压实度和围压对路基压实黏质土抗剪强度的影响

黄子馨，张互助，胡 晗，李达凯

(吉林建筑大学 交通科学与工程学院，吉林 长春 130118)

0 前 言

土是由地壳表层的整体岩石经风化作用而形成的一种松散矿物颗粒或岩屑集合体，储量丰富且具有一定的力学强度，在工程建设中广泛地被作为建筑材料、建筑物地基或是建筑物周围介质使用[1]。因此，许多工程问题都与土的工程性质和力学性能密不可分。对于路基工程来说，抗剪强度作为土体抵抗剪切破坏能力的表征，是边坡稳定性分析、承载能力评价和支挡结构物土压力计算的重要参数[2-4]。由于土体状态以及周围环境的不同，土的性质变得十分复杂，力学特性尤其为甚。因此，正确可靠地评价路基压实土的抗剪强度特性对于指导路基工程设计与施工、保证路基结构强度与稳定性具有重要的理论意义及工程实用价值。

路基压实土抗剪强度特性的影响因素主要有土质类别、含水率、压实度和应力状态等[5-8]。目前的研究主要集中在含水率和压实度对压实土抗剪强度参数的影响方面[7-13]，对于直接体现路基承载能力的抗剪强度的研究鲜有涉及[5,14]。为此，本文拟以分布广泛并在路基工程中应用较为普遍的黏质土作为研究对象，考虑路基工程压实度要求、使用期含水率状况以及路基应力状态的影响，对不同含水率、不同压实度与不同围压水平下的试验试件进行系统的三轴压缩试验，根据土的极限平衡理论计算确定各工况下路基压实黏质土的抗剪强度，分析路基压实黏质土抗剪强度随压实度以及围压的变化规律及作用机理，以为路基工程设计与施工实践提供理论依据与参考。

1 试验用土与试验方案

1.1 试验用土

试验所用的土为取自东北季节性冰冻地区某道路工程建设项目取土场的黏质土，颗粒粒径分布曲线见图1。

图1 土体颗粒级配曲线

1.2 试验方案

最佳含水率状态下填筑完成的路基，在使用期间其含水率会因所处环境而发生变化，已有研究表明路基含水率的变化范围大致在7.4%～28.5%[15]，而路基压实度一般根据道路等级和部位不同的要求为90%～100%[16]。为了全面地研究压实度以及土体应力状态变化条件下路基压实黏质土的抗剪强度特性以及更好地模拟路基的实际工作状况，试验分9.3%、12.3%、15.3%、18.3%和21.3% 5个含水率水平，85%、90%、93%、96%和99% 5个压实度水平以及100、200、300 kPa 三个围压水平进行，共计75组。

1.3 试验方法

将试验用土风干、粉碎并过筛后，按试验要求达到的含水率与压实度采用静力压实法成型尺寸为Ф39.1mm×80mm的圆柱形试验试件，采用TSZ-1B全自动三轴仪对试验方案设计的土样进行三轴压缩试验，以测试确定路基压实黏质土的抗剪强度。本次试验采用不固结不排水试验方法，剪切速率0.08 mm/min，以主应力差的峰值为破坏点，无峰值时取15%轴向应变时的主应力差值作为破坏点。试验数据采用计算机程序自动采集并处理，可获得不同试验条件下土的剪切峰值、粘聚力和内摩擦角等力学参数，然后根据土的极限平衡理论即可按式(1)计算确定土的抗剪强度。

(1)

式中，τf为土的抗剪强度；σ1、σ3分别为极限平衡状态下的大主应力与小主应力；c、φ分别为土的粘聚力与内摩擦角。

2 试验结果与分析

2.1 压实度对抗剪强度的影响

路基压实黏质土的抗剪强度随压实度的变化曲线如图2所示。由图2可见，不同围压与不同含水率水平下，抗剪强度随压实度的增加而非线性递增，增幅随含水率的增加而趋于平缓，其中压实度小于93%时增加缓慢，大于93%时增加较快。以围压σ3=200 kPa的试验结果为例，含水率为9.3%时，压实度由85%增加至99%时，抗剪强度增加了160.8%，而含水率为21.3%时增幅仅为38.1%；当含水率为12.3%时，压实度介于85%～93%时压实度每增加1%，抗剪强度增加1.67 kPa，而93%～99%压实度时的增幅高达4.89 kPa。由此可见，压实度对路基压实黏质土抗剪强度的影响，偏干状态比偏湿状态明显，密实状态比疏松状态明显。其原因在于 压实度的增加将使路基压实土颗粒变得更为紧密，土粒间距缩小，这时通过公共结合水膜的水胶联结作用就逐渐增强，抗剪强度相应增大；含水率较大时，结合水膜较厚，甚至于出现了毛细水及自由水，从而减弱了因土粒间距缩小而引起的水胶联结增强效应，使压实度对路基压实土抗剪强度的影响变得不是那么显著。

图2 抗剪强度和压实度的关系曲线

通过对不同围压与不同含水率水平下抗剪强度随压实度变化趋势的分析，拟采用公式(2)对试验结果进行回归分析，结果见表1。由表1可见，不同围压与不同含水率水平下的抗剪强度均与压实度呈指数函数关系，拟合方程的相关系数均在0.93以上，能够较好地反映抗剪强度与压实度的函数关系。

表1 抗剪强度随压实度变化的拟合结果

τf=aebK

(2)

式中，K为路基压实黏质土的压实度；a、b为拟合系数。

2.2 围压对抗剪强度的影响

路基压实黏质土的抗剪强度随围压的变化曲线如图3所示。

图3 抗剪强度和围压的关系曲线

由图3可见，不同压实度与不同含水率水平下的抗剪强度均随围压的增加线性递增。其中，同一压实度条件下含水率小的增幅较大，含水率大的增幅平缓；同一含水率条件下压实度较大的增加较快。其原因为随着试验围压的增大，不断增强的侧向约束作用限制了土体的侧向变形，外力作用使得内部土体颗粒接触不断加密，结合水膜的联结作用增强，抗剪强度随之不断提高。当土体处于较高压实度和较低含水率水平时，土体内部颗粒间距较小或是结合水膜较薄，围压的侧向约束作用对土粒联结作用影响明显，从而表现为围压对路基压实黏质土抗剪强度的影响，密实状态比疏松状态明显，偏干状态比偏湿状态明显。

为了考察抗剪强度与围压的线性相关程度，采用公式(3)对试验结果进行线性拟合，计算结果如表2所示。由表2可见，各压实度与含水率水平下拟合方程的相关系数均在0.95以上，说明抗剪强度与围压的线性相关程度较高。

表2 抗剪强度随围压变化的拟合结果

τf=aσ3+b

(3)

式中，σ3为围压；a、b为拟合系数。

3 结 论

1)压实度和围压对路基压实黏质土的抗剪强度影响均较显著，抗剪强度随压实度和围压的增加而递增。

2)压实度和围压对路基压实黏质土抗剪强度的影响均为密实状态比疏松状态明显，偏干状态比偏湿状态明显。

3)路基压实黏质土的的抗剪强度与压实度及围压具有较好的相关性，其中抗剪强度与压实度呈指数函数关系，与围压呈线性函数关系。

4)适当提高施工压实标准、采取必要的侧限措施可显著提高路基承载能力。

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