李浩然,鄧韜,許建凱,鄒永輝,宋常軍

(1.貴州甕開高速公路發(fā)展有限公司,貴州 甕安 550400;2.中鐵開發(fā)投資集團(tuán)有限公司,云南 昆明 650500;3.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究所 道路研究中心,北京 100088)

高液限土是指液限(100g錐試驗(yàn))大于50%的細(xì)粒土,具有明顯的地域性特點(diǎn)和水敏感性[1],是不良的路基填料。我國(guó)的高液限土主要分布在長(zhǎng)江流域以南地區(qū),其中碳酸鹽巖高液限土的分布最廣,其次為花崗巖殘積高液限土,而玄武巖殘積高液限土僅有少量或零星分布。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)高液限土的水敏感性進(jìn)行了較多研究,胡昕等[2]、王中文等[3]采用直接剪切試驗(yàn)研究了廣梧高速公路高液限土和紅黏土抗剪強(qiáng)度的水敏感性;黃劍宇[4]研究了非飽和重塑高液限黏土的脫濕和吸濕抗剪強(qiáng)度;周雄等[5]、易進(jìn)來(lái)等[6]、陳開圣[7]的研究得到了高液限土抗剪強(qiáng)度與干濕循環(huán)作用次數(shù)的關(guān)系;林麗萍等[8]、李濤等[9]提出了非飽和重塑紅黏土的抗剪強(qiáng)度與基質(zhì)吸力的關(guān)系;胡宏坤等[10]、楊俊等[11]、蘭恒水等[12]、李方華[13]研究了改良高液限土的強(qiáng)度特性,并提出了抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與石灰等摻量之間的關(guān)系。然而,高液限土的力學(xué)性質(zhì)復(fù)雜,水敏感性強(qiáng),地域性顯著,有必要對(duì)不同地域高液限土的水敏感性進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

本文以貴州、福建、湖南山區(qū)的高液限土為研究對(duì)象,進(jìn)行了不同含水率下的直接剪切試驗(yàn)和承載比試驗(yàn)。基于試驗(yàn)結(jié)果,深入對(duì)比分析了重塑高液限土的抗剪強(qiáng)度及其特征參數(shù),加州承載比和含水率之間的關(guān)系及其變化規(guī)律,為高液限土路堤穩(wěn)定性分析的力學(xué)參數(shù)選取提供參考。

1 試驗(yàn)土樣和試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)土樣分別取自福建三明(編號(hào)為FJ1和FJ2)、貴州畢節(jié)(編號(hào)為GZ1和GZ2)、湖南永州(編號(hào)為HN1和HN2),其物理特性指標(biāo)見表1。

表1 土樣的物理特性指標(biāo)

由表1可知,不同地域的高液限土均具有高天然含水率、高液限、高塑限和高塑性指數(shù)的特點(diǎn),但其顆粒級(jí)配差異性較大。如土樣編號(hào)GZ2的粒徑小于或等于0.075 mm時(shí)顆粒含量?jī)H為66.5%,其余土樣均超過(guò)80%,最大甚至達(dá)到97%。根據(jù)規(guī)程[14]進(jìn)行命名,FJ1為高液限黏土,GZ2為含砂高液限粉土,其余土樣為高液限粉土。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)土樣采用濕土法備樣,土樣分三層擊實(shí),每層98擊,環(huán)刀切取剪切試驗(yàn)的試樣。高液限土路基適宜填筑稠度為0.9～1.2,故按表2制備高液限土試樣。每一含水率切取4個(gè)土樣,進(jìn)行垂直壓力為100、200、300和400 kPa的直接剪切試驗(yàn)。

表2 制樣含水率

承載比(CBR)試驗(yàn)的土樣進(jìn)行4個(gè)晝夜的泡水。FJ1土樣的制樣含水率為31.0%、36.5%、37.5%、43.0%、48.0%,FJ2土樣的制樣含水率為19.0%、21.0%、26.5%、30.0%、34.5%、36.0%,FJ1土樣和FJ2土樣的擊實(shí)功均為重型3×98;GZ1土樣的制樣含水率為32.5%(擊實(shí)功為重型3×70)、38.0%(擊實(shí)功為重型3×60)、41.5%(擊實(shí)功為重型3×50)、47.5%(擊實(shí)功為重型3×50);GZ2土樣的制樣含水率為23.0%、25.0%、28.0%、30.0%,擊實(shí)功為重型3×98;HN1土樣的制樣含水率為26.0%、29.5%、31.5%、34.5%、36.5%, HN2的制樣含水率為27.0%、31.0%、34.5%、36.0%、38.5%、40.0%,擊實(shí)功均為重型3×80。承載比取貫入量為2.5 mm和5 mm對(duì)應(yīng)的較大值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 含水率對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的影響

