对季冻区路基强度及稳定性的试验研究

李 晶

(黑龙江东方学院)

1 引 言

路基是公路工程的重要组成部分,它既是路面的主体,又是路面的基础,承受着本身岩土自重和路面重量以及由路面传递下来的行车荷载,其强度及稳定性不仅影响公路营运的安全,而且直接影响路面的工程质量,最终影响整个公路的使用品质。

处于季冻区的土基,伴随着土中水的冻结和融化,常发生冻胀和融沉两种地质冻害。冻胀现象的发生将导致土的体积膨胀,引起附加应力和变形;融沉现象使土基出现沉陷,同时使土体处于饱和或过饱和状态而引起地基承载力的降低。因此,研究季冻区土基的强度及稳定性,准确地评价土基的质量对保证道路使用品质至关重要。

松北区位于松花江哈尔滨城区段北岸,地处欧亚大陆东部的中高纬度,处于季节性冻土的分布区内,多年平均无霜期仅为 140 d,最大冻深大 1.95 m。随着该区的大规模建设,土基的强度和稳定性逐渐成为道路工作者关注的重点。本文以此为契机,着眼于该区内的已建道路,试验研究了该区的土基强度指标及稳定性,为该区的道路建设和进一步的理论研究打下了基础。

2 路基强度指标

2.1 CBR和回弹模量

CBR(California Bearing Ratio)即加州承载比,是用于评定路基土和路面材料强度的指标。路基的回弹模量表示路基土在弹性变形阶段内,在垂直荷载作用下,抵抗竖向变形的能力。

在研究路基强度指标之前,先进行了路基土基本物理性质的试验研究,经实验知路基土为低液限粉质粘土,天然含水率为 23.9%,密度 1.71 g/cm3,最佳含水率为 14.4%,最大干密度为 1.85 g/cm3。在试验研究路基填土的 CBR值和回弹模量时,按照公路土工试验规程(JTG E 40-2007)的相关要求,分别按照天然含水率和最佳含水率制备土样,浸水4 d后最终测得路基土的 CBR值分别为 6.6%和 3.1%,在P=100 kPa的最大单位压力下测得的路基回弹模量分别为36.6MPa和 15.8MPa。

从该试验结果可知,对于该区的低液限粉质粘土路基来说,当土中的含水率在接近其最佳含水率时,路基填料强度以及承载能力能够满足公路路基设计规范(JTG D 30-2004)及公路沥青路面设计规范(JTG D50-2006)中对一般等级公路路基强度的使用要求,但不足以适应重大交通量的荷载作用。

2.2 抗剪强度指标

土的抗剪强度是指土体抵抗剪切破坏的极限能力,是土的重要力学性质之一。在工程实践中常常需要计算路基的承载力、评价路基土的稳定性、预估填方或挖方边坡在外力和土体自重作用下的稳定性、以及计算挡土墙的土压力,这些都要用到土的抗剪强度指标,都需要测定土体的抗剪强度。

把莫尔 -库仑定律用于室内试验的研究,便可以得到工程设计中所需要的抗剪强度参数,指的是土的粘聚力C和内摩擦角。抗剪强度的试验方法有多种,在试验室常见的有直接剪切试验、三轴压缩试验、无侧限抗压试验、十字板试验;在现场原位测试的有十字板剪切试验、大型直接剪切试验等,本文中所涉及到的剪切试验结果均来自直接剪切试验方法。由直接剪切试验测得该区低液限粉质粘土的抗剪强度指标粘聚力为 118.49 kPa,内摩擦角为 29.8°,以作为进一步理论研究的试验基础。

3 冻融作用对土力学性质的影响

土的冻融作用是冻土力学与工程中的重要研究课题,研究发现冻融通过改变土的结构性从而改变土本身的性质。由于冻融作用改变了土的结构性,破坏了土颗粒间的联结力,使得冻融前后的力学性质会发生变化。冻融作用对土力学性质影响的研究主要集中在冻融前后土的回弹模量、抗剪强度及压缩性等方面。在本次试验研究中,考查的主要指标是土的回弹模量和抗剪强度两个方面。

以前的许多研究者都发现,经过很少几个冻融循环的作用,土的模量都会大幅度地降低,并且根据土性质的不同,土的模量会降低 25%～60%。对冻融作用对土的抗剪强度影响的研究要更多一些,但研究结果却差异很大,有研究发现冻融后土的强度有所增加;有研究发现冻融使得土强度有所降低;还有研究发现冻结前后土的强度基本保持不变;Aoyama等发现经过冻融土的粘聚力降低而内摩擦角变化很小;Ogata等对不同类型土的研究发现粘聚力降低而内摩擦角增大。

对松北区的路基填土进行冻融作用试验发现,在经过有限次的冻融循环后,随着冻融循环次数的增加,土中的含水量增加,使得土的密度迅速降低,导致路基土的承载能力不断下降,回弹模量随之减小,由初始的32.8MPa降低到 6次冻融循环后的 18.5MPa。在冻融作用对土抗剪强度的影响方面,随着冻融循环的进行,由于土中的含水率不断变大,粘聚力大幅度降低,由初始的 118.49 kPa降低到 6次冻融循环后的 40.95 kPa,而在粘聚力降低的同时内摩擦角却有明显的增大,由 29.1°增大到 6次冻融循环后的 37.2°。

4 结 论

现有的室内试验结果表明,尽管该区的路基填筑材料,在达到标准压实度的情况下,路基填料的强度及承载能力能够满足该区一般等级道路的使用要求,但也发现该区的路基填土性质易受季节及区内地下水位变化的影响,路基的强度及稳定性都有明显的变化,在发展道路工程建设过程中应重视在能够引起土中含水率变化因素方面的相关研究。

冻融作用对土力学性质影响的研究,在分析季冻区路基稳定性中起着举足轻重的作用。因此,在研究季冻区土质路基强度和稳定性及评价路基质量的过程中,进一步深入地试验研究并理论分析冻融作用对土力学性质的影响,对该区经济建设、道路工程建设以及与之有关的环境保护、土壤水分保持等都具有十分重要的实践意义。

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