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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210098)

0 引 言

近年來(lái),伴隨著我國(guó)高速公路建設(shè)的快速發(fā)展,在路基工程中常常會(huì)開(kāi)山填洼,人工造地,因此對(duì)壓實(shí)填土工程特性的研究也越來(lái)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(duì)于路基而言,工程所關(guān)心的問(wèn)題是穩(wěn)定和沉降,其實(shí)質(zhì)是路基土的強(qiáng)度與變形的問(wèn)題[1]。因此將強(qiáng)度及變形指標(biāo)作為反映填土工程質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn),已成為填土施工質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向[2]。

關(guān)于含水率和壓實(shí)度對(duì)土體力學(xué)性質(zhì)的影響,國(guó)內(nèi)外學(xué)者已進(jìn)行過(guò)諸多研究。Lambe[3]對(duì)粘性土進(jìn)行了試驗(yàn),指出在壓實(shí)能和壓實(shí)度相同的條件下,在含水率 ω小于最優(yōu)含水率 ωop時(shí)比ω＞ωop時(shí)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(qiáng)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(duì)非飽和壓實(shí)粘土的試驗(yàn)中觀察到,當(dāng)含水率小于最優(yōu)含水率時(shí),隨著含水率的減少,粘聚力c也減小。王林浩[2]對(duì)壓實(shí)黃土狀填土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c、φ的變化趨勢(shì)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn),含水率不變時(shí),壓實(shí)黃土狀粉土的c、φ值均呈現(xiàn)出隨壓實(shí)度的增加而增大的趨勢(shì);壓實(shí)度不變時(shí),c、φ值均隨含水率增大而減小。劉峰[5]提出對(duì)于重塑膨脹土,壓實(shí)度在較低含水率下對(duì)抗剪強(qiáng)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(duì)黏性土進(jìn)行試驗(yàn)得到了 c、φ均隨壓實(shí)度增加而增大的結(jié)論。宋曉晨[7]對(duì)大連機(jī)場(chǎng)升降帶回填土的研究表明,壓實(shí)填土含水率在11.0%～16.9%范圍內(nèi)時(shí),粘聚力與內(nèi)摩擦角均隨壓實(shí)度增加而增大。陳開(kāi)圣[8]對(duì)高速公路壓實(shí)黃土進(jìn)行壓縮特性的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)含水率低于最優(yōu)含水率時(shí),壓縮系數(shù)隨含水率的增加增長(zhǎng)幅度不大;當(dāng)含水率超過(guò)最佳含水率2%～3%后,壓縮系數(shù)隨含水率的增加增長(zhǎng)幅度迅速變大?？梢?jiàn)以往研究多集中于對(duì)特殊土壓實(shí)后工程性質(zhì)的討論,對(duì)壓實(shí)土力學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律及機(jī)理未形成共識(shí)。

土體抗剪強(qiáng)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(shí)度是施工中的兩個(gè)重要控制參數(shù),壓實(shí)度和含水率對(duì)抗剪強(qiáng)度和壓縮特性參數(shù)的影響及如何根據(jù)強(qiáng)度和變形參數(shù)選取合理壓實(shí)度和含水率來(lái)控制土體壓實(shí)質(zhì)量的研究尚不多見(jiàn)。本文選取某工程路基填土進(jìn)行了直剪和壓縮試驗(yàn),對(duì)壓實(shí)后土體的強(qiáng)度特性和壓縮特性進(jìn)行了分析,對(duì)含水率和壓實(shí)度變化條件下土體抗剪強(qiáng)度和壓縮特性的變化規(guī)律和內(nèi)在機(jī)理進(jìn)行了探討。

1 試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土取自南通204國(guó)道擴(kuò)建工程如皋段RG7標(biāo)段(K821+880～K822+000),土樣的基本物理性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1,顆粒分析曲線見(jiàn)圖1。

表1 試驗(yàn)用土物理性質(zhì)指標(biāo)

圖1 土體顆粒分析曲線

1.2 試樣制備

試驗(yàn)全部采用重塑土樣,將所用路基填土風(fēng)干、碾碎、過(guò)2mm篩后,配制成目標(biāo)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(shí)度為90%、93%、96%、99%的4種試樣分別進(jìn)行直剪和壓縮試驗(yàn),每種試驗(yàn)各20組。試樣采用壓實(shí)法制備,具體方法參照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[9]進(jìn)行。

1.3 直剪試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用應(yīng)變控制式直剪儀,試樣尺寸高20mm,直徑61.8mm。試驗(yàn)時(shí)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(yàn)過(guò)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(yàn)有4個(gè)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(shí)垂直變形不超過(guò)0.005mm),以0.8mm/min～1.2mm/min的速率進(jìn)行剪切,使試樣在3 min～5 min內(nèi)剪破。

1.4 壓縮試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用固結(jié)儀,試樣尺寸高20mm,直徑61.8mm。試驗(yàn)時(shí)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(jìn)行水氣交換。試樣裝好后逐級(jí)施加荷載,加壓等級(jí)分別為 12.5 kPa、25 kPa、50 kPa、100 kPa、200 kPa,每級(jí)荷載下壓縮24 h后變形趨于穩(wěn)定(即變形小于0.005mm/h)時(shí)再施加下一級(jí)荷載。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 直剪試驗(yàn)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(shí)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(shí)度K的增加呈增大趨勢(shì)。對(duì)比5種不同含水率下的c-K曲線,同一壓實(shí)度下,最優(yōu)含水率時(shí)粘聚力最大。圖3為c-ω關(guān)系曲線,可見(jiàn),粘聚力c在最優(yōu)含水率ωop附近取得峰值,當(dāng) ω＜ωop時(shí),隨著 ω的增加c增加;ω＞ωop時(shí),隨 ω的增加c迅速降低,且壓實(shí)度越大 c降低得越快。壓實(shí)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(shí)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(shí)度K變化曲線

