基于三軸壓縮試驗(yàn)的黏土抗剪強(qiáng)度影響因素研究

張衛(wèi)兵，莫?jiǎng)i，容賢沂，唐明亮

(1.廣西新發(fā)展交通集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029；2.廣西交科集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

路基承載力是影響路基穩(wěn)定性的重要影響因子，而路基土體的抗剪強(qiáng)度是評(píng)價(jià)路基承載力的重要指標(biāo)之一[1]。路基抗剪強(qiáng)度的大小關(guān)系到道路施工的成敗及運(yùn)營的穩(wěn)定性。因此，在路基施工開工前要進(jìn)行嚴(yán)格的檢測，防止由于路基土體強(qiáng)度的原因?qū)е率┕に轿灰?、路基過度沉降等問題[2]。

影響路基抗剪強(qiáng)度的因素主要有土壤質(zhì)地、土壤含水率、壓實(shí)度、應(yīng)力水平[3-6]等。而在固定工程場地情況下，用原有土體進(jìn)行路基施工，可以大大降低路基施工成本，這就在固定場地情況下限定了土質(zhì)類別，此時(shí)研究其抗剪強(qiáng)度就需要從土體含水率、壓實(shí)度及土體應(yīng)力水平三個(gè)方面去考慮。土體含水率與壓實(shí)度對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的研究多借助于三軸壓縮試驗(yàn)[7-9]，本文同樣是依據(jù)三軸壓縮試驗(yàn)，對(duì)吉林省扶余市某道路工程的粉質(zhì)黏土進(jìn)行不同壓實(shí)度、含水率及應(yīng)力水平的三軸壓縮試驗(yàn)，明確不同壓實(shí)度、含水率及應(yīng)力水平的路基土體抗剪強(qiáng)度特征，為工程實(shí)際施工提供指導(dǎo)。

1 三軸壓縮試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)用土取自吉林省扶余市某高速路建設(shè)工程K28+000～K28+250路段(北緯44.896 400°，東經(jīng)126.559 120°，海拔210 m)，其最佳含水率為15.1%，液限為31.50%，塑限為20.20%，塑性指數(shù)為11.30%。顆粒分布曲線見圖1。

圖1 土體顆粒級(jí)配曲線圖

1.2 試驗(yàn)方案

相關(guān)研究表明，道路運(yùn)營期間，其路基含水率的變化多處在8.0%～29.0%。按國家標(biāo)準(zhǔn)，路基壓實(shí)度根據(jù)道路等級(jí)及部位的不同，取值在90%～99%。而應(yīng)用三軸壓縮試驗(yàn)測量路基土體抗剪強(qiáng)度時(shí)，為了符合道路運(yùn)營期的實(shí)際應(yīng)力情況，圍壓取值范圍為90～320 kPa。本研究設(shè)計(jì)5個(gè)含水率水平、4個(gè)壓實(shí)度水平、3個(gè)圍壓水平，共計(jì)72組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)設(shè)置水平試驗(yàn)，保障結(jié)果準(zhǔn)確性，具體方案見表1。

表1 三軸壓縮試驗(yàn)的方案表

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)使用TSZ-1A型應(yīng)變控制式三軸儀(最大載荷為10 kN，圍壓為0～2.0 MPa)，試樣為φ39.1 mm×80 mm的土柱，根據(jù)試驗(yàn)儀器提供的參數(shù)，可以計(jì)算土體的抗剪強(qiáng)度。計(jì)算公式如下：

(1)

式中：τ——土的抗剪強(qiáng)度；

σ1和σ3——極限平衡狀態(tài)下軸向主應(yīng)力與圍壓應(yīng)力；

c和φ——土的粘聚力和內(nèi)摩擦角。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 含水率及壓實(shí)度對(duì)黏土抗剪強(qiáng)度的影響分析

