季冻区路基土抗剪强度指标变化规律研究

陈洪兴，陈景龙

(苏交科集团股份有限公司， 南京　210000)



季冻区路基土抗剪强度指标变化规律研究

陈洪兴，陈景龙

(苏交科集团股份有限公司， 南京210000)

摘要：对试验路路基土进行室内不同条件下的快剪试验，分析含水率、压实度和冻融循环次数对3种不同类型土体抗剪强度指标的影响。结果表明：冻融循环作用能够使土体粘聚力降低，内摩擦角增大，其中粉质粘土的粘聚力受冻融作用影响最大，且各类土内摩擦角值在冻融作用下的增幅不大，经过6次冻融循环后，各类土体的抗剪强度指标趋于稳定；随着压实度的增加，各类土粘聚力和内摩擦角值都有不同程度的增加，且压实度对砂性土粘聚力和低液限粘土内摩擦角的影响最为明显；随着含水率的增加，土体粘聚力和内摩擦角都会降低，且粉质粘土的粘聚力和内摩擦角受含水率的影响最大。

关键词：季冻区；含水率；压实度；冻融循环次数；抗剪强度

以往研究和工程实践证明，土体的破坏是由于土体受到剪切力作用引起的，所以说，土的强度问题其实就是土的抗剪强度问题[1]。土体在外界荷载所产生的剪应力作用下具有的极限抵抗能力称为土的抗剪强度。土体抗剪强度指标包括粘聚力c和内摩擦角φ[2-3]。在外界荷载作用下土体会产生剪切变形和剪切应力，当外界荷载产生的剪切应力超过土中某点的抗剪强度时，该点就会顺着剪切应力的作用方向而发生相对滑动，即产生剪切破坏[4]。在季冻区，受特殊气候影响，道路普遍会因冻融作用而产生病害。研究表明，在冻融过程中，路基土中水的冻结和融化改变了土颗粒间的结构联结及排解方式，导致土的力学性质发生改变[5-7]。因此，有必要对冻融作用下土体抗剪强度指标的变化规律进行研究，为我国季冻区路基设计和施工提供可靠的依据。

1试验材料

不同类型的土会表现出不同的工程性质。选取黑龙江省内3条具有代表性的道路即哈大2级公路、黑大1级公路和哈大高速公路的路基土样进行室内试验，测得各土样的基本性质参数，见表1。为了方便，将取自哈大2级公路、黑大1级公路以及哈大高速公路的土样进行编号，分别为1#、2#、3#。

表1　路基土的性质参数

2试验方案

根据季冻区特有的气候环境，选取含水率、压实度及冻融循环次数作为试验变量，采用应变控制式直剪仪对所选土样进行抗剪强度试验，研究3个试验变量对各类土样抗剪强度指标的影响规律。调查得知，所选公路其路基天然含水率均大于其最佳含水率[8]。本次试验含水率变量选取5个水平，分别以各土样的最佳含水率为起点，并以3%的梯度递增；冻融循环次数为0、3、6、9次；压实度分别为90%、93%、96%。试件采用10 cm×10 cm的圆柱体。先将试件置于低温环境下(-15 ℃)并保持12 h，然后在室温环境下(15 ℃)保持12 h，即1次冻融循环时间为24 h。

