含水率和压实度对路基填土力学特性的影响

袁俊平,詹 斌,陈胜超,李康波

(1.河海大学岩土工程研究所,江苏 南京 210098;2.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室,江苏 南京 210098)

0 引 言

近年来,伴随着我国高速公路建设的快速发展,在路基工程中常常会开山填洼,人工造地,因此对压实填土工程特性的研究也越来越多。不同于原状土或天然土,路基填土在工程使用中改变了其原有的结构和物理力学状态,其力学特性也发生变化。对于路基而言,工程所关心的问题是稳定和沉降,其实质是路基土的强度与变形的问题[1]。因此将强度及变形指标作为反映填土工程质量的标准,已成为填土施工质量检测技术的发展方向[2]。

关于含水率和压实度对土体力学性质的影响,国内外学者已进行过诸多研究。Lambe[3]对粘性土进行了试验,指出在压实能和压实度相同的条件下,在含水率 ω小于最优含水率 ωop时比ω＞ωop时土体结构更趋于絮凝式,这使得前者比后者具有更高的强度、较低的侧限压缩(限于较低应力水平)和较高的渗透性。Micheals[4]在对非饱和压实粘土的试验中观察到,当含水率小于最优含水率时,随着含水率的减少,粘聚力c也减小。王林浩[2]对压实黄土状填土抗剪强度指标c、φ的变化趋势进行统计分析发现,含水率不变时,压实黄土状粉土的c、φ值均呈现出随压实度的增加而增大的趋势;压实度不变时,c、φ值均随含水率增大而减小。刘峰[5]提出对于重塑膨胀土,压实度在较低含水率下对抗剪强度有较大影响,但随着含水率的增大,这种影响很快减小。胡海英[6]对黏性土进行试验得到了 c、φ均随压实度增加而增大的结论。宋晓晨[7]对大连机场升降带回填土的研究表明,压实填土含水率在11.0%～16.9%范围内时,粘聚力与内摩擦角均随压实度增加而增大。陈开圣[8]对高速公路压实黄土进行压缩特性的试验研究发现,当含水率低于最优含水率时,压缩系数随含水率的增加增长幅度不大;当含水率超过最佳含水率2%～3%后,压缩系数随含水率的增加增长幅度迅速变大。可见以往研究多集中于对特殊土压实后工程性质的讨论,对压实土力学性质变化规律及机理未形成共识。

土体抗剪强度和变形参数与其物理状态密切相关,在常规尺度的连续介质概念框架内,土的物理状态取决于水分状态和密度状态。因此,某种意义上,水分状态与密度状态的不同组合决定了土体的不同力学特性。路基工程中,含水率和压实度是施工中的两个重要控制参数,压实度和含水率对抗剪强度和压缩特性参数的影响及如何根据强度和变形参数选取合理压实度和含水率来控制土体压实质量的研究尚不多见。本文选取某工程路基填土进行了直剪和压缩试验,对压实后土体的强度特性和压缩特性进行了分析,对含水率和压实度变化条件下土体抗剪强度和压缩特性的变化规律和内在机理进行了探讨。

1 试验研究

1.1 试验材料

试验用土取自南通204国道扩建工程如皋段RG7标段(K821+880～K822+000),土样的基本物理性质指标见表1,颗粒分析曲线见图1。

表1 试验用土物理性质指标

图1 土体颗粒分析曲线

1.2 试样制备

试验全部采用重塑土样,将所用路基填土风干、碾碎、过2mm筛后,配制成目标含水率为12.2%、14.2%、16.2%(最优含水率)、18.2%、20.2%的 5种土料,在每种含水率下制备压实度为90%、93%、96%、99%的4种试样分别进行直剪和压缩试验,每种试验各20组。试样采用压实法制备,具体方法参照《土工试验方法标准》[9]进行。

1.3 直剪试验

实验采用应变控制式直剪仪,试样尺寸高20mm,直径61.8mm。试验时将备好的试样装入直剪仪的剪力盒中,试样上下两面均依次为湿滤纸(其含水率尽可能接近试样含水率)和透水石。直剪盒上的活塞周围用与试样含水率相近的湿棉花围住,以防止试验过程中试样水分发生较大变化。试样装好后加载固结,每组试验有4个试样,分别在100 kPa,200 kPa,300 kPa和400 kPa的垂直压力下固结,24 h后固结稳定后(即每小时垂直变形不超过0.005mm),以0.8mm/min～1.2mm/min的速率进行剪切,使试样在3 min～5 min内剪破。