含水率及壓實(shí)度對(duì)試驗(yàn)土體抗剪強(qiáng)度的影響如圖2所示。可知，在3個(gè)圍壓水平及4個(gè)壓實(shí)度水平下，試樣的抗剪強(qiáng)度受含水率影響的趨勢(shì)一致，皆為隨著含水率的增大而減小，且壓實(shí)度越大的試樣隨含水率增加時(shí)的抗剪強(qiáng)度減小的幅度越大，當(dāng)試樣含水率大于最佳含水率15.1%時(shí)，抗剪強(qiáng)度隨含水率增加而降低的幅度減緩。

以圍壓σ3=300 kPa為例，當(dāng)壓實(shí)度為99%，含水率由9.1%增加至15.1%時(shí)，抗剪強(qiáng)度由164.00 kPa減小為64.55 kPa；而含水率由15.1%增加至21.1%時(shí)，抗剪強(qiáng)度由64.55 kPa減小為21.16 kPa。由此可見，在到達(dá)最佳含水率15.1%之前，隨含水率的增加抗剪強(qiáng)度減小幅度越大，而試樣含水率>15.1%時(shí)，則抗剪強(qiáng)度的減小幅度降低。

(a)圍壓100 kPa

以圍壓σ3=100 kPa為例，當(dāng)壓實(shí)度為99%，含水率由9.1%增加至15.1%時(shí)，抗剪強(qiáng)度由143.07 kPa減小為52.49 kPa；當(dāng)壓實(shí)度為90%，含水率由9.1%增加至15.1%時(shí)，抗剪強(qiáng)度由49.95 kPa減小為25.40 kPa。上述結(jié)果說明，相對(duì)于低壓實(shí)度，含水率對(duì)高壓實(shí)度土體抗剪強(qiáng)度的影響更為明顯。產(chǎn)生上述結(jié)果的原因可從三軸壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算公式式(1)的含義進(jìn)行分析。由式(1)可知，土的抗剪強(qiáng)度主要由土粘聚力c、土內(nèi)摩擦角φ、土所受的軸向主應(yīng)力σ1和圍壓σ3控制，三軸壓縮試驗(yàn)中可以明確σ1和σ3，這里不作進(jìn)一步分析。路基土體是由土粒、水、氣三相組成的單元，當(dāng)含水率較低，而壓實(shí)度大的情況下，土顆粒周圍水膜較薄，潤滑作用不明顯，表現(xiàn)為土內(nèi)摩擦力較大，土內(nèi)摩擦角φ較大，抵抗剪切力的能力較強(qiáng)，所以抗剪強(qiáng)度較高。隨著含水率升高，土顆粒周圍的水膜越來越厚，潤滑作用增強(qiáng)，土體內(nèi)摩擦力減弱，表現(xiàn)為土體的抗剪強(qiáng)度逐漸降低。而隨著含水率到達(dá)最佳含水率15.1%，由水提供的粘聚力c的影響達(dá)到頂峰，甚至出現(xiàn)自由水，達(dá)到最優(yōu)含水率，隨著含水率的增加，抗剪強(qiáng)度的減小逐漸趨于平緩。當(dāng)壓實(shí)度較大時(shí)，土顆粒距離較近，結(jié)合水膜較薄，這時(shí)相對(duì)于壓實(shí)度較小(土顆粒距離較遠(yuǎn)的土體)而言，含水率的變化導(dǎo)致更密實(shí)土體的粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ變化更大，含水率增加導(dǎo)致的潤滑現(xiàn)象更明顯。因此，含水率對(duì)高壓實(shí)度土體抗剪強(qiáng)度的影響更為明顯。

