含水率对路基压实黏质土抗剪强度的影响

黄子馨 张互助 丁代军 徐梦洁

摘  要：为了研究含水率对路基承载能力的影响，以某工程压实黏质土为研究对象，通过三轴压缩试验研究了抗剪强度随含水率的变化规律，并回归分析得到了抗剪强度与含水率的函数关系式。结果表明：路基压实黏质土抗剪强度受含水率影响显著，并随含水率的增加呈指数函数规律递减，其影响程度为密实状态比疏松状态明显，偏干状态比偏湿状态明显，降低使用期路基含水率水平可显著提高路基承载能力。

关键词：压实黏质土  抗剪强度  含水率  三轴压缩试验

中图分类号：U416.1                          文献标识码：A文章编号：1672-3791（2020）10（c）-0048-03

Abstract： In order to study the influence of water content on the bearing capacity of subgrade， the variation law of shear strength with water content is studied by triaxial compression test， and the functional relationship between shear strength and moisture content is obtained by regression analysis. The results show that： the shear strength of compacted clayey soil is significantly affected by water content， and decreases exponentially with the increase of water content. The influence degree is that the dense state is more obvious than the loose state， and the dry state is more obvious than the wet state. Reducing the moisture content level of Subgrade in service period can significantly improve the bearing capacity of subgrade.

Key Words： Compacted clayey soil; Shear strength; Moisture content; Triaxial compression test

抗剪強度作为土体抵抗剪切破坏能力的表征，是其承载能力评价的重要指标之一。正确可靠地评价路基压实土的抗剪强度特性对于指导路基工程设计与施工、保证路基结构强度与稳定性具有重要的现实意义。

路基压实土抗剪强度特性的影响因素主要有土质类别、含水率、压实度和应力状态等[1-3]。而压实土的抗剪强度特性与含水率的关系尚未形成共识[4-5]。为此，该文拟以分布广泛并在路基工程中应用较为普遍的黏质土作为研究对象，通过三轴压缩试验研究分析了含水率对路基压实黏质土抗剪强度的影响规律及作用机理，以期为路基工程的工程实践提供参考。

1  试验用土与试验方案

1.1 试验用土

试验所用的土为取自东北季节性冰冻地区某道路工程建设项目取土场的黏质土，颗粒粒径分布曲线见图1。

1.2 试验方案

最佳含水率状态下填筑完成的路基，在使用期间其含水率会因所处环境而发生变化，已有研究表明路基含水率的变化范围大致在7.4%～28.5%[6]，而路基压实度一般根据道路等级和部位不同的要求为90%～100%[7]。为了全面研究含水率对路基压实黏质土抗剪强度特性的影响，3周压缩试验分为9.3%、12.3%、15.3%、18.3%、21.3%这5个含水率水平，85%、90%、93%、96%、99%这5个压实度水平以及100 kPa、200 kPa、300 kPa这3个围压水平进行测试，共计75组。

1.3 试验方法

三轴压缩试验采用TSZ-1B全自动三轴仪，试验方法为不固结不排水试验，试验试样为Ф39.1 mm×80 mm的圆柱形试验试件，试验数据采用计算机程序自动采集并处理，可获得不同试验条件下土的剪切峰值、黏聚力和内摩擦角等力学参数，然后根据土的极限平衡理论按式（1）计算确定土的抗剪强度。

2  试验结果与分析

路基压实黏质土的抗剪强度随含水率的变化关系曲线如图2所示。由图中可以看出，不同围压与不同压实度水平下路基压实黏质土的抗剪强度随含水率的变化趋势基本一致，均为随含水率的增大而不断减小，减小幅度随压实度的增加而增大，其中含水率小于最佳含水率时变化幅度较大，大于最佳含水率时趋于平缓。以围压kPa的试验结果为例，压实度为99%时，含水率由9.3%增加至21.3%时，抗剪强度减小了118.6 kPa，而压实度为85%时减幅为40.2 kPa;压实度k=93%时，含水率由9.3%增加至最佳含水率时，抗剪强度降低了51.9 kPa，由最佳含水率减少至21.3%时降幅为26.6 kPa。由此可见，含水率对路基压实黏质土抗剪强度的影响，密实状态比疏松状态明显，偏干状态比偏湿状态明显。分析其原因，路基压实土是由土粒、水和空气组成的三相体系，当含水率较低时，土粒周围的结合水膜厚度较薄，联结作用较强，润滑作用不明显，土体抵抗外力作用的能力较强，相应的表现为抗剪强度较大。随着含水率的增加，吸附于黏质土细小土粒表面的结合水膜变厚、土体变软，土粒间作用力减弱，加之水膜的润滑作用，在外力作用下土颗粒间的阻力减小，相应的表现为抗剪强度不断降低。当含水率增加至最佳含水率时，润滑作用最为充分，含水率继续增大时，结合水膜厚度继续增加，甚至出现毛细水和自由水，水膜润滑作用不明显，而水膜联结作用也随着与土颗粒表面距离的增加而逐渐减弱，因此，含水率对抗剪强度的影响逐渐趋于平缓。压实度越大则意味着土颗粒之间的距离越小，结合水膜越薄，含水率的变化对其联结作用的影响也就越明显，因此，路基压实黏质土抗剪强度随含水率的减小幅度随压实度的增加而不断增大。

为了探究路基压实黏质土的抗剪强度与含水率的函数关系，根据对不同围压与不同压实度水平下抗剪强度随含水率变化规律的初步分析，采用公式（2）对试验结果进行了回归分析，表1的拟合结果仅列出围压为200kPa时的数据。拟合结果显示，不同围压与不同压实度水平下的抗剪强度均随含水率呈指数函数规律变化，拟合方程的相关系数均在0.96以上，能够较好地反映抗剪强度与含水率的函数关系。

3  结论

（1）路基压实黏质土的抗剪强度受含水率的影响显著，并随含水率的增加呈指数函数规律递减。

（2）含水率对路基压实黏质土抗剪强度的影响为密实状态比疏松状态明显，偏干状态比偏湿状态明显;设法降低使用期路基含水率水平可显著提高路基承载能力。

参考文献

[1] 王永璐，刘顺青，姜朋明.含水率及吸力对非饱和下蜀土强度特性影响试验研究[J].三峡大学学报：自然科学版，2020（2）：1-5.

[2] 张旭光.围压及含水量对重塑膨胀土抗剪强度的影响[J].科学技术与工程，2018，18（11）：307-311.

[3] 朱彦鹏，杨校辉，周勇，等.基于含水量和干密度影响的压实土抗剪强度试验[J].兰州理工大学学报，2016，42（6）：114-120.

[4] 王来贵，张鹏，李喜林.含水率及压实度对排土场岩土抗剪强度的影响[J].辽宁工程技术大学学报：自然科学版，2015，34（6）：699-703.

[5] 闫奇，李义衡，许誉浩.含水率对非饱和土抗剪强度试验研究[J].河南城建学院学报，2020，29（1）：48-52.

[6] 覃绮平.土基回弹模量影响因素及其相关关系研究[D].长安大学，2005.

[7] 中交第二公路勘察设计研究院有限公司.JTG D30-2015公路路基设计规范[S].北京：人民交通出版社，2015.