張淑寶
(漳州廈蓉高速擴建工程有限公司 福建漳州 363000)
福建省地處東南沿海,境內(nèi)山地丘陵遍布,地形地質(zhì)條件復(fù)雜,高等級公路、鐵路的展線布置難度較大;沿線不可避免地存在較多的深挖路塹與高填路堤,其邊坡在建設(shè)與運營期間均存在邊坡失穩(wěn)的隱患,尤其對高填方路堤而言,填料在不同狀態(tài)下的抗剪強度指標(biāo)(黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ),是影響路堤穩(wěn)定的關(guān)鍵因素,對估算邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)具有重要意義。
劉秀菊[1]以砂性土路基填料為試驗對象,進行室內(nèi)直剪試驗,發(fā)現(xiàn)砂性土的抗剪強度隨含水率的增大先增后減。黃錕[2]以欠固結(jié)粉砂土為對象,通過室內(nèi)直剪試驗,發(fā)現(xiàn)含水率降低了土樣的黏聚力,但對內(nèi)摩擦角影響較小。肖成志[3]基于三軸試驗,分析了壓實度及含水率對含砂粉土抗剪強度的影響,認(rèn)為增大壓實度或降低含水率能夠顯著提高含砂粉土的黏聚力。賈亮[4]對壓實黃土進行直剪試驗,認(rèn)為黏聚力及內(nèi)摩擦角均隨壓實度增大而增大,隨含水率增大略有減小。甘文寧[5]對紅砂巖細(xì)粒土展開不同含水率及壓實度下的直剪試驗,認(rèn)為黏聚力及內(nèi)摩擦角均隨壓實度的增大而增大,但黏聚力受含水率及壓實度的影響更為顯著。
本文以廈蓉高速漳州段A1標(biāo)高填方路堤的砂性土填料為研究對象,通過室內(nèi)直剪試驗,對不同含水率及壓實度下的砂性土填料進行研究。通過18組不同含水率及壓實度下的直剪試驗,研究壓實度及含水率對抗剪強度指標(biāo)的影響,為廈蓉高速或類似工程中高填路堤的穩(wěn)定性估算提供技術(shù)參考。
漳州天寶至龍巖蛟洋高速公路是廈蓉高速(國高網(wǎng)G76)的重要組織部分,全長127.5km,起自漳州天寶互通,止于龍巖蛟洋互通。整條線路在地形地貌上屬山嶺重丘區(qū),沿線存在大量的高填方路堤。其中A1、A2、A3 3個標(biāo)段內(nèi)均存在多處高填方路堤(填筑高度大于20m),如表1所示。
表1 廈蓉高速漳州段高填方路堤統(tǒng)計表
試驗所用砂性土填料取自A1標(biāo)段高填方路堤,其天然含水率為5.8%;壓實度為96%;對其進行篩分試驗得到其篩分曲線如圖1所示,得其不均勻系數(shù)Cu為6.2;曲率系數(shù)Cc為1.1;這表明天然砂性土填料級配良好,擁有較好的路用性能。
圖1 砂性土填料的顆粒篩分曲線
根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》[6],對于砂性土填料的室內(nèi)直剪試驗,其所用試樣必須過2mm篩孔后方可使用。同時,試樣的最大干密度及其最佳含水率對于直剪試驗設(shè)計至關(guān)重要,故首先開展室內(nèi)擊實試驗,測定其最大干密度與最佳含水率。
擊實試驗采用標(biāo)準(zhǔn)重型擊實儀進行,其錘重4.5kg;落距45cm;填入試樣分5層、每層27次落錘擊實;夯擊能2687kJ/m3;試驗所得數(shù)據(jù)采用二項式擬合,如圖2所示,得其最佳含水率10.2%,最大干密度1.88g/cm3。
圖2 砂性土填料的擊實曲線
由擊實試驗可知:試樣最大干密度為1.88g/cm3;最佳含水率為10.2%;故直剪試驗試樣按照含水率6.2%、8.2%、10.2%、12.2%、14.2%;壓實度85%、90%、95%、100%進行設(shè)計。
