含水率和壓實度對路基填土力學(xué)特性的影響

袁俊平,詹 斌,陳勝超,李康波

(1.河海大學(xué)巖土工程研究所,江蘇 南京 210098;2.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室,江蘇 南京 210098)

0 引 言

近年來,伴隨著我國高速公路建設(shè)的快速發(fā)展,在路基工程中常常會開山填洼,人工造地,因此對壓實填土工程特性的研究也越來越多。不同于原狀土或天然土,路基填土在工程使用中改變了其原有的結(jié)構(gòu)和物理力學(xué)狀態(tài),其力學(xué)特性也發(fā)生變化。對于路基而言,工程所關(guān)心的問題是穩(wěn)定和沉降,其實質(zhì)是路基土的強度與變形的問題[1]。因此將強度及變形指標作為反映填土工程質(zhì)量的標準,已成為填土施工質(zhì)量檢測技術(shù)的發(fā)展方向[2]。

關(guān)于含水率和壓實度對土體力學(xué)性質(zhì)的影響,國內(nèi)外學(xué)者已進行過諸多研究。Lambe[3]對粘性土進行了試驗,指出在壓實能和壓實度相同的條件下,在含水率 ω小于最優(yōu)含水率 ωop時比ω＞ωop時土體結(jié)構(gòu)更趨于絮凝式,這使得前者比后者具有更高的強度、較低的側(cè)限壓縮(限于較低應(yīng)力水平)和較高的滲透性。Micheals[4]在對非飽和壓實粘土的試驗中觀察到,當含水率小于最優(yōu)含水率時,隨著含水率的減少,粘聚力c也減小。王林浩[2]對壓實黃土狀填土抗剪強度指標c、φ的變化趨勢進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn),含水率不變時,壓實黃土狀粉土的c、φ值均呈現(xiàn)出隨壓實度的增加而增大的趨勢;壓實度不變時,c、φ值均隨含水率增大而減小。劉峰[5]提出對于重塑膨脹土,壓實度在較低含水率下對抗剪強度有較大影響,但隨著含水率的增大,這種影響很快減小。胡海英[6]對黏性土進行試驗得到了 c、φ均隨壓實度增加而增大的結(jié)論。宋曉晨[7]對大連機場升降帶回填土的研究表明,壓實填土含水率在11.0%～16.9%范圍內(nèi)時,粘聚力與內(nèi)摩擦角均隨壓實度增加而增大。陳開圣[8]對高速公路壓實黃土進行壓縮特性的試驗研究發(fā)現(xiàn),當含水率低于最優(yōu)含水率時,壓縮系數(shù)隨含水率的增加增長幅度不大;當含水率超過最佳含水率2%～3%后,壓縮系數(shù)隨含水率的增加增長幅度迅速變大。可見以往研究多集中于對特殊土壓實后工程性質(zhì)的討論,對壓實土力學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律及機理未形成共識。

土體抗剪強度和變形參數(shù)與其物理狀態(tài)密切相關(guān),在常規(guī)尺度的連續(xù)介質(zhì)概念框架內(nèi),土的物理狀態(tài)取決于水分狀態(tài)和密度狀態(tài)。因此,某種意義上,水分狀態(tài)與密度狀態(tài)的不同組合決定了土體的不同力學(xué)特性。路基工程中,含水率和壓實度是施工中的兩個重要控制參數(shù),壓實度和含水率對抗剪強度和壓縮特性參數(shù)的影響及如何根據(jù)強度和變形參數(shù)選取合理壓實度和含水率來控制土體壓實質(zhì)量的研究尚不多見。本文選取某工程路基填土進行了直剪和壓縮試驗,對壓實后土體的強度特性和壓縮特性進行了分析,對含水率和壓實度變化條件下土體抗剪強度和壓縮特性的變化規(guī)律和內(nèi)在機理進行了探討。

1 試驗研究

1.1 試驗材料

試驗用土取自南通204國道擴建工程如皋段RG7標段(K821+880～K822+000),土樣的基本物理性質(zhì)指標見表1,顆粒分析曲線見圖1。

表1 試驗用土物理性質(zhì)指標

圖1 土體顆粒分析曲線

1.2 試樣制備

試驗全部采用重塑土樣,將所用路基填土風(fēng)干、碾碎、過2mm篩后,配制成目標含水率為12.2%、14.2%、16.2%(最優(yōu)含水率)、18.2%、20.2%的 5種土料,在每種含水率下制備壓實度為90%、93%、96%、99%的4種試樣分別進行直剪和壓縮試驗,每種試驗各20組。試樣采用壓實法制備,具體方法參照《土工試驗方法標準》[9]進行。

1.3 直剪試驗

實驗采用應(yīng)變控制式直剪儀,試樣尺寸高20mm,直徑61.8mm。試驗時將備好的試樣裝入直剪儀的剪力盒中,試樣上下兩面均依次為濕濾紙(其含水率盡可能接近試樣含水率)和透水石。直剪盒上的活塞周圍用與試樣含水率相近的濕棉花圍住,以防止試驗過程中試樣水分發(fā)生較大變化。試樣裝好后加載固結(jié),每組試驗有4個試樣,分別在100 kPa,200 kPa,300 kPa和400 kPa的垂直壓力下固結(jié),24 h后固結(jié)穩(wěn)定后(即每小時垂直變形不超過0.005mm),以0.8mm/min～1.2mm/min的速率進行剪切,使試樣在3 min～5 min內(nèi)剪破。

