晉北黃土路堤填料力學(xué)特性研究

牛力強

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

0 引言

黃土地區(qū)土性區(qū)域化分布較為顯著，以山西境內(nèi)黃土分布為例，從南到北黃土黏粒成分逐漸減少，砂粒成分逐漸增多，同時由于不同類型的黃土具有不同的易溶鹽、石膏和碳酸鈣含量，因此黃土填料的工程性質(zhì)也差異較大[1-2]。采用黃土作為路堤填料時，如果設(shè)計參數(shù)取值稍有偏差，就有可能造成路堤沉降甚至滑塌破壞[3-4]。

通過對山西境內(nèi)孫啟莊—大同、夏家營—汾陽、大同—新廣武、得勝口—大同、太原—陽泉5條高速公路路基路面病害情況調(diào)查結(jié)果顯示，通車運營后的3～5年內(nèi)高填方路堤沉陷現(xiàn)象極其普遍，可以說是“十填九陷”，路基沉陷導(dǎo)致的路面裂縫、凹陷等病害嚴(yán)重降低了高速公路使用性能，加之路面再修復(fù)困難，造成了巨大的材料浪費并留下安全隱患。因此對黃土路堤填料進(jìn)行室內(nèi)試驗，分析其力學(xué)特性就顯得十分必要。

1 依托工程概況

山平（山陰至平魯）高速公路是國家高速公路網(wǎng)榮成到烏海的組成部門，起點位于山西省朔州市山陰縣合盛堡，接在建的靈丘至山陰高速公路，經(jīng)山陰、吳馬營、向陽堡、平魯、小路莊、鳳凰城，止于朔州市平魯區(qū)二道梁，接內(nèi)蒙古自治區(qū)擬建的十七溝至大飯鋪高速公路，路線全長108 km。路線穿越山西省北部典型黃土高原地區(qū)，項目大部分路段位于山嶺區(qū)，填方路段較多，且基本都是用黃土填筑。

為查明山平高速公路黃土路堤填料力學(xué)特性，本文通過對山平高速公路K210+987—K211+087現(xiàn)場試驗路段黃土路堤填料進(jìn)行壓縮、直剪和三軸剪切等室內(nèi)土工試驗，對壓實黃土的壓縮系數(shù)，抗剪強度等工程力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行了測定，為山平高速乃至整個晉北地區(qū)公路路基設(shè)計提供必要的設(shè)計參數(shù)。

2 壓縮試驗

土的壓縮試驗是測定土體在壓力作用下產(chǎn)生變形的過程，是室內(nèi)測定土的壓縮性的基本途徑。通過計算求得的各項壓縮指標(biāo)，用來分析判別土的壓縮特性和天然土層的固結(jié)狀態(tài)，從而計算土工建筑及地基的沉降量，并估算區(qū)域性的地面沉降量[5]。

根據(jù)《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50123—1999）[6]，配置含水率在最佳含水率（11.5%）附近的土樣（實際含水率為 11.1%），按 50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa、800 kPa分級加壓，加載10 min后測量變形量。進(jìn)行了5組平行試驗，試驗結(jié)果見表1，并繪制出e-P曲線如圖1所示。

圖1 孔隙比與壓力關(guān)系曲線

結(jié)果表明，0.1 MPa-1＜α1-2=0.196 MPa-1＜ 0.5 MPa-1，該黃土路堤填料重塑土樣屬中壓縮性土。

3 直剪試驗

直剪試驗是最直接的測定土體抗剪強度的方法是土工試驗的重要手段，在工程實際中得到廣泛應(yīng)用。根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》（JTG E40—2007）[7]，快剪試驗和固結(jié)快剪試驗僅適用于滲透系數(shù)k＜106 cm/s的黏土。

3.1 最佳含水率時的抗剪強度

根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》（JTG E40—2007）[7]，試驗采用固結(jié)快剪方法，配置含水率在最佳含水率（11.5%）附件的土樣（實際含水率為11.66%），按照《規(guī)程》規(guī)定的試驗步驟，先使試樣加壓固結(jié)，然后進(jìn)行剪切。記錄測力計百分表讀數(shù)，繪制τ-ΔL曲線和τ-P曲線如圖2、圖3所示。試驗結(jié)果表明，黃土路堤填料重塑土樣的黏聚力為32.58 kPa、內(nèi)摩擦角為27.25°。

圖2 剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線

圖3 抗剪強度與垂直壓力關(guān)系曲線

3.2 不同含水率下剪應(yīng)力—剪切應(yīng)變關(guān)系曲線

為研究不同含水率下黃土路堤填料的力學(xué)性質(zhì)，分別配置了含水率為10.86%、11.66%、12.15%、13.08%、14.45%的土樣進(jìn)行直剪試驗，測得不同含水率和豎向壓力條件下土樣的剪應(yīng)力與剪切應(yīng)變變化曲線如圖4所示，并得到土樣的抗剪強度（表3）。從圖4可以看出，100 kPa時含水率對抗剪強度影響較大，而隨著法向應(yīng)力的增大，含水率對抗剪強度的影響逐漸減小，表2所示土樣的抗剪強度也同樣符合這樣的變化規(guī)律。

