砂性土填料抗剪強度指標的試驗研究

張淑寶

(漳州廈蓉高速擴建工程有限公司 福建漳州 363000)

0 引言

福建省地處東南沿海，境內山地丘陵遍布，地形地質條件復雜，高等級公路、鐵路的展線布置難度較大；沿線不可避免地存在較多的深挖路塹與高填路堤，其邊坡在建設與運營期間均存在邊坡失穩的隱患，尤其對高填方路堤而言，填料在不同狀態下的抗剪強度指標(黏聚力c和內摩擦角φ)，是影響路堤穩定的關鍵因素，對估算邊坡穩定安全系數具有重要意義。

劉秀菊[1]以砂性土路基填料為試驗對象，進行室內直剪試驗，發現砂性土的抗剪強度隨含水率的增大先增后減。黃錕[2]以欠固結粉砂土為對象，通過室內直剪試驗，發現含水率降低了土樣的黏聚力，但對內摩擦角影響較小。肖成志[3]基于三軸試驗，分析了壓實度及含水率對含砂粉土抗剪強度的影響，認為增大壓實度或降低含水率能夠顯著提高含砂粉土的黏聚力。賈亮[4]對壓實黃土進行直剪試驗，認為黏聚力及內摩擦角均隨壓實度增大而增大，隨含水率增大略有減小。甘文寧[5]對紅砂巖細粒土展開不同含水率及壓實度下的直剪試驗，認為黏聚力及內摩擦角均隨壓實度的增大而增大，但黏聚力受含水率及壓實度的影響更為顯著。

本文以廈蓉高速漳州段A1標高填方路堤的砂性土填料為研究對象，通過室內直剪試驗，對不同含水率及壓實度下的砂性土填料進行研究。通過18組不同含水率及壓實度下的直剪試驗，研究壓實度及含水率對抗剪強度指標的影響，為廈蓉高速或類似工程中高填路堤的穩定性估算提供技術參考。

1 工程概況

漳州天寶至龍巖蛟洋高速公路是廈蓉高速(國高網G76)的重要組織部分，全長127.5km，起自漳州天寶互通，止于龍巖蛟洋互通。整條線路在地形地貌上屬山嶺重丘區，沿線存在大量的高填方路堤。其中A1、A2、A3 3個標段內均存在多處高填方路堤(填筑高度大于20m)，如表1所示。

表1 廈蓉高速漳州段高填方路堤統計表

試驗所用砂性土填料取自A1標段高填方路堤，其天然含水率為5.8%；壓實度為96%；對其進行篩分試驗得到其篩分曲線如圖1所示，得其不均勻系數Cu為6.2；曲率系數Cc為1.1；這表明天然砂性土填料級配良好，擁有較好的路用性能。

圖1 砂性土填料的顆粒篩分曲線

2 試驗準備

根據《公路土工試驗規程》[6]，對于砂性土填料的室內直剪試驗，其所用試樣必須過2mm篩孔后方可使用。同時，試樣的最大干密度及其最佳含水率對于直剪試驗設計至關重要，故首先開展室內擊實試驗，測定其最大干密度與最佳含水率。

2.1 擊實試驗

擊實試驗采用標準重型擊實儀進行，其錘重4.5kg；落距45cm；填入試樣分5層、每層27次落錘擊實；夯擊能2687kJ/m3；試驗所得數據采用二項式擬合，如圖2所示，得其最佳含水率10.2%，最大干密度1.88g/cm3。

圖2 砂性土填料的擊實曲線

2.2 試樣制備

由擊實試驗可知：試樣最大干密度為1.88g/cm3；最佳含水率為10.2%；故直剪試驗試樣按照含水率6.2%、8.2%、10.2%、12.2%、14.2%；壓實度85%、90%、95%、100%進行設計。

需要指出的是：試樣只有在最佳含水率下壓實度才能達到100%，含水率6.2%及14.2%下其壓實度最大達到95%，其余含水率下其壓實度最大達到99%。試樣壓實度及含水率的正交試驗設計如表2所示。

表2 壓實度及含水率的正交組合 %

為配制一定含水率及壓實度的環刀試樣，試樣所需的烘干土及加水量可按下列公式進行控制：

ms=ρλV

(1)

mω=msω

(2)

其中:

ms為環刀內需要加入的烘干砂性土填料的質量；

ρ為試樣的最大干密度；

λ為試樣所需的壓實度；

V為環刀體積。

壓實后的環刀試樣如圖3所示。

圖3 壓實環刀試樣

3 室內直剪試驗

試樣制備完畢之后，即可進行室內直剪試驗，室內直剪試驗選用EDJ-1型二速電動直剪儀如圖4所示。

圖4 電動直剪儀

EDJ-1型二速電動直剪儀最大法向荷重400kPa；杠桿比1∶12；環刀面積30cm2；高2cm；設置手輪轉速4r/min；即剪切速度0.8mm/min。在試驗過程中，每隔15s記錄測力環百分表讀數，以百分表讀數乘以測力環系數即可得到試樣的剪切應力，如式(3)和式(4)所示。

Δl=20n-R

(3)

τ=CR

(4)

其中：

Δl為剪切位移；

n為手輪轉數；

R為百分表讀數；

τ為剪切應力；

C為測力校正系數。

以壓實度95%、含水率12.2%試樣為例，其剪切荷載-剪切變形典型曲線如圖5所示。

圖5 砂性土填料的典型剪切曲線

由圖5可知，砂性土填料試樣的剪切荷載隨法向荷載的增大而增大，剪切變形隨剪切荷載的增大而增大，在剪切荷載達到峰值時，試樣破壞。表明砂性土填料在外荷載作用下，隨著孔隙水壓力的消散以及土層的固結，試樣的抗剪強度也將會隨之而增長，這與既有的研究成果基本一致[7]。

