含水率對(duì)壓實(shí)黃土變形和強(qiáng)度的影響研究

胡 鵬

(太原理工大學(xué)，山西 太原 030024)

隨著中西部發(fā)展進(jìn)程的加快，建設(shè)用地緊張問(wèn)題日益凸顯。黃土地區(qū)的工程建設(shè)，尤其是公路渠堤的修筑，本著因地制宜的原則，常就地取材，將黃土壓實(shí)后作為填料[1，2]。黃土性質(zhì)特殊，經(jīng)過(guò)壓實(shí)重塑，其原有結(jié)構(gòu)遭到一定程度的改變[3，4]，因此，關(guān)于黃土壓實(shí)后工程性質(zhì)的探討研究，對(duì)工程建設(shè)具有非常重要的指導(dǎo)作用。

本文以長(zhǎng)臨高速路上某區(qū)段黃土狀填土為研究對(duì)象，通過(guò)室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)、壓縮試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)，研究在不同擊實(shí)能量作用下，擊實(shí)含水率對(duì)壓實(shí)后黃土工程性質(zhì)的影響。

1 擊實(shí)試驗(yàn)

1.1 擊實(shí)機(jī)理

一般認(rèn)為，在黏性土中含水率較低時(shí)，由于土粒表面的結(jié)合水膜較薄，土粒間距較小，粒間電作用力以引力為主，土粒的相對(duì)位移阻力較大，在擊實(shí)能的作用下，較難克服這種阻力，因此壓實(shí)效果較差。隨土中含水率的增加，結(jié)合水膜增厚，土粒間距也增大，斥力增大而引力相對(duì)減小，壓實(shí)能較易克服粒間引力使土粒相互位移，趨于密實(shí)，壓實(shí)效果好，這時(shí)土體所對(duì)應(yīng)的干密度為最大干密度，含水率為最優(yōu)含水率。但當(dāng)土中含水率繼續(xù)增大，雖粒間引力減小，但土中出現(xiàn)自由水，擊實(shí)時(shí)孔隙中過(guò)多的水分不易立即排出，這會(huì)影響土粒的靠攏，同時(shí)無(wú)法排出的氣體以封閉氣泡的形式存在，很大一部分存在于土體內(nèi)部，擊實(shí)時(shí)氣泡暫時(shí)減小，很大一部分擊實(shí)能由孔隙氣承擔(dān)，轉(zhuǎn)化為孔隙壓力，擊實(shí)僅能使土粒更高程度的定向排列，而土體體積幾乎不變化，壓實(shí)效果反而下降[5]。

1.2 擊實(shí)曲線

試驗(yàn)土樣取自長(zhǎng)臨高速路K99+307.6段。取回后將其風(fēng)干、去除雜質(zhì)以備用。土樣基本物理指標(biāo)見表1。根據(jù)塑性指數(shù)和粒徑小于0.005 mm的顆粒含量占全重的比例，判定該土樣為粘質(zhì)粉土[6]。

表1 土樣基本物理指標(biāo)

采用標(biāo)準(zhǔn)手提擊實(shí)儀對(duì)土樣擊實(shí)，選取擊實(shí)能量分別為592.2 kJ/m3和1 208.2 kJ/m3，每種能量下各制備5個(gè)不同初始含水率的試樣，且相鄰兩個(gè)含水率的差值宜為2%左右。繪制擊實(shí)曲線如圖1 所示，E=592.2 kJ/m3時(shí)，最大干密度為1.78 g/cm3，最優(yōu)含水率為15.7%;E=1 208.2 kJ/m3時(shí)，最大干密度為1.86 g/cm3，最優(yōu)含水率為13.1%。

圖1 兩種擊實(shí)能量下的擊實(shí)曲線

2 壓縮試驗(yàn)

配制擊實(shí)能量592.2 kJ/m3，含水率分別為 13.3%，15.8%，17.2%，擊實(shí)能量 1 208.2 kJ/m3，含水率分別為 11.3%，13.1%，15.7%的試樣，每組試樣含飽和試件和非飽和試件。利用壓縮儀對(duì)土樣加壓，加壓等級(jí)分別為 50 kPa，100 kPa，200 kPa，400 kPa，每級(jí)壓力下的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為每小時(shí)變形不超過(guò)0.01 mm。

圖2和圖3分別表示在擊實(shí)能量592.2 kJ/m3和1 208.2 kJ/m3作用下，土樣的孔隙比隨垂直壓力變化關(guān)系曲線。由圖2，圖3可知，隨擊實(shí)含水率的增大，土樣孔隙比隨垂直壓力變化的速率越快，反映到圖上，即在擊實(shí)含水率較大的情況下，土樣e—p曲線比較陡峭，而擊實(shí)含水率較小時(shí)，土樣e—p曲線相對(duì)平緩。