2.2 圍壓對(duì)黏土抗剪強(qiáng)度的影響分析

圖3展示了圍壓對(duì)試樣土體抗剪強(qiáng)度的影響。由圖3可知，對(duì)于壓實(shí)度為90%和壓實(shí)度為99%的試樣土柱，在含水率為15.1%、18.1%、21.1%三種情況下，其壓實(shí)度都隨著圍壓先增大后減小，以含水率18.1%的試樣土柱為例，在壓實(shí)度為90%時(shí)，在圍壓為100 kPa、200 kPa、300 kPa的情況下，其對(duì)應(yīng)的抗剪強(qiáng)度分別為17.78 kPa、21.44 kPa、20.11 kPa；在壓實(shí)度為99%，圍壓為100 kPa、200 kPa、300 kPa的情況下對(duì)應(yīng)的抗剪強(qiáng)度分別為32.17 kPa、42.33 kPa、38.19 kPa。產(chǎn)生上述情況的原因是：在圍壓為100～200 kPa之間，軸向主應(yīng)力作用產(chǎn)生的側(cè)向壓力限制了試驗(yàn)土柱的變形；而在圍壓為200～300 kPa之間，軸向主應(yīng)力增大使得前側(cè)向壓力過大，從而導(dǎo)致了試樣土柱的側(cè)向變形，導(dǎo)致土柱中土顆粒的結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，進(jìn)而影響了土體內(nèi)摩擦角和粘聚力，因此降低了土體的抗剪強(qiáng)度。

(a)壓實(shí)度90%

2.3 含水率與抗剪強(qiáng)度的函數(shù)關(guān)系

從前文的研究結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在符合道路施工標(biāo)準(zhǔn)的圍壓以及壓實(shí)度作用下，含水率的變化對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的影響要大于壓實(shí)度及圍壓產(chǎn)生的影響。因此，建立土體含水率與其抗剪強(qiáng)度的函數(shù)關(guān)系可以進(jìn)一步幫助學(xué)者探究含水率與土體抗剪強(qiáng)度的宏觀聯(lián)系，這對(duì)于根據(jù)土體干濕程度判斷土體抗剪強(qiáng)度具有定量化作用。本文對(duì)于200 kPa圍壓下不同壓實(shí)度、不同含水率的試驗(yàn)土柱的抗剪強(qiáng)度，采用式(2)進(jìn)行回歸分析，擬合結(jié)果見后頁表2。結(jié)果顯示，不同壓實(shí)度情況下抗剪強(qiáng)度與含水率的擬合方程相關(guān)系數(shù)達(dá)0.97以上。能夠很好地?cái)M合抗剪強(qiáng)度與含水率的函數(shù)關(guān)系。這有助于在實(shí)際工程中，在確定工程壓實(shí)度時(shí)，由路基含水率判斷其實(shí)際抗剪強(qiáng)度的變化。

τ=AeBw

(2)

式中：τ和w分別是土體的抗剪強(qiáng)度及含水率；A和B為擬合參數(shù)，其具體取值可見表2。

表2 200 kPa圍壓下土體含水率與抗剪強(qiáng)度擬合結(jié)果表

3 結(jié)語

本文以扶余市某道路路基的粉質(zhì)黏土為研究對(duì)象，以三軸壓縮試驗(yàn)為測試手段，研究了在符合道路施工標(biāo)準(zhǔn)情況下，土體壓實(shí)度、圍壓及含水率對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的影響。研究結(jié)果表明：

(1)在符合施工標(biāo)準(zhǔn)情況下，相對(duì)于壓實(shí)度和圍壓，粉質(zhì)黏土路基土體的含水率是土體抗剪強(qiáng)度的主要影響因素，且抗剪強(qiáng)度與土體含水率呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系。

(2)含水率對(duì)路基土的抗剪強(qiáng)度的影響因土體壓實(shí)狀態(tài)的不同而變化，相對(duì)于低壓實(shí)度土體，高壓實(shí)度土體因含水率變化引起的抗剪強(qiáng)度變化幅度更大。

(3)含水率對(duì)路基土的抗剪強(qiáng)度影響程度因土體干濕狀態(tài)的不同而不同，相對(duì)于高含水率土體，低含水率土體因含水率變化引起的抗剪強(qiáng)度變化幅度更大。