對季凍區路基強度及穩定性的試驗研究

李 晶

(黑龍江東方學院)

1 引 言

路基是公路工程的重要組成部分,它既是路面的主體,又是路面的基礎,承受著本身巖土自重和路面重量以及由路面傳遞下來的行車荷載,其強度及穩定性不僅影響公路營運的安全,而且直接影響路面的工程質量,最終影響整個公路的使用品質。

處于季凍區的土基,伴隨著土中水的凍結和融化,常發生凍脹和融沉兩種地質凍害。凍脹現象的發生將導致土的體積膨脹,引起附加應力和變形;融沉現象使土基出現沉陷,同時使土體處于飽和或過飽和狀態而引起地基承載力的降低。因此,研究季凍區土基的強度及穩定性,準確地評價土基的質量對保證道路使用品質至關重要。

松北區位于松花江哈爾濱城區段北岸,地處歐亞大陸東部的中高緯度,處于季節性凍土的分布區內,多年平均無霜期僅為 140 d,最大凍深大 1.95 m。隨著該區的大規模建設,土基的強度和穩定性逐漸成為道路工作者關注的重點。本文以此為契機,著眼于該區內的已建道路,試驗研究了該區的土基強度指標及穩定性,為該區的道路建設和進一步的理論研究打下了基礎。

2 路基強度指標

2.1 CBR和回彈模量

CBR(California Bearing Ratio)即加州承載比,是用于評定路基土和路面材料強度的指標。路基的回彈模量表示路基土在彈性變形階段內,在垂直荷載作用下,抵抗豎向變形的能力。

在研究路基強度指標之前,先進行了路基土基本物理性質的試驗研究,經實驗知路基土為低液限粉質粘土,天然含水率為 23.9%,密度 1.71 g/cm3,最佳含水率為 14.4%,最大干密度為 1.85 g/cm3。在試驗研究路基填土的 CBR值和回彈模量時,按照公路土工試驗規程(JTG E 40-2007)的相關要求,分別按照天然含水率和最佳含水率制備土樣,浸水4 d后最終測得路基土的 CBR值分別為 6.6%和 3.1%,在P=100 kPa的最大單位壓力下測得的路基回彈模量分別為36.6MPa和 15.8MPa。

從該試驗結果可知,對于該區的低液限粉質粘土路基來說,當土中的含水率在接近其最佳含水率時,路基填料強度以及承載能力能夠滿足公路路基設計規范(JTG D 30-2004)及公路瀝青路面設計規范(JTG D50-2006)中對一般等級公路路基強度的使用要求,但不足以適應重大交通量的荷載作用。

2.2 抗剪強度指標

土的抗剪強度是指土體抵抗剪切破壞的極限能力,是土的重要力學性質之一。在工程實踐中常常需要計算路基的承載力、評價路基土的穩定性、預估填方或挖方邊坡在外力和土體自重作用下的穩定性、以及計算擋土墻的土壓力,這些都要用到土的抗剪強度指標,都需要測定土體的抗剪強度。

把莫爾 -庫侖定律用于室內試驗的研究,便可以得到工程設計中所需要的抗剪強度參數,指的是土的粘聚力C和內摩擦角。抗剪強度的試驗方法有多種,在試驗室常見的有直接剪切試驗、三軸壓縮試驗、無側限抗壓試驗、十字板試驗;在現場原位測試的有十字板剪切試驗、大型直接剪切試驗等,本文中所涉及到的剪切試驗結果均來自直接剪切試驗方法。由直接剪切試驗測得該區低液限粉質粘土的抗剪強度指標粘聚力為 118.49 kPa,內摩擦角為 29.8°,以作為進一步理論研究的試驗基礎。

3 凍融作用對土力學性質的影響

土的凍融作用是凍土力學與工程中的重要研究課題,研究發現凍融通過改變土的結構性從而改變土本身的性質。由于凍融作用改變了土的結構性,破壞了土顆粒間的聯結力,使得凍融前后的力學性質會發生變化。凍融作用對土力學性質影響的研究主要集中在凍融前后土的回彈模量、抗剪強度及壓縮性等方面。在本次試驗研究中,考查的主要指標是土的回彈模量和抗剪強度兩個方面。

以前的許多研究者都發現,經過很少幾個凍融循環的作用,土的模量都會大幅度地降低,并且根據土性質的不同,土的模量會降低 25%～60%。對凍融作用對土的抗剪強度影響的研究要更多一些,但研究結果卻差異很大,有研究發現凍融后土的強度有所增加;有研究發現凍融使得土強度有所降低;還有研究發現凍結前后土的強度基本保持不變;Aoyama等發現經過凍融土的粘聚力降低而內摩擦角變化很小;Ogata等對不同類型土的研究發現粘聚力降低而內摩擦角增大。

對松北區的路基填土進行凍融作用試驗發現,在經過有限次的凍融循環后,隨著凍融循環次數的增加,土中的含水量增加,使得土的密度迅速降低,導致路基土的承載能力不斷下降,回彈模量隨之減小,由初始的32.8MPa降低到 6次凍融循環后的 18.5MPa。在凍融作用對土抗剪強度的影響方面,隨著凍融循環的進行,由于土中的含水率不斷變大,粘聚力大幅度降低,由初始的 118.49 kPa降低到 6次凍融循環后的 40.95 kPa,而在粘聚力降低的同時內摩擦角卻有明顯的增大,由 29.1°增大到 6次凍融循環后的 37.2°。

4 結 論

現有的室內試驗結果表明,盡管該區的路基填筑材料,在達到標準壓實度的情況下,路基填料的強度及承載能力能夠滿足該區一般等級道路的使用要求,但也發現該區的路基填土性質易受季節及區內地下水位變化的影響,路基的強度及穩定性都有明顯的變化,在發展道路工程建設過程中應重視在能夠引起土中含水率變化因素方面的相關研究。

凍融作用對土力學性質影響的研究,在分析季凍區路基穩定性中起著舉足輕重的作用。因此,在研究季凍區土質路基強度和穩定性及評價路基質量的過程中,進一步深入地試驗研究并理論分析凍融作用對土力學性質的影響,對該區經濟建設、道路工程建設以及與之有關的環境保護、土壤水分保持等都具有十分重要的實踐意義。

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