重塑高液限土的水敏感性研究

李浩然,鄧韜,許建凱,鄒永輝,宋常軍

(1.貴州甕開高速公路發展有限公司,貴州 甕安 550400;2.中鐵開發投資集團有限公司,云南 昆明 650500;3.交通運輸部公路科學研究所 道路研究中心,北京 100088)

高液限土是指液限(100g錐試驗)大于50%的細粒土,具有明顯的地域性特點和水敏感性[1],是不良的路基填料。我國的高液限土主要分布在長江流域以南地區,其中碳酸鹽巖高液限土的分布最廣,其次為花崗巖殘積高液限土,而玄武巖殘積高液限土僅有少量或零星分布。

國內外學者已對高液限土的水敏感性進行了較多研究,胡昕等[2]、王中文等[3]采用直接剪切試驗研究了廣梧高速公路高液限土和紅黏土抗剪強度的水敏感性;黃劍宇[4]研究了非飽和重塑高液限黏土的脫濕和吸濕抗剪強度;周雄等[5]、易進來等[6]、陳開圣[7]的研究得到了高液限土抗剪強度與干濕循環作用次數的關系;林麗萍等[8]、李濤等[9]提出了非飽和重塑紅黏土的抗剪強度與基質吸力的關系;胡宏坤等[10]、楊俊等[11]、蘭恒水等[12]、李方華[13]研究了改良高液限土的強度特性,并提出了抗剪強度指標與石灰等摻量之間的關系。然而,高液限土的力學性質復雜,水敏感性強,地域性顯著,有必要對不同地域高液限土的水敏感性進行進一步的研究。

本文以貴州、福建、湖南山區的高液限土為研究對象,進行了不同含水率下的直接剪切試驗和承載比試驗?；谠囼灲Y果,深入對比分析了重塑高液限土的抗剪強度及其特征參數,加州承載比和含水率之間的關系及其變化規律,為高液限土路堤穩定性分析的力學參數選取提供參考。

1 試驗土樣和試驗方法

1.1 試驗土樣

試驗土樣分別取自福建三明(編號為FJ1和FJ2)、貴州畢節(編號為GZ1和GZ2)、湖南永州(編號為HN1和HN2),其物理特性指標見表1。

表1 土樣的物理特性指標

由表1可知,不同地域的高液限土均具有高天然含水率、高液限、高塑限和高塑性指數的特點,但其顆粒級配差異性較大。如土樣編號GZ2的粒徑小于或等于0.075 mm時顆粒含量僅為66.5%,其余土樣均超過80%,最大甚至達到97%。根據規程[14]進行命名,FJ1為高液限黏土,GZ2為含砂高液限粉土,其余土樣為高液限粉土。

1.2 試驗方法

試驗土樣采用濕土法備樣,土樣分三層擊實,每層98擊,環刀切取剪切試驗的試樣。高液限土路基適宜填筑稠度為0.9～1.2,故按表2制備高液限土試樣。每一含水率切取4個土樣,進行垂直壓力為100、200、300和400 kPa的直接剪切試驗。

表2 制樣含水率

承載比(CBR)試驗的土樣進行4個晝夜的泡水。FJ1土樣的制樣含水率為31.0%、36.5%、37.5%、43.0%、48.0%,FJ2土樣的制樣含水率為19.0%、21.0%、26.5%、30.0%、34.5%、36.0%,FJ1土樣和FJ2土樣的擊實功均為重型3×98;GZ1土樣的制樣含水率為32.5%(擊實功為重型3×70)、38.0%(擊實功為重型3×60)、41.5%(擊實功為重型3×50)、47.5%(擊實功為重型3×50);GZ2土樣的制樣含水率為23.0%、25.0%、28.0%、30.0%,擊實功為重型3×98;HN1土樣的制樣含水率為26.0%、29.5%、31.5%、34.5%、36.5%, HN2的制樣含水率為27.0%、31.0%、34.5%、36.0%、38.5%、40.0%,擊實功均為重型3×80。承載比取貫入量為2.5 mm和5 mm對應的較大值。

