砂土路基抗剪強度的試驗研究

王文

（西安長安大學(xué)工程設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710054）

砂土路基抗剪強度的試驗研究

王文

（西安長安大學(xué)工程設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710054）

砂類土是目前較為普遍應(yīng)用的一種公路路基填料。高速公路要求路基能夠長期提供足夠的強度和剛度來滿足承載力和變形的要求，并且對各種氣候條件下路基的穩(wěn)定性也提出了更高的要求。通過對陜西-高速公路的砂土填料進行直剪試驗得出以下結(jié)論：（1）砂土路基填料的抗剪強度在較高的密實度下有較強的水穩(wěn)定性。（2）當(dāng)極端暴雨條件下，砂土路基填料的含水率達到飽和含水量時，其抗剪強度將會明顯的降低，這將影響到路基的強度。須做好防、排水工作來避免這種情況的發(fā)生。

砂類土；路基；直剪試驗；含水量

0 引言

砂土是粒徑大于2 mm的顆粒質(zhì)量不超過總質(zhì)量的50%，粒徑大于0.075 mm的顆粒質(zhì)量超過總質(zhì)量50%的松散類土[1]。由于具有強透水、低壓縮等工程特性，因此被廣泛地應(yīng)用于公路的路基工程。

我國的《公路路基設(shè)計規(guī)范》明確規(guī)定，公路路堤宜選用級配較好的礫類土、砂類土作為填料[2]，相比于普通等級的公路，高速公路要求路基能夠長期提供足夠的強度和剛度來滿足承載力和變形的要求，并且對各種氣候條件下路基的穩(wěn)定性也提出了更高的要求。西部地區(qū)，長期干燥少雨，但偶爾又會有暴雨，這就要求路基不僅在干燥環(huán)境下能夠提供較高的強度，在極端的暴雨條件下同樣能夠有足夠的強度來滿足高速公路的穩(wěn)定性要求。本文選擇陜西境內(nèi)一高速公路的粗粒填料為研究對象，進行不同含水量的直剪試驗，希望為高速公路路基的填料施工提供一定參考。

1 試驗內(nèi)容及結(jié)果

通過簡單的篩分試驗測得，填料大于2 mm的顆粒質(zhì)量為45.6%，大于0.075 mm的顆粒質(zhì)量為69.2%，為典型的砂土。通過計算，該砂土的不均勻系數(shù)Cu為6.67，曲率系數(shù)Cc為2.24，根據(jù)文獻[3]為級配良好的砂土，可以作為公路路基的填料。

本文通過直剪實驗主要研究以下兩方面的內(nèi)容：

（1）砂土填料的抗剪強度特性。

（2）砂土填料在不同含水量下抗剪強度的變化特征。

試驗工況及結(jié)果見表1。

表1 砂土的抗剪強度

2 試驗結(jié)果分析

2.1 實測抗剪強度指標(biāo)分析

一般認為，粗粒土的抗剪強度主要決定于其內(nèi)摩擦角φ值[4,5]。從表1可以看出，當(dāng)含水量從干燥狀態(tài)增大至最優(yōu)含水量時，砂土的內(nèi)摩擦角在高壓實系數(shù)下（k≥0.93）變化的幅度較小；在低壓實系數(shù)下（k=0.87）時變化的幅度較大。當(dāng)砂土飽和狀態(tài)時，內(nèi)摩擦角φ值急劇變小，這主要是由于含水率增大到一定狀態(tài)，粗粒間的咬合力減弱所致。

2.2 基坑模型的建立及分析方法

圖1為正應(yīng)力為50 kPa時，不同壓實系數(shù)剪應(yīng)力-剪切位移曲線，圖2正應(yīng)力為150 kPa時，不同壓實系數(shù)剪應(yīng)力-剪切位移曲線。

圖1 正應(yīng)力為50 kPa時剪應(yīng)力-剪切位移曲線

從圖1、圖2均可以看出，當(dāng)密實度k=0.87時，干燥狀態(tài)下，應(yīng)力-位移曲線呈應(yīng)變軟化型；最優(yōu)含水量下，應(yīng)力-位移曲線呈應(yīng)變強化型；兩曲線的差距較大。當(dāng)密實度k=0.93時，干燥狀態(tài)下，應(yīng)力-位移曲線呈應(yīng)變軟化型；最優(yōu)含水率下，應(yīng)力-位移曲線呈應(yīng)變強化型；但曲線的差距明顯減小。當(dāng)密實度k=0.96時，干燥狀態(tài)和最優(yōu)含水量下，應(yīng)力-位移曲線均呈應(yīng)變軟化型；且兩曲線基本重合。以上的特征說明，隨著密實度的增加，含水量對砂土的抗剪強度以及剪切變形的影響越來越小，即砂土有較強的水穩(wěn)定性。這也說明《公路路基設(shè)計規(guī)范》中要求高速公路路堤填料的密實度大于等于0.93的規(guī)定是基本合理的[2]。

圖2 正應(yīng)力為150 kPa時剪應(yīng)力-剪切位移曲線

從圖1和圖2中也可以看出，當(dāng)含水量達到飽和含水量時，不論是密實度k=0.93或k=0.96，應(yīng)力-位移曲線與干燥狀態(tài)及最優(yōu)含水量狀態(tài)的應(yīng)力-位移曲線都有較大的差距。這說明在極端的暴雨天氣下，砂土的含水率達到了飽和含水量時，填料的抗剪強度將會有明顯的降低，而剪切變形將會急劇的增加，這將影響到路基的強度。所以，在實際工程施工中要做好防、排水工作來避免這種情況的發(fā)生。

3 結(jié) 論

本文通過對陜西一高速公路的砂土填料進行直剪試驗得出以下結(jié)論：

（1）砂土路基填料的抗剪強度在較高的密實度下有較強的水穩(wěn)定性。《公路路基設(shè)計規(guī)范》中要求高速公路路堤填料的密實度大于等于0.93的規(guī)定基本合理。

（2）當(dāng)極端暴雨條件下，砂土路基填料的含水率達到飽和含水量時，其抗剪強度將會明顯的降低，這將影響到路基的強度。須做好防、排水工作來避免這種情況的發(fā)生。

[1]張克恭,劉松玉.土力學(xué)（第三版）[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010.

[2]JTG D30－2015,公路路基設(shè)計規(guī)范[S].

[3]GB 50021－2001,巖土工程勘察規(guī)范(2009年版)[S].

[4]張嘎,張建明.粗粒土與結(jié)構(gòu)接觸面單調(diào)力學(xué)特性的試驗研究[J].巖土工程學(xué)報,2004,26(1):21-25.

[5]楊建華.直剪試驗常見問題探討[J].陜西煤炭,2008,27(4):40-41.

TU441.5

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1009-7716（2017）08-0255-02

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.08.080

2017-04-12

王文（1983-），男，安徽桐城人，工程師，從事巖土工程勘察設(shè)計工作。