葉新—大葉公路路基土抗剪強度試驗研究

朱 墩

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

0 引 言

本文依托項目為葉新—大葉公路（新工路—奉賢區界）道路改建工程。在《上海市骨干道路網深化規劃》（2009）中提出的“14橫16縱”的主要干線公路網布局中，東大—大葉—葉新公路是一條重要的橫向干線公路。其西起滬浙省界，東至臨港新城，全長86 km，是市域南部的一條重要的貨運通道。

目前，該路段為雙向兩車道，相關配套設施建設較為滯后，大部分路線無雨、污水排水系統，且道路通行能力已逐漸不能滿足交通通行的需求。因此計劃對其進行升級改造，改造后等級為一級公路，設計時速80 km/h。工程建設內容包括改建工程、橋梁工程及排水工程等。

在進行道路擴建、橋梁、排水等工程的設計和施工前，需要對路基土的物理力學性質進行詳細地研究。其中，抗剪強度參數黏聚力和內摩擦角是路基沉降以及穩定性計算的主要參數[1-3]，與路基土的密實度和天然狀態關系密切。因此本文開展多組路基土的直接剪切試驗，以研究壓實度和含水率對路基土抗剪強度指標的影響規律。

1 研究區概況

1.1 自然地理環境

本項目工程沿線為松江區，位于上海市的西南部，地處黃浦江上游，長江三角洲要沖。地勢東高西低，略呈傾斜，地形北狹南寬。

松江區地處長江三角洲，屬北亞熱帶季風區域，雨熱同期，雨水充沛，日照充足，無霜期長。全年平均氣溫約17.5℃，日照時數約1 780 h，降水量約1 360 mm。常年平均風速為3.1 m/s。夏季盛行東南風，冬季盛行西北風，年平均主導風向不明顯。平均年際地表水徑流量2.12億m3，客水徑流36.5億m3，江潮徑流量57.6億m3。

1.2 工程地質條件

松江區地處長江三角洲前緣河口濱海平原，全區均為第四紀沉積物所覆蓋，厚度在300 m左右，土層概況見表1。

2 物理力學試驗研究

本項目路段（新工路—奉賢區界）路基土為粉質黏土，屬于地層組合中的②1層。本章將對其開展物理性試驗和直剪剪切試驗，以研究壓實度和初始含水率對其抗剪強度的影響。

2.1 物理性試驗

進行直剪試驗前，需獲得路基土的物理性指標，作為直剪試驗分組依據。按照《土工試驗方法標準》（GB/T 50123—1999），采用烘干法測定路基土的天然含水率，環刀法測定天然密度，使用聯合測定儀測定路基土的界限含水率，擊實試驗測定最大干密度[4]。試驗結果見表2。

由表2可知，路基土天然含水率為29.5%；路基土天然密度為1.82 g/cm3，最大干密度為1.93 g/cm3，壓實度為94%；路基土液限為31.8%，塑限為17.5%，塑性指數IP為14.3，表明路基土為粉質粘土。

表1 葉新-大葉公路地層概況

表2 路基土基本物理指標

2.2 直接剪切試驗

為了研究路基土的強度特性，必須掌握壓實度和含水率對其強度的影響。因此對路基粉質粘土重塑樣開展直接剪切試驗[5-7]。

2.2.1 取樣及制樣

（1）在現場選擇合適路段，對路基土進行取樣；

（2）在實驗室內，對現場土樣進行烘干、碾磨、過篩（2 mm標準篩），以備使用；

（3）按照要求的干密度和天然含水率，計算配樣所需地基土和蒸餾水的質量，稱量后混合二者，攪拌均勻后密封保濕24 h；

（4）使用擊實器進行制樣，按計算得到的質量，將土體裝入制樣器，進行擊實制樣；制樣方法為單層擊實法，可以保證試樣的密度均勻一致，防止因為試樣內部不均勻而產生的誤差；

（5）制樣采用的環刀規格為：高20 mm、直徑61.8 mm。

2.2.2 試驗方案

根據表2提供的路基土基本物性指標，設置直剪試驗組數。共設置4個壓實度4個含水率，16組試樣，見表3。

表3 直剪試驗試樣組數設置

2.2.3 試驗步驟

（1）制備試樣，在環刀內壁涂抹凡士林；

（2）將環刀均勻壓入土體之中，當試樣超出環刀上緣一至二毫米時停止壓入，再使用刮土刀對試樣兩端進行刮平；

（3）將剪切盒上下對齊，并插上定位銷釘。刀口向上，將試樣推入剪切盒中；

（4）再依次安裝加壓蓋、鋼珠等部件。試樣安裝完成后，確保上側剪切盒和測力計處于接觸狀態；

（5）按照試驗要求，對試樣施加相應的垂直荷載，并調平杠桿，拔出定位銷釘；

（6）荷載施加后，開始剪切試樣，剪切速率設為0.8 mm/min；一般，試樣將在三至五分鐘發生剪切破壞；

（7）試樣完成后，卸去試樣上的垂直荷載。取出土樣，清理剪切盒內余土，進行下一次試驗。

2.2.4 試驗結果

根據試驗數據計算路基土的粘聚力和內摩擦角，見表4。

3 直剪試驗結果分析

3.1 含水率對路基土抗剪強度參數的影響

根據直剪試驗結果，繪制含水率與路基土黏聚力、內摩擦角的關系曲線，見圖1、圖2。

由圖1可見，粉質粘土的粘聚力隨初始含水率增大而不斷減小，當含水率達到29%以上時，黏聚力減小趨勢變緩；初始含水率由25%增大到31%，黏聚力由28.3 kPa減小到10.6 kPa。由圖2可見，隨著初始含水率的增大，內摩擦角也隨之減小，但減小幅度不大；初始含水率由25%增大到31%，內摩擦角由19.1°減小到14.7°。

因此，路基土的初始含水率越高，抗剪強度指標越低，強度性質越差。其中，含水率對粘聚力的影響更明顯，對內摩擦角的影響較小。

表4 路基土直剪試驗強度指標

圖1 黏聚力與初始含水率的關系曲線（壓實度90%）

圖2 內摩擦角與初始含水率的關系曲線（壓實度90%）

3.2 壓實度對路基土抗剪強度參數的影響

繪制壓實度與路基土黏聚力、內摩擦角的關系曲線，見圖3、圖4。

圖3 粘聚力與壓實度的關系曲線（初始含水率25%）

圖4 內摩擦角與壓實度的關系曲線（初始含水率25%）

由圖3可見，粉質黏土的黏聚力隨壓實度增大而不斷增大；壓實度由90%增大到96%，黏聚力由28.3 kPa增大到37.0 kPa。由圖4可見，隨著壓實度的增大，內摩擦角也隨之增大；初始含水率由25%增大到31%，內摩擦角由19.1°增大到32.9°。

因此，路基土的壓實度越高，抗剪強度指標越高，強度性質越好。

4 結 論

直剪試驗結果表明，路基土的初始含水率越高，抗剪強度指標越低，強度性質越差；其中，含水率對黏聚力的影響更顯著，對內摩擦角的影響較小。路基土的壓實度越高，抗剪強度指標越高，強度性質越好。

根據路基土的抗剪強度特性，道路改建時，為保證路面強度，防止路面出現工后沉降過大以及不均勻沉降等現象，在經濟成本允許的情況下，應適當提高路基土的壓實度，并設置排水工程，降低路基土的含水率。