砂性土填料抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的試驗(yàn)研究

張淑寶

(漳州廈蓉高速擴(kuò)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(nèi)山地丘陵遍布，地形地質(zhì)條件復(fù)雜，高等級(jí)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(shè)與運(yùn)營(yíng)期間均存在邊坡失穩(wěn)的隱患，尤其對(duì)高填方路堤而言，填料在不同狀態(tài)下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)(黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ)，是影響路堤穩(wěn)定的關(guān)鍵因素，對(duì)估算邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)具有重要意義。

劉秀菊[1]以砂性土路基填料為試驗(yàn)對(duì)象，進(jìn)行室內(nèi)直剪試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)砂性土的抗剪強(qiáng)度隨含水率的增大先增后減。黃錕[2]以欠固結(jié)粉砂土為對(duì)象，通過(guò)室內(nèi)直剪試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)含水率降低了土樣的黏聚力，但對(duì)內(nèi)摩擦角影響較小。肖成志[3]基于三軸試驗(yàn)，分析了壓實(shí)度及含水率對(duì)含砂粉土抗剪強(qiáng)度的影響，認(rèn)為增大壓實(shí)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(duì)壓實(shí)黃土進(jìn)行直剪試驗(yàn)，認(rèn)為黏聚力及內(nèi)摩擦角均隨壓實(shí)度增大而增大，隨含水率增大略有減小。甘文寧[5]對(duì)紅砂巖細(xì)粒土展開(kāi)不同含水率及壓實(shí)度下的直剪試驗(yàn)，認(rèn)為黏聚力及內(nèi)摩擦角均隨壓實(shí)度的增大而增大，但黏聚力受含水率及壓實(shí)度的影響更為顯著。

本文以廈蓉高速漳州段A1標(biāo)高填方路堤的砂性土填料為研究對(duì)象，通過(guò)室內(nèi)直剪試驗(yàn)，對(duì)不同含水率及壓實(shí)度下的砂性土填料進(jìn)行研究。通過(guò)18組不同含水率及壓實(shí)度下的直剪試驗(yàn)，研究壓實(shí)度及含水率對(duì)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響，為廈蓉高速或類(lèi)似工程中高填路堤的穩(wěn)定性估算提供技術(shù)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(guó)高網(wǎng)G76)的重要組織部分，全長(zhǎng)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(qū)，沿線存在大量的高填方路堤。其中A1、A2、A3 3個(gè)標(biāo)段內(nèi)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(tǒng)計(jì)表

試驗(yàn)所用砂性土填料取自A1標(biāo)段高填方路堤，其天然含水率為5.8%；壓實(shí)度為96%；對(duì)其進(jìn)行篩分試驗(yàn)得到其篩分曲線如圖1所示，得其不均勻系數(shù)Cu為6.2；曲率系數(shù)Cc為1.1；這表明天然砂性土填料級(jí)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(yàn)準(zhǔn)備

根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》[6]，對(duì)于砂性土填料的室內(nèi)直剪試驗(yàn)，其所用試樣必須過(guò)2mm篩孔后方可使用。同時(shí)，試樣的最大干密度及其最佳含水率對(duì)于直剪試驗(yàn)設(shè)計(jì)至關(guān)重要，故首先開(kāi)展室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)，測(cè)定其最大干密度與最佳含水率。

2.1 擊實(shí)試驗(yàn)

擊實(shí)試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)重型擊實(shí)儀進(jìn)行，其錘重4.5kg；落距45cm；填入試樣分5層、每層27次落錘擊實(shí)；夯擊能2687kJ/m3；試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)采用二項(xiàng)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(shí)曲線

2.2 試樣制備

由擊實(shí)試驗(yàn)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(yàn)試樣按照含水率6.2%、8.2%、10.2%、12.2%、14.2%；壓實(shí)度85%、90%、95%、100%進(jìn)行設(shè)計(jì)。

需要指出的是：試樣只有在最佳含水率下壓實(shí)度才能達(dá)到100%，含水率6.2%及14.2%下其壓實(shí)度最大達(dá)到95%，其余含水率下其壓實(shí)度最大達(dá)到99%。試樣壓實(shí)度及含水率的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表2所示。

表2 壓實(shí)度及含水率的正交組合 %

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

ms=ρλV

(1)

mω=msω

(2)

其中:

ms為環(huán)刀內(nèi)需要加入的烘干砂性土填料的質(zhì)量；

ρ為試樣的最大干密度；

λ為試樣所需的壓實(shí)度；

V為環(huán)刀體積。

壓實(shí)后的環(huán)刀試樣如圖3所示。

圖3 壓實(shí)環(huán)刀試樣

3 室內(nèi)直剪試驗(yàn)

試樣制備完畢之后，即可進(jìn)行室內(nèi)直剪試驗(yàn)，室內(nèi)直剪試驗(yàn)選用EDJ-1型二速電動(dòng)直剪儀如圖4所示。

圖4 電動(dòng)直剪儀

EDJ-1型二速電動(dòng)直剪儀最大法向荷重400kPa；杠桿比1∶12；環(huán)刀面積30cm2；高2cm；設(shè)置手輪轉(zhuǎn)速4r/min；即剪切速度0.8mm/min。在試驗(yàn)過(guò)程中，每隔15s記錄測(cè)力環(huán)百分表讀數(shù)，以百分表讀數(shù)乘以測(cè)力環(huán)系數(shù)即可得到試樣的剪切應(yīng)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(zhuǎn)數(shù)；

