基于三轴压缩试验的黏土抗剪强度影响因素研究

张卫兵，莫剑鹏，容贤沂，唐明亮

(1.广西新发展交通集团有限公司，广西 南宁 530029；2.广西交科集团有限公司，广西 南宁 530007)

0 引言

路基承载力是影响路基稳定性的重要影响因子，而路基土体的抗剪强度是评价路基承载力的重要指标之一[1]。路基抗剪强度的大小关系到道路施工的成败及运营的稳定性。因此，在路基施工开工前要进行严格的检测，防止由于路基土体强度的原因导致施工水平位移、路基过度沉降等问题[2]。

影响路基抗剪强度的因素主要有土壤质地、土壤含水率、压实度、应力水平[3-6]等。而在固定工程场地情况下，用原有土体进行路基施工，可以大大降低路基施工成本，这就在固定场地情况下限定了土质类别，此时研究其抗剪强度就需要从土体含水率、压实度及土体应力水平三个方面去考虑。土体含水率与压实度对土体抗剪强度的研究多借助于三轴压缩试验[7-9]，本文同样是依据三轴压缩试验，对吉林省扶余市某道路工程的粉质黏土进行不同压实度、含水率及应力水平的三轴压缩试验，明确不同压实度、含水率及应力水平的路基土体抗剪强度特征，为工程实际施工提供指导。

1 三轴压缩试验

1.1 试验原材料

试验用土取自吉林省扶余市某高速路建设工程K28+000～K28+250路段(北纬44.896 400°，东经126.559 120°，海拔210 m)，其最佳含水率为15.1%，液限为31.50%，塑限为20.20%，塑性指数为11.30%。颗粒分布曲线见图1。

图1 土体颗粒级配曲线图

1.2 试验方案

相关研究表明，道路运营期间，其路基含水率的变化多处在8.0%～29.0%。按国家标准，路基压实度根据道路等级及部位的不同，取值在90%～99%。而应用三轴压缩试验测量路基土体抗剪强度时，为了符合道路运营期的实际应力情况，围压取值范围为90～320 kPa。本研究设计5个含水率水平、4个压实度水平、3个围压水平，共计72组试验，每组试验设置水平试验，保障结果准确性，具体方案见表1。

表1 三轴压缩试验的方案表

1.3 试验方法

试验使用TSZ-1A型应变控制式三轴仪(最大载荷为10 kN，围压为0～2.0 MPa)，试样为φ39.1 mm×80 mm的土柱，根据试验仪器提供的参数，可以计算土体的抗剪强度。计算公式如下：

(1)

式中：τ——土的抗剪强度；

σ1和σ3——极限平衡状态下轴向主应力与围压应力；

c和φ——土的粘聚力和内摩擦角。

2 试验结果及分析

2.1 含水率及压实度对黏土抗剪强度的影响分析

含水率及压实度对试验土体抗剪强度的影响如图2所示。可知，在3个围压水平及4个压实度水平下，试样的抗剪强度受含水率影响的趋势一致，皆为随着含水率的增大而减小，且压实度越大的试样随含水率增加时的抗剪强度减小的幅度越大，当试样含水率大于最佳含水率15.1%时，抗剪强度随含水率增加而降低的幅度减缓。

以围压σ3=300 kPa为例，当压实度为99%，含水率由9.1%增加至15.1%时，抗剪强度由164.00 kPa减小为64.55 kPa；而含水率由15.1%增加至21.1%时，抗剪强度由64.55 kPa减小为21.16 kPa。由此可见，在到达最佳含水率15.1%之前，随含水率的增加抗剪强度减小幅度越大，而试样含水率>15.1%时，则抗剪强度的减小幅度降低。