1.4 壓縮試驗

實驗采用固結(jié)儀,試樣尺寸高20mm,直徑61.8mm。試驗時將備好的試樣裝入固結(jié)儀,周圍用與試樣含水率相近的濕棉花圍住,盡可能避免試樣與外界進行水氣交換。試樣裝好后逐級施加荷載,加壓等級分別為 12.5 kPa、25 kPa、50 kPa、100 kPa、200 kPa,每級荷載下壓縮24 h后變形趨于穩(wěn)定(即變形小于0.005mm/h)時再施加下一級荷載。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 直剪試驗結(jié)果分析

2.1.1 土體粘聚力變化規(guī)律

圖2給出了粘聚力隨壓實度變化曲線?？梢钥闯?在相同初始含水率下,粘聚力 c隨著壓實度K的增加呈增大趨勢。對比5種不同含水率下的c-K曲線,同一壓實度下,最優(yōu)含水率時粘聚力最大。圖3為c-ω關(guān)系曲線,可見,粘聚力c在最優(yōu)含水率ωop附近取得峰值,當 ω＜ωop時,隨著 ω的增加c增加;ω＞ωop時,隨 ω的增加c迅速降低,且壓實度越大 c降低得越快。壓實度K=90%,含水率從16.2%到18.2%,c從30.36 kPa降到24.04 kPa,降低6.32 kPa;壓實度為 K=99%,同樣含水率從16.2%到18.2%,c從71.00 kPa降到 46.30 kPa降低了24.70 kPa。

圖2 粘聚力c隨壓實度K變化曲線

從c-ω曲線可知,在相同壓實度條件下,含水率 ω＜ωop時的粘聚力大于ω＞ωop的粘聚力。上述現(xiàn)象可從土體粘聚力的組成來分析:

式中:c1為因顆粒間的膠合作用而產(chǎn)生的強度;c2為因顆粒間的萬有引力而產(chǎn)生的強度;c3為因土中水的作用而使土顆粒形成的凝聚強度。

對于壓實土體來說,c1的作用是可以忽略的。而c2基本不受含水率變化的影響。土體含水率變化時,只有 c3會發(fā)生變化。當含水率較小時,土中水主要表現(xiàn)為結(jié)合水,土顆粒表面結(jié)合水膜所產(chǎn)生的表面張力使土粒有相互壓緊的趨勢。當含水率達到最優(yōu)含水率時,結(jié)合水的表面張力也達到最大,此時c3達到最大值,綜合表現(xiàn)為c值達到最大。若含水率進一步增大,結(jié)合水膜變薄甚至消失,表面張力作用也迅速減小,從而c3急劇降低。

圖3 粘聚力c隨含水率ω變化曲線

文獻[10]在對南沙軟土和廣州的粉質(zhì)粘土進行強度特性的試驗中,從孔隙液離子濃度、顆粒表面微電場等微觀角度分析,也得到了類似的結(jié)論。

2.1.2 土體內(nèi)摩擦角變化規(guī)律

圖4給出了內(nèi)摩擦角隨壓實度變化曲線。可以看出,在同一初始含水率下,內(nèi)摩擦角 φ隨著壓實度的增大而增大,這主要是由于隨著壓實度的增大,土粒間的接觸更加緊密,克服顆粒間相對運動所需外力也越大的緣故。對比5種不同含水率下的 φ-K曲線,可以發(fā)現(xiàn),ω＞ωop情況下內(nèi)摩擦角的增長幅度更大,究其原因:當含水率較低時,土中水主要以結(jié)合水形式存在,且結(jié)合水膜比較薄,壓實程度對水膜的厚度的影響較小,表現(xiàn)為K對φ的影響較小;當含水率較高時(大于最優(yōu)含水率),壓實度較小時,土顆粒之間距離較大,土粒周圍結(jié)合水膜潤滑作用使得 φ較小,隨著壓實度增大,顆粒間距減小,結(jié)合水膜變薄,其潤滑作用減弱,內(nèi)摩擦角 φ隨之增大。

圖5是內(nèi)摩擦角隨含水率的變化曲線?？梢钥闯?在相同壓實度下,當 ω＜ωop時,內(nèi)摩擦角 φ隨著含水率的增大而減小,但是當 ω＞ωop時,φ隨含水率的變化不明顯。其原因是當土體含水率較小時,土中的水主要以顆粒周圍的結(jié)合水膜的形式存在(強結(jié)合水膜和弱結(jié)合水膜)。其中,弱結(jié)合水膜中的水分子可沿土粒表面移動,對土粒間的相對運動起潤滑作用,強結(jié)合水膜中的水分子不能移動。內(nèi)摩擦角φ是土粒間相對運動時摩擦情況的綜合反映,隨著含水率的增大,弱結(jié)合水膜急劇變厚,故土體剪切時土粒間的摩擦作用急劇減小,表現(xiàn)為 φ隨含水率的增加而急劇減小,當含水率達到最優(yōu)含水率時,結(jié)合水膜最厚。若含水率繼續(xù)增大,則增加的水分主要以自由水方式存在于孔隙中,對土粒間的相對運動不再起明顯的潤滑作用,即表現(xiàn)為 φ隨ω的變化趨于平緩。

