含水率對南平重塑黏土強度影響分析

陳慧枝

福州建通工程試驗檢測有限公司，福建 福州 350108

受氣候條件影響，福建省南平地區土體天然含水率非常高，通常在40%以上，液限大于50%，屬于高液限土。統計南平地區現有高液限土試驗成果，發現土體最優含水率往往在15%～28%左右，路基填筑施工中，按照常規路基施工方法，很難將土體晾曬到最佳含水率，進而采用壓實度指標控制填筑質量［1］。同時受土體成分影響，接近最佳含水率的土體具有較大的膨脹性，往往CBR 值也難以滿足要求［2］。因此，南平地區采用高液限土填筑路基，為了確保土體的水穩定性和力學強度同時滿足要求，往往通過聯合控制土體含水率、壓實度和飽和度三個指標來確保填筑質量，即適當提高施工碾壓含水率，降低壓實度，同時控制土體飽和度處在合理區間，已保證土體的水穩定性。從浦南高速、武邵高速、寧武高速等路段通車十來年的實踐分析，上述處理方法是合理、可行的［2］。下文將在分析土體填筑路基性能指標的基礎上，通過三軸試驗分析碾壓含水率對南平地區該類型黏土強度的影響，為路基施工提供指導。

1 土體填筑路基性能指標

對試驗土樣分別進行比重試驗、含水率試驗、液塑限試驗、標準擊實試驗及顆粒分析試驗，得到土體的基本物理指標如圖1所示。試驗土樣為高液限黏土，土體天然含水率非常高，達到了40.1%，而最佳含水率僅19.2%。如果采用最佳含水率施工，土體含水率需要降低近21%，難度非常大。同時土體中細顆粒含量非常大，小于0.075mm的顆粒占到總質量的78.5%，細顆粒含量高，土體的滲透性很差，晾曬過程中水分不易蒸發，這也造成了填筑路基過程中降低含水率需要的時間比較長，晾曬困難。

表1 土體的基本物理性質

由于道路施工中通過晾曬的方法進行路基填筑，為了充分模擬填筑路基土體的物理力學性能，試樣制備過程中，采用天然土晾曬的方法，依次降低土樣含水率，分別獲得30.5%、28.1%、26.7%、24.2%四種不同含水率的土樣。對土樣分3 層擊實，每層擊實21 下，擊實后浸水4 晝夜，開展CBR 試驗，并測試膨脹量和吸水量［2］，試驗結果如表2 所示。隨著土樣含水率的增加，CBR 值先增加后減小，在含水率為26.7%時，CBR值達到最大值。試驗含水率范圍內，CBR 值處于3.2%～7.9%之間。吸水量隨含水率增加而降低，處于25～292g 之間。干密度隨含水率增加先增大后減小，含水率為28.1%時，達到最大值。試驗含水率范圍內，干密度值處于1.42～1.48g/cm3之間，對應的壓實度處于86.6%～90.2%之間。飽和度隨含水率的增加而增大，處于73.4%～98.3%之間。雖然壓實度小于《公路路基施工技術規范》（JTG T 3610-2019）要求的93%，但是CBR 強度和水穩定均滿足要求。

表2 不同含水率CBR 試驗結果

對含水率-干密度，含水率-壓實度通過多項式進行數值擬合，如圖1 和圖2 所示，R 平方值為1，擬合效果較好。通過擬合公式得到含水率為24%～30%對應的干密度、壓實度對應值，如表3 所示，此即為通過試驗獲得的路基填筑控制指標。

圖1 含水率-干密度擬合關系

圖2 含水率-壓實度擬合關系

表3 路基填筑控制指標

2 土樣破壞模式

試件尺寸為3.91cm×8cm，為分析初始含水率對土體強度的影響，試件制作中壓實度控制為88%。對30.5%、28.1%、26.7%、24.2%共4 組不同含水率土樣開展固結排水試驗，每組土樣分別在50kPa、100kPa、200kPa 和400kPa 圍壓下固結，固結后進行排水剪切。試驗采用TSZ10 型應變控制式三軸儀。

