含水率對(duì)砂黏土路基填料強(qiáng)度特性的影響分析

摘要：為了研究含水率對(duì)砂黏土路基填料強(qiáng)度特性的影響規(guī)律，采用直剪試驗(yàn)對(duì)摻砂比例為20%的黏土改良試樣進(jìn)行試驗(yàn)研究，明確了含水率對(duì)砂黏土應(yīng)力-位移曲線、抗剪強(qiáng)度參數(shù)及剪脹性的影響，主要得到以下結(jié)論：砂土改良試樣抗剪強(qiáng)度隨著含水率增加而減小，故將20%砂土改良后的黏土用作路基填料時(shí)，應(yīng)注意做好路基的防排水工作，避免雨水浸泡后強(qiáng)度下降進(jìn)而造成路基病害；在剪切位移較小時(shí)，試樣產(chǎn)生剪縮，且豎向荷載越大，試樣在剛開(kāi)始的剪縮就越顯著，而后隨著剪切位移的增加，含水率較低的試樣產(chǎn)生剪脹，含水率較高的試樣依然產(chǎn)生剪縮；在摻入20%砂土后，在相同豎向荷載狀態(tài)下，改良試樣的剪縮位移減小，變形減小，故經(jīng)過(guò)砂土改良后試樣的抗變形能力得到了增強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：含水率；砂黏土；路基填料；強(qiáng)度特性

0" "引言

尼日利亞?wèn)|南部三角洲地區(qū)河道密布，便于獲取筑路基礎(chǔ)材料河砂，故在離河道較近的地方修建道路，多采用水力吹填砂筑路。但在一些遠(yuǎn)離河道的地方，線路周邊幾乎無(wú)粗砂分布，若從其他地方運(yùn)輸，則會(huì)大大增加工程造價(jià)，并延長(zhǎng)工期。根據(jù)線路周邊的地勘資料可知，在遠(yuǎn)離河道的地方常分布有大量黏土，黏土具有抗剪強(qiáng)度低，水敏性差、易軟化等的性質(zhì)，不能直接作為路基填料，若將線路建設(shè)周邊的黏土摻入砂土改良后用作路基填料，不僅可以擴(kuò)大路基填料的選用范圍，降低工程造價(jià)，還可以減少黏土棄方，有效保護(hù)線路周邊生態(tài)環(huán)境。

常見(jiàn)的路基填料改良主要有化學(xué)改良方法和物理改良方法。化學(xué)改良方法是指在填料中摻入其他化學(xué)材料，如水泥、石灰等，使其在土體中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成膠結(jié)物質(zhì)，將土顆粒膠結(jié)起來(lái)，從而達(dá)到提高強(qiáng)度的目的[1-4]。物理改良是指在土體中摻入砂、石等材料，改善土體結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到提高強(qiáng)度的目的。

目前，關(guān)于路基填料改良研究的國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)已有不少。陳湘亮[5]以20%中粗砂對(duì)武廣高鐵泥質(zhì)粉砂巖路基填料進(jìn)行物理改良后發(fā)現(xiàn)，隨著壓實(shí)度的增加，內(nèi)摩擦角基本沒(méi)有變化，粘聚力隨著壓實(shí)度的增大而增大。石熊等[6]采用級(jí)配碎石對(duì)填料進(jìn)行改良，發(fā)現(xiàn)改良填料的最大干密度隨著級(jí)配碎石的增加而增加，最優(yōu)含水率隨著級(jí)配碎石的增加而減小。楊俊[7]以湖北宜昌地區(qū)膨脹土為研究對(duì)象，對(duì)其采用天然砂礫進(jìn)行改良，發(fā)現(xiàn)隨著天然砂摻量的增加，改良土體回彈模量逐漸增加，且表現(xiàn)出先慢后快的規(guī)律。

上述研究雖然已經(jīng)不少，但含水率對(duì)砂黏土強(qiáng)度影響的研究還鮮有報(bào)道，故本文通過(guò)直剪試驗(yàn)研究摻配比例為20%，含水率不同的砂黏土試樣的抗剪強(qiáng)度，以明確含水率對(duì)砂黏土抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果可為砂黏土填料強(qiáng)度特性的確定提供理論參考。

1" "試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方案

本文所用黏土取自尼日利亞聯(lián)邦工程部巴耶薩20km公路項(xiàng)目處，該道路全長(zhǎng)20.4km，起點(diǎn)位于耶納戈道路交叉口，終點(diǎn)位于科洛鎮(zhèn)西南側(cè)，線路走向?yàn)榭傮w為西南方向。項(xiàng)目為新建道路工程，線路周邊分布有大量黏土，故實(shí)驗(yàn)所用黏土取自線路周邊的工程棄土。

擊實(shí)試驗(yàn)曲線如圖1所示。通過(guò)圖1可知，試驗(yàn)所用黏土的最大干密度為1.57g/cm³，最優(yōu)含水率為22.6%。通過(guò)顆粒分析試驗(yàn)確定其級(jí)配曲線如圖2所示，由圖2可知，試驗(yàn)所用黏土級(jí)配良好。黏土基本物理特性見(jiàn)表1。

為研究含水率對(duì)改良填料抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律，對(duì)摻入比為20%，含水率不同的砂土改良試樣，在不同的豎向荷載下進(jìn)行直剪試驗(yàn)，試驗(yàn)方案見(jiàn)表2。