1.4 压缩试验

实验采用固结仪,试样尺寸高20mm,直径61.8mm。试验时将备好的试样装入固结仪,周围用与试样含水率相近的湿棉花围住,尽可能避免试样与外界进行水气交换。试样装好后逐级施加荷载,加压等级分别为 12.5 kPa、25 kPa、50 kPa、100 kPa、200 kPa,每级荷载下压缩24 h后变形趋于稳定(即变形小于0.005mm/h)时再施加下一级荷载。

2 试验结果分析

2.1 直剪试验结果分析

2.1.1 土体粘聚力变化规律

图2给出了粘聚力随压实度变化曲线。可以看出,在相同初始含水率下,粘聚力 c随着压实度K的增加呈增大趋势。对比5种不同含水率下的c-K曲线,同一压实度下,最优含水率时粘聚力最大。图3为c-ω关系曲线,可见,粘聚力c在最优含水率ωop附近取得峰值,当 ω＜ωop时,随着 ω的增加c增加;ω＞ωop时,随 ω的增加c迅速降低,且压实度越大 c降低得越快。压实度K=90%,含水率从16.2%到18.2%,c从30.36 kPa降到24.04 kPa,降低6.32 kPa;压实度为 K=99%,同样含水率从16.2%到18.2%,c从71.00 kPa降到 46.30 kPa降低了24.70 kPa。

图2 粘聚力c随压实度K变化曲线

从c-ω曲线可知,在相同压实度条件下,含水率 ω＜ωop时的粘聚力大于ω＞ωop的粘聚力。上述现象可从土体粘聚力的组成来分析:

式中:c1为因颗粒间的胶合作用而产生的强度;c2为因颗粒间的万有引力而产生的强度;c3为因土中水的作用而使土颗粒形成的凝聚强度。

对于压实土体来说,c1的作用是可以忽略的。而c2基本不受含水率变化的影响。土体含水率变化时,只有 c3会发生变化。当含水率较小时,土中水主要表现为结合水,土颗粒表面结合水膜所产生的表面张力使土粒有相互压紧的趋势。当含水率达到最优含水率时,结合水的表面张力也达到最大,此时c3达到最大值,综合表现为c值达到最大。若含水率进一步增大,结合水膜变薄甚至消失,表面张力作用也迅速减小,从而c3急剧降低。

图3 粘聚力c随含水率ω变化曲线

文献[10]在对南沙软土和广州的粉质粘土进行强度特性的试验中,从孔隙液离子浓度、颗粒表面微电场等微观角度分析,也得到了类似的结论。

2.1.2 土体内摩擦角变化规律

图4给出了内摩擦角随压实度变化曲线。可以看出,在同一初始含水率下,内摩擦角 φ随着压实度的增大而增大,这主要是由于随着压实度的增大,土粒间的接触更加紧密,克服颗粒间相对运动所需外力也越大的缘故。对比5种不同含水率下的 φ-K曲线,可以发现,ω＞ωop情况下内摩擦角的增长幅度更大,究其原因:当含水率较低时,土中水主要以结合水形式存在,且结合水膜比较薄,压实程度对水膜的厚度的影响较小,表现为K对φ的影响较小;当含水率较高时(大于最优含水率),压实度较小时,土颗粒之间距离较大,土粒周围结合水膜润滑作用使得 φ较小,随着压实度增大,颗粒间距减小,结合水膜变薄,其润滑作用减弱,内摩擦角 φ随之增大。

图5是内摩擦角随含水率的变化曲线。可以看出,在相同压实度下,当 ω＜ωop时,内摩擦角 φ随着含水率的增大而减小,但是当 ω＞ωop时,φ随含水率的变化不明显。其原因是当土体含水率较小时,土中的水主要以颗粒周围的结合水膜的形式存在(强结合水膜和弱结合水膜)。其中,弱结合水膜中的水分子可沿土粒表面移动,对土粒间的相对运动起润滑作用,强结合水膜中的水分子不能移动。内摩擦角φ是土粒间相对运动时摩擦情况的综合反映,随着含水率的增大,弱结合水膜急剧变厚,故土体剪切时土粒间的摩擦作用急剧减小,表现为 φ随含水率的增加而急剧减小,当含水率达到最优含水率时,结合水膜最厚。若含水率继续增大,则增加的水分主要以自由水方式存在于孔隙中,对土粒间的相对运动不再起明显的润滑作用,即表现为 φ随ω的变化趋于平缓。

