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含水率对南平重塑黏土强度影响分析

2021-01-05陈慧枝

江西建材 2020年12期
关键词:粘聚力摩擦角土样

陈慧枝

福州建通工程试验检测有限公司,福建 福州 350108

受气候条件影响,福建省南平地区土体天然含水率非常高,通常在40%以上,液限大于50%,属于高液限土。统计南平地区现有高液限土试验成果,发现土体最优含水率往往在15%~28%左右,路基填筑施工中,按照常规路基施工方法,很难将土体晾晒到最佳含水率,进而采用压实度指标控制填筑质量[1]。同时受土体成分影响,接近最佳含水率的土体具有较大的膨胀性,往往CBR 值也难以满足要求[2]。因此,南平地区采用高液限土填筑路基,为了确保土体的水稳定性和力学强度同时满足要求,往往通过联合控制土体含水率、压实度和饱和度三个指标来确保填筑质量,即适当提高施工碾压含水率,降低压实度,同时控制土体饱和度处在合理区间,已保证土体的水稳定性。从浦南高速、武邵高速、宁武高速等路段通车十来年的实践分析,上述处理方法是合理、可行的[2]。下文将在分析土体填筑路基性能指标的基础上,通过三轴试验分析碾压含水率对南平地区该类型黏土强度的影响,为路基施工提供指导。

1 土体填筑路基性能指标

对试验土样分别进行比重试验、含水率试验、液塑限试验、标准击实试验及颗粒分析试验,得到土体的基本物理指标如图1所示。试验土样为高液限黏土,土体天然含水率非常高,达到了40.1%,而最佳含水率仅19.2%。如果采用最佳含水率施工,土体含水率需要降低近21%,难度非常大。同时土体中细颗粒含量非常大,小于0.075mm的颗粒占到总质量的78.5%,细颗粒含量高,土体的渗透性很差,晾晒过程中水分不易蒸发,这也造成了填筑路基过程中降低含水率需要的时间比较长,晾晒困难。

表1 土体的基本物理性质

由于道路施工中通过晾晒的方法进行路基填筑,为了充分模拟填筑路基土体的物理力学性能,试样制备过程中,采用天然土晾晒的方法,依次降低土样含水率,分别获得30.5%、28.1%、26.7%、24.2%四种不同含水率的土样。对土样分3 层击实,每层击实21 下,击实后浸水4 昼夜,开展CBR 试验,并测试膨胀量和吸水量[2],试验结果如表2 所示。随着土样含水率的增加,CBR 值先增加后减小,在含水率为26.7%时,CBR值达到最大值。试验含水率范围内,CBR 值处于3.2%~7.9%之间。吸水量随含水率增加而降低,处于25~292g 之间。干密度随含水率增加先增大后减小,含水率为28.1%时,达到最大值。试验含水率范围内,干密度值处于1.42~1.48g/cm3之间,对应的压实度处于86.6%~90.2%之间。饱和度随含水率的增加而增大,处于73.4%~98.3%之间。虽然压实度小于《公路路基施工技术规范》(JTG T 3610-2019)要求的93%,但是CBR 强度和水稳定均满足要求。

表2 不同含水率CBR 试验结果

对含水率-干密度,含水率-压实度通过多项式进行数值拟合,如图1 和图2 所示,R 平方值为1,拟合效果较好。通过拟合公式得到含水率为24%~30%对应的干密度、压实度对应值,如表3 所示,此即为通过试验获得的路基填筑控制指标。

图1 含水率-干密度拟合关系

图2 含水率-压实度拟合关系

表3 路基填筑控制指标

2 土样破坏模式

试件尺寸为3.91cm×8cm,为分析初始含水率对土体强度的影响,试件制作中压实度控制为88%。对30.5%、28.1%、26.7%、24.2%共4 组不同含水率土样开展固结排水试验,每组土样分别在50kPa、100kPa、200kPa 和400kPa 围压下固结,固结后进行排水剪切。试验采用TSZ10 型应变控制式三轴仪。