2 試驗結果與分析

2.1 含水率對應力-應變關系的影響

6種高液限土試樣的應力-應變關系與含水率和垂直壓力呈相同的變化規律,限于篇幅,本文僅給出FJ1土樣在P=100 kPa的應力-應變關系曲線,見圖1。當初始含水率低于塑限時,高液限土表現出明顯的應變軟化特性;當初始含水率高于塑限時,高液限土逐漸表現出應變硬化特性?？梢钥闯?高液限土的應力-應變關系與初始含水率明顯相關,隨著初始含水率的增大,應力-應變關系會逐漸由應變軟化型轉化為應變硬化型,其轉化的特征含水率約為塑限。

圖1 應力-應變關系曲線

2.2 含水率對抗剪強度的影響

不同含水率下高液限土抗剪強度與垂直壓力的關系曲線見圖2。從圖中可以看出,高液限土的抗剪強度有顯著的水敏感性,即抗剪強度隨著含水率的增大而減小。當初始含水率小于塑限時,含水率變化對抗剪強度的影響較為顯著;當初始含水率增大至塑限及以上時,含水率變化對抗剪強度的影響明顯降低并趨于穩定。

(a)FJ1

2.3 含水率對黏聚力的影響

高液限土的黏聚力與含水率的關系曲線見圖3。圖中編號GD1、GD2為文獻[1-2]的試驗數據,下同。由圖3可知,高液限土的黏聚力隨含水率增大而減小,與文獻[1-2,15] 的研究結論基本一致。但不同地域高液限土的黏聚力與含水率的擬合關系明顯不同,回歸系數差異很大。表明基于單一樣本的擬合模型不具有普適性,難以為工程提供準確的計算參數,因此有必要進行高液限土抗剪強度特征參數的大樣本統計研究。

圖3 黏聚力與含水率的關系曲線

由圖3還可看出,不同地域高液限土的黏聚力在量值上也有明顯差異。當初始含水率小于30%時,福建高液限土的黏聚力大于廣東和貴州高液限土。當含水率增加至40%以上時,不同地域的高液限土黏聚力逐漸趨于一致,基本處于10～20 kPa。

2.4 含水率對內摩擦角的影響

高液限土內摩擦角與含水率的關系曲線,見圖4。由圖可知,高液限土的內摩擦角隨含水率增大而減小并趨于穩定。同時,不同地域高液限土的內摩擦角在量值上也有較大差別。在相同的初始含水率下,福建、廣東山區高液限土的內摩擦角大于貴州山區。如當初始含水率為28%～40%時,福建、廣東和貴州山區高液限土的內摩擦角分別為22°～35°、15°～22°和10°～15°。

圖4 內摩擦角與含水率的關系曲線

2.5 含水率對承載比(CBR)的影響

CBR反映了路基土在工作狀態下的局部抗剪強度,其水敏感性顯著(圖5)。CBR隨含水率的增大呈現單駝峰形態。不同地域高液限土的CBR有明顯差異,具有明顯的地域性特點。當含水率為30%時,HN1、HN2土樣的CBR約為15%,FJ1、FJ2土樣的CBR約為8%～12%,GZ1、GZ2土樣的CBR約為3%～8%。

圖5 CBR與含水率的關系曲線

3 結論

(1)高液限土具有明顯的水敏感性和地域差異性。

(2)高液限土的黏聚力、內摩擦角和抗剪強度表現出隨著含水率的增大而減小并趨于穩定的變化趨勢。不同地域高液限土的衰減規律和衰減幅度明顯不同。加州承載比與含水率呈現明顯的單駝峰形態。

(3)高液限土兼具應變軟化和應變硬化特性,其由應變軟化型轉變為應變硬化型所對應的特征含水率約為塑限。

(4)高液限土黏粒含量高,易失水開裂,因此高液限土路堤施工應做好封閉處理,確保路基內部濕度穩定。