粉土路基在吸水條件下的強(qiáng)度衰減特性研究

鄧小川余海游

1重慶市萬(wàn)州區(qū)城市建設(shè)中心（404000） 2重慶市萬(wàn)州經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)（404000）

路基作為承受路面荷載的主要土木結(jié)構(gòu)支撐物，是保證車(chē)輛平穩(wěn)運(yùn)行的基礎(chǔ)。路基剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性直接影響道路的使用壽命和行車(chē)安全。路基病害的反復(fù)出現(xiàn)不僅影響車(chē)輛正常通行，而且造成資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。粉土廣泛分布于我國(guó)沖洪積平原、河流三角洲和沿海平原等地區(qū)，具有低黏結(jié)性、離散程度大、可塑性低、難以壓實(shí)等缺點(diǎn)。文章主要對(duì)粉土路基在吸水條件下的強(qiáng)度衰減特性進(jìn)行研究，以期為粉土路基的強(qiáng)度設(shè)計(jì)提供參考。

1 粉土路基主要特征

1.1 粉土的物理性質(zhì)

粉土主要由黃土經(jīng)河流沖刷搬運(yùn)形成，粒徑小于0.075 mm的顆粒質(zhì)量占比超過(guò)50%。粉土主要由石英、長(zhǎng)石和云母等原生礦物組成，非黏土礦物含量高，而以蒙脫石和高嶺石為主的黏土礦物含量少，干燥時(shí)黏結(jié)性較弱，可塑性低，不易成型。粉土路基在施工加壓過(guò)程中易產(chǎn)生疊瓦狀推移和分層現(xiàn)象，水敏影響強(qiáng)，不同濕度條件下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度差異顯著，受沖蝕作用影響明顯。

1.2 粉土路基常見(jiàn)問(wèn)題和病害

1）壓實(shí)度難以達(dá)到規(guī)范要求。粉土屬于級(jí)配不良的筑路材料，砂粒與粉粒之間空隙缺少必要的填充物。粉土既不能與各種穩(wěn)定劑產(chǎn)生有效作用，又不能在土體中起到骨架作用，導(dǎo)致粉土路基壓實(shí)困難。

2）路基強(qiáng)度偏低。粉土以粉性顆粒為主，黏性和砂性顆粒占比較小，級(jí)配不良，顆粒間不能產(chǎn)生穩(wěn)定的相互作用關(guān)系，造成路基整體穩(wěn)定性下降。

3）邊坡失穩(wěn)。常見(jiàn)粉土路基邊坡失穩(wěn)類(lèi)型包括淺層滑坡、邊坡崩塌、雨水沖刷路基和路基滑移，主要原因是水分滲入邊坡造成土體抗剪強(qiáng)度降低，疊加車(chē)輛反復(fù)荷載和毛細(xì)水的不利影響，路基強(qiáng)度衰減。

在高速公路建設(shè)中，粉土是較差的筑路材料，粉土路基的強(qiáng)度設(shè)計(jì)需考慮吸水效應(yīng)的影響。

2 路基水分來(lái)源分析

公路路基須配套設(shè)計(jì)完善的排水系統(tǒng)，以降低含水量變化對(duì)路基使用壽命的影響。然而，在公路實(shí)際通車(chē)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，水分不可能被全部排出，部分液態(tài)或氣態(tài)水分殘留在路基土體內(nèi)；受溫度和其他自然條件影響，殘留水分在土體間移動(dòng)，增加土體影響區(qū)域。路基水分來(lái)源主要分為:

1）地下水。地下水位上升并滲入路基內(nèi)部。

2）地表水。地表水在路基范圍堆積；或道路排水系統(tǒng)出現(xiàn)故障，導(dǎo)致排水不良，過(guò)多水分滯留在路基兩側(cè)，并逐漸滲入路基。

3）大氣降水。受降雨或積雪等因素影響，部分水分不可避免地通過(guò)中央分隔帶、破損路面、土路肩和邊溝滲入路基內(nèi)部。雨水滲入量主要受降雨量、降雨時(shí)長(zhǎng)及路基土體滲透系數(shù)影響，一般分布于路基邊坡淺層區(qū)域，強(qiáng)降雨可能引起粉土路基邊坡失穩(wěn)，并出現(xiàn)路基淺層滑坡等病害。

4）毛細(xì)水。土體毛細(xì)水上升，增加地下水滲入量，導(dǎo)致路基含水量增加。

5）水蒸氣。空氣中的水蒸氣在邊坡附近凝聚并滲入路基。

6）灌溉用水。灌溉中央分隔帶及邊坡綠色植被時(shí)，部分水分滲入路基。

3 粉土路基不同含水量條件下的強(qiáng)度衰減試驗(yàn)

為探究粉土路基在吸水條件下的強(qiáng)度衰減變化規(guī)律，開(kāi)展擊實(shí)粉土的回彈模量試驗(yàn)和三軸壓縮試驗(yàn)，分析粉土路基強(qiáng)度衰減特征，為路基穩(wěn)定性分析和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)提供參考。

3.1 粉土路基回彈模量試驗(yàn)

路基變形是道路損壞的主要原因之一，而回彈模量作為控制路基變形的主要指標(biāo)，其影響因素主要為土質(zhì)類(lèi)型、壓實(shí)度和含水量。為探究含水量對(duì)路基強(qiáng)度的影響，用承載板法測(cè)定不同含水量條件下?lián)魧?shí)粉土的回彈模量。