6種高液限土試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系與含水率和垂直壓力呈相同的變化規(guī)律,限于篇幅,本文僅給出FJ1土樣在P=100 kPa的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線,見圖1。當(dāng)初始含水率低于塑限時(shí),高液限土表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變軟化特性;當(dāng)初始含水率高于塑限時(shí),高液限土逐漸表現(xiàn)出應(yīng)變硬化特性?？梢钥闯?高液限土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系與初始含水率明顯相關(guān),隨著初始含水率的增大,應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系會(huì)逐漸由應(yīng)變軟化型轉(zhuǎn)化為應(yīng)變硬化型,其轉(zhuǎn)化的特征含水率約為塑限。

圖1 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

2.2 含水率對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響

不同含水率下高液限土抗剪強(qiáng)度與垂直壓力的關(guān)系曲線見圖2。從圖中可以看出,高液限土的抗剪強(qiáng)度有顯著的水敏感性,即抗剪強(qiáng)度隨著含水率的增大而減小。當(dāng)初始含水率小于塑限時(shí),含水率變化對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響較為顯著;當(dāng)初始含水率增大至塑限及以上時(shí),含水率變化對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響明顯降低并趨于穩(wěn)定。

(a)FJ1

2.3 含水率對(duì)黏聚力的影響

高液限土的黏聚力與含水率的關(guān)系曲線見圖3。圖中編號(hào)GD1、GD2為文獻(xiàn)[1-2]的試驗(yàn)數(shù)據(jù),下同。由圖3可知,高液限土的黏聚力隨含水率增大而減小,與文獻(xiàn)[1-2,15] 的研究結(jié)論基本一致。但不同地域高液限土的黏聚力與含水率的擬合關(guān)系明顯不同,回歸系數(shù)差異很大。表明基于單一樣本的擬合模型不具有普適性,難以為工程提供準(zhǔn)確的計(jì)算參數(shù),因此有必要進(jìn)行高液限土抗剪強(qiáng)度特征參數(shù)的大樣本統(tǒng)計(jì)研究。

圖3 黏聚力與含水率的關(guān)系曲線

由圖3還可看出,不同地域高液限土的黏聚力在量值上也有明顯差異。當(dāng)初始含水率小于30%時(shí),福建高液限土的黏聚力大于廣東和貴州高液限土。當(dāng)含水率增加至40%以上時(shí),不同地域的高液限土黏聚力逐漸趨于一致,基本處于10～20 kPa。

2.4 含水率對(duì)內(nèi)摩擦角的影響

高液限土內(nèi)摩擦角與含水率的關(guān)系曲線,見圖4。由圖可知,高液限土的內(nèi)摩擦角隨含水率增大而減小并趨于穩(wěn)定。同時(shí),不同地域高液限土的內(nèi)摩擦角在量值上也有較大差別。在相同的初始含水率下,福建、廣東山區(qū)高液限土的內(nèi)摩擦角大于貴州山區(qū)。如當(dāng)初始含水率為28%～40%時(shí),福建、廣東和貴州山區(qū)高液限土的內(nèi)摩擦角分別為22°～35°、15°～22°和10°～15°。

圖4 內(nèi)摩擦角與含水率的關(guān)系曲線

2.5 含水率對(duì)承載比(CBR)的影響

CBR反映了路基土在工作狀態(tài)下的局部抗剪強(qiáng)度,其水敏感性顯著(圖5)。CBR隨含水率的增大呈現(xiàn)單駝峰形態(tài)。不同地域高液限土的CBR有明顯差異,具有明顯的地域性特點(diǎn)。當(dāng)含水率為30%時(shí),HN1、HN2土樣的CBR約為15%,FJ1、FJ2土樣的CBR約為8%～12%,GZ1、GZ2土樣的CBR約為3%～8%。

圖5 CBR與含水率的關(guān)系曲線

3 結(jié)論

(1)高液限土具有明顯的水敏感性和地域差異性。

(2)高液限土的黏聚力、內(nèi)摩擦角和抗剪強(qiáng)度表現(xiàn)出隨著含水率的增大而減小并趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)。不同地域高液限土的衰減規(guī)律和衰減幅度明顯不同。加州承載比與含水率呈現(xiàn)明顯的單駝峰形態(tài)。

(3)高液限土兼具應(yīng)變軟化和應(yīng)變硬化特性,其由應(yīng)變軟化型轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)變硬化型所對(duì)應(yīng)的特征含水率約為塑限。

(4)高液限土黏粒含量高,易失水開裂,因此高液限土路堤施工應(yīng)做好封閉處理,確保路基內(nèi)部濕度穩(wěn)定。