砂土路基試驗(yàn)性能的研究

李升東

(河北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院)

通常希望路基材料具有較好的水穩(wěn)性和整體強(qiáng)度,這樣不僅能保證公路的整體強(qiáng)度、平整性和耐久性,而且可以使路面厚度得以減薄,即“強(qiáng)基薄面”,工程造價(jià)可以降低。在砂土地區(qū),砂土路基的施工質(zhì)量將直接影響到路基的整體強(qiáng)度,科學(xué)、經(jīng)濟(jì)合理的施工工藝是保證施工質(zhì)量的關(guān)鍵。

1 工程簡介

某高速公路處在滹沱河流域二級(jí)階地上,地基土質(zhì)主要以粉質(zhì)粘土、粉土為主,5～9m以下出現(xiàn)細(xì)砂土層,路基包邊土來源于滹沱河林場,路基內(nèi)部砂土取自滹沱河,其中砂土的技術(shù)指標(biāo)如表 1所示。

表 1 砂土物理性質(zhì)指標(biāo)

2 試驗(yàn)條件和方法

所用填料的物理性質(zhì)試驗(yàn)及分類,以及力學(xué)指標(biāo) CBR和擊實(shí)試驗(yàn)按照交通部《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ051-93)進(jìn)行;填料的力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)中,壓縮、直剪等試驗(yàn)項(xiàng)目按照國家標(biāo)準(zhǔn)《土工試驗(yàn)規(guī)程》(GBJ123-99)執(zhí)行。

3 細(xì)砂土的抗剪強(qiáng)度

本次試驗(yàn)采用直接快剪的方法,試驗(yàn)前,對(duì)測(cè)力環(huán)進(jìn)行了標(biāo)定,試驗(yàn)用應(yīng)變式剪力儀進(jìn)行快剪,并在同一臺(tái)儀器上進(jìn)行,以消除儀器的系統(tǒng)誤差,在直剪試驗(yàn)過程中,為保持試樣的含水量不變,在透水石與土樣之間放兩片不透水膠片,試驗(yàn)過程嚴(yán)格按照直剪試驗(yàn)操作規(guī)程。分別制備壓實(shí)度為93%、94%、96%和100%的試樣,壓實(shí)度以最佳含水量對(duì)應(yīng)的最大干密度為標(biāo)準(zhǔn)干密度,其他含水量的試件以它為標(biāo)準(zhǔn),使壓實(shí)度都達(dá)到 100%來制備試件,求得在一定體積下,各含水量試件所需干砂質(zhì)量并配水,用人工擊實(shí)的方法將其全部擊入盒內(nèi),并保持均勻,最后砂樣表面平整。

3.1 抗剪強(qiáng)度與壓實(shí)度的關(guān)系

試驗(yàn)按照規(guī)范的要求進(jìn)行,其試驗(yàn)結(jié)果見表 2,并作了壓實(shí)度與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系曲線,見圖 1。

圖 1 100%抗剪強(qiáng)度

(1)從強(qiáng)度可以看出,細(xì)砂強(qiáng)度曲線符合庫侖定律,用直線回歸,其相關(guān)系數(shù)接近 1。

(2)從表中可以得到,隨著壓實(shí)度的增大,細(xì)砂的粘聚力逐漸增大。

表 2 壓實(shí)度與抗剪強(qiáng)度關(guān)系的對(duì)照表

3.2 抗剪強(qiáng)度與含水量的關(guān)系

以最大干密度為前提,分別配制含水量為 0、4%、8%、12%及16%的試樣,計(jì)算試件所用砂量,進(jìn)行直接剪切試驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表 3。

表3 含水量與抗剪強(qiáng)度關(guān)系的對(duì)照表(壓實(shí)系數(shù)K=100%)

從表 3中可以看出:剪切強(qiáng)度隨著含水量的增加而增加,在剪切強(qiáng)度達(dá)到最大值時(shí),含水量繼續(xù)增加,則剪切強(qiáng)度減小,從粘聚力和內(nèi)摩擦角兩個(gè)因素來分析可得到以下結(jié)論。