3试验结果及分析

对所选土样进行室内快剪试验，测得各试验变量条件下3种土样的c值和φ值，见表2～4。

表2　冻融循环作用下1#土粘聚力和内摩擦角测定值

3.1抗剪强度与冻融循环次数的关系

从表2～4中可以看出，随着冻融循环次数的增加，各含水率水平和压实度水平条件下土体粘聚力均有减小趋势。图1为最佳含水率、96%压实度条件下各类土体粘聚力随冻融循环次数变化的曲线图。由图1可以看出，随着冻融循环次数的增加，1#土粘聚力变化趋势很大，0次冻融循环时，其粘聚力为46.3 kPa，而在经过3、6、9次冻融循环作用后，其粘聚力分别降低了7.4、9.5、10.0 kPa，与未冻土粘聚力相比分别下降了16.0%、20.5%和21.6%。1#土在经历3次冻融循环后，粘聚力的下降幅度最大，为总减小量的74.0%，而6次和9次冻融后的粘聚力下降相差不大，说明经过6次冻融循环后，1#土粘聚力趋于稳定。2#土粘聚力随着冻融循环次数的增加而降低，最佳含水率、96%压实度条件下，2#土未冻土的粘聚力为33.6 kPa，经过3、6、9次冻融循环作用后，其粘聚力分别降低了4.0、5.6、6.0 kPa。与0次冻融循环相比，2#土的粘聚力分别下降了12.0%、16.7%和17.9%。3次冻融循环后，2#土粘聚力下降超过了总减小量的一半，比重占总减小量的66.7%；6次冻融后，2#土粘聚力趋于稳定。从图1还可以看出，冻融循环作用对3#土粘聚力的影响趋势和1#、2#土相差不大，土体粘聚力都是随着冻融循环次数的增加逐渐减小，而3#土粘聚力受冻融循环作用的影响相对更小一些，最佳含水率、96%压实度条件下，3#土在0次冻融循环时的粘聚力为18.6 kPa，经过3、6、9次冻融循环作用后，其粘聚力分别降低了2.3、2.9和3.2 kPa，分别比未冻土粘聚力下降了12.4%、15.6%、17.2%。尽管冻融循环作用下3#土粘聚力降低幅度较小，但最佳含水率条件下，其粘聚力比其他2类土体粘聚力要小很多。主要原因是3#土中含砂颗粒较多，土颗粒之间的空隙率较大，水作用下颗粒间的吸引力相对较小，产生的粘结力较小。

表3　冻融循环作用下2#土粘聚力和内摩擦角测定值

表4　冻融循环作用下3#土粘聚力和内摩擦角测定值

图1　最佳含水率、96%压实度粘聚力测定值

图2为最佳含水率、96%压实度条件下各类土体内摩擦角随冻融循环次数变化的曲线图。从图2可以看出，冻融循环作用对各类土内摩擦角的影响趋势是相同的，土的内摩擦角都是随着冻融循环次数的增加而增大。1#土未冻土的内摩擦角为26.3°，经过3、6、9次冻融循环作用后，其内摩擦角分别增加了2.3°、2.9°、3.2°；9次冻融循环后，其内摩擦角趋于稳定。2#土未冻土的内摩擦角为28.7°，经过3、6、9次冻融循环作用后，其内摩擦角分别增加了1.5°、2.1°、2.6°；9次冻融循环后，其内摩擦角趋于稳定。3#土未冻土的内摩擦角为31.2°，经过3、6、9次冻融循环作用后，其内摩擦角分别增加了2.4°、3.3°、3.6°；9次冻融循环后，其内摩擦角趋于稳定。对冻融循环作用后土体内摩擦角增大原因进行分析，发现主要是由于土颗粒间的联结力经冻融作用后遭到破坏，从而使剪切破坏面变得更为粗糙所致。此外，虽然各类土体的内摩擦角在经过冻融循环作用后都有不同程度的增加，但受冻融循环作用影响并不是特别明显，变化程度都在10%以内。

图2　最佳含水率、96%压实度内摩擦角测定值

3.2抗剪强度与压实度的关系

由以上分析可以看出，经过6次冻融循环后，各类土体抗剪强度指标均趋于稳定，因此可以通过分析最佳含水率条件下土体经过6次冻融作用后的抗剪强度指标变化规律来分析压实度对各指标的影响。图3、图4分别为最佳含水率条件下，土体经过6次冻融循环作用后，各压实度水平下粘聚力和内摩擦角的测定值曲线图。

图3　最佳含水率、6次冻融循环后粘聚力测定值

图4　最佳含水率、6次冻融循环后内摩擦角测定值

从图3可以看出，最佳含水率条件下，随着压实度增大，6次冻融后土体粘聚力都有增大的趋势。1#土96%压实度和93%压实度时的粘聚力分别比90%压实度时粘聚力增加了42.3%和13.2%；2#土96%压实度和93%压实度时粘聚力分别比90%压实度时粘聚力增加了69.7%和30.9%；3#土96%压实度和93%压实度时粘聚力分别比90%压实度时粘聚力增加了234.0%和112.8%。由此可知，3#土粘聚力受压实度的影响最大，压实度较大时，其表现出很大的粘聚力；而压实度一旦减小，其粘聚力就会大幅度下降。因此，工程上在使用砂性土作为路基填土时，路基压实度必须严格控制。

