晋北黄土路堤填料力学特性研究

牛力强

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

0 引言

黄土地区土性区域化分布较为显著，以山西境内黄土分布为例，从南到北黄土黏粒成分逐渐减少，砂粒成分逐渐增多，同时由于不同类型的黄土具有不同的易溶盐、石膏和碳酸钙含量，因此黄土填料的工程性质也差异较大[1-2]。采用黄土作为路堤填料时，如果设计参数取值稍有偏差，就有可能造成路堤沉降甚至滑塌破坏[3-4]。

通过对山西境内孙启庄—大同、夏家营—汾阳、大同—新广武、得胜口—大同、太原—阳泉5条高速公路路基路面病害情况调查结果显示，通车运营后的3～5年内高填方路堤沉陷现象极其普遍，可以说是“十填九陷”，路基沉陷导致的路面裂缝、凹陷等病害严重降低了高速公路使用性能，加之路面再修复困难，造成了巨大的材料浪费并留下安全隐患。因此对黄土路堤填料进行室内试验，分析其力学特性就显得十分必要。

1 依托工程概况

山平（山阴至平鲁）高速公路是国家高速公路网荣成到乌海的组成部门，起点位于山西省朔州市山阴县合盛堡，接在建的灵丘至山阴高速公路，经山阴、吴马营、向阳堡、平鲁、小路庄、凤凰城，止于朔州市平鲁区二道梁，接内蒙古自治区拟建的十七沟至大饭铺高速公路，路线全长108 km。路线穿越山西省北部典型黄土高原地区，项目大部分路段位于山岭区，填方路段较多，且基本都是用黄土填筑。

为查明山平高速公路黄土路堤填料力学特性，本文通过对山平高速公路K210+987—K211+087现场试验路段黄土路堤填料进行压缩、直剪和三轴剪切等室内土工试验，对压实黄土的压缩系数，抗剪强度等工程力学指标进行了测定，为山平高速乃至整个晋北地区公路路基设计提供必要的设计参数。

2 压缩试验

土的压缩试验是测定土体在压力作用下产生变形的过程，是室内测定土的压缩性的基本途径。通过计算求得的各项压缩指标，用来分析判别土的压缩特性和天然土层的固结状态，从而计算土工建筑及地基的沉降量，并估算区域性的地面沉降量[5]。

根据《土工试验方法标准》（GB/T50123—1999）[6]，配置含水率在最佳含水率（11.5%）附近的土样（实际含水率为 11.1%），按 50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa、800 kPa分级加压，加载10 min后测量变形量。进行了5组平行试验，试验结果见表1，并绘制出e-P曲线如图1所示。

图1 孔隙比与压力关系曲线

结果表明，0.1 MPa-1＜α1-2=0.196 MPa-1＜ 0.5 MPa-1，该黄土路堤填料重塑土样属中压缩性土。

3 直剪试验

直剪试验是最直接的测定土体抗剪强度的方法是土工试验的重要手段，在工程实际中得到广泛应用。根据《公路土工试验规程》（JTG E40—2007）[7]，快剪试验和固结快剪试验仅适用于渗透系数k＜106 cm/s的黏土。

3.1 最佳含水率时的抗剪强度

根据《公路土工试验规程》（JTG E40—2007）[7]，试验采用固结快剪方法，配置含水率在最佳含水率（11.5%）附件的土样（实际含水率为11.66%），按照《规程》规定的试验步骤，先使试样加压固结，然后进行剪切。记录测力计百分表读数，绘制τ-ΔL曲线和τ-P曲线如图2、图3所示。试验结果表明，黄土路堤填料重塑土样的黏聚力为32.58 kPa、内摩擦角为27.25°。

