砂性土填料抗剪强度指标的试验研究

2018-06-05张淑宝

福建建筑 2018年5期

张淑宝

(漳州厦蓉高速扩建工程有限公司福建漳州 363000)

0 引言

福建省地处东南沿海，境内山地丘陵遍布，地形地质条件复杂，高等级公路、铁路的展线布置难度较大；沿线不可避免地存在较多的深挖路堑与高填路堤，其边坡在建设与运营期间均存在边坡失稳的隐患，尤其对高填方路堤而言，填料在不同状态下的抗剪强度指标(黏聚力c和内摩擦角φ)，是影响路堤稳定的关键因素，对估算边坡稳定安全系数具有重要意义。

刘秀菊[1]以砂性土路基填料为试验对象，进行室内直剪试验，发现砂性土的抗剪强度随含水率的增大先增后减。黄锟[2]以欠固结粉砂土为对象，通过室内直剪试验，发现含水率降低了土样的黏聚力，但对内摩擦角影响较小。肖成志[3]基于三轴试验，分析了压实度及含水率对含砂粉土抗剪强度的影响，认为增大压实度或降低含水率能够显著提高含砂粉土的黏聚力。贾亮[4]对压实黄土进行直剪试验，认为黏聚力及内摩擦角均随压实度增大而增大，随含水率增大略有减小。甘文宁[5]对红砂岩细粒土展开不同含水率及压实度下的直剪试验，认为黏聚力及内摩擦角均随压实度的增大而增大，但黏聚力受含水率及压实度的影响更为显著。

本文以厦蓉高速漳州段A1标高填方路堤的砂性土填料为研究对象，通过室内直剪试验，对不同含水率及压实度下的砂性土填料进行研究。通过18组不同含水率及压实度下的直剪试验，研究压实度及含水率对抗剪强度指标的影响，为厦蓉高速或类似工程中高填路堤的稳定性估算提供技术参考。

1 工程概况

漳州天宝至龙岩蛟洋高速公路是厦蓉高速(国高网G76)的重要组织部分，全长127.5km，起自漳州天宝互通，止于龙岩蛟洋互通。整条线路在地形地貌上属山岭重丘区，沿线存在大量的高填方路堤。其中A1、A2、A3 3个标段内均存在多处高填方路堤(填筑高度大于20m)，如表1所示。

表1 厦蓉高速漳州段高填方路堤统计表

试验所用砂性土填料取自A1标段高填方路堤，其天然含水率为5.8%；压实度为96%；对其进行筛分试验得到其筛分曲线如图1所示，得其不均匀系数Cu为6.2；曲率系数Cc为1.1；这表明天然砂性土填料级配良好，拥有较好的路用性能。

图1 砂性土填料的颗粒筛分曲线

2 试验准备

根据《公路土工试验规程》[6]，对于砂性土填料的室内直剪试验，其所用试样必须过2mm筛孔后方可使用。同时，试样的最大干密度及其最佳含水率对于直剪试验设计至关重要，故首先开展室内击实试验，测定其最大干密度与最佳含水率。

2.1 击实试验

击实试验采用标准重型击实仪进行，其锤重4.5kg；落距45cm；填入试样分5层、每层27次落锤击实；夯击能2687kJ/m3；试验所得数据采用二项式拟合，如图2所示，得其最佳含水率10.2%，最大干密度1.88g/cm3。

图2 砂性土填料的击实曲线

2.2 试样制备

由击实试验可知：试样最大干密度为1.88g/cm3；最佳含水率为10.2%；故直剪试验试样按照含水率6.2%、8.2%、10.2%、12.2%、14.2%；压实度85%、90%、95%、100%进行设计。

需要指出的是：试样只有在最佳含水率下压实度才能达到100%，含水率6.2%及14.2%下其压实度最大达到95%，其余含水率下其压实度最大达到99%。试样压实度及含水率的正交试验设计如表2所示。

表2 压实度及含水率的正交组合 %

为配制一定含水率及压实度的环刀试样，试样所需的烘干土及加水量可按下列公式进行控制：

ms=ρλV

(1)

mω=msω

(2)

