓的變化曲線如圖3所示。

圖3 抗剪強(qiáng)度和圍壓的關(guān)系曲線

由圖3可見(jiàn)，不同壓實(shí)度與不同含水率水平下的抗剪強(qiáng)度均隨圍壓的增加線性遞增。其中，同一壓實(shí)度條件下含水率小的增幅較大，含水率大的增幅平緩；同一含水率條件下壓實(shí)度較大的增加較快。其原因?yàn)殡S著試驗(yàn)圍壓的增大，不斷增強(qiáng)的側(cè)向約束作用限制了土體的側(cè)向變形，外力作用使得內(nèi)部土體顆粒接觸不斷加密，結(jié)合水膜的聯(lián)結(jié)作用增強(qiáng)，抗剪強(qiáng)度隨之不斷提高。當(dāng)土體處于較高壓實(shí)度和較低含水率水平時(shí)，土體內(nèi)部顆粒間距較小或是結(jié)合水膜較薄，圍壓的側(cè)向約束作用對(duì)土粒聯(lián)結(jié)作用影響明顯，從而表現(xiàn)為圍壓對(duì)路基壓實(shí)黏質(zhì)土抗剪強(qiáng)度的影響，密實(shí)狀態(tài)比疏松狀態(tài)明顯，偏干狀態(tài)比偏濕狀態(tài)明顯。

為了考察抗剪強(qiáng)度與圍壓的線性相關(guān)程度，采用公式(3)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行線性擬合，計(jì)算結(jié)果如表2所示。由表2可見(jiàn)，各壓實(shí)度與含水率水平下擬合方程的相關(guān)系數(shù)均在0.95以上，說(shuō)明抗剪強(qiáng)度與圍壓的線性相關(guān)程度較高。

表2 抗剪強(qiáng)度隨圍壓變化的擬合結(jié)果

τf=aσ3+b

(3)

式中，σ3為圍壓；a、b為擬合系數(shù)。

3 結(jié) 論

1)壓實(shí)度和圍壓對(duì)路基壓實(shí)黏質(zhì)土的抗剪強(qiáng)度影響均較顯著，抗剪強(qiáng)度隨壓實(shí)度和圍壓的增加而遞增。

2)壓實(shí)度和圍壓對(duì)路基壓實(shí)黏質(zhì)土抗剪強(qiáng)度的影響均為密實(shí)狀態(tài)比疏松狀態(tài)明顯，偏干狀態(tài)比偏濕狀態(tài)明顯。

3)路基壓實(shí)黏質(zhì)土的的抗剪強(qiáng)度與壓實(shí)度及圍壓具有較好的相關(guān)性，其中抗剪強(qiáng)度與壓實(shí)度呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，與圍壓呈線性函數(shù)關(guān)系。

4)適當(dāng)提高施工壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)、采取必要的側(cè)限措施可顯著提高路基承載能力。

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