含水率對砂黏土路基填料強度特性的影響分析

摘要：為了研究含水率對砂黏土路基填料強度特性的影響規律，采用直剪試驗對摻砂比例為20%的黏土改良試樣進行試驗研究，明確了含水率對砂黏土應力-位移曲線、抗剪強度參數及剪脹性的影響，主要得到以下結論：砂土改良試樣抗剪強度隨著含水率增加而減小，故將20%砂土改良后的黏土用作路基填料時，應注意做好路基的防排水工作，避免雨水浸泡后強度下降進而造成路基病害；在剪切位移較小時，試樣產生剪縮，且豎向荷載越大，試樣在剛開始的剪縮就越顯著，而后隨著剪切位移的增加，含水率較低的試樣產生剪脹，含水率較高的試樣依然產生剪縮；在摻入20%砂土后，在相同豎向荷載狀態下，改良試樣的剪縮位移減小，變形減小，故經過砂土改良后試樣的抗變形能力得到了增強。

關鍵詞：含水率；砂黏土；路基填料；強度特性

0" "引言

尼日利亞東南部三角洲地區河道密布，便于獲取筑路基礎材料河砂，故在離河道較近的地方修建道路，多采用水力吹填砂筑路。但在一些遠離河道的地方，線路周邊幾乎無粗砂分布，若從其他地方運輸，則會大大增加工程造價，并延長工期。根據線路周邊的地勘資料可知，在遠離河道的地方常分布有大量黏土，黏土具有抗剪強度低，水敏性差、易軟化等的性質，不能直接作為路基填料，若將線路建設周邊的黏土摻入砂土改良后用作路基填料，不僅可以擴大路基填料的選用范圍，降低工程造價，還可以減少黏土棄方，有效保護線路周邊生態環境。

常見的路基填料改良主要有化學改良方法和物理改良方法?；瘜W改良方法是指在填料中摻入其他化學材料，如水泥、石灰等，使其在土體中發生化學反應，生成膠結物質，將土顆粒膠結起來，從而達到提高強度的目的[1-4]。物理改良是指在土體中摻入砂、石等材料，改善土體結構，從而達到提高強度的目的。

目前，關于路基填料改良研究的國內外文獻已有不少。陳湘亮[5]以20%中粗砂對武廣高鐵泥質粉砂巖路基填料進行物理改良后發現，隨著壓實度的增加，內摩擦角基本沒有變化，粘聚力隨著壓實度的增大而增大。石熊等[6]采用級配碎石對填料進行改良，發現改良填料的最大干密度隨著級配碎石的增加而增加，最優含水率隨著級配碎石的增加而減小。楊俊[7]以湖北宜昌地區膨脹土為研究對象，對其采用天然砂礫進行改良，發現隨著天然砂摻量的增加，改良土體回彈模量逐漸增加，且表現出先慢后快的規律。

上述研究雖然已經不少，但含水率對砂黏土強度影響的研究還鮮有報道，故本文通過直剪試驗研究摻配比例為20%，含水率不同的砂黏土試樣的抗剪強度，以明確含水率對砂黏土抗剪強度的影響規律。試驗結果可為砂黏土填料強度特性的確定提供理論參考。

1" "試驗材料及試驗方案

本文所用黏土取自尼日利亞聯邦工程部巴耶薩20km公路項目處，該道路全長20.4km，起點位于耶納戈道路交叉口，終點位于科洛鎮西南側，線路走向為總體為西南方向。項目為新建道路工程，線路周邊分布有大量黏土，故實驗所用黏土取自線路周邊的工程棄土。

擊實試驗曲線如圖1所示。通過圖1可知，試驗所用黏土的最大干密度為1.57g/cm³，最優含水率為22.6%。通過顆粒分析試驗確定其級配曲線如圖2所示，由圖2可知，試驗所用黏土級配良好。黏土基本物理特性見表1。