將圖5的峰值剪切荷載與法向荷載匯總得到圖6所示的抗剪強度包絡線，試驗結果符合抗剪強度的庫侖定律；并求得其內摩擦角φ為36.82°，黏聚力c為8.16kPa。

圖6 剪切應力與法向應力的關系曲線

4 試驗結果分析

將實驗所得剪切應力及法相應力繪制在直角坐標系中，可得剪切應力與法相應力的一次擬合直線，其與X軸的夾角為內摩擦角，在Y軸上的截距為黏聚力。匯總上述18組直剪試驗所得的不同含水率與壓實度下的抗剪強度指標，如表3～表4所示。

表3 不同含水率及壓實度下內摩擦角匯總表

表4 不同含水率及壓實度下黏聚力匯總表

4.1 含水率及壓實度對內摩擦角的影響

根據表3數據，繪制含水率與內摩擦角的關系曲線如圖7所示。在相同壓實度下，含水率對內摩擦角無明顯影響，隨著含水率的增大，內摩擦角波動極小，這表明：土顆粒間水膜的包裹作用對于減小顆粒間的嵌擠作用效果甚微，內摩擦角主要與顆粒級配及壓實度有關[8]。

圖7 含水率與內摩擦角的關系曲線

類似地繪制內摩擦角與壓實度的關系曲線，如圖8所示。砂性土填料的壓實度對其內摩擦角影響很大，較高的壓實度能夠顯著提高砂性土填料的內摩擦角。這表明：砂性土填料的內摩擦角主要受壓實度(既顆粒間的嵌擠力)控制，土顆粒在一定的夯擊能下被擠壓密實，極大地提高了顆粒間的嵌擠作用，進而增大了砂性土填料的內摩擦角[9]。

圖8 壓實度與內摩擦角關系曲線

4.2 含水率及壓實度對黏聚力的影響

根據表3數據，繪制含水率與黏聚力的關系曲線如圖9所示，砂性土填料的黏聚力隨含水率的增大，在最佳含水率附近達到最大值。較低的含水率會導致土顆粒間毛細水壓力的喪失，進而減小其黏聚力。當含水率增大時，土顆粒間會出現似黏聚力現象，當含水率進一步增大時，土顆粒間的水膜變厚，不再具有似黏聚力現象，從而使砂性土填料的黏聚力先增大后減小[8,10]。因此，在實際施工環境中，保持合適的含水率一定程度上能提高其路堤穩定性。

類似繪制壓實度與黏聚力的關系曲線如圖10所示。黏聚力隨壓實度的增大呈近似線性增長，不同含水率下黏聚力隨壓實度的增長規律基本一致。與含水率相比，壓實度對黏聚力的影響更大，這表明：較高的壓實度對砂性土填料抗剪強度的提高較為明顯。

圖9 含水率與黏聚力的關系曲線

圖10 壓實度與黏聚力的關系曲線

5 結論

本文以廈蓉高速漳州段砂性土填料為研究對象，首先通過顆粒篩分試驗與擊實試驗，確定其顆粒組成、最優含水率與最大干密度。在此基礎上，對18組不同含水率及壓實度下的砂性土填料試樣，展開室內直剪試驗。所得主要結論如下：

(1)廈蓉高速漳州段砂性土填料的最大干密度為1.88g/cm3，最優含水率為10.2%；在設計壓實度與天然含水率條件下，其內摩擦角為35.92°，黏聚力為5.29kPa。

(2)砂性土填料的內摩擦角隨壓實度的增大呈近似線性增長，但與含水率無明顯相關。

(3)砂性土填料的黏聚力隨壓實度的增大呈近似線性增長，同時隨含水率的增大先增大后減小，在最佳含水率附近達到最大值。

參 考 文 獻

[1] 劉秀菊.砂性土做高速公路路基室內試驗性能分析[J].公路, 2011(07): 64-66.

[2] 黃錕.非飽和土的抗剪強度與含水率關系的試驗研究[J].巖土力學，2012, 33(9): 2600-2604.

[3] 肖成志, 李曉峰, 張靜娟.壓實度和含水率對含砂粉土性質的影響[J].深圳大學學報(理工版), 2017, 34(05): 501-508.

[4] 賈亮.蘭州地區壓實黃土抗剪強度影響因素探討[J].巖土工程學報, 2014, 36(S2): 120-124.

[5] 甘文寧.紅砂巖細粒土抗剪強度的試驗研究[J].四川大學學報(工程科學版), 2014, 46(S2): 70-75.

[6] 交通部公路科學研究院.公路土工試驗規程[M].北京：人民交通出版社，2007:212-216.

[7] Kong.L, Guo.A.Bearing strength and swelling behavior of Jingmen expansive soil[J].Road materials and pavement design, 2011, 12(2): 37-40.

[8] 薛亞東, 岳磊, 李碩標.含水率對土石混合體力學特性影響的試驗研究[J].工程地質學報, 2015, 23(01): 21-29.

[9] 袁俊平, 詹斌, 陳勝超, 等.含水率和壓實度對路基填土力學特性的影響[J].水利與建筑工程學報, 2013, 11(02): 98-102.

[10] 王來貴, 張鵬, 李喜林.含水率及壓實度對排土場巖土抗剪強度的影響[J].遼寧工程技術大學學報(自然科學版), 2015, 34(06): 699-703.