需要指出的是:試樣只有在最佳含水率下壓實度才能達(dá)到100%,含水率6.2%及14.2%下其壓實度最大達(dá)到95%,其余含水率下其壓實度最大達(dá)到99%。試樣壓實度及含水率的正交試驗設(shè)計如表2所示。
表2 壓實度及含水率的正交組合 %
為配制一定含水率及壓實度的環(huán)刀試樣,試樣所需的烘干土及加水量可按下列公式進行控制:
ms=ρλV
(1)
mω=msω
(2)
其中:
ms為環(huán)刀內(nèi)需要加入的烘干砂性土填料的質(zhì)量;
ρ為試樣的最大干密度;
λ為試樣所需的壓實度;
V為環(huán)刀體積。
壓實后的環(huán)刀試樣如圖3所示。
圖3 壓實環(huán)刀試樣
試樣制備完畢之后,即可進行室內(nèi)直剪試驗,室內(nèi)直剪試驗選用EDJ-1型二速電動直剪儀如圖4所示。
圖4 電動直剪儀
EDJ-1型二速電動直剪儀最大法向荷重400kPa;杠桿比1∶12;環(huán)刀面積30cm2;高2cm;設(shè)置手輪轉(zhuǎn)速4r/min;即剪切速度0.8mm/min。在試驗過程中,每隔15s記錄測力環(huán)百分表讀數(shù),以百分表讀數(shù)乘以測力環(huán)系數(shù)即可得到試樣的剪切應(yīng)力,如式(3)和式(4)所示。
Δl=20n-R
(3)
τ=CR
(4)
其中:
Δl為剪切位移;
n為手輪轉(zhuǎn)數(shù);
R為百分表讀數(shù);
τ為剪切應(yīng)力;
C為測力校正系數(shù)。
以壓實度95%、含水率12.2%試樣為例,其剪切荷載-剪切變形典型曲線如圖5所示。
圖5 砂性土填料的典型剪切曲線
由圖5可知,砂性土填料試樣的剪切荷載隨法向荷載的增大而增大,剪切變形隨剪切荷載的增大而增大,在剪切荷載達(dá)到峰值時,試樣破壞。表明砂性土填料在外荷載作用下,隨著孔隙水壓力的消散以及土層的固結(jié),試樣的抗剪強度也將會隨之而增長,這與既有的研究成果基本一致[7]。
將圖5的峰值剪切荷載與法向荷載匯總得到圖6所示的抗剪強度包絡(luò)線,試驗結(jié)果符合抗剪強度的庫侖定律;并求得其內(nèi)摩擦角φ為36.82°,黏聚力c為8.16kPa。
圖6 剪切應(yīng)力與法向應(yīng)力的關(guān)系曲線
將實驗所得剪切應(yīng)力及法相應(yīng)力繪制在直角坐標(biāo)系中,可得剪切應(yīng)力與法相應(yīng)力的一次擬合直線,其與X軸的夾角為內(nèi)摩擦角,在Y軸上的截距為黏聚力。匯總上述18組直剪試驗所得的不同含水率與壓實度下的抗剪強度指標(biāo),如表3~表4所示。
表3 不同含水率及壓實度下內(nèi)摩擦角匯總表
表4 不同含水率及壓實度下黏聚力匯總表
根據(jù)表3數(shù)據(jù),繪制含水率與內(nèi)摩擦角的關(guān)系曲線如圖7所示。在相同壓實度下,含水率對內(nèi)摩擦角無明顯影響,隨著含水率的增大,內(nèi)摩擦角波動極小,這表明:土顆粒間水膜的包裹作用對于減小顆粒間的嵌擠作用效果甚微,內(nèi)摩擦角主要與顆粒級配及壓實度有關(guān)[8]。
圖7 含水率與內(nèi)摩擦角的關(guān)系曲線
類似地繪制內(nèi)摩擦角與壓實度的關(guān)系曲線,如圖8所示。砂性土填料的壓實度對其內(nèi)摩擦角影響很大,較高的壓實度能夠顯著提高砂性土填料的內(nèi)摩擦角。這表明:砂性土填料的內(nèi)摩擦角主要受壓實度(既顆粒間的嵌擠力)控制,土顆粒在一定的夯擊能下被擠壓密實,極大地提高了顆粒間的嵌擠作用,進而增大了砂性土填料的內(nèi)摩擦角[9]。
圖8 壓實度與內(nèi)摩擦角關(guān)系曲線