從c-ω曲線可知,在相同壓實(shí)度條件下,含水率 ω＜ωop時(shí)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(lái)分析:

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

對(duì)于壓實(shí)土體來(lái)說(shuō),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(shí),只有 c3會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)含水率較小時(shí),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(shì)。當(dāng)含水率達(dá)到最優(yōu)含水率時(shí),結(jié)合水的表面張力也達(dá)到最大,此時(shí)c3達(dá)到最大值,綜合表現(xiàn)為c值達(dá)到最大。若含水率進(jìn)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(xiàn)[10]在對(duì)南沙軟土和廣州的粉質(zhì)粘土進(jìn)行強(qiáng)度特性的試驗(yàn)中,從孔隙液離子濃度、顆粒表面微電場(chǎng)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(shí)度變化曲線?？梢钥闯?在同一初始含水率下,內(nèi)摩擦角 φ隨著壓實(shí)度的增大而增大,這主要是由于隨著壓實(shí)度的增大,土粒間的接觸更加緊密,克服顆粒間相對(duì)運(yùn)動(dòng)所需外力也越大的緣故。對(duì)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(zhǎng)幅度更大,究其原因:當(dāng)含水率較低時(shí),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(shí)程度對(duì)水膜的厚度的影響較小,表現(xiàn)為K對(duì)φ的影響較小;當(dāng)含水率較高時(shí)(大于最優(yōu)含水率),壓實(shí)度較小時(shí),土顆粒之間距離較大,土粒周圍結(jié)合水膜潤(rùn)滑作用使得 φ較小,隨著壓實(shí)度增大,顆粒間距減小,結(jié)合水膜變薄,其潤(rùn)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(shí)度下,當(dāng) ω＜ωop時(shí),內(nèi)摩擦角 φ隨著含水率的增大而減小,但是當(dāng) ω＞ωop時(shí),φ隨含水率的變化不明顯。其原因是當(dāng)土體含水率較小時(shí),土中的水主要以顆粒周圍的結(jié)合水膜的形式存在(強(qiáng)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(dòng),對(duì)土粒間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)起潤(rùn)滑作用,強(qiáng)結(jié)合水膜中的水分子不能移動(dòng)。內(nèi)摩擦角φ是土粒間相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)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(shí)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(dāng)含水率達(dá)到最優(yōu)含水率時(shí),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(duì)土粒間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)不再起明顯的潤(rùn)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(shí)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(shí)度對(duì)壓實(shí)填土抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響以及壓實(shí)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(shí)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(kāi)的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)以及團(tuán)粒內(nèi)的結(jié)構(gòu),土中孔隙也相應(yīng)地可分為團(tuán)粒之間的較大孔隙和團(tuán)粒內(nèi)的較小孔隙。當(dāng)含水率小于最優(yōu)含水率時(shí),土中這兩種結(jié)構(gòu)和孔隙往往同時(shí)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(tuán)粒結(jié)構(gòu)(類似于粗顆粒),土體受剪時(shí),表現(xiàn)出較大的粘聚力和內(nèi)摩擦角;當(dāng)含水率大于最優(yōu)含水率以后,在壓實(shí)過(guò)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(tuán)粒間的孔隙大小與團(tuán)粒內(nèi)的孔隙大小相差不大,同時(shí),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(qiáng)度參數(shù)也減小。

2.2 壓縮試驗(yàn)結(jié)果分析

圖6給出了壓縮系數(shù)隨壓實(shí)度變化曲線?？梢钥闯?壓縮系數(shù)隨壓實(shí)度的增大而減小,且當(dāng) ω＞ωop時(shí),壓縮系數(shù)受壓實(shí)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(shí)。

圖6 壓縮系數(shù)與壓實(shí)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(shí)將會(huì)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(shí)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(qiáng),所以表現(xiàn)出抵抗變形的能力大,壓縮系數(shù)隨著壓實(shí)度的變化不顯著;當(dāng)含水率大于最優(yōu)含水率時(shí),粘性填土顆粒的定向性增強(qiáng),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(jìn)行了不同初始含水率和壓實(shí)度條件下的直剪和壓縮試驗(yàn),分析了壓實(shí)土體強(qiáng)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(jī)理。研究主要結(jié)論如下:

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

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

(3)壓實(shí)填土的壓縮系數(shù)隨壓實(shí)度的增大而減小,當(dāng) ω＞ωop時(shí),受壓實(shí)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(dāng) ω＞ωop時(shí),才出現(xiàn)較明顯的這種增大變化。

(4)壓實(shí)土體抗剪強(qiáng)度和壓縮特性在高于和低于最優(yōu)含水率時(shí)表現(xiàn)出來(lái)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(shí)際工程中,控制路基壓實(shí)質(zhì)量時(shí),嚴(yán)格控制土體含水率在最優(yōu)含水率附近,是獲得較高強(qiáng)度、較小壓縮性土體的最經(jīng)濟(jì)途徑。

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