不同初始條件下高液限土的力學(xué)特性研究

張婉璐;謝 軍;徐 鍇;程 瀟

(1.河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所，南京210098;2.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室，南京210098;3.廣州市市政工程設(shè)計研究院，廣州510100)

浙江龍泉地區(qū)分布著大量不能直接用于路堤填料的高液限土，高液限土作為一種不良地質(zhì)土，具有液限高、天然含水率高、持水能力強、強度低、水穩(wěn)定性差等不良性質(zhì)，若直接用于填筑路堤，會引起多種危害。因而，國內(nèi)外目前對于高液限土做了大量的研究［1－5］，其中國外對于高液限土的研究主要集中在對工后穩(wěn)定和變形的影響，如Allam［6］通過試驗得出含水率的改變將直接影響土體的特征;A.S.AL －Homoud［7］指出在干濕循環(huán)作用下高液限土土體的強度和膨脹性會發(fā)生疲勞效應(yīng)。但是，由于高液限土種類繁多，加之有明顯的地域性，受到地質(zhì)、氣候、水文等條件差異的影響。并且，從國內(nèi)現(xiàn)有的大量的高液限土路基工程來看，各個地區(qū)對高液限土的利用也都有一定的差別。

本文則主要針對高液限土的力學(xué)特性，來研究含水率和壓實度這兩個路基填料的重要指標(biāo)對其抗剪強度以及水敏感性的影響。而目前針對高液限土的水穩(wěn)性、抗剪強度指標(biāo)及其變化規(guī)律的研究比較少［8－10］，所以確定抗剪強度對于研究路基穩(wěn)定性、邊坡穩(wěn)定性具有重要的意義。

1 試驗內(nèi)容

試驗用土取自浙江龍泉至福建浦城高速公路具有代表性的K15+780斷面右側(cè)邊坡，取土深度為3 m。土體含水率35.2%，孔隙比1.12，最優(yōu)含水率 21.8%，最大干密度 1.69 g/cm3，18.2%。

1.1 直剪試驗

高液限土的制樣干密度為1.56 g/cm3，按16%、19%、22%、24%、26%、28%、30%7 種含水率制備7組試樣，每組4個樣，上覆壓力分別為100、200、300、400 kPa。將制備好的試樣，分別在不同的垂直壓力下，施加水平剪應(yīng)力，求得破壞時的剪切應(yīng)力。直剪試驗選用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀，試驗結(jié)果如表1所示。

1.2 無側(cè)限抗壓試驗

針對不同含水率、不同壓實度的高液限土進(jìn)行無側(cè)限抗壓強度試驗，設(shè)計88%、90%、93%、95%四種壓實度，含水率分別為18%、20%、22%、24% 、26% 、28% 、30% 。

1.3 飽和前后無側(cè)限抗壓強度試驗

設(shè)計 17%、20%、24%、26%、28%、31%6種不同含水率，按93%壓實度，利用三軸對開膜制作直徑39.1 mm、高80 mm的試樣。試驗步驟:對于飽和前的無側(cè)限抗壓強度試驗，將擊實后的試樣從對開膜中取出，放入密封塑料袋內(nèi)，靜置一晝夜后進(jìn)行測試;對于飽和后的無側(cè)限抗壓強度試驗，將擊實后的試樣連同對開膜放入飽和器內(nèi)，抽氣飽和12 h后進(jìn)行強度測試。

表1不同含水率下對應(yīng)的抗剪強度指標(biāo)Tab.1 Shear strength index under different water content

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 含水率對抗剪強度的影響

圖1給出了高液限土抗剪強度與含水率的關(guān)系，可知，高液限土的抗剪強度隨著含水率的增加呈階段性變化，低含水率時(16% ～19%)兩條包線相近，強度下降緩慢;19%含水率接近最優(yōu)含水率，含水率從19%增加至22%，土顆粒之間的膠結(jié)物質(zhì)開始迅速溶解，抗剪強度急劇降低;26%含水率是一關(guān)鍵點，該含水率接近高液限土的塑限而且飽和度較高，隨著含水率進(jìn)一步增加，孔隙水壓力急劇降低引起抗剪強度大幅降低，而含水率超過28%后，土體接近飽和，含水率對強度的影響幾乎為零。抗剪強度的表達(dá)式為:

2.2 含水率與粘聚力和內(nèi)摩擦角的關(guān)系

現(xiàn)有的文獻(xiàn)資料中對粘聚力多采用指數(shù)擬合［8－10］，本文也將粘聚力取對數(shù)值進(jìn)行擬合，記為1nc，見圖2。可以很明顯看出，取對數(shù)后的粘聚力值1nc與含水率ω的擬合結(jié)果相關(guān)性較高。并且粘聚力隨著含水率不斷減小，且大約含水率在26%時，減小幅度陡然增大，是因為:粘性土的粘聚力主要受結(jié)合水膜、顆粒間膠結(jié)物以及毛細(xì)水作用影響［8］。低含水率時土粒間距較小，顆粒間的水膜連結(jié)作用強，土體粘聚力大，而且26%是塑限含水率，也就是土體可塑狀態(tài)與半固體狀態(tài)的臨界點，因此塑限含水率以上一定范圍內(nèi)土體強度迅速下降。

進(jìn)行回歸分析，得到如下關(guān)系:

