左旺+裴竹松+王康康+龍錦坤+肖蘭

摘 要：本文通過對洞庭湖區(qū)南（南陽）益（益陽）高速公路軟土路基中的土樣進(jìn)行大量的固結(jié)和直剪試驗，分別探討了在相同固結(jié)壓力作用下，抗剪強度指標(biāo)c、隨固結(jié)度U的變化規(guī)律，以及在相同固結(jié)度下，抗剪強度指標(biāo)c、隨固結(jié)壓力P的變化規(guī)律，給出固結(jié)度和固結(jié)壓力與抗剪強度指標(biāo)之間的擬合公式，為洞庭湖地區(qū)公路軟土路基的設(shè)計和施工提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：固結(jié)度；抗剪強度；直剪試驗；固結(jié)試驗

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.11.119

0 引言

隨著洞庭湖區(qū)高速公路建設(shè)的飛速發(fā)展，其軟土路基的承載力和穩(wěn)定性分析的準(zhǔn)確性被更加重視。而抗剪強度指標(biāo)粘聚力c和摩擦角作為最基本的計算參數(shù)，其取值的準(zhǔn)確性將直接關(guān)系到其工程的安全性和經(jīng)濟(jì)性[1]。因此，掌握軟土的抗剪強度指標(biāo)隨固結(jié)度和固結(jié)壓力增長規(guī)律對準(zhǔn)確分析洞庭湖區(qū)軟土路基的穩(wěn)定性，降低工程造價以及指導(dǎo)現(xiàn)場施工具有非常重要的意義。

國內(nèi)外的學(xué)者對于軟土的抗剪強度指標(biāo)隨固結(jié)度和固結(jié)壓力的增長規(guī)律已經(jīng)進(jìn)行了一些試驗研究和理論分析，得出了不少結(jié)論。太沙基[2]的一維固結(jié)理論把固結(jié)時間作為影響固結(jié)度的基本因素，認(rèn)為固結(jié)度與時間有對應(yīng)關(guān)系；胡德金等[3]對重塑軟土進(jìn)行了不同固結(jié)度的三軸試驗；何群等[4]通過大量室內(nèi)固結(jié)、直剪試驗，對常（常德）張（張家界）高速公路軟土在不同固結(jié)壓力作用下的抗剪強度指標(biāo)隨固結(jié)度U的變化規(guī)律進(jìn)行了研究；劉紅軍等[5]通過直剪試驗和單向壓縮固結(jié)試驗，研究了固結(jié)壓力為100kPa時，軟土抗剪強度及抗剪強度指標(biāo)與固結(jié)度之間的關(guān)系。

我國地域遼闊，不同地區(qū)軟土的工程性質(zhì)由于成因不同而存在著較大的差異，所以借鑒其他地區(qū)軟土的工程性質(zhì)去評價另一個地區(qū)軟土工程性質(zhì)是不可靠的。所以，針對洞庭湖區(qū)公路軟土路基的穩(wěn)定性問題，本文通過對洞庭湖區(qū)原狀土樣進(jìn)行大量常規(guī)物理力學(xué)指標(biāo)試驗、室內(nèi)單向壓縮固結(jié)試驗和直剪試驗，研究了在不同固結(jié)壓力、不同固結(jié)度下，洞庭湖區(qū)軟土抗剪強度指標(biāo)c、的變化規(guī)律，給出固結(jié)度和固結(jié)壓力與抗剪強度指標(biāo)之間的擬合公式，為洞庭湖地區(qū)公路軟土路基的設(shè)計和施工提供參考依據(jù)。

1 試驗類型和內(nèi)容

本次試驗研究采用的是直剪試驗。直剪試驗跟三軸試驗相比，操作相對簡便，可以節(jié)約時間，縮短試驗周期。直剪試驗中，固結(jié)度控制原理是某一固結(jié)壓力下達(dá)到某一固結(jié)度等于該級壓力下某一時間的沉降量與最終沉降量的比值[6]。