从图4可以看出，最佳含水率条件下，随着压实度增大，6次冻融后土体内摩擦角都有增大的趋势。主要原因是随着压实度增加，土颗粒之间的接触面就越大，致使内摩擦角也就越大。

3.3抗剪强度和含水率的关系

图5、图6为96%压实度时各类土体在经历6次冻融循环作用后，各含水率水平下的粘聚力和内摩擦角测定值。

图5　96%压实度、6次冻融循环后粘聚力测定值

图6　96%压实度、6次冻融循环后内摩擦角测定值

从图5和图6可以看出，随着含水率增加，土体的粘聚力和内摩擦角都有减小的趋势。其中1#土的粘聚力和内摩擦角受含水率的影响最大。随着含水率增大，1#土粘聚力值相对于最佳含水率下的粘聚力值分别降低了21.2%、32.6%、40.2%和42.3%，内摩擦角值分别降低了4.1%、7.2%、9.2%和12.0%。主要原因是1#土透水性较小而吸水性却特别强，土体中的毛细作用比较显著，且随着含水率增加，其强度会大幅度降低。

4结论

本文对3条试验路的土体进行了不同条件下的抗剪强度指标测试，并根据试验结果分析了各影响因素下土体的粘聚力和内摩擦角的变化规律，得到如下结论。

1) 冻融循环作用能够使土体的粘聚力降低，内摩擦角增大，其中粉质粘土的粘聚力受冻融作用的影响最大，但各类土的内摩擦角值在冻融作用下的变化幅度不大。经过6次冻融循环后，各类土体的抗剪强度指标均会趋于稳定。

2) 随着压实度的增加，各类土的粘聚力和内摩擦角值都有不同程度的增加，但压实度对砂性土粘聚力和低液限粘土内摩擦角最为明显。

3) 随着含水率的增加，土体的粘聚力和内摩擦角都会降低，但粉质粘土的粘聚力和内摩擦角受含水率的影响最大。

参 考 文 献

[1]马万春.路基工程养护技术探讨[J].黑龙江科技信息，2010，19(7)：246.

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[4]袁聚云，钱建固，张宏鸣.土质学与土力学[M].北京：人民交通出版社，2009.

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[8]程培峰，陈景龙.季冻区路基土回弹模量影响因素分析[J].公路，2013(10)：174-178.

Research on Change Rules of Shear Strength Indices of Subgrade Soil in Seasonal Frozen Region

CHEN Hongxing, CHEN Jinglong

Abstract:This paper carries out quick shear test for subgrade soil of test road under different indoor conditions and analyzes influences of moisture content, compactness and frost-thaw cycle times on shear strength indices of 3 kinds of soil. The results show that the frost-thaw cycle effect can reduce cohesive force of soil and increase internal friction angle, in which the frost-thaw cycle effect exhibits the maximum influence on cohesive force of silty clay, and the amplification of internal friction angle values of all kinds of soil is not significant. After 6 frost-thaw cycles, the shear strength indices of all kinds of soil trend to be stable; with increase of compactness, both cohesive forces and internal friction angle values of all kinds of soil increase at different degrees, and influences of compactness on cohesive force of sandy soil and internal friction angle of low liquid-limit clay are most obvious; with increase of moisture content, both cohesive force and internal friction angle of soil will reduce, and the moisture content exhibits the maximum influences on cohesive force and internal friction angle of silty clay.

Keywords:seasonal frost region; moisture content; compactness; frost-thaw cycle times; shear strength

文章编号：1009-6477(2016)01-0001-05

中图分类号：U416.1

文献标识码：A

作者简介：陈洪兴(1982-)，男，江苏省常州市人，硕士，工程师。

收稿日期：2015-06-09

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.01.001