圖4 剪應(yīng)力與剪切位移變化曲線

表2 不同含水率和豎向壓力條件下土樣的抗剪強度 kPa

3.3 不同含水率下的抗剪強度

根據(jù)不同豎向壓力下土樣的抗剪強度，可以計算得出不同含水率條件下土樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角如圖5、圖6所示。

圖5 黏聚力與含水率關(guān)系曲線

圖6 內(nèi)摩擦角與含水率關(guān)系曲線

從圖5可以看出，黏聚力對含水率的變化比較敏感，含水率在最佳含水率附近時填土黏聚力在30 kPa左右；而圖6顯示，含水率的變化對內(nèi)摩擦角的影響相對較小，填土內(nèi)摩擦角總體在28°左右。

4 三軸壓縮試驗

根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》（JTG E40—2007）[7]按最佳含水率（11.5%，實際測得11.72%），制備3個密度與含水率相同的三軸試樣，對各試樣分別施加100 kPa、200 kPa 和 300 kPa 的圍壓 σ3，再以 ε=0.08 mm/min的軸向應(yīng)變速率給試樣施加軸向壓力直至破壞，取步長為2對軸向變形及相應(yīng)的軸向主應(yīng)力差σ1-σ3進(jìn)行記錄，得到主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變曲線和不固結(jié)不排水剪強度包線如圖7所示。

由圖7可以看出，隨著主應(yīng)力差的不斷增大，試樣軸向應(yīng)變也不斷增大，當(dāng)軸向應(yīng)變達(dá)到一定值時，曲線出現(xiàn)峰值，表明試樣已經(jīng)破壞，如果曲線沒有峰值，按規(guī)范取軸向應(yīng)變?yōu)?5%時對應(yīng)的主應(yīng)力差為破壞時的最大主應(yīng)力差。從圖中可以得出，含水率為15.43%的山平高速黃土路堤填料不固結(jié)不排水剪切強度為：黏聚力cu=43.02 kPa，內(nèi)摩擦角φu=17.58°。

圖7 不固結(jié)不排水剪切試驗結(jié)果

表3 直剪試驗與不固結(jié)不排水剪試驗結(jié)果對比

表3為直剪試驗與不固結(jié)不排水剪試驗結(jié)果對比，從表中可以看出，配置含水率接近最佳含水率的土樣，對其分別進(jìn)行直剪試驗和不固結(jié)不排水試驗得出的黏聚力和內(nèi)摩擦角區(qū)別較大，不固結(jié)不排水剪切試驗測得的黏聚力大于直剪試驗測得的黏聚力，而內(nèi)摩擦角小于直剪試驗測得的內(nèi)摩擦角，分析產(chǎn)生這種結(jié)果的原因是直剪試驗不能嚴(yán)格控制排水條件且所假定的剪切面并非土樣抗剪最薄弱面，而不固結(jié)不排水剪切試驗較為嚴(yán)格地控制了排水條件，剪切面也是根據(jù)實際情況測量的，所以采用不固結(jié)不排水剪切試驗結(jié)果更為準(zhǔn)確一些。

5 小結(jié)

通過對晉北地區(qū)山平高速公路K210+987—K211+087現(xiàn)場試驗路段黃土路堤填料進(jìn)行壓縮、直剪和不固結(jié)不排水等室內(nèi)土工試驗，得到以下結(jié)論：

a）對填料重塑土樣進(jìn)行5組壓縮試驗，測得平均壓縮系數(shù)為0.196 MPa-1，屬中壓縮性土。

b）對含水率在最佳含水率附近的4組不同含水率填土重塑土樣進(jìn)行直剪試驗，測得含水率為11.66%（最佳含水率為11.5%）時填土黏聚力內(nèi)摩擦角分別為32.58 kPa和27.25°；對比分析其他含水率下測得的黏聚力和內(nèi)摩擦角發(fā)現(xiàn)，黏聚力對含水率的變化比較敏感，在最佳含水率附近時填土黏聚力在30 kPa左右；內(nèi)摩擦角受含水率變化的影響相對較小，填土內(nèi)摩擦角總體在28°左右。

c）對比分析不同豎向壓力下不同含水率填土的抗剪強度，發(fā)現(xiàn)100 kPa時含水率對抗剪強度的影響較大，隨著壓力的增大，含水率對填土的抗剪強度影響不大。

d）配置含水率為最佳含水率附近的土樣（實際為11.72%），對其進(jìn)行不固結(jié)不排水剪切試驗，測得相應(yīng)的黏聚力cu=43.02 kPa，內(nèi)摩擦角φu=17.58°。