含水率對路基壓實黏質土抗剪強度的影響

黃子馨 張互助 丁代軍 徐夢潔

摘? 要：為了研究含水率對路基承載能力的影響，以某工程壓實黏質土為研究對象，通過三軸壓縮試驗研究了抗剪強度隨含水率的變化規(guī)律，并回歸分析得到了抗剪強度與含水率的函數關系式。結果表明：路基壓實黏質土抗剪強度受含水率影響顯著，并隨含水率的增加呈指數函數規(guī)律遞減，其影響程度為密實狀態(tài)比疏松狀態(tài)明顯，偏干狀態(tài)比偏濕狀態(tài)明顯，降低使用期路基含水率水平可顯著提高路基承載能力。

關鍵詞：壓實黏質土? 抗剪強度? 含水率? 三軸壓縮試驗

中圖分類號：U416.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2020）10（c）-0048-03

Abstract： In order to study the influence of water content on the bearing capacity of subgrade， the variation law of shear strength with water content is studied by triaxial compression test， and the functional relationship between shear strength and moisture content is obtained by regression analysis. The results show that： the shear strength of compacted clayey soil is significantly affected by water content， and decreases exponentially with the increase of water content. The influence degree is that the dense state is more obvious than the loose state， and the dry state is more obvious than the wet state. Reducing the moisture content level of Subgrade in service period can significantly improve the bearing capacity of subgrade.

Key Words： Compacted clayey soil; Shear strength; Moisture content; Triaxial compression test

抗剪強度作為土體抵抗剪切破壞能力的表征，是其承載能力評價的重要指標之一。正確可靠地評價路基壓實土的抗剪強度特性對于指導路基工程設計與施工、保證路基結構強度與穩(wěn)定性具有重要的現實意義。

路基壓實土抗剪強度特性的影響因素主要有土質類別、含水率、壓實度和應力狀態(tài)等[1-3]。而壓實土的抗剪強度特性與含水率的關系尚未形成共識[4-5]。為此，該文擬以分布廣泛并在路基工程中應用較為普遍的黏質土作為研究對象，通過三軸壓縮試驗研究分析了含水率對路基壓實黏質土抗剪強度的影響規(guī)律及作用機理，以期為路基工程的工程實踐提供參考。

1? 試驗用土與試驗方案

1.1 試驗用土

試驗所用的土為取自東北季節(jié)性冰凍地區(qū)某道路工程建設項目取土場的黏質土，顆粒粒徑分布曲線見圖1。

1.2 試驗方案

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%[6]，而路基壓實度一般根據道路等級和部位不同的要求為90%～100%[7]。為了全面研究含水率對路基壓實黏質土抗剪強度特性的影響，3周壓縮試驗分為9.3%、12.3%、15.3%、18.3%、21.3%這5個含水率水平，85%、90%、93%、96%、99%這5個壓實度水平以及100 kPa、200 kPa、300 kPa這3個圍壓水平進行測試，共計75組。

1.3 試驗方法

三軸壓縮試驗采用TSZ-1B全自動三軸儀，試驗方法為不固結不排水試驗，試驗試樣為Ф39.1 mm×80 mm的圓柱形試驗試件，試驗數據采用計算機程序自動采集并處理，可獲得不同試驗條件下土的剪切峰值、黏聚力和內摩擦角等力學參數，然后根據土的極限平衡理論按式（1）計算確定土的抗剪強度。

2? 試驗結果與分析

路基壓實黏質土的抗剪強度隨含水率的變化關系曲線如圖2所示。由圖中可以看出，不同圍壓與不同壓實度水平下路基壓實黏質土的抗剪強度隨含水率的變化趨勢基本一致，均為隨含水率的增大而不斷減小，減小幅度隨壓實度的增加而增大，其中含水率小于最佳含水率時變化幅度較大，大于最佳含水率時趨于平緩。以圍壓kPa的試驗結果為例，壓實度為99%時，含水率由9.3%增加至21.3%時，抗剪強度減小了118.6 kPa，而壓實度為85%時減幅為40.2 kPa;壓實度k=93%時，含水率由9.3%增加至最佳含水率時，抗剪強度降低了51.9 kPa，由最佳含水率減少至21.3%時降幅為26.6 kPa。由此可見，含水率對路基壓實黏質土抗剪強度的影響，密實狀態(tài)比疏松狀態(tài)明顯，偏干狀態(tài)比偏濕狀態(tài)明顯。分析其原因，路基壓實土是由土粒、水和空氣組成的三相體系，當含水率較低時，土粒周圍的結合水膜厚度較薄，聯(lián)結作用較強，潤滑作用不明顯，土體抵抗外力作用的能力較強，相應的表現為抗剪強度較大。隨著含水率的增加，吸附于黏質土細小土粒表面的結合水膜變厚、土體變軟，土粒間作用力減弱，加之水膜的潤滑作用，在外力作用下土顆粒間的阻力減小，相應的表現為抗剪強度不斷降低。當含水率增加至最佳含水率時，潤滑作用最為充分，含水率繼續(xù)增大時，結合水膜厚度繼續(xù)增加，甚至出現毛細水和自由水，水膜潤滑作用不明顯，而水膜聯(lián)結作用也隨著與土顆粒表面距離的增加而逐漸減弱，因此，含水率對抗剪強度的影響逐漸趨于平緩。壓實度越大則意味著土顆粒之間的距離越小，結合水膜越薄，含水率的變化對其聯(lián)結作用的影響也就越明顯，因此，路基壓實黏質土抗剪強度隨含水率的減小幅度隨壓實度的增加而不斷增大。

為了探究路基壓實黏質土的抗剪強度與含水率的函數關系，根據對不同圍壓與不同壓實度水平下抗剪強度隨含水率變化規(guī)律的初步分析，采用公式（2）對試驗結果進行了回歸分析，表1的擬合結果僅列出圍壓為200kPa時的數據。擬合結果顯示，不同圍壓與不同壓實度水平下的抗剪強度均隨含水率呈指數函數規(guī)律變化，擬合方程的相關系數均在0.96以上，能夠較好地反映抗剪強度與含水率的函數關系。

3? 結論

（1）路基壓實黏質土的抗剪強度受含水率的影響顯著，并隨含水率的增加呈指數函數規(guī)律遞減。

（2）含水率對路基壓實黏質土抗剪強度的影響為密實狀態(tài)比疏松狀態(tài)明顯，偏干狀態(tài)比偏濕狀態(tài)明顯;設法降低使用期路基含水率水平可顯著提高路基承載能力。

參考文獻

[1] 王永璐，劉順青，姜朋明.含水率及吸力對非飽和下蜀土強度特性影響試驗研究[J].三峽大學學報：自然科學版，2020（2）：1-5.

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[3] 朱彥鵬，楊校輝，周勇，等.基于含水量和干密度影響的壓實土抗剪強度試驗[J].蘭州理工大學學報，2016，42（6）：114-120.

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[5] 閆奇，李義衡，許譽浩.含水率對非飽和土抗剪強度試驗研究[J].河南城建學院學報，2020，29（1）：48-52.

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[7] 中交第二公路勘察設計研究院有限公司.JTG D30-2015公路路基設計規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2015.