土體的內(nèi)摩擦角隨著含水率的變化如圖3所示，其隨著含水率的增大而減小，含水率介于16%～30%之間時二者呈負(fù)線性相關(guān)，內(nèi)摩擦角在36°～21°范圍內(nèi)變化，且該范圍比較小。根據(jù)非飽和土原理可知，基質(zhì)吸力與含水率成反比關(guān)系，含水率越大，毛細(xì)水現(xiàn)象越弱，負(fù)孔隙水壓力逐漸消失，由毛細(xì)水壓力所引起的摩擦阻力也越小，導(dǎo)致內(nèi)摩擦角降低。

2.3 含水率和壓實度對無側(cè)限抗壓強度的影響

圖4、5顯示了含水率、壓實度與無側(cè)限抗壓強度的關(guān)系，可以看出:

1)高液限土的無側(cè)限抗壓強度整體上隨著含水率的增加而下降，而且隨著壓實度的增加，這種變化越明顯。低含水率、高壓實度時，土體具有較高的強度，95%壓實度下，18%含水率的試樣qu高達(dá)1 MPa，20%含水率時qu為0.8 Mpa。

2)壓實度低于95%時，不同含水率下高液限土的qu均低于0.7 MPa，特別是含水率大于26%時，強度不到0.5 MPa，土體抵抗變形的能力嚴(yán)重下降。這說明低壓實度或較高含水率的高液限土均不滿足公路路基規(guī)范要求。

3)壓實度對高液限土的強度影響顯著，壓實度越大，土體結(jié)構(gòu)排列越緊密，抗剪強度越高。含水率越低，壓實度對無側(cè)限抗壓強度的影響越明顯。18%含水率時，88%壓實度對應(yīng)的qu為0.44 MPa，壓實度提高至90%時qu提高了35%，93%壓實度時提高了52%，95%壓實度時提高了135%。這說明了低含水率時，壓實度越大，無側(cè)限抗壓強度與壓實度的關(guān)系曲線越陡。如果高液限土在較干的狀態(tài)下填筑，適當(dāng)?shù)靥岣邏簩嵍刃Ч^好。

2.4 含水率對飽和前后無側(cè)限抗壓強度的影響

不同含水率下高液限土飽和前后的無側(cè)限抗壓強度及其衰減率見表2、圖6，圖表中不同初始含水率對應(yīng)試樣不同的初始狀態(tài)。

可以看出，高液限土浸水飽和后強度下降，且根據(jù)其衰減率很明顯的發(fā)現(xiàn)飽和后qu受初始狀態(tài)的影響較大，隨著初始狀態(tài)含水率的增大，其飽和前后qu衰減率不斷減小，如17%含水率的試樣飽和后衰減率為94%，24%含水率時衰減率為76%。而在31%含水率的試樣飽和后強度出現(xiàn)增加、衰減率出現(xiàn)負(fù)值，這主要是由于31%含水率時接近飽和，水很難再進(jìn)入土體的孔隙內(nèi)。

3 結(jié)論

1)較高壓實度下，隨著含水率的增加，土體由脆性破壞逐漸轉(zhuǎn)化成塑性破壞，抗剪強度呈階段性變化，含水率在最優(yōu)含水率和塑限附近，強度包線間距明顯增大。

2)通過直剪試驗得出，粘聚力與含水率呈指數(shù)負(fù)相關(guān)性，摩擦角與含水率呈線性負(fù)相關(guān)性。受結(jié)合水膜厚度、膠結(jié)物質(zhì)、毛細(xì)水作用等因素的影響，在最優(yōu)含水率和塑限附近，粘聚力下降幅度明顯增大。

3)含水率和壓實度對高液限土的無側(cè)限抗壓強度qu有著顯著的影響。低含水率、高壓實度時，土體強度能完全滿足路基規(guī)范要求。同壓實度下，qu與含水率呈線性負(fù)相關(guān)性;同含水率下，qu與壓實度成正比，且含水率越大時，強度隨壓實度變化越顯著。

4)高液限土的水敏感性強，不同含水率下，飽和前后無側(cè)限抗壓強度變化明顯。低含水率時，在水的作用下強度急劇降低，含水率越大，飽和后強度衰減越小。

［1］楊書燕.高液限粘土微結(jié)構(gòu)分析與強度機理的研究［D］.天津:河北工業(yè)大學(xué)，2003.

［2］劉銀生.高液限粘土適于直接填筑分類指標(biāo)研究［J］.中南公路工程，2003(1):59－62.

［3］容玲聰，劉銀生，趙純健，等.高液限土路堤縱向裂縫形成分析［J］.公路，2003(11):142－144.

［4］朱勇，鄧百洪，方建勤，等.高速公路路堤高液限土的變化機理及工程處理方法的研究［J］.工程建設(shè)，2006，4(2):22－25.

［5］傅丹霞，魯厚玉.高液限高含水弱膨脹土填料的試驗研究［J］.三峽大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2003，6(3):222－225.

［6］ALLAM.Effect of wetting and drying in shear strength［J］.Geotech.Engrg.ASCE 1981，107(4):681 －687.

［7］A S AL －HOMOUD.Cyclic swelling behavior of clays［J］.Journal of Geotechnical Engineering，1995(7):562－565.

［8］孔令偉.荊門膨脹土的水穩(wěn)定性及其力學(xué)效應(yīng)［J］.巖土工程學(xué)報，2004，26(6):727－731.

［9］劉順青.高液限土和紅黏土的水敏感性研究［J］.深圳大學(xué)學(xué)報:理工版，2013，30(1):78－82.

［10］胡昕.高液限土和煤系土抗剪強度的水敏感性研究［J］.四川大學(xué)學(xué)報，2010，42(1):54－58.