根據(jù)表3數(shù)據(jù),繪制含水率與黏聚力的關(guān)系曲線如圖9所示,砂性土填料的黏聚力隨含水率的增大,在最佳含水率附近達(dá)到最大值。較低的含水率會導(dǎo)致土顆粒間毛細(xì)水壓力的喪失,進而減小其黏聚力。當(dāng)含水率增大時,土顆粒間會出現(xiàn)似黏聚力現(xiàn)象,當(dāng)含水率進一步增大時,土顆粒間的水膜變厚,不再具有似黏聚力現(xiàn)象,從而使砂性土填料的黏聚力先增大后減小[8,10]。因此,在實際施工環(huán)境中,保持合適的含水率一定程度上能提高其路堤穩(wěn)定性。
類似繪制壓實度與黏聚力的關(guān)系曲線如圖10所示。黏聚力隨壓實度的增大呈近似線性增長,不同含水率下黏聚力隨壓實度的增長規(guī)律基本一致。與含水率相比,壓實度對黏聚力的影響更大,這表明:較高的壓實度對砂性土填料抗剪強度的提高較為明顯。
圖9 含水率與黏聚力的關(guān)系曲線
圖10 壓實度與黏聚力的關(guān)系曲線
本文以廈蓉高速漳州段砂性土填料為研究對象,首先通過顆粒篩分試驗與擊實試驗,確定其顆粒組成、最優(yōu)含水率與最大干密度。在此基礎(chǔ)上,對18組不同含水率及壓實度下的砂性土填料試樣,展開室內(nèi)直剪試驗。所得主要結(jié)論如下:
(1)廈蓉高速漳州段砂性土填料的最大干密度為1.88g/cm3,最優(yōu)含水率為10.2%;在設(shè)計壓實度與天然含水率條件下,其內(nèi)摩擦角為35.92°,黏聚力為5.29kPa。
(2)砂性土填料的內(nèi)摩擦角隨壓實度的增大呈近似線性增長,但與含水率無明顯相關(guān)。
(3)砂性土填料的黏聚力隨壓實度的增大呈近似線性增長,同時隨含水率的增大先增大后減小,在最佳含水率附近達(dá)到最大值。
參 考 文 獻(xiàn)
[1] 劉秀菊.砂性土做高速公路路基室內(nèi)試驗性能分析[J].公路, 2011(07): 64-66.
[2] 黃錕.非飽和土的抗剪強度與含水率關(guān)系的試驗研究[J].巖土力學(xué),2012, 33(9): 2600-2604.
[3] 肖成志, 李曉峰, 張靜娟.壓實度和含水率對含砂粉土性質(zhì)的影響[J].深圳大學(xué)學(xué)報(理工版), 2017, 34(05): 501-508.
[4] 賈亮.蘭州地區(qū)壓實黃土抗剪強度影響因素探討[J].巖土工程學(xué)報, 2014, 36(S2): 120-124.
[5] 甘文寧.紅砂巖細(xì)粒土抗剪強度的試驗研究[J].四川大學(xué)學(xué)報(工程科學(xué)版), 2014, 46(S2): 70-75.
[6] 交通部公路科學(xué)研究院.公路土工試驗規(guī)程[M].北京:人民交通出版社,2007:212-216.
[7] Kong.L, Guo.A.Bearing strength and swelling behavior of Jingmen expansive soil[J].Road materials and pavement design, 2011, 12(2): 37-40.
[8] 薛亞東, 岳磊, 李碩標(biāo).含水率對土石混合體力學(xué)特性影響的試驗研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報, 2015, 23(01): 21-29.
[9] 袁俊平, 詹斌, 陳勝超, 等.含水率和壓實度對路基填土力學(xué)特性的影響[J].水利與建筑工程學(xué)報, 2013, 11(02): 98-102.
[10] 王來貴, 張鵬, 李喜林.含水率及壓實度對排土場巖土抗剪強度的影響[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2015, 34(06): 699-703.