其中:

ms为环刀内需要加入的烘干砂性土填料的质量；

ρ为试样的最大干密度；

λ为试样所需的压实度；

V为环刀体积。

压实后的环刀试样如图3所示。

图3 压实环刀试样

3 室内直剪试验

试样制备完毕之后，即可进行室内直剪试验，室内直剪试验选用EDJ-1型二速电动直剪仪如图4所示。

图4 电动直剪仪

EDJ-1型二速电动直剪仪最大法向荷重400kPa；杠杆比1∶12；环刀面积30cm2；高2cm；设置手轮转速4r/min；即剪切速度0.8mm/min。在试验过程中，每隔15s记录测力环百分表读数，以百分表读数乘以测力环系数即可得到试样的剪切应力，如式(3)和式(4)所示。

Δl=20n-R

(3)

τ=CR

(4)

其中：

Δl为剪切位移；

n为手轮转数；

R为百分表读数；

τ为剪切应力；

C为测力校正系数。

以压实度95%、含水率12.2%试样为例，其剪切荷载-剪切变形典型曲线如图5所示。

图5 砂性土填料的典型剪切曲线

由图5可知，砂性土填料试样的剪切荷载随法向荷载的增大而增大，剪切变形随剪切荷载的增大而增大，在剪切荷载达到峰值时，试样破坏。表明砂性土填料在外荷载作用下，随着孔隙水压力的消散以及土层的固结，试样的抗剪强度也将会随之而增长，这与既有的研究成果基本一致[7]。

将图5的峰值剪切荷载与法向荷载汇总得到图6所示的抗剪强度包络线，试验结果符合抗剪强度的库仑定律；并求得其内摩擦角φ为36.82°，黏聚力c为8.16kPa。

图6 剪切应力与法向应力的关系曲线

4 试验结果分析

将实验所得剪切应力及法相应力绘制在直角坐标系中，可得剪切应力与法相应力的一次拟合直线，其与X轴的夹角为内摩擦角，在Y轴上的截距为黏聚力。汇总上述18组直剪试验所得的不同含水率与压实度下的抗剪强度指标，如表3～表4所示。

表3 不同含水率及压实度下内摩擦角汇总表

表4 不同含水率及压实度下黏聚力汇总表

4.1 含水率及压实度对内摩擦角的影响

根据表3数据，绘制含水率与内摩擦角的关系曲线如图7所示。在相同压实度下，含水率对内摩擦角无明显影响，随着含水率的增大，内摩擦角波动极小，这表明：土颗粒间水膜的包裹作用对于减小颗粒间的嵌挤作用效果甚微，内摩擦角主要与颗粒级配及压实度有关[8]。

图7 含水率与内摩擦角的关系曲线

类似地绘制内摩擦角与压实度的关系曲线，如图8所示。砂性土填料的压实度对其内摩擦角影响很大，较高的压实度能够显著提高砂性土填料的内摩擦角。这表明：砂性土填料的内摩擦角主要受压实度(既颗粒间的嵌挤力)控制，土颗粒在一定的夯击能下被挤压密实，极大地提高了颗粒间的嵌挤作用，进而增大了砂性土填料的内摩擦角[9]。

图8 压实度与内摩擦角关系曲线

4.2 含水率及压实度对黏聚力的影响

根据表3数据，绘制含水率与黏聚力的关系曲线如图9所示，砂性土填料的黏聚力随含水率的增大，在最佳含水率附近达到最大值。较低的含水率会导致土颗粒间毛细水压力的丧失，进而减小其黏聚力。当含水率增大时，土颗粒间会出现似黏聚力现象，当含水率进一步增大时，土颗粒间的水膜变厚，不再具有似黏聚力现象，从而使砂性土填料的黏聚力先增大后减小[8,10]。因此，在实际施工环境中，保持合适的含水率一定程度上能提高其路堤稳定性。

类似绘制压实度与黏聚力的关系曲线如图10所示。黏聚力随压实度的增大呈近似线性增长，不同含水率下黏聚力随压实度的增长规律基本一致。与含水率相比，压实度对黏聚力的影响更大，这表明：较高的压实度对砂性土填料抗剪强度的提高较为明显。