圖4 內(nèi)摩擦角φ隨壓實度K變化曲線

圖5 內(nèi)摩擦角φ隨含水率ω變化曲線

含水率和壓實度對壓實填土抗剪強度參數(shù)的影響以及壓實土體在高于和低于最優(yōu)含水率表現(xiàn)出不同力學(xué)特性的現(xiàn)象,與土體結(jié)構(gòu)和土中水的分布是密切相關(guān)的。不同初始含水率下具有相同壓實度的填土,雖然孔隙比相同,但土體結(jié)構(gòu)和土中水的分布均不相同。研究表明,土體結(jié)構(gòu)中通常存在兩種形態(tài)[11]:被較大孔隙分開的團粒結(jié)構(gòu)以及團粒內(nèi)的結(jié)構(gòu),土中孔隙也相應(yīng)地可分為團粒之間的較大孔隙和團粒內(nèi)的較小孔隙。當含水率小于最優(yōu)含水率時,土中這兩種結(jié)構(gòu)和孔隙往往同時存在,特別是由于土體飽和度低,土的基質(zhì)吸力大,從而土體結(jié)構(gòu)中存在著大的團粒結(jié)構(gòu)(類似于粗顆粒),土體受剪時,表現(xiàn)出較大的粘聚力和內(nèi)摩擦角;當含水率大于最優(yōu)含水率以后,在壓實過程中,由于顆粒間摩擦阻力較小,容易形成較均勻的土體結(jié)構(gòu),團粒間的孔隙大小與團粒內(nèi)的孔隙大小相差不大,同時,土體基質(zhì)吸力隨含水率(飽和度)的增大而減小,從而表現(xiàn)出土體抗剪強度參數(shù)也減小。

2.2 壓縮試驗結(jié)果分析

圖6給出了壓縮系數(shù)隨壓實度變化曲線?？梢钥闯?壓縮系數(shù)隨壓實度的增大而減小,且當 ω＞ωop時,壓縮系數(shù)受壓實度的影響變化較大。圖7是壓縮系數(shù)隨含水率變化曲線,可以看出,壓縮系數(shù)隨含水率的增加而增大,并且這種變化僅明顯表現(xiàn)在ω＞ωop時。

圖6 壓縮系數(shù)與壓實度的關(guān)系曲線

圖7 壓縮系數(shù)與含水率的關(guān)系曲線

壓縮系數(shù)反應(yīng)了土體抵抗變形的能力,填土在不同初始含水率下壓實將會產(chǎn)生不同的土體結(jié)構(gòu),從而導(dǎo)致了土體變形特性的顯著差異。Lambe[3]指出,在低于最優(yōu)含水率下壓實的粘性填土結(jié)構(gòu)呈絮凝式,顆粒間排列呈“桁架式”,顆粒間聯(lián)結(jié)力較強,所以表現(xiàn)出抵抗變形的能力大,壓縮系數(shù)隨著壓實度的變化不顯著;當含水率大于最優(yōu)含水率時,粘性填土顆粒的定向性增強,結(jié)構(gòu)向分散式發(fā)展,顆粒間聯(lián)結(jié)力變?nèi)?土體更容易壓縮。

3 結(jié) 論

本文選取某工程路基填土進行了不同初始含水率和壓實度條件下的直剪和壓縮試驗,分析了壓實土體強度和壓縮特性的變化規(guī)律,從水分變化和土體結(jié)構(gòu)差異的角度探討了內(nèi)在機理。研究主要結(jié)論如下:

(1)初始含水率相同時,壓實填土的粘聚力隨壓實度的增大而增大;當壓實度相同時,粘聚力在最優(yōu)含水率附近出現(xiàn)峰值,當含水率 ω＞ωop時,粘聚力急劇減小。

(2)初始含水率相同時,壓實填土的內(nèi)摩擦角隨壓實度的增大而增大;壓實度相同時,若 ω＜ωop,內(nèi)摩擦角隨含水率的增大顯著減小,而 ω＞ωop時,這種減小不顯著。

(3)壓實填土的壓縮系數(shù)隨壓實度的增大而減小,當 ω＞ωop時,受壓實度的影響變化較大;壓縮系數(shù)隨含水率的增大而增大,僅當 ω＞ωop時,才出現(xiàn)較明顯的這種增大變化。

(4)壓實土體抗剪強度和壓縮特性在高于和低于最優(yōu)含水率時表現(xiàn)出來的不同性狀,與土體結(jié)構(gòu)和土中水的分布密切相關(guān)。在實際工程中,控制路基壓實質(zhì)量時,嚴格控制土體含水率在最優(yōu)含水率附近,是獲得較高強度、較小壓縮性土體的最經(jīng)濟途徑。

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