基于三軸壓縮試驗的黏土抗剪強度影響因素研究

張衛兵，莫劍鵬，容賢沂，唐明亮

(1.廣西新發展交通集團有限公司，廣西 南寧 530029；2.廣西交科集團有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

路基承載力是影響路基穩定性的重要影響因子，而路基土體的抗剪強度是評價路基承載力的重要指標之一[1]。路基抗剪強度的大小關系到道路施工的成敗及運營的穩定性。因此，在路基施工開工前要進行嚴格的檢測，防止由于路基土體強度的原因導致施工水平位移、路基過度沉降等問題[2]。

影響路基抗剪強度的因素主要有土壤質地、土壤含水率、壓實度、應力水平[3-6]等。而在固定工程場地情況下，用原有土體進行路基施工，可以大大降低路基施工成本，這就在固定場地情況下限定了土質類別，此時研究其抗剪強度就需要從土體含水率、壓實度及土體應力水平三個方面去考慮。土體含水率與壓實度對土體抗剪強度的研究多借助于三軸壓縮試驗[7-9]，本文同樣是依據三軸壓縮試驗，對吉林省扶余市某道路工程的粉質黏土進行不同壓實度、含水率及應力水平的三軸壓縮試驗，明確不同壓實度、含水率及應力水平的路基土體抗剪強度特征，為工程實際施工提供指導。

1 三軸壓縮試驗

1.1 試驗原材料

試驗用土取自吉林省扶余市某高速路建設工程K28+000～K28+250路段(北緯44.896 400°，東經126.559 120°，海拔210 m)，其最佳含水率為15.1%，液限為31.50%，塑限為20.20%，塑性指數為11.30%。顆粒分布曲線見圖1。

圖1 土體顆粒級配曲線圖

1.2 試驗方案

相關研究表明，道路運營期間，其路基含水率的變化多處在8.0%～29.0%。按國家標準，路基壓實度根據道路等級及部位的不同，取值在90%～99%。而應用三軸壓縮試驗測量路基土體抗剪強度時，為了符合道路運營期的實際應力情況，圍壓取值范圍為90～320 kPa。本研究設計5個含水率水平、4個壓實度水平、3個圍壓水平，共計72組試驗，每組試驗設置水平試驗，保障結果準確性，具體方案見表1。

表1 三軸壓縮試驗的方案表

1.3 試驗方法

試驗使用TSZ-1A型應變控制式三軸儀(最大載荷為10 kN，圍壓為0～2.0 MPa)，試樣為φ39.1 mm×80 mm的土柱，根據試驗儀器提供的參數，可以計算土體的抗剪強度。計算公式如下：

(1)

式中：τ——土的抗剪強度；

σ1和σ3——極限平衡狀態下軸向主應力與圍壓應力；

c和φ——土的粘聚力和內摩擦角。

2 試驗結果及分析

2.1 含水率及壓實度對黏土抗剪強度的影響分析

含水率及壓實度對試驗土體抗剪強度的影響如圖2所示?？芍?，在3個圍壓水平及4個壓實度水平下，試樣的抗剪強度受含水率影響的趨勢一致，皆為隨著含水率的增大而減小，且壓實度越大的試樣隨含水率增加時的抗剪強度減小的幅度越大，當試樣含水率大于最佳含水率15.1%時，抗剪強度隨含水率增加而降低的幅度減緩。

以圍壓σ3=300 kPa為例，當壓實度為99%，含水率由9.1%增加至15.1%時，抗剪強度由164.00 kPa減小為64.55 kPa；而含水率由15.1%增加至21.1%時，抗剪強度由64.55 kPa減小為21.16 kPa。由此可見，在到達最佳含水率15.1%之前，隨含水率的增加抗剪強度減小幅度越大，而試樣含水率>15.1%時，則抗剪強度的減小幅度降低。

