壓實度和圍壓對路基壓實黏質(zhì)土抗剪強度的影響

2020-10-31 03:54:40黃子馨張互助李達凱

四川建材 2020年10期

黃子馨，張互助，胡晗，李達凱

(吉林建筑大學交通科學與工程學院，吉林長春 130118)

0 前言

土是由地殼表層的整體巖石經(jīng)風化作用而形成的一種松散礦物顆粒或巖屑集合體，儲量豐富且具有一定的力學強度，在工程建設(shè)中廣泛地被作為建筑材料、建筑物地基或是建筑物周圍介質(zhì)使用[1]。因此，許多工程問題都與土的工程性質(zhì)和力學性能密不可分。對于路基工程來說，抗剪強度作為土體抵抗剪切破壞能力的表征，是邊坡穩(wěn)定性分析、承載能力評價和支擋結(jié)構(gòu)物土壓力計算的重要參數(shù)[2-4]。由于土體狀態(tài)以及周圍環(huán)境的不同，土的性質(zhì)變得十分復雜，力學特性尤其為甚。因此，正確可靠地評價路基壓實土的抗剪強度特性對于指導路基工程設(shè)計與施工、保證路基結(jié)構(gòu)強度與穩(wěn)定性具有重要的理論意義及工程實用價值。

路基壓實土抗剪強度特性的影響因素主要有土質(zhì)類別、含水率、壓實度和應(yīng)力狀態(tài)等[5-8]。目前的研究主要集中在含水率和壓實度對壓實土抗剪強度參數(shù)的影響方面[7-13]，對于直接體現(xiàn)路基承載能力的抗剪強度的研究鮮有涉及[5,14]。為此，本文擬以分布廣泛并在路基工程中應(yīng)用較為普遍的黏質(zhì)土作為研究對象，考慮路基工程壓實度要求、使用期含水率狀況以及路基應(yīng)力狀態(tài)的影響，對不同含水率、不同壓實度與不同圍壓水平下的試驗試件進行系統(tǒng)的三軸壓縮試驗，根據(jù)土的極限平衡理論計算確定各工況下路基壓實黏質(zhì)土的抗剪強度，分析路基壓實黏質(zhì)土抗剪強度隨壓實度以及圍壓的變化規(guī)律及作用機理，以為路基工程設(shè)計與施工實踐提供理論依據(jù)與參考。

1 試驗用土與試驗方案

1.1 試驗用土

試驗所用的土為取自東北季節(jié)性冰凍地區(qū)某道路工程建設(shè)項目取土場的黏質(zhì)土，顆粒粒徑分布曲線見圖1。

圖1 土體顆粒級配曲線

1.2 試驗方案

最佳含水率狀態(tài)下填筑完成的路基，在使用期間其含水率會因所處環(huán)境而發(fā)生變化，已有研究表明路基含水率的變化范圍大致在7.4%～28.5%[15]，而路基壓實度一般根據(jù)道路等級和部位不同的要求為90%～100%[16]。為了全面地研究壓實度以及土體應(yīng)力狀態(tài)變化條件下路基壓實黏質(zhì)土的抗剪強度特性以及更好地模擬路基的實際工作狀況，試驗分9.3%、12.3%、15.3%、18.3%和21.3% 5個含水率水平，85%、90%、93%、96%和99% 5個壓實度水平以及100、200、300 kPa 三個圍壓水平進行，共計75組。

1.3 試驗方法

將試驗用土風干、粉碎并過篩后，按試驗要求達到的含水率與壓實度采用靜力壓實法成型尺寸為Ф39.1mm×80mm的圓柱形試驗試件，采用TSZ-1B全自動三軸儀對試驗方案設(shè)計的土樣進行三軸壓縮試驗，以測試確定路基壓實黏質(zhì)土的抗剪強度。本次試驗采用不固結(jié)不排水試驗方法，剪切速率0.08 mm/min，以主應(yīng)力差的峰值為破壞點，無峰值時取15%軸向應(yīng)變時的主應(yīng)力差值作為破壞點。試驗數(shù)據(jù)采用計算機程序自動采集并處理，可獲得不同試驗條件下土的剪切峰值、粘聚力和內(nèi)摩擦角等力學參數(shù)，然后根據(jù)土的極限平衡理論即可按式(1)計算確定土的抗剪強度。