(1)在相同壓實(shí)度條件下,隨著含水量的增大,砂土的粘聚力開始增大,到達(dá)最優(yōu)含水量附近后就開始減小,因?yàn)殚_始含水量較低,水在砂土中產(chǎn)生毛細(xì)現(xiàn)象,形成了似凝聚力或假粘聚力,當(dāng)水分飽和后,砂中自由水含量增加,其毛細(xì)水連結(jié)消失,則這種假的粘聚力減小直到消失。

(2)當(dāng)含水量接近最佳含水量時(shí),砂土越來越密實(shí),相互咬合緊密,故內(nèi)摩擦角越來越大,當(dāng)含水量超過最佳含水量后,孔隙水增多,難以密實(shí),同時(shí)水在粉細(xì)砂中也有潤滑的作用,導(dǎo)致顆粒之間的咬合力減小,從而使細(xì)砂的內(nèi)摩擦角逐漸減小。

4 三軸試驗(yàn)結(jié)果及其分析

根據(jù)工程實(shí)際,本次三軸試驗(yàn)是采用快剪和固快兩種方法。砂樣在最佳含水量條件下制備壓實(shí)度分別為 93%、94%和 96%三種試樣,根據(jù)三軸飽和器的體積計(jì)算砂土用量。具體試驗(yàn)結(jié)果見表 4。

表 4 三軸試驗(yàn)結(jié)果

從表 4數(shù)據(jù)可以看出,三軸快剪強(qiáng)度普遍較直剪試驗(yàn)結(jié)果小是由于試樣的形狀和受力的邊界條件不同所至;隨著圍壓的增大,其達(dá)峰值強(qiáng)度的應(yīng)變范圍也隨之增大,壓實(shí)粉細(xì)砂的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為軟化型;壓實(shí)度從 93%至 96%剪切強(qiáng)度有增大趨勢(shì)與直剪結(jié)果一致。

5 細(xì)砂的承載比(CBR)試驗(yàn)

通過 CBR試驗(yàn)可以了解粉細(xì)砂不同密度時(shí)的強(qiáng)度,為了了解該砂土的強(qiáng)度特性,做濕砂I泡水 4d(最佳含水量狀態(tài),狀態(tài) I)和濕砂不泡水Ⅱ(簡稱狀態(tài)Ⅱ)的 CBR試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見表 5。

表5 兩種狀態(tài)的 CBR試驗(yàn)結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果可知:

(1)無論在哪種情況下,隨著壓實(shí)度的增加,CBR值明顯增大,這是由于隨著壓實(shí)度的增加,單位體積內(nèi)的空隙減小,有效顆粒所占比例增大,因而抗剪強(qiáng)度也就增大。

(2)由于粉細(xì)砂粘聚力為零,含粘性顆粒很少,相對(duì)于粘性土來說,細(xì)砂顆粒較大,因此,泡水試驗(yàn)后膨脹量很小。

6 結(jié)束語

結(jié)合施工現(xiàn)場實(shí)際,通過試驗(yàn)段施工過程中室內(nèi)試驗(yàn),可以總結(jié)出以下幾點(diǎn)。

(1)由于砂土的級(jí)配不良,擊實(shí)后孔隙比仍然較大,故其最大干密度在 1.74～1.77g/cm3之間;

(2)剪切強(qiáng)度隨著含水量的增加而增加,當(dāng)達(dá)到最大值時(shí),含水量繼續(xù)增加,則剪切強(qiáng)度減小即有一個(gè)最佳值;

(3)三軸快剪強(qiáng)度普遍較直剪試驗(yàn)結(jié)果小,隨著應(yīng)力的增大,其達(dá)峰值強(qiáng)度的應(yīng)變范圍也隨之增大。

[1]洪毓康.土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)[M].人民交通出版社,1999:23～30.

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