图4 内摩擦角φ随压实度K变化曲线

图5 内摩擦角φ随含水率ω变化曲线

含水率和压实度对压实填土抗剪强度参数的影响以及压实土体在高于和低于最优含水率表现出不同力学特性的现象,与土体结构和土中水的分布是密切相关的。不同初始含水率下具有相同压实度的填土,虽然孔隙比相同,但土体结构和土中水的分布均不相同。研究表明,土体结构中通常存在两种形态[11]:被较大孔隙分开的团粒结构以及团粒内的结构,土中孔隙也相应地可分为团粒之间的较大孔隙和团粒内的较小孔隙。当含水率小于最优含水率时,土中这两种结构和孔隙往往同时存在,特别是由于土体饱和度低,土的基质吸力大,从而土体结构中存在着大的团粒结构(类似于粗颗粒),土体受剪时,表现出较大的粘聚力和内摩擦角;当含水率大于最优含水率以后,在压实过程中,由于颗粒间摩擦阻力较小,容易形成较均匀的土体结构,团粒间的孔隙大小与团粒内的孔隙大小相差不大,同时,土体基质吸力随含水率(饱和度)的增大而减小,从而表现出土体抗剪强度参数也减小。

2.2 压缩试验结果分析

图6给出了压缩系数随压实度变化曲线。可以看出,压缩系数随压实度的增大而减小,且当 ω＞ωop时,压缩系数受压实度的影响变化较大。图7是压缩系数随含水率变化曲线,可以看出,压缩系数随含水率的增加而增大,并且这种变化仅明显表现在ω＞ωop时。

图6 压缩系数与压实度的关系曲线

图7 压缩系数与含水率的关系曲线

压缩系数反应了土体抵抗变形的能力,填土在不同初始含水率下压实将会产生不同的土体结构,从而导致了土体变形特性的显著差异。Lambe[3]指出,在低于最优含水率下压实的粘性填土结构呈絮凝式,颗粒间排列呈“桁架式”,颗粒间联结力较强,所以表现出抵抗变形的能力大,压缩系数随着压实度的变化不显著;当含水率大于最优含水率时,粘性填土颗粒的定向性增强,结构向分散式发展,颗粒间联结力变弱,土体更容易压缩。

3 结 论

本文选取某工程路基填土进行了不同初始含水率和压实度条件下的直剪和压缩试验,分析了压实土体强度和压缩特性的变化规律,从水分变化和土体结构差异的角度探讨了内在机理。研究主要结论如下:

(1)初始含水率相同时,压实填土的粘聚力随压实度的增大而增大;当压实度相同时,粘聚力在最优含水率附近出现峰值,当含水率 ω＞ωop时,粘聚力急剧减小。

(2)初始含水率相同时,压实填土的内摩擦角随压实度的增大而增大;压实度相同时,若 ω＜ωop,内摩擦角随含水率的增大显著减小,而 ω＞ωop时,这种减小不显著。

(3)压实填土的压缩系数随压实度的增大而减小,当 ω＞ωop时,受压实度的影响变化较大;压缩系数随含水率的增大而增大,仅当 ω＞ωop时,才出现较明显的这种增大变化。

(4)压实土体抗剪强度和压缩特性在高于和低于最优含水率时表现出来的不同性状,与土体结构和土中水的分布密切相关。在实际工程中,控制路基压实质量时,严格控制土体含水率在最优含水率附近,是获得较高强度、较小压缩性土体的最经济途径。

[1]邹维列,谢 妮,齐广洲,等.非饱和路基粘土强度与变形特性的三轴试验研究[J].水利与建筑工程学报,2010,8(4):24-28.

[2]王林浩,白晓红,冯俊琴,等.压实黄土状填土抗剪强度指标的影响因素探讨[J].岩土工程学报,2010,32(S2):132-135.

[3]Lambe T W.The engineering behavior of compacted clay[J].Journal of the Soil Mechanics and Foundation Division,ASCE,1958,184(2):46-55.

[4]Mitchell JK.Fundamentals of soil behavior[M].New York:John Wiley&Sons,Inc,1976.

[5]刘 锋.重塑膨胀土的抗剪强度实验研究[J].株洲工学院学报,2006,20(4):94-96.

[6]胡海英,王 钊.珞珈山粘土压缩性的试验研究[J].重庆建筑大学学报,2007,29(5):66-70.

[7]宋晓晨.大连机场升降带回填土力学特性试验研究[D].大连:大连理工大学,2007.

[8]陈开圣,沙爱民.压实黄土变形特性[J].岩土力学,2010,31(4):1023-1029.

[9]中华人民共和国水利部.GB/T 50123-1999土工试验方法标准[S].北京:中国计划出版社,1999.

[10]梁健伟.软土变形和渗流特性的试验研究与微细观参数的分析[D].广州:华南理工大学,2010.

[11]Siva Kumar V,Wheeler S J.Influence of compaction procedure on the mechanical behavior of an unsaturated compacted clay,Part 1:Wetting and isotropic compression[J].Geotechnique,2000,50(4):77-86.