(a)围压100 kPa

以围压σ3=100 kPa为例，当压实度为99%，含水率由9.1%增加至15.1%时，抗剪强度由143.07 kPa减小为52.49 kPa；当压实度为90%，含水率由9.1%增加至15.1%时，抗剪强度由49.95 kPa减小为25.40 kPa。上述结果说明，相对于低压实度，含水率对高压实度土体抗剪强度的影响更为明显。产生上述结果的原因可从三轴压缩试验数据计算公式式(1)的含义进行分析。由式(1)可知，土的抗剪强度主要由土粘聚力c、土内摩擦角φ、土所受的轴向主应力σ1和围压σ3控制，三轴压缩试验中可以明确σ1和σ3，这里不作进一步分析。路基土体是由土粒、水、气三相组成的单元，当含水率较低，而压实度大的情况下，土颗粒周围水膜较薄，润滑作用不明显，表现为土内摩擦力较大，土内摩擦角φ较大，抵抗剪切力的能力较强，所以抗剪强度较高。随着含水率升高，土颗粒周围的水膜越来越厚，润滑作用增强，土体内摩擦力减弱，表现为土体的抗剪强度逐渐降低。而随着含水率到达最佳含水率15.1%，由水提供的粘聚力c的影响达到顶峰，甚至出现自由水，达到最优含水率，随着含水率的增加，抗剪强度的减小逐渐趋于平缓。当压实度较大时，土颗粒距离较近，结合水膜较薄，这时相对于压实度较小(土颗粒距离较远的土体)而言，含水率的变化导致更密实土体的粘聚力c和内摩擦角φ变化更大，含水率增加导致的润滑现象更明显。因此，含水率对高压实度土体抗剪强度的影响更为明显。

2.2 围压对黏土抗剪强度的影响分析

图3展示了围压对试样土体抗剪强度的影响。由图3可知，对于压实度为90%和压实度为99%的试样土柱，在含水率为15.1%、18.1%、21.1%三种情况下，其压实度都随着围压先增大后减小，以含水率18.1%的试样土柱为例，在压实度为90%时，在围压为100 kPa、200 kPa、300 kPa的情况下，其对应的抗剪强度分别为17.78 kPa、21.44 kPa、20.11 kPa；在压实度为99%，围压为100 kPa、200 kPa、300 kPa的情况下对应的抗剪强度分别为32.17 kPa、42.33 kPa、38.19 kPa。产生上述情况的原因是：在围压为100～200 kPa之间，轴向主应力作用产生的侧向压力限制了试验土柱的变形；而在围压为200～300 kPa之间，轴向主应力增大使得前侧向压力过大，从而导致了试样土柱的侧向变形，导致土柱中土颗粒的结构发生了变化，进而影响了土体内摩擦角和粘聚力，因此降低了土体的抗剪强度。

(a)压实度90%

2.3 含水率与抗剪强度的函数关系

从前文的研究结果可以发现，在符合道路施工标准的围压以及压实度作用下，含水率的变化对土体抗剪强度的影响要大于压实度及围压产生的影响。因此，建立土体含水率与其抗剪强度的函数关系可以进一步帮助学者探究含水率与土体抗剪强度的宏观联系，这对于根据土体干湿程度判断土体抗剪强度具有定量化作用。本文对于200 kPa围压下不同压实度、不同含水率的试验土柱的抗剪强度，采用式(2)进行回归分析，拟合结果见后页表2。结果显示，不同压实度情况下抗剪强度与含水率的拟合方程相关系数达0.97以上。能够很好地拟合抗剪强度与含水率的函数关系。这有助于在实际工程中，在确定工程压实度时，由路基含水率判断其实际抗剪强度的变化。

τ=AeBw

(2)

式中：τ和w分别是土体的抗剪强度及含水率；A和B为拟合参数，其具体取值可见表2。

表2 200 kPa围压下土体含水率与抗剪强度拟合结果表

3 结语

本文以扶余市某道路路基的粉质黏土为研究对象，以三轴压缩试验为测试手段，研究了在符合道路施工标准情况下，土体压实度、围压及含水率对土体抗剪强度的影响。研究结果表明：

(1)在符合施工标准情况下，相对于压实度和围压，粉质黏土路基土体的含水率是土体抗剪强度的主要影响因素，且抗剪强度与土体含水率呈现指数关系。

(2)含水率对路基土的抗剪强度的影响因土体压实状态的不同而变化，相对于低压实度土体，高压实度土体因含水率变化引起的抗剪强度变化幅度更大。

(3)含水率对路基土的抗剪强度影响程度因土体干湿状态的不同而不同，相对于高含水率土体，低含水率土体因含水率变化引起的抗剪强度变化幅度更大。