試驗中所有土樣均取自于南（南陽）益（益陽）高速公路軟土路基，利用薄壁取土器采集原狀土，取樣深度為10.8～24.5m左右，為砂紋淤泥質(zhì)土。各項試驗依據(jù)相關(guān)規(guī)范進(jìn)行。

1.1 基本物理力學(xué)性質(zhì)試驗

其目的是為了求得洞庭湖區(qū)原狀土樣的物理力學(xué)指標(biāo)，包括含水量、密度、液限、塑限、比重以及快剪強度等。

1.2 固結(jié)試驗

固結(jié)試驗采用的是三聯(lián)式單杠桿固結(jié)儀，利用環(huán)刀取樣，試樣直徑為61.8mm，高度為20mm。首先，確定土樣在不同固結(jié)壓力作用下，固結(jié)度分別達(dá)到U=20%、40%、60%、80%以及近似完成主固結(jié)（U≈100%）所需的時間ti=t1、t2、t3、t4、t5，用來指導(dǎo)后面的直剪試驗。試驗中，為了能比較準(zhǔn)確地確定土樣達(dá)到不同固結(jié)度的時間，在三式單杠桿固結(jié)儀上安裝DH3821靜態(tài)應(yīng)變測試析系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

1.3 直剪試驗

直剪試驗采用等應(yīng)變直剪儀進(jìn)行，利用環(huán)刀取樣，試樣直徑為61.8mm，高度為20mm，包括固結(jié)與快剪試驗兩部分。首先，分別將各級荷載一次性施加在試樣上使其固結(jié)，然后根據(jù)固結(jié)試驗中所確定的固結(jié)度與時間的關(guān)系來控制固結(jié)度，當(dāng)試樣達(dá)到固結(jié)度Ui（固結(jié)時間ti）后直接進(jìn)行剪切試驗。

2 試驗步驟

（1）固結(jié)壓力分別取=100、200、300、400kPa。

（2）首先在固結(jié)儀上進(jìn)行固結(jié)壓力為下U≈100%的固結(jié)試驗，從而得到U=20%、40%、60%、80%所需時間以指導(dǎo)其下面的U=20%、40%、60%、80%的試驗讀值時間，并確定土樣達(dá)到不同固結(jié)度時相應(yīng)的土樣高度（i=1，2，3，4，5）。固結(jié)試驗按相關(guān)規(guī)范進(jìn)行。

（3）然后在直剪儀上進(jìn)行固結(jié)壓力為的固結(jié)和快剪試驗。首先，將試樣安裝在直剪儀上，然后使試樣在各級壓力作用下進(jìn)行固結(jié)。然后，針對土樣達(dá)到不同的固結(jié)度的情況，分別進(jìn)行快剪試驗，以確定該級壓力作用下不同固結(jié)度、不同固結(jié)壓力對抗剪強度指標(biāo)c、值的影響。固結(jié)度通過試樣高度以及加載時間來進(jìn)行控制?？旒粼囼灠聪嚓P(guān)規(guī)范進(jìn)行，快剪試驗的垂直壓力按下面的方法確定：

=100kPa時：50、100、150、200kPa；

>100kPa時：-100、-50、、+50kPa；

（4）以上各項試驗中均需進(jìn)行3組平行試驗，取得可靠數(shù)據(jù)后再進(jìn)行整理與分析。

3 試驗數(shù)據(jù)分析

3.1 原狀土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

為了確定洞庭湖區(qū)原狀土樣物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，對其進(jìn)行了一系列常規(guī)物理力學(xué)性質(zhì)試驗，其物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

3.2 軟土抗剪強度指標(biāo)與固結(jié)度之間的關(guān)系

按上面試驗方法與步驟進(jìn)行了相關(guān)試驗，得到了在不同固結(jié)壓力p下土樣抗剪強度指標(biāo)c、與固結(jié)度U的關(guān)系數(shù)據(jù)，詳見表2。然后對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理與分析，繪制了一些關(guān)系曲線圖，詳見圖1～圖8。