(a)圍壓100 kPa

以圍壓σ3=100 kPa為例，當壓實度為99%，含水率由9.1%增加至15.1%時，抗剪強度由143.07 kPa減小為52.49 kPa；當壓實度為90%，含水率由9.1%增加至15.1%時，抗剪強度由49.95 kPa減小為25.40 kPa。上述結果說明，相對于低壓實度，含水率對高壓實度土體抗剪強度的影響更為明顯。產生上述結果的原因可從三軸壓縮試驗數據計算公式式(1)的含義進行分析。由式(1)可知，土的抗剪強度主要由土粘聚力c、土內摩擦角φ、土所受的軸向主應力σ1和圍壓σ3控制，三軸壓縮試驗中可以明確σ1和σ3，這里不作進一步分析。路基土體是由土粒、水、氣三相組成的單元，當含水率較低，而壓實度大的情況下，土顆粒周圍水膜較薄，潤滑作用不明顯，表現為土內摩擦力較大，土內摩擦角φ較大，抵抗剪切力的能力較強，所以抗剪強度較高。隨著含水率升高，土顆粒周圍的水膜越來越厚，潤滑作用增強，土體內摩擦力減弱，表現為土體的抗剪強度逐漸降低。而隨著含水率到達最佳含水率15.1%，由水提供的粘聚力c的影響達到頂峰，甚至出現自由水，達到最優含水率，隨著含水率的增加，抗剪強度的減小逐漸趨于平緩。當壓實度較大時，土顆粒距離較近，結合水膜較薄，這時相對于壓實度較小(土顆粒距離較遠的土體)而言，含水率的變化導致更密實土體的粘聚力c和內摩擦角φ變化更大，含水率增加導致的潤滑現象更明顯。因此，含水率對高壓實度土體抗剪強度的影響更為明顯。

2.2 圍壓對黏土抗剪強度的影響分析

圖3展示了圍壓對試樣土體抗剪強度的影響。由圖3可知，對于壓實度為90%和壓實度為99%的試樣土柱，在含水率為15.1%、18.1%、21.1%三種情況下，其壓實度都隨著圍壓先增大后減小，以含水率18.1%的試樣土柱為例，在壓實度為90%時，在圍壓為100 kPa、200 kPa、300 kPa的情況下，其對應的抗剪強度分別為17.78 kPa、21.44 kPa、20.11 kPa；在壓實度為99%，圍壓為100 kPa、200 kPa、300 kPa的情況下對應的抗剪強度分別為32.17 kPa、42.33 kPa、38.19 kPa。產生上述情況的原因是：在圍壓為100～200 kPa之間，軸向主應力作用產生的側向壓力限制了試驗土柱的變形；而在圍壓為200～300 kPa之間，軸向主應力增大使得前側向壓力過大，從而導致了試樣土柱的側向變形，導致土柱中土顆粒的結構發生了變化，進而影響了土體內摩擦角和粘聚力，因此降低了土體的抗剪強度。

(a)壓實度90%

2.3 含水率與抗剪強度的函數關系

從前文的研究結果可以發現，在符合道路施工標準的圍壓以及壓實度作用下，含水率的變化對土體抗剪強度的影響要大于壓實度及圍壓產生的影響。因此，建立土體含水率與其抗剪強度的函數關系可以進一步幫助學者探究含水率與土體抗剪強度的宏觀聯系，這對于根據土體干濕程度判斷土體抗剪強度具有定量化作用。本文對于200 kPa圍壓下不同壓實度、不同含水率的試驗土柱的抗剪強度，采用式(2)進行回歸分析，擬合結果見后頁表2。結果顯示，不同壓實度情況下抗剪強度與含水率的擬合方程相關系數達0.97以上。能夠很好地擬合抗剪強度與含水率的函數關系。這有助于在實際工程中，在確定工程壓實度時，由路基含水率判斷其實際抗剪強度的變化。

τ=AeBw

(2)

式中：τ和w分別是土體的抗剪強度及含水率；A和B為擬合參數，其具體取值可見表2。

表2 200 kPa圍壓下土體含水率與抗剪強度擬合結果表

3 結語

本文以扶余市某道路路基的粉質黏土為研究對象，以三軸壓縮試驗為測試手段，研究了在符合道路施工標準情況下，土體壓實度、圍壓及含水率對土體抗剪強度的影響。研究結果表明：

(1)在符合施工標準情況下，相對于壓實度和圍壓，粉質黏土路基土體的含水率是土體抗剪強度的主要影響因素，且抗剪強度與土體含水率呈現指數關系。

(2)含水率對路基土的抗剪強度的影響因土體壓實狀態的不同而變化，相對于低壓實度土體，高壓實度土體因含水率變化引起的抗剪強度變化幅度更大。

(3)含水率對路基土的抗剪強度影響程度因土體干濕狀態的不同而不同，相對于高含水率土體，低含水率土體因含水率變化引起的抗剪強度變化幅度更大。