將試驗(yàn)所用黏土及砂土首先在烘箱中烘干，而后按照質(zhì)量比例在黏土中摻入20%的砂土，噴灑一定質(zhì)量的水制成不同含水率的試驗(yàn)用土，并保存于塑料袋中水汽平衡24h。而后采用控制干密度的方式，將其壓縮成高度20mm、直徑61.8mm的圓餅樣，將制好的試樣依然保存于塑料袋中再次水汽平衡。由于試樣都是非飽和試樣，故采用0.5mm/min的剪切速率進(jìn)行直剪試驗(yàn)，剪切終止位移為10mm。

2" "試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1" " 砂土改良對(duì)應(yīng)力-位移曲線的影響

含水率16%時(shí)改良試樣的應(yīng)力-位移曲線如圖3所示。由圖3可知，當(dāng)摻入20%砂土后，試樣應(yīng)力-位移曲線既有軟化型又有硬化型，試樣應(yīng)力-位移曲線則隨著豎向荷載的增大，逐步從軟化型向硬化型轉(zhuǎn)變。

摻配比例為20%、含水率為22.6%的砂黏土應(yīng)力-位移曲線如圖4所示。由圖4可知，在試驗(yàn)設(shè)定的豎向荷載作用下，試樣的應(yīng)力-位移曲線全部為硬化型。通過(guò)對(duì)比含水率為16%和22.6%改良土的應(yīng)力-位移曲線可以發(fā)現(xiàn)，在相同的豎向荷載作用下，隨著含水率增加，試樣的抗剪強(qiáng)度在逐漸減小。

含水率為22.6%時(shí)黏土試樣的應(yīng)力-位移曲線如圖5所示。由圖5可知，最優(yōu)含水率下黏土的應(yīng)力-位移曲線都為硬化型。通過(guò)對(duì)比含水率為22.6%，改良試樣的應(yīng)力-位移曲線可以發(fā)現(xiàn)，在摻入砂土前后，試樣的應(yīng)力-位移曲線都呈硬化型，但在摻入20%的砂土后，試樣的抗剪強(qiáng)度顯著提高。這主要是由于摻入砂土后土體的骨架效應(yīng)增強(qiáng)，且砂土顆粒之間的咬合相較于黏土顆粒之間的咬合更加牢固，摻入20%砂土改良后，試樣的抗剪強(qiáng)度顯著增加。

2.2" " 砂土改良對(duì)粘聚力、內(nèi)摩擦角的影響

不同含水率改良土粘聚力、內(nèi)摩擦角變化如屠所示。由圖6可知，隨著含水率的增加，粘聚力及內(nèi)摩擦角都在減小，反映出試樣的抗剪強(qiáng)度隨著含水率的增加在逐漸減小。故將20%砂土改良后的黏土用作路基填料時(shí)，應(yīng)注意做好路基的防排水工作，避免雨水浸泡后強(qiáng)度下降進(jìn)而造成路基病害。由圖6還可知，摻入20%砂土改良后的試樣粘聚力為22kPa，內(nèi)摩擦角為18.3°，依然比相同含水率純黏土的試樣的粘聚力及內(nèi)摩擦角大。

2.3" " 砂土改良對(duì)黏土剪脹性的影響

含水率16%時(shí)改良試樣豎向位移變化如圖7所示。由圖7可以看出，不同豎向荷載下，在剛開(kāi)始剪切時(shí)，試樣都產(chǎn)生了剪縮，且豎向荷載越大，試樣在剛開(kāi)始的剪縮就越顯著。而后隨著剪切位移的增加，試樣逐漸產(chǎn)生剪脹。

含水率為22.6%時(shí)砂土改良試樣體變?nèi)鐖D8所示。由圖8可知，試樣的體變都表現(xiàn)為剪縮，且豎向荷載越大，試樣剪縮的程度越強(qiáng)。通過(guò)與含水率為16%改良試樣的體變進(jìn)行對(duì)比可知，在含水率較低時(shí)，改良試樣的體變最終為剪脹，但高含水率狀態(tài)下，試樣在剪切過(guò)程中始終表現(xiàn)為剪縮。

含水率22.6%時(shí)黏土試樣豎向位移變化如圖9所示。由圖9可知，黏土試樣在整個(gè)剪切過(guò)程中都產(chǎn)生剪縮，與圖8進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，在摻入20%砂土后，在相同豎向荷載狀態(tài)下，改良試樣的剪縮位移更小，變形更小，故經(jīng)過(guò)砂土改良后，試樣的抗變形能力也得到了有效增強(qiáng)。

3" "結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)研究20%摻量、不同含水率狀態(tài)下砂黏土的抗剪強(qiáng)度特性，明確了含水率對(duì)砂黏土應(yīng)力-位移曲線、抗剪強(qiáng)度參數(shù)及剪脹性的影響，主要得到以下結(jié)論：

砂黏土試樣抗剪強(qiáng)度隨著含水率增加而減小，故將20%砂土改良后的黏土用作路基填料時(shí)，應(yīng)注意做好路基的防排水工作，避免雨水浸泡后強(qiáng)度下降進(jìn)而造成路基病害。

在剪切位移較小時(shí)，試樣產(chǎn)生剪縮，且豎向荷載越大，試樣在剛開(kāi)始的剪縮就越顯著。而后隨著剪切位移的增加，含水率較低的試樣產(chǎn)生剪脹，含水率較高的試樣依然產(chǎn)生剪縮。在摻入20%砂土后，在相同豎向荷載狀態(tài)下，改良試樣的剪縮位移更小，變形更小，故經(jīng)過(guò)砂土改良后，試樣的抗變形能力得到了有效增強(qiáng)。

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