選擇重型II.2法制備壓實(shí)度K=96%，含水量分別為12%、14%、16%、18%和20%的粉土樣本，通過(guò)承載板法，測(cè)定回彈變形量及回彈模量，結(jié)果如圖1所示。

圖1 含水量與回彈模量變化關(guān)系

回彈模量計(jì)算公式為:

式中:E表示回彈模量 （kPa）；p表示承載板表面單位壓力（kPa）；D 為承載板直徑（cm）；l為對(duì)應(yīng)單位壓力的回彈變形量 （cm）；μ表示土的泊松比（試驗(yàn)取 0.35）。

圖1表明，當(dāng)含水量較小時(shí)，回彈模量變化較小，土體承載狀況相對(duì)穩(wěn)定；當(dāng)含水量超過(guò)土體最佳含水量時(shí)，隨著含水量的增加，土體回彈模量明顯降低；土體含水量飽和時(shí)，回彈模量較小且趨于穩(wěn)定，約為20 MPa。因此，粉土回彈模量對(duì)水敏感性較強(qiáng)烈，含水量的大小對(duì)回彈模量影響顯著。用不同單位壓力下的回彈模量取值來(lái)表征回彈模量隨含水量的變化情況，如圖2所示。

圖2 含水量與回彈模量關(guān)系

圖2 表明，壓實(shí)粉土回彈模量隨含水量的變化范圍大致為20～50 MPa。現(xiàn)場(chǎng)抽樣調(diào)查表明，高度小于2.5 m的低路堤含水量普遍超過(guò)18%；而高度大于2.5 m的路堤底部含水量基本處于飽和狀態(tài)。因此，低粉土路堤設(shè)計(jì)回彈模量應(yīng)保證在20～30 MPa范圍內(nèi)，而一般粉土路堤設(shè)計(jì)回彈模量應(yīng)在30～40 MPa范圍內(nèi)。

3.2 粉土路基土體三軸壓縮試驗(yàn)

當(dāng)土體所受剪應(yīng)力超過(guò)其抗剪強(qiáng)度時(shí)，必然引起土體失穩(wěn)破壞。吸水路基在車(chē)輛荷載反復(fù)作用下，屬于不固結(jié)、不排水狀態(tài)。為探究粉土路基在吸水條件下的抗剪強(qiáng)度，開(kāi)展不固結(jié)不排水壓縮試驗(yàn)，分析含水量對(duì)粉土路基變形的影響。試驗(yàn)依據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40—2007）進(jìn)行，試驗(yàn)圍壓分別取100 MPa、200 MPa和300 MPa。

3.2.1 土體試樣

土體壓實(shí)度為96%，制備3個(gè)含水量為16%的試樣，含水量為12%、14%、18%和20%的試驗(yàn)樣本各1個(gè)。將1個(gè)含水量為16%的樣本吸水飽和（此時(shí)含水量為24.7%），將1個(gè)含水量為16%的樣本切分為2個(gè)部分進(jìn)行部分飽和，含水量控制在21%～24%。

3.2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

含水量與土體抗剪強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角的關(guān)系如圖3所示。

圖3 黏聚力和內(nèi)摩擦角與含水量關(guān)系

由圖3可知，含水量顯著影響土體黏聚力和內(nèi)摩擦角。當(dāng)含水量較低時(shí)，隨著含水量的增加，內(nèi)摩擦角緩慢增加，含水量對(duì)黏聚力影響較小；當(dāng)含水量達(dá)到20%左右并繼續(xù)增加時(shí)，內(nèi)摩擦角急劇降低；當(dāng)含水量達(dá)到24%左右時(shí)，內(nèi)摩擦角趨于穩(wěn)定。黏聚力受含水量影響主要表現(xiàn)為:當(dāng)含水量較小時(shí)，粉土表現(xiàn)出黏聚力較低的無(wú)黏性土的強(qiáng)度特征；當(dāng)含水量增加時(shí)，黏聚力增加明顯，但含水量超過(guò)16%左右時(shí)，黏聚力又急劇下降，粉土顆粒發(fā)生顯著的軟化效應(yīng)。由圖3可知含水量對(duì)黏聚力影響更加敏感。

含水量過(guò)高會(huì)導(dǎo)致粉土路基抗剪強(qiáng)度大幅降低，在車(chē)輛荷載反復(fù)作用下，路基塑性變形顯著，并導(dǎo)致路基不均勻沉降，路面車(chē)轍病害增加，邊坡穩(wěn)定性明顯下降，影響道路使用壽命。

4 結(jié)語(yǔ)

粉土路基具有強(qiáng)烈的水敏特征，當(dāng)含水量較小并低于最佳含水量時(shí)，路基土體中含水量的增加對(duì)粉土回彈模量和內(nèi)摩擦角影響較小，但黏聚力對(duì)含水量變化影響敏感；當(dāng)粉土實(shí)際含水量超過(guò)最佳含水量并持續(xù)增加時(shí)，回彈模量、內(nèi)摩擦角和黏聚力將顯著降低，在含水量接近飽和狀態(tài)時(shí)，內(nèi)摩擦角趨于穩(wěn)定但粉土顆粒出現(xiàn)明顯軟化效應(yīng)。根據(jù)室內(nèi)回彈模量試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)勘查結(jié)果，建議低粉土路堤回彈模量設(shè)計(jì)施工強(qiáng)度宜為20～30 MPa，一般粉土路堤回彈模量設(shè)計(jì)施工強(qiáng)度宜為30～40 MPa范圍內(nèi)。