试验中土样呈现2 种破坏模式,即鼓胀破坏和剪切破坏。对于含水率为30.5%的土样,在50kPa、100kPa、200kPa 和400kPa 围压下进行剪切,均表现为中间部分向外鼓胀,但没有明显裂缝。对于含水率为28.1%的土样,围压较小时(50kPa,100kPa),破坏形式仍然为鼓胀且无明显裂缝;当围压增大到200kPa和400kPa时,土样在鼓胀的同时,出现了细微剪切裂缝。对于含水率为26.7%的土样,随着竖向压力的增大,相比高含水率,试样侧向鼓胀逐渐变小,但侧表面出现了较大斜向剪切裂缝,且方向不规则。对于含水率为24.2%的土样,剪切过程中,裂缝逐渐贯通,土样表现为剪切破坏。

试验说明,随着含水率的不断降低,重塑黏土的破坏形式由鼓胀破坏转变为剪切破坏[3]。具体如图3 所示。

图3 土样破坏过程

3 土样不同含水率应力应变关系

对4 组不同含水率土样开展固结排水试验,每组土样分别在50kPa、100kPa、200kPa 和400kPa 围压下固结,固结后进行排水剪切,剪切阶段的应力应变曲线如图4。由图可知,当含水率较低(w ≤28.1%)时,低围压(≤100 kPa)下的应力—应变关系曲线呈弱软化型;高围压下的应力—应变关系曲线呈硬化型[4]。

图4 四种含水率试样的应力—应变关系

当含水率较高(w=30.5%)时,在50kPa、100kPa、200kPa和400kPa 围压下土体应力—应变关系呈硬化型。说明高含水率的试样在剪切过程中土体发生减缩,低含水率试样在低围压情况下会出现剪胀。在相同围压下,破坏主应力差都随含水率的增大而略微减小。

4 含水率对土体强度参数值的影响

针对土样不同初始含水率,分别绘制土样强度包线图(图5)。从图中可以看出,抗剪强度包线具有较好的线性关系,随着含水率的增大,强度包线的斜率不变,均为27.7°;但是截距减小。根据摩尔库伦定律,强度包线的倾角对应土体的内摩擦角,截距对应土体的粘聚力。从图中可得出,土样在含水率24.2%的情况下,土样固结排水(CD)三轴剪所得粘聚力cd值为65.4kPa,相应的内摩擦角Φd 为27.7°;土样在含水率26.7%的情况下,土样非饱和固结排水(CD)三轴剪所得粘聚力cd 值为63.3kPa,相应的内摩擦角Φd 为27.7°;土样在含水率28.1%的情况下,土样非饱和固结排水(CD)三轴剪所得粘聚力cd值为60.0 kPa,相应的内摩擦角Φd 为27.7°;土样在含水率30.5%的情况下,土样非饱和固结排水(CD)三轴剪所得粘聚力cd值为53.7 kPa,相应的内摩擦角Φd为27.7°。随着含水率的增大,粘聚力cd 值随之减小,内摩擦角Φd 不随含水率的变化而变化[5]。将含水率与粘聚力进行数值拟合,得到cd=-2625w2+1225.5w-77.61。

图5 四种含水率试样的强度包线

5 结论

(1)通过CBR 试验和膨胀量观测,得出土样含水量24%~30%之间,土体具有较好的CBR 强度和水稳定,满足路用性能。

(2)三轴排水固结试验中,土样呈现鼓胀和剪切2 种破坏模式。

(3)排水固结试验中,在含水率较低时,低围压下土样应力—应变关系呈弱软化型;高围压下土样应力—应变关系呈硬化型。

(4)含水率对南平重塑黏土有效内摩擦角无影响,对有效粘聚力cd 的影响可通过公式cd=-2625w2+1225.5w-77.61计算。

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