砂土路基抗剪强度的试验研究

2017-09-15王文

城市道桥与防洪 2017年8期

关键词：砂土抗剪填料

王文

（西安长安大学工程设计研究院有限公司，陕西西安 710054）

砂土路基抗剪强度的试验研究

王文

（西安长安大学工程设计研究院有限公司，陕西西安 710054）

砂类土是目前较为普遍应用的一种公路路基填料。高速公路要求路基能够长期提供足够的强度和刚度来满足承载力和变形的要求，并且对各种气候条件下路基的稳定性也提出了更高的要求。通过对陕西-高速公路的砂土填料进行直剪试验得出以下结论：（1）砂土路基填料的抗剪强度在较高的密实度下有较强的水稳定性。（2）当极端暴雨条件下，砂土路基填料的含水率达到饱和含水量时，其抗剪强度将会明显的降低，这将影响到路基的强度。须做好防、排水工作来避免这种情况的发生。

砂类土；路基；直剪试验；含水量

0 引言

砂土是粒径大于2 mm的颗粒质量不超过总质量的50%，粒径大于0.075 mm的颗粒质量超过总质量50%的松散类土[1]。由于具有强透水、低压缩等工程特性，因此被广泛地应用于公路的路基工程。

我国的《公路路基设计规范》明确规定，公路路堤宜选用级配较好的砾类土、砂类土作为填料[2]，相比于普通等级的公路，高速公路要求路基能够长期提供足够的强度和刚度来满足承载力和变形的要求，并且对各种气候条件下路基的稳定性也提出了更高的要求。西部地区，长期干燥少雨，但偶尔又会有暴雨，这就要求路基不仅在干燥环境下能够提供较高的强度，在极端的暴雨条件下同样能够有足够的强度来满足高速公路的稳定性要求。本文选择陕西境内一高速公路的粗粒填料为研究对象，进行不同含水量的直剪试验，希望为高速公路路基的填料施工提供一定参考。

1 试验内容及结果

通过简单的筛分试验测得，填料大于2 mm的颗粒质量为45.6%，大于0.075 mm的颗粒质量为69.2%，为典型的砂土。通过计算，该砂土的不均匀系数Cu为6.67，曲率系数Cc为2.24，根据文献[3]为级配良好的砂土，可以作为公路路基的填料。

本文通过直剪实验主要研究以下两方面的内容：

（1）砂土填料的抗剪强度特性。

（2）砂土填料在不同含水量下抗剪强度的变化特征。

试验工况及结果见表1。

表1 砂土的抗剪强度

2 试验结果分析

2.1 实测抗剪强度指标分析

一般认为，粗粒土的抗剪强度主要决定于其内摩擦角φ值[4,5]。从表1可以看出，当含水量从干燥状态增大至最优含水量时，砂土的内摩擦角在高压实系数下（k≥0.93）变化的幅度较小；在低压实系数下（k=0.87）时变化的幅度较大。当砂土饱和状态时，内摩擦角φ值急剧变小，这主要是由于含水率增大到一定状态，粗粒间的咬合力减弱所致。

2.2 基坑模型的建立及分析方法

图1为正应力为50 kPa时，不同压实系数剪应力-剪切位移曲线，图2正应力为150 kPa时，不同压实系数剪应力-剪切位移曲线。

图1 正应力为50 kPa时剪应力-剪切位移曲线

从图1、图2均可以看出，当密实度k=0.87时，干燥状态下，应力-位移曲线呈应变软化型；最优含水量下，应力-位移曲线呈应变强化型；两曲线的差距较大。当密实度k=0.93时，干燥状态下，应力-位移曲线呈应变软化型；最优含水率下，应力-位移曲线呈应变强化型；但曲线的差距明显减小。当密实度k=0.96时，干燥状态和最优含水量下，应力-位移曲线均呈应变软化型；且两曲线基本重合。以上的特征说明，随着密实度的增加，含水量对砂土的抗剪强度以及剪切变形的影响越来越小，即砂土有较强的水稳定性。这也说明《公路路基设计规范》中要求高速公路路堤填料的密实度大于等于0.93的规定是基本合理的[2]。

图2 正应力为150 kPa时剪应力-剪切位移曲线

从图1和图2中也可以看出，当含水量达到饱和含水量时，不论是密实度k=0.93或k=0.96，应力-位移曲线与干燥状态及最优含水量状态的应力-位移曲线都有较大的差距。这说明在极端的暴雨天气下，砂土的含水率达到了饱和含水量时，填料的抗剪强度将会有明显的降低，而剪切变形将会急剧的增加，这将影响到路基的强度。所以，在实际工程施工中要做好防、排水工作来避免这种情况的发生。