試驗中土樣呈現2 種破壞模式，即鼓脹破壞和剪切破壞。對于含水率為30.5%的土樣，在50kPa、100kPa、200kPa 和400kPa 圍壓下進行剪切，均表現為中間部分向外鼓脹，但沒有明顯裂縫。對于含水率為28.1%的土樣，圍壓較小時（50kPa，100kPa），破壞形式仍然為鼓脹且無明顯裂縫；當圍壓增大到200kPa和400kPa時，土樣在鼓脹的同時，出現了細微剪切裂縫。對于含水率為26.7%的土樣，隨著豎向壓力的增大，相比高含水率，試樣側向鼓脹逐漸變小，但側表面出現了較大斜向剪切裂縫，且方向不規則。對于含水率為24.2%的土樣，剪切過程中，裂縫逐漸貫通，土樣表現為剪切破壞。

試驗說明，隨著含水率的不斷降低，重塑黏土的破壞形式由鼓脹破壞轉變為剪切破壞［3］。具體如圖3 所示。

圖3 土樣破壞過程

3 土樣不同含水率應力應變關系

對4 組不同含水率土樣開展固結排水試驗，每組土樣分別在50kPa、100kPa、200kPa 和400kPa 圍壓下固結，固結后進行排水剪切，剪切階段的應力應變曲線如圖4。由圖可知，當含水率較低（w ≤28.1%）時，低圍壓（≤100 kPa）下的應力—應變關系曲線呈弱軟化型；高圍壓下的應力—應變關系曲線呈硬化型［4］。

圖4 四種含水率試樣的應力—應變關系

當含水率較高（w=30.5%）時，在50kPa、100kPa、200kPa和400kPa 圍壓下土體應力—應變關系呈硬化型。說明高含水率的試樣在剪切過程中土體發生減縮，低含水率試樣在低圍壓情況下會出現剪脹。在相同圍壓下，破壞主應力差都隨含水率的增大而略微減小。

4 含水率對土體強度參數值的影響

針對土樣不同初始含水率，分別繪制土樣強度包線圖（圖5）。從圖中可以看出，抗剪強度包線具有較好的線性關系，隨著含水率的增大，強度包線的斜率不變，均為27.7°；但是截距減小。根據摩爾庫倫定律，強度包線的傾角對應土體的內摩擦角，截距對應土體的粘聚力。從圖中可得出，土樣在含水率24.2%的情況下，土樣固結排水（CD）三軸剪所得粘聚力cd值為65.4kPa，相應的內摩擦角Φd 為27.7°；土樣在含水率26.7%的情況下，土樣非飽和固結排水（CD）三軸剪所得粘聚力cd 值為63.3kPa，相應的內摩擦角Φd 為27.7°；土樣在含水率28.1%的情況下，土樣非飽和固結排水（CD）三軸剪所得粘聚力cd值為60.0 kPa，相應的內摩擦角Φd 為27.7°；土樣在含水率30.5%的情況下，土樣非飽和固結排水（CD）三軸剪所得粘聚力cd值為53.7 kPa，相應的內摩擦角Φd為27.7°。隨著含水率的增大，粘聚力cd 值隨之減小，內摩擦角Φd 不隨含水率的變化而變化［5］。將含水率與粘聚力進行數值擬合，得到cd=-2625w2+1225.5w-77.61。

圖5 四種含水率試樣的強度包線

5 結論

（1）通過CBR 試驗和膨脹量觀測，得出土樣含水量24%～30%之間，土體具有較好的CBR 強度和水穩定，滿足路用性能。

（2）三軸排水固結試驗中，土樣呈現鼓脹和剪切2 種破壞模式。

（3）排水固結試驗中，在含水率較低時，低圍壓下土樣應力—應變關系呈弱軟化型；高圍壓下土樣應力—應變關系呈硬化型。

（4）含水率對南平重塑黏土有效內摩擦角無影響，對有效粘聚力cd 的影響可通過公式cd=-2625w2+1225.5w-77.61計算。