图2 剪应力与剪切位移关系曲线

图3 抗剪强度与垂直压力关系曲线

3.2 不同含水率下剪应力—剪切应变关系曲线

为研究不同含水率下黄土路堤填料的力学性质，分别配置了含水率为10.86%、11.66%、12.15%、13.08%、14.45%的土样进行直剪试验，测得不同含水率和竖向压力条件下土样的剪应力与剪切应变变化曲线如图4所示，并得到土样的抗剪强度（表3）。从图4可以看出，100 kPa时含水率对抗剪强度影响较大，而随着法向应力的增大，含水率对抗剪强度的影响逐渐减小，表2所示土样的抗剪强度也同样符合这样的变化规律。

图4 剪应力与剪切位移变化曲线

表2 不同含水率和竖向压力条件下土样的抗剪强度 kPa

3.3 不同含水率下的抗剪强度

根据不同竖向压力下土样的抗剪强度，可以计算得出不同含水率条件下土样的黏聚力和内摩擦角如图5、图6所示。

图5 黏聚力与含水率关系曲线

图6 内摩擦角与含水率关系曲线

从图5可以看出，黏聚力对含水率的变化比较敏感，含水率在最佳含水率附近时填土黏聚力在30 kPa左右；而图6显示，含水率的变化对内摩擦角的影响相对较小，填土内摩擦角总体在28°左右。

4 三轴压缩试验

根据《公路土工试验规程》（JTG E40—2007）[7]按最佳含水率（11.5%，实际测得11.72%），制备3个密度与含水率相同的三轴试样，对各试样分别施加100 kPa、200 kPa 和 300 kPa 的围压 σ3，再以 ε=0.08 mm/min的轴向应变速率给试样施加轴向压力直至破坏，取步长为2对轴向变形及相应的轴向主应力差σ1-σ3进行记录，得到主应力差与轴向应变曲线和不固结不排水剪强度包线如图7所示。

由图7可以看出，随着主应力差的不断增大，试样轴向应变也不断增大，当轴向应变达到一定值时，曲线出现峰值，表明试样已经破坏，如果曲线没有峰值，按规范取轴向应变为15%时对应的主应力差为破坏时的最大主应力差。从图中可以得出，含水率为15.43%的山平高速黄土路堤填料不固结不排水剪切强度为：黏聚力cu=43.02 kPa，内摩擦角φu=17.58°。

图7 不固结不排水剪切试验结果

表3 直剪试验与不固结不排水剪试验结果对比

表3为直剪试验与不固结不排水剪试验结果对比，从表中可以看出，配置含水率接近最佳含水率的土样，对其分别进行直剪试验和不固结不排水试验得出的黏聚力和内摩擦角区别较大，不固结不排水剪切试验测得的黏聚力大于直剪试验测得的黏聚力，而内摩擦角小于直剪试验测得的内摩擦角，分析产生这种结果的原因是直剪试验不能严格控制排水条件且所假定的剪切面并非土样抗剪最薄弱面，而不固结不排水剪切试验较为严格地控制了排水条件，剪切面也是根据实际情况测量的，所以采用不固结不排水剪切试验结果更为准确一些。

5 小结

通过对晋北地区山平高速公路K210+987—K211+087现场试验路段黄土路堤填料进行压缩、直剪和不固结不排水等室内土工试验，得到以下结论：

a）对填料重塑土样进行5组压缩试验，测得平均压缩系数为0.196 MPa-1，属中压缩性土。

b）对含水率在最佳含水率附近的4组不同含水率填土重塑土样进行直剪试验，测得含水率为11.66%（最佳含水率为11.5%）时填土黏聚力内摩擦角分别为32.58 kPa和27.25°；对比分析其他含水率下测得的黏聚力和内摩擦角发现，黏聚力对含水率的变化比较敏感，在最佳含水率附近时填土黏聚力在30 kPa左右；内摩擦角受含水率变化的影响相对较小，填土内摩擦角总体在28°左右。

c）对比分析不同竖向压力下不同含水率填土的抗剪强度，发现100 kPa时含水率对抗剪强度的影响较大，随着压力的增大，含水率对填土的抗剪强度影响不大。

d）配置含水率为最佳含水率附近的土样（实际为11.72%），对其进行不固结不排水剪切试验，测得相应的黏聚力cu=43.02 kPa，内摩擦角φu=17.58°。