表2 土樣抗剪強度指標(biāo)與固結(jié)度的關(guān)系

根據(jù)圖1可知：在同一固結(jié)壓力下，洞庭湖區(qū)軟土粘聚力c隨固結(jié)度U的增加而增加，但增大速率隨著固結(jié)度的增大呈現(xiàn)放緩的趨勢，在固結(jié)度U<60%增長速度較快，在U>60%時增長速度變緩。主要原因是隨著固結(jié)排水的進(jìn)行，水分逐漸排出，土顆粒表面結(jié)合水膜變薄，使的土體粘聚力增大。

根據(jù)圖2可知：在同一固結(jié)度下，洞庭湖區(qū)軟土粘聚力c隨固結(jié)壓力p的增大而增大，基本呈現(xiàn)線性增大的趨勢，但增幅不大。

根據(jù)圖3可知：不同固結(jié)壓力下的平均粘聚力c與固結(jié)度U之間呈現(xiàn)良好的相關(guān)性，增加趨勢隨固結(jié)度的增加而放緩，可擬合成一個二次關(guān)系式，擬合關(guān)系式為c=-0.001U2+0.2145U+6.0805，相關(guān)系數(shù)R2=0.9952。

根據(jù)圖4可知：不同固結(jié)度下軟土的平均粘聚力c與固結(jié)壓力p之間基本呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，擬合關(guān)系式為c=0.0153p+9.465，相關(guān)系數(shù)為R2=0.9624。

根據(jù)圖5可知：在同一固結(jié)壓力下，洞庭湖區(qū)軟土摩擦角隨固結(jié)度U的增加而增加，呈現(xiàn)線性增加的趨勢。這是因為在土樣的固結(jié)過程中，水分逐漸排出，土顆粒不斷被壓密，土顆粒之間的摩阻力變大，所以內(nèi)摩擦角隨固結(jié)度的增大而不斷增大。

根據(jù)圖6可知：在同一固結(jié)度下，洞庭湖區(qū)軟土摩擦角隨固結(jié)壓力p的增加而增加，但在固結(jié)壓力大于300kPa后，摩擦角隨固結(jié)壓力的增加而增加的速度放緩，整體增幅不大。

根據(jù)圖7可知：不同壓力p下的平均摩擦角與固結(jié)度U之間基本呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，擬合關(guān)系式為=0.0665U+15.207，相關(guān)系數(shù)R2=0.9913。

根據(jù)圖8可知：不同固結(jié)度U下平均摩擦角與固結(jié)壓力p之間基本呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，擬合關(guān)系式為0.0101P+15.995，相關(guān)系數(shù)R2=0.9387。

4 結(jié)語

（1）在同一固結(jié)壓力下，洞庭湖區(qū)軟土的粘聚力c隨固結(jié)度U的增加而增加，但增大速率隨著固結(jié)度的增大呈現(xiàn)放緩的趨勢，在固結(jié)度U<60%增長速度較快，在U>60%時增長速度變緩。在同一固結(jié)度下，洞庭湖區(qū)軟土粘聚力c隨固結(jié)壓力p的增大而增大，基本呈現(xiàn)線性增大的趨勢。

（2）不同壓力p下的平均粘聚力c與固結(jié)度U之間呈現(xiàn)良好的相關(guān)性，增加趨勢隨固結(jié)度的增加而放緩，可擬合成一個二次關(guān)系式。

（3）在同一固結(jié)壓力下，洞庭湖區(qū)軟土摩擦角隨固結(jié)度U的增加而增加，呈現(xiàn)線性增加的趨勢。在同一固結(jié)度下，洞庭湖區(qū)軟土摩擦角隨固結(jié)壓力p的增加而增加，但在固結(jié)壓力大于300kPa后，摩擦角隨固結(jié)壓力的增加而增加的速度放緩。

（4）不同固結(jié)度U下的平均摩擦角與固結(jié)度U之間基本呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。

（5）在荷載作用下，洞庭湖區(qū)軟土抗剪強度指標(biāo)粘聚力和摩擦角會發(fā)生變化，所以在進(jìn)行軟土路基設(shè)計和施工過程中應(yīng)考慮其固結(jié)度和固結(jié)壓力的影響。

參考文獻(xiàn)：

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