(1)

式中，τf為土的抗剪強度；σ1、σ3分別為極限平衡狀態(tài)下的大主應(yīng)力與小主應(yīng)力；c、φ分別為土的粘聚力與內(nèi)摩擦角。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 壓實度對抗剪強度的影響

路基壓實黏質(zhì)土的抗剪強度隨壓實度的變化曲線如圖2所示。由圖2可見，不同圍壓與不同含水率水平下，抗剪強度隨壓實度的增加而非線性遞增，增幅隨含水率的增加而趨于平緩，其中壓實度小于93%時增加緩慢，大于93%時增加較快。以圍壓σ3=200 kPa的試驗結(jié)果為例，含水率為9.3%時，壓實度由85%增加至99%時，抗剪強度增加了160.8%，而含水率為21.3%時增幅僅為38.1%；當含水率為12.3%時，壓實度介于85%～93%時壓實度每增加1%，抗剪強度增加1.67 kPa，而93%～99%壓實度時的增幅高達4.89 kPa。由此可見，壓實度對路基壓實黏質(zhì)土抗剪強度的影響，偏干狀態(tài)比偏濕狀態(tài)明顯，密實狀態(tài)比疏松狀態(tài)明顯。其原因在于壓實度的增加將使路基壓實土顆粒變得更為緊密，土粒間距縮小，這時通過公共結(jié)合水膜的水膠聯(lián)結(jié)作用就逐漸增強，抗剪強度相應(yīng)增大；含水率較大時，結(jié)合水膜較厚，甚至于出現(xiàn)了毛細水及自由水，從而減弱了因土粒間距縮小而引起的水膠聯(lián)結(jié)增強效應(yīng)，使壓實度對路基壓實土抗剪強度的影響變得不是那么顯著。

圖2 抗剪強度和壓實度的關(guān)系曲線

通過對不同圍壓與不同含水率水平下抗剪強度隨壓實度變化趨勢的分析，擬采用公式(2)對試驗結(jié)果進行回歸分析，結(jié)果見表1。由表1可見，不同圍壓與不同含水率水平下的抗剪強度均與壓實度呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，擬合方程的相關(guān)系數(shù)均在0.93以上，能夠較好地反映抗剪強度與壓實度的函數(shù)關(guān)系。

表1 抗剪強度隨壓實度變化的擬合結(jié)果

τf=aebK

(2)

式中，K為路基壓實黏質(zhì)土的壓實度；a、b為擬合系數(shù)。

2.2 圍壓對抗剪強度的影響

路基壓實黏質(zhì)土的抗剪強度隨圍壓的變化曲線如圖3所示。

圖3 抗剪強度和圍壓的關(guān)系曲線

由圖3可見，不同壓實度與不同含水率水平下的抗剪強度均隨圍壓的增加線性遞增。其中，同一壓實度條件下含水率小的增幅較大，含水率大的增幅平緩；同一含水率條件下壓實度較大的增加較快。其原因為隨著試驗圍壓的增大，不斷增強的側(cè)向約束作用限制了土體的側(cè)向變形，外力作用使得內(nèi)部土體顆粒接觸不斷加密，結(jié)合水膜的聯(lián)結(jié)作用增強，抗剪強度隨之不斷提高。當土體處于較高壓實度和較低含水率水平時，土體內(nèi)部顆粒間距較小或是結(jié)合水膜較薄，圍壓的側(cè)向約束作用對土粒聯(lián)結(jié)作用影響明顯，從而表現(xiàn)為圍壓對路基壓實黏質(zhì)土抗剪強度的影響，密實狀態(tài)比疏松狀態(tài)明顯，偏干狀態(tài)比偏濕狀態(tài)明顯。

為了考察抗剪強度與圍壓的線性相關(guān)程度，采用公式(3)對試驗結(jié)果進行線性擬合，計算結(jié)果如表2所示。由表2可見，各壓實度與含水率水平下擬合方程的相關(guān)系數(shù)均在0.95以上，說明抗剪強度與圍壓的線性相關(guān)程度較高。