R為百分表讀數(shù)；

τ為剪切應(yīng)力；

C為測(cè)力校正系數(shù)。

以壓實(shí)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(dá)到峰值時(shí)，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(jié)，試樣的抗剪強(qiáng)度也將會(huì)隨之而增長(zhǎng)，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(qiáng)度包絡(luò)線，試驗(yàn)結(jié)果符合抗剪強(qiáng)度的庫(kù)侖定律；并求得其內(nèi)摩擦角φ為36.82°，黏聚力c為8.16kPa。

圖6 剪切應(yīng)力與法向應(yīng)力的關(guān)系曲線

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

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

表3 不同含水率及壓實(shí)度下內(nèi)摩擦角匯總表

表4 不同含水率及壓實(shí)度下黏聚力匯總表

4.1 含水率及壓實(shí)度對(duì)內(nèi)摩擦角的影響

根據(jù)表3數(shù)據(jù)，繪制含水率與內(nèi)摩擦角的關(guān)系曲線如圖7所示。在相同壓實(shí)度下，含水率對(duì)內(nèi)摩擦角無(wú)明顯影響，隨著含水率的增大，內(nèi)摩擦角波動(dòng)極小，這表明：土顆粒間水膜的包裹作用對(duì)于減小顆粒間的嵌擠作用效果甚微，內(nèi)摩擦角主要與顆粒級(jí)配及壓實(shí)度有關(guān)[8]。

圖7 含水率與內(nèi)摩擦角的關(guān)系曲線

類(lèi)似地繪制內(nèi)摩擦角與壓實(shí)度的關(guān)系曲線，如圖8所示。砂性土填料的壓實(shí)度對(duì)其內(nèi)摩擦角影響很大，較高的壓實(shí)度能夠顯著提高砂性土填料的內(nèi)摩擦角。這表明：砂性土填料的內(nèi)摩擦角主要受壓實(shí)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(shí)，極大地提高了顆粒間的嵌擠作用，進(jìn)而增大了砂性土填料的內(nèi)摩擦角[9]。

圖8 壓實(shí)度與內(nèi)摩擦角關(guān)系曲線

4.2 含水率及壓實(shí)度對(duì)黏聚力的影響

根據(jù)表3數(shù)據(jù)，繪制含水率與黏聚力的關(guān)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(dá)到最大值。較低的含水率會(huì)導(dǎo)致土顆粒間毛細(xì)水壓力的喪失，進(jìn)而減小其黏聚力。當(dāng)含水率增大時(shí)，土顆粒間會(huì)出現(xiàn)似黏聚力現(xiàn)象，當(dāng)含水率進(jìn)一步增大時(shí)，土顆粒間的水膜變厚，不再具有似黏聚力現(xiàn)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(shí)際施工環(huán)境中，保持合適的含水率一定程度上能提高其路堤穩(wěn)定性。

類(lèi)似繪制壓實(shí)度與黏聚力的關(guān)系曲線如圖10所示。黏聚力隨壓實(shí)度的增大呈近似線性增長(zhǎng)，不同含水率下黏聚力隨壓實(shí)度的增長(zhǎng)規(guī)律基本一致。與含水率相比，壓實(shí)度對(duì)黏聚力的影響更大，這表明：較高的壓實(shí)度對(duì)砂性土填料抗剪強(qiáng)度的提高較為明顯。

圖9 含水率與黏聚力的關(guān)系曲線

圖10 壓實(shí)度與黏聚力的關(guān)系曲線

5 結(jié)論

本文以廈蓉高速漳州段砂性土填料為研究對(duì)象，首先通過(guò)顆粒篩分試驗(yàn)與擊實(shí)試驗(yàn)，確定其顆粒組成、最優(yōu)含水率與最大干密度。在此基礎(chǔ)上，對(duì)18組不同含水率及壓實(shí)度下的砂性土填料試樣，展開(kāi)室內(nèi)直剪試驗(yàn)。所得主要結(jié)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(yōu)含水率為10.2%；在設(shè)計(jì)壓實(shí)度與天然含水率條件下，其內(nèi)摩擦角為35.92°，黏聚力為5.29kPa。

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

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

參 考 文 獻(xiàn)

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

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

[3] 肖成志, 李曉峰, 張靜娟.壓實(shí)度和含水率對(duì)含砂粉土性質(zhì)的影響[J].深圳大學(xué)學(xué)報(bào)(理工版), 2017, 34(05): 501-508.

[4] 賈亮.蘭州地區(qū)壓實(shí)黃土抗剪強(qiáng)度影響因素探討[J].巖土工程學(xué)報(bào), 2014, 36(S2): 120-124.

[5] 甘文寧.紅砂巖細(xì)粒土抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)研究[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)(工程科學(xué)版), 2014, 46(S2): 70-75.

[6] 交通部公路科學(xué)研究院.公路土工試驗(yàn)規(guī)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?wèn)|, 岳磊, 李碩標(biāo).含水率對(duì)土石混合體力學(xué)特性影響的試驗(yàn)研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào), 2015, 23(01): 21-29.

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

[10] 王來(lái)貴, 張鵬, 李喜林.含水率及壓實(shí)度對(duì)排土場(chǎng)巖土抗剪強(qiáng)度的影響[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2015, 34(06): 699-703.