圖2 E=592.2 kJ/m3土樣e—p曲線

圖3 E=1 208.2 kJ/m3土樣e—p曲線

以壓力由100 kPa增大到200 kPa時(shí)的壓縮系數(shù)α1－2來(lái)評(píng)定土體壓縮性，結(jié)果如表2所示，擊實(shí)含水率高，壓縮系數(shù)也較大，土樣壓縮性增高。在相同擊實(shí)能量、相同擊實(shí)含水率作用下，飽和試樣的壓縮性高于非飽和試樣的壓縮性。

表2 土樣壓縮系數(shù)

3 直剪試驗(yàn)

制備與壓縮試驗(yàn)相同的黃土試樣，利用剪切儀進(jìn)行直剪試驗(yàn)。所有試件土樣均處于非飽和狀態(tài)，故在直剪盒的活塞周圍用濕棉花圍住，防止試件在試驗(yàn)過(guò)程中含水率發(fā)生較大變化。直剪試驗(yàn)每組試樣的4個(gè)試件分別施加100 kPa，200 kPa，300 kPa，400 kPa的垂直壓力，以6 rad/min的均勻速度旋轉(zhuǎn)手輪，使試樣在3 min～5 min內(nèi)剪損。

圖4和圖5反映了抗剪強(qiáng)度隨擊實(shí)含水率的變化規(guī)律。由圖4，圖5可得，抗剪強(qiáng)度與垂直壓力呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，且擊實(shí)含水率越小，土樣的抗剪強(qiáng)度越大，隨著含水率增大，抗剪強(qiáng)度逐漸變小。

圖4 E=592.2 kJ/m3土樣抗剪強(qiáng)度破壞曲線

圖5 E=1 208.2 kJ/m3土樣抗剪強(qiáng)度破壞曲線

根據(jù)庫(kù)侖公式，粘性土τf=c+σtanφ。其中，τf為土體抗剪強(qiáng)度;σ為施加的正應(yīng)力;c為土體粘聚力;φ為土體內(nèi)摩擦角。利用公式擬合，得到粘聚力、內(nèi)摩擦角與擊實(shí)含水率的關(guān)系表，如表3所示。由表3可知，隨著擊實(shí)含水率的增大，粘聚力和內(nèi)摩擦角均有不同程度的減小，其中，粘聚力受擊實(shí)含水率的影響更大，而內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)出在一定范圍內(nèi)遞減的趨勢(shì)。由于抗剪強(qiáng)度主要是受土粒之間的粘結(jié)作用和摩擦作用的影響，它們的減小也直接導(dǎo)致了土體抗剪強(qiáng)度的減小。

表3 不同擊實(shí)含水率下的粘聚力和內(nèi)摩擦角

4 結(jié)語(yǔ)

1)基于室內(nèi)一維固結(jié)試驗(yàn)研究了含水率對(duì)壓實(shí)黃土壓縮變形的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明:土體的壓縮性隨著壓實(shí)含水率的增大而呈現(xiàn)逐漸增強(qiáng)的趨勢(shì)。并且在相同擊實(shí)能量、相同擊實(shí)含水率作用下，壓實(shí)后的土體經(jīng)過(guò)浸水飽和后的壓縮性能總是大于飽和前的。

2)基于室內(nèi)直剪試驗(yàn)研究了含水率對(duì)壓實(shí)黃土抗剪強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明:抗剪強(qiáng)度都與垂直壓力呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。壓實(shí)含水率小的土樣具有較大的抗剪強(qiáng)度，且隨著壓實(shí)含水率的增加，其抗剪強(qiáng)度逐漸降低，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)也有不同程度的減小。

[1] 鄧衛(wèi)東.高填路堤穩(wěn)定性研究[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué)，2003:21－23.

[2] 劉 斌，彭洪堯.濕陷性黃土的工程特性及其對(duì)路堤沉降的影響[J].中國(guó)科技博覽，2009(9):253－255.

[3] 李曉軍，張登良.黃土微結(jié)構(gòu)定量評(píng)價(jià)的探討與展望[J].西安公路交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1998(11):45－48.

[4] 楚華棟，裴章勤，馬周全，等.黃土的工程特性、筑路技術(shù)和病害處理[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2005(12):340－347.

[5] 侍 倩.土工試驗(yàn)與測(cè)試技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2004:102－104.

[6] GB 50021－2001，巖土工程勘察規(guī)范[S].