叶新—大叶公路路基土抗剪强度试验研究

朱 墩

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

0 引 言

本文依托项目为叶新—大叶公路（新工路—奉贤区界）道路改建工程。在《上海市骨干道路网深化规划》（2009）中提出的“14横16纵”的主要干线公路网布局中，东大—大叶—叶新公路是一条重要的横向干线公路。其西起沪浙省界，东至临港新城，全长86 km，是市域南部的一条重要的货运通道。

目前，该路段为双向两车道，相关配套设施建设较为滞后，大部分路线无雨、污水排水系统，且道路通行能力已逐渐不能满足交通通行的需求。因此计划对其进行升级改造，改造后等级为一级公路，设计时速80 km/h。工程建设内容包括改建工程、桥梁工程及排水工程等。

在进行道路扩建、桥梁、排水等工程的设计和施工前，需要对路基土的物理力学性质进行详细地研究。其中，抗剪强度参数黏聚力和内摩擦角是路基沉降以及稳定性计算的主要参数[1-3]，与路基土的密实度和天然状态关系密切。因此本文开展多组路基土的直接剪切试验，以研究压实度和含水率对路基土抗剪强度指标的影响规律。

1 研究区概况

1.1 自然地理环境

本项目工程沿线为松江区，位于上海市的西南部，地处黄浦江上游，长江三角洲要冲。地势东高西低，略呈倾斜，地形北狭南宽。

松江区地处长江三角洲，属北亚热带季风区域，雨热同期，雨水充沛，日照充足，无霜期长。全年平均气温约17.5℃，日照时数约1 780 h，降水量约1 360 mm。常年平均风速为3.1 m/s。夏季盛行东南风，冬季盛行西北风，年平均主导风向不明显。平均年际地表水径流量2.12亿m3，客水径流36.5亿m3，江潮径流量57.6亿m3。

1.2 工程地质条件

松江区地处长江三角洲前缘河口滨海平原，全区均为第四纪沉积物所覆盖，厚度在300 m左右，土层概况见表1。

2 物理力学试验研究

本项目路段（新工路—奉贤区界）路基土为粉质黏土，属于地层组合中的②1层。本章将对其开展物理性试验和直剪剪切试验，以研究压实度和初始含水率对其抗剪强度的影响。

2.1 物理性试验

进行直剪试验前，需获得路基土的物理性指标，作为直剪试验分组依据。按照《土工试验方法标准》（GB/T 50123—1999），采用烘干法测定路基土的天然含水率，环刀法测定天然密度，使用联合测定仪测定路基土的界限含水率，击实试验测定最大干密度[4]。试验结果见表2。

由表2可知，路基土天然含水率为29.5%；路基土天然密度为1.82 g/cm3，最大干密度为1.93 g/cm3，压实度为94%；路基土液限为31.8%，塑限为17.5%，塑性指数IP为14.3，表明路基土为粉质粘土。

表1 叶新-大叶公路地层概况

表2 路基土基本物理指标

2.2 直接剪切试验

为了研究路基土的强度特性，必须掌握压实度和含水率对其强度的影响。因此对路基粉质粘土重塑样开展直接剪切试验[5-7]。

2.2.1 取样及制样

（1）在现场选择合适路段，对路基土进行取样；

（2）在实验室内，对现场土样进行烘干、碾磨、过筛（2 mm标准筛），以备使用；

（3）按照要求的干密度和天然含水率，计算配样所需地基土和蒸馏水的质量，称量后混合二者，搅拌均匀后密封保湿24 h；

（4）使用击实器进行制样，按计算得到的质量，将土体装入制样器，进行击实制样；制样方法为单层击实法，可以保证试样的密度均匀一致，防止因为试样内部不均匀而产生的误差；

（5）制样采用的环刀规格为：高20 mm、直径61.8 mm。

2.2.2 试验方案

根据表2提供的路基土基本物性指标，设置直剪试验组数。共设置4个压实度4个含水率，16组试样，见表3。

表3 直剪试验试样组数设置

2.2.3 试验步骤

（1）制备试样，在环刀内壁涂抹凡士林；

（2）将环刀均匀压入土体之中，当试样超出环刀上缘一至二毫米时停止压入，再使用刮土刀对试样两端进行刮平；

（3）将剪切盒上下对齐，并插上定位销钉。刀口向上，将试样推入剪切盒中；

（4）再依次安装加压盖、钢珠等部件。试样安装完成后，确保上侧剪切盒和测力计处于接触状态；

（5）按照试验要求，对试样施加相应的垂直荷载，并调平杠杆，拔出定位销钉；

（6）荷载施加后，开始剪切试样，剪切速率设为0.8 mm/min；一般，试样将在三至五分钟发生剪切破坏；

（7）试样完成后，卸去试样上的垂直荷载。取出土样，清理剪切盒内余土，进行下一次试验。

2.2.4 试验结果

根据试验数据计算路基土的粘聚力和内摩擦角，见表4。

3 直剪试验结果分析

3.1 含水率对路基土抗剪强度参数的影响

根据直剪试验结果，绘制含水率与路基土黏聚力、内摩擦角的关系曲线，见图1、图2。

由图1可见，粉质粘土的粘聚力随初始含水率增大而不断减小，当含水率达到29%以上时，黏聚力减小趋势变缓；初始含水率由25%增大到31%，黏聚力由28.3 kPa减小到10.6 kPa。由图2可见，随着初始含水率的增大，内摩擦角也随之减小，但减小幅度不大；初始含水率由25%增大到31%，内摩擦角由19.1°减小到14.7°。

因此，路基土的初始含水率越高，抗剪强度指标越低，强度性质越差。其中，含水率对粘聚力的影响更明显，对内摩擦角的影响较小。

表4 路基土直剪试验强度指标

图1 黏聚力与初始含水率的关系曲线（压实度90%）

图2 内摩擦角与初始含水率的关系曲线（压实度90%）

3.2 压实度对路基土抗剪强度参数的影响

绘制压实度与路基土黏聚力、内摩擦角的关系曲线，见图3、图4。

图3 粘聚力与压实度的关系曲线（初始含水率25%）

图4 内摩擦角与压实度的关系曲线（初始含水率25%）

由图3可见，粉质黏土的黏聚力随压实度增大而不断增大；压实度由90%增大到96%，黏聚力由28.3 kPa增大到37.0 kPa。由图4可见，随着压实度的增大，内摩擦角也随之增大；初始含水率由25%增大到31%，内摩擦角由19.1°增大到32.9°。

因此，路基土的压实度越高，抗剪强度指标越高，强度性质越好。

4 结 论

直剪试验结果表明，路基土的初始含水率越高，抗剪强度指标越低，强度性质越差；其中，含水率对黏聚力的影响更显著，对内摩擦角的影响较小。路基土的压实度越高，抗剪强度指标越高，强度性质越好。

根据路基土的抗剪强度特性，道路改建时，为保证路面强度，防止路面出现工后沉降过大以及不均匀沉降等现象，在经济成本允许的情况下，应适当提高路基土的压实度，并设置排水工程，降低路基土的含水率。