粘性土含水率及壓實度對抗剪強度參數(shù)影響研究

王 輝

(石家莊市軌道交通有限責(zé)任公司)

1 引 言

隨著國家高速公路建設(shè)的進(jìn)一步推進(jìn)，出現(xiàn)了越來越多的高填深挖路基邊坡，其穩(wěn)定問題日漸突出;同時，早期建成通車的部分路段邊坡發(fā)生滑塌，造成了較大的經(jīng)濟損失。因此深入研究路基邊坡的穩(wěn)定性問題越發(fā)顯得重要，土的抗剪強度參數(shù)粘聚力(c)和內(nèi)摩擦角(φ)是完成邊坡穩(wěn)定計算的主要參數(shù)，一般通過直剪和三軸試驗得到，且其隨著自然環(huán)境和施工條件的改變而不同，因此研究土體含水率和壓實度對細(xì)粒土的c、φ 影響不僅能夠為分析土體邊坡穩(wěn)定性計算提供可靠參數(shù)，而且對工程設(shè)計和施工具有重要指導(dǎo)意義。

2 土的物理特性研究

按照《公路土工試驗規(guī)程》(JTG E40－2007)規(guī)定，對土樣進(jìn)行了土的顆粒分析試驗，根據(jù)試驗結(jié)果劃分了土的類別;采用液限塑限聯(lián)合測定法測定了土的液限和塑限;采用重型擊實試驗方法確定土的最佳含水量和最大干密度。最終試驗結(jié)果見表1，可判斷此土樣為中液限粘性土。

表1 土樣的工程性質(zhì)

3 土的三軸剪切試驗

3.1 試驗原理及方法

測定土的抗剪強度參數(shù)試驗可分為不固結(jié)不排水剪、固結(jié)不排水剪和固結(jié)排水剪的試驗。其中不固結(jié)不排水(UU)試驗是在施加周圍壓力和增加軸向壓力直至破壞過程中均不允許試樣排水，本試驗采用此種試驗方法。

設(shè)剪切破壞時軸向加荷系統(tǒng)加在試樣上的豎向壓應(yīng)力(稱為偏應(yīng)力)為Δσ1，則試樣上的大主應(yīng)力為σ1=σ3+Δσ1，而小主應(yīng)力為σ3，據(jù)此可作出一個極限應(yīng)力圓。用同一種土樣的若干個試件(一般3～4 個)分別在不同的周圍壓力σ3下進(jìn)行試驗，可得一組極限應(yīng)力圓。作出這些極限應(yīng)力圓的公切線，即為該土樣的抗剪強度包絡(luò)線，據(jù)此可求得土樣的抗剪強度指標(biāo)c，φ 值。

結(jié)合工程實際，本試驗選取4 種含水率(10%，12%，14%，16%)及3 種壓實度(90%、93%、95%)的進(jìn)行試驗，圍壓分別為100 kPa、200 kPa、300 kPa。

3.2 試驗結(jié)果及分析

(1)粘聚力與內(nèi)摩擦角值計算。

本次多組試驗的結(jié)果如表2，圖1 是對應(yīng)含水率為10%和壓實度為90%的試樣的破壞應(yīng)力圓包絡(luò)線圖。繪出試樣在不同周圍應(yīng)力下的破壞應(yīng)力圓，并繪出三個應(yīng)力圓的公切線，可得土樣的內(nèi)摩擦角和粘聚力。

表2 試樣在不同含水率和壓實度下的c、φ

圖1 試樣的不固結(jié)不排水剪強度包線

(2)結(jié)果分析。

按控制變量法把試驗結(jié)果做成關(guān)系曲線圖分析單一變量對c、φ 的影響。

如圖2 所示，顯示了含水率和內(nèi)摩擦角φ 的關(guān)系曲線。隨著含水率的增加，內(nèi)摩擦角先是增加，在最佳含水率附近達(dá)到最大值，隨后逐漸減小。這與含水率與干密度的關(guān)系曲線相似。同時由圖可知，95%壓實度下的φ 大于93%壓實度下的φ，93%下的φ 大于90%。也就是說土的密度與內(nèi)摩擦角φ 也有一定的關(guān)系，具有近似直線的關(guān)系。這與劉劍旗等的觀點一致。

圖3 顯示了壓實度和內(nèi)摩擦角φ 的關(guān)系。由圖可知，隨著壓實度的增加，內(nèi)摩擦角φ 也增加，并且在含水率為12%時內(nèi)摩擦角φ 最大?？梢姡煌瑝簩嵍鹊耐翗佑兄煌摩?，進(jìn)而影響著路基邊坡的穩(wěn)定性。

圖2 含水率與φ 關(guān)系圖

圖3 壓實度與φ 關(guān)系圖

含水率與粘聚力的關(guān)系圖見圖4。隨著含水率的增加，粘聚力逐漸減小，壓實度影響較小。粘聚力分為原始粘聚力和固化粘聚力。含水率只能影響土的原始粘聚力，土的含水率越小，土的密度越大，原始粘聚力就越大。含水率并不是越小越好，因為含水率還影響著土的內(nèi)摩擦角，因此一般在填筑路基時盡量取用土的最佳含水率。

圖4 含水率與粘聚力c 的關(guān)系圖

4 結(jié) 論

通過土的篩分試驗和液塑限試驗對土樣進(jìn)行工程分類，土樣為粘質(zhì)土;擊實試驗得到土的最大干密度及對應(yīng)的最佳含水率;并測定了不同含水率和壓實度的試樣得到含水率和壓實度對內(nèi)摩擦角φ 和粘聚力c 的影響，主要得到以下結(jié)論。

(1)隨著含水率的增加，內(nèi)摩擦角φ 先增大后減小，在12%左右達(dá)到最大值。與含水率與干密度的關(guān)系曲線相似。95%壓實度下的φ 值大于93%壓實度下的φ 值，93%壓實度下的值大于壓實度為90%的φ 值。

(2)隨著壓實度的增加，內(nèi)摩擦角φ 逐漸增加，并且在含水率為12%時內(nèi)摩擦角最大。隨著含水率的增加，粘聚力c 逐漸減小，壓實度對c 的影響較小。

(3)為了使土坡的穩(wěn)定系數(shù)較大，填土應(yīng)控制其含水率在12%左右，壓實度應(yīng)盡可能的大，但考慮到土體壓實的經(jīng)濟性，對不同的土體，應(yīng)分別考慮，取合適的壓實度。

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