粘性土含水率及压实度对抗剪强度参数影响研究

王 辉

(石家庄市轨道交通有限责任公司)

1 引 言

随着国家高速公路建设的进一步推进，出现了越来越多的高填深挖路基边坡，其稳定问题日渐突出;同时，早期建成通车的部分路段边坡发生滑塌，造成了较大的经济损失。因此深入研究路基边坡的稳定性问题越发显得重要，土的抗剪强度参数粘聚力(c)和内摩擦角(φ)是完成边坡稳定计算的主要参数，一般通过直剪和三轴试验得到，且其随着自然环境和施工条件的改变而不同，因此研究土体含水率和压实度对细粒土的c、φ 影响不仅能够为分析土体边坡稳定性计算提供可靠参数，而且对工程设计和施工具有重要指导意义。

2 土的物理特性研究

按照《公路土工试验规程》(JTG E40－2007)规定，对土样进行了土的颗粒分析试验，根据试验结果划分了土的类别;采用液限塑限联合测定法测定了土的液限和塑限;采用重型击实试验方法确定土的最佳含水量和最大干密度。最终试验结果见表1，可判断此土样为中液限粘性土。

表1 土样的工程性质

3 土的三轴剪切试验

3.1 试验原理及方法

测定土的抗剪强度参数试验可分为不固结不排水剪、固结不排水剪和固结排水剪的试验。其中不固结不排水(UU)试验是在施加周围压力和增加轴向压力直至破坏过程中均不允许试样排水，本试验采用此种试验方法。

设剪切破坏时轴向加荷系统加在试样上的竖向压应力(称为偏应力)为Δσ1，则试样上的大主应力为σ1=σ3+Δσ1，而小主应力为σ3，据此可作出一个极限应力圆。用同一种土样的若干个试件(一般3～4 个)分别在不同的周围压力σ3下进行试验，可得一组极限应力圆。作出这些极限应力圆的公切线，即为该土样的抗剪强度包络线，据此可求得土样的抗剪强度指标c，φ 值。

结合工程实际，本试验选取4 种含水率(10%，12%，14%，16%)及3 种压实度(90%、93%、95%)的进行试验，围压分别为100 kPa、200 kPa、300 kPa。

3.2 试验结果及分析

(1)粘聚力与内摩擦角值计算。

本次多组试验的结果如表2，图1 是对应含水率为10%和压实度为90%的试样的破坏应力圆包络线图。绘出试样在不同周围应力下的破坏应力圆，并绘出三个应力圆的公切线，可得土样的内摩擦角和粘聚力。

表2 试样在不同含水率和压实度下的c、φ

图1 试样的不固结不排水剪强度包线

(2)结果分析。

按控制变量法把试验结果做成关系曲线图分析单一变量对c、φ 的影响。

如图2 所示，显示了含水率和内摩擦角φ 的关系曲线。随着含水率的增加，内摩擦角先是增加，在最佳含水率附近达到最大值，随后逐渐减小。这与含水率与干密度的关系曲线相似。同时由图可知，95%压实度下的φ 大于93%压实度下的φ，93%下的φ 大于90%。也就是说土的密度与内摩擦角φ 也有一定的关系，具有近似直线的关系。这与刘剑旗等的观点一致。

图3 显示了压实度和内摩擦角φ 的关系。由图可知，随着压实度的增加，内摩擦角φ 也增加，并且在含水率为12%时内摩擦角φ 最大。可见，不同压实度的土样有着不同的φ，进而影响着路基边坡的稳定性。

图2 含水率与φ 关系图

图3 压实度与φ 关系图

含水率与粘聚力的关系图见图4。随着含水率的增加，粘聚力逐渐减小，压实度影响较小。粘聚力分为原始粘聚力和固化粘聚力。含水率只能影响土的原始粘聚力，土的含水率越小，土的密度越大，原始粘聚力就越大。含水率并不是越小越好，因为含水率还影响着土的内摩擦角，因此一般在填筑路基时尽量取用土的最佳含水率。

图4 含水率与粘聚力c 的关系图

4 结 论

通过土的筛分试验和液塑限试验对土样进行工程分类，土样为粘质土;击实试验得到土的最大干密度及对应的最佳含水率;并测定了不同含水率和压实度的试样得到含水率和压实度对内摩擦角φ 和粘聚力c 的影响，主要得到以下结论。

(1)随着含水率的增加，内摩擦角φ 先增大后减小，在12%左右达到最大值。与含水率与干密度的关系曲线相似。95%压实度下的φ 值大于93%压实度下的φ 值，93%压实度下的值大于压实度为90%的φ 值。

(2)随着压实度的增加，内摩擦角φ 逐渐增加，并且在含水率为12%时内摩擦角最大。随着含水率的增加，粘聚力c 逐渐减小，压实度对c 的影响较小。

(3)为了使土坡的稳定系数较大，填土应控制其含水率在12%左右，压实度应尽可能的大，但考虑到土体压实的经济性，对不同的土体，应分别考虑，取合适的压实度。

［1］赵瑜，王铁成，李维朝，等.高速公路滑坡稳定性评价及其治理模拟［J］.岩石力学与工程学报，2008 ，27(11):2341－2346.

［2］吴玉辉，侯晋芳，闫澍旺.软土地基稳定性计算中抗剪强度指标的相关分析［J］.水利学报，2001，42(1):76－80.

［3］陈辉，雷胜友.土的击实试验影响因素［J］.建筑科学与工程学报，2005，22(2):69－71.

［4］李建中，彭芳乐，龙冈文夫.不同含水率粘土在不同试验条件下的应力—应变特性［J］.岩土工程学报，2006，28(3):343－347.