為研究含水率對改良填料抗剪強度的影響規律，對摻入比為20%，含水率不同的砂土改良試樣，在不同的豎向荷載下進行直剪試驗，試驗方案見表2。

將試驗所用黏土及砂土首先在烘箱中烘干，而后按照質量比例在黏土中摻入20%的砂土，噴灑一定質量的水制成不同含水率的試驗用土，并保存于塑料袋中水汽平衡24h。而后采用控制干密度的方式，將其壓縮成高度20mm、直徑61.8mm的圓餅樣，將制好的試樣依然保存于塑料袋中再次水汽平衡。由于試樣都是非飽和試樣，故采用0.5mm/min的剪切速率進行直剪試驗，剪切終止位移為10mm。

2" "試驗結果與分析

2.1" " 砂土改良對應力-位移曲線的影響

含水率16%時改良試樣的應力-位移曲線如圖3所示。由圖3可知，當摻入20%砂土后，試樣應力-位移曲線既有軟化型又有硬化型，試樣應力-位移曲線則隨著豎向荷載的增大，逐步從軟化型向硬化型轉變。

摻配比例為20%、含水率為22.6%的砂黏土應力-位移曲線如圖4所示。由圖4可知，在試驗設定的豎向荷載作用下，試樣的應力-位移曲線全部為硬化型。通過對比含水率為16%和22.6%改良土的應力-位移曲線可以發現，在相同的豎向荷載作用下，隨著含水率增加，試樣的抗剪強度在逐漸減小。

含水率為22.6%時黏土試樣的應力-位移曲線如圖5所示。由圖5可知，最優含水率下黏土的應力-位移曲線都為硬化型。通過對比含水率為22.6%，改良試樣的應力-位移曲線可以發現，在摻入砂土前后，試樣的應力-位移曲線都呈硬化型，但在摻入20%的砂土后，試樣的抗剪強度顯著提高。這主要是由于摻入砂土后土體的骨架效應增強，且砂土顆粒之間的咬合相較于黏土顆粒之間的咬合更加牢固，摻入20%砂土改良后，試樣的抗剪強度顯著增加。

2.2" " 砂土改良對粘聚力、內摩擦角的影響

不同含水率改良土粘聚力、內摩擦角變化如屠所示。由圖6可知，隨著含水率的增加，粘聚力及內摩擦角都在減小，反映出試樣的抗剪強度隨著含水率的增加在逐漸減小。故將20%砂土改良后的黏土用作路基填料時，應注意做好路基的防排水工作，避免雨水浸泡后強度下降進而造成路基病害。由圖6還可知，摻入20%砂土改良后的試樣粘聚力為22kPa，內摩擦角為18.3°，依然比相同含水率純黏土的試樣的粘聚力及內摩擦角大。

2.3" " 砂土改良對黏土剪脹性的影響

含水率16%時改良試樣豎向位移變化如圖7所示。由圖7可以看出，不同豎向荷載下，在剛開始剪切時，試樣都產生了剪縮，且豎向荷載越大，試樣在剛開始的剪縮就越顯著。而后隨著剪切位移的增加，試樣逐漸產生剪脹。

含水率為22.6%時砂土改良試樣體變如圖8所示。由圖8可知，試樣的體變都表現為剪縮，且豎向荷載越大，試樣剪縮的程度越強。通過與含水率為16%改良試樣的體變進行對比可知，在含水率較低時，改良試樣的體變最終為剪脹，但高含水率狀態下，試樣在剪切過程中始終表現為剪縮。

含水率22.6%時黏土試樣豎向位移變化如圖9所示。由圖9可知，黏土試樣在整個剪切過程中都產生剪縮，與圖8進行對比后發現，在摻入20%砂土后，在相同豎向荷載狀態下，改良試樣的剪縮位移更小，變形更小，故經過砂土改良后，試樣的抗變形能力也得到了有效增強。

3" "結語

本文通過研究20%摻量、不同含水率狀態下砂黏土的抗剪強度特性，明確了含水率對砂黏土應力-位移曲線、抗剪強度參數及剪脹性的影響，主要得到以下結論：

砂黏土試樣抗剪強度隨著含水率增加而減小，故將20%砂土改良后的黏土用作路基填料時，應注意做好路基的防排水工作，避免雨水浸泡后強度下降進而造成路基病害。

在剪切位移較小時，試樣產生剪縮，且豎向荷載越大，試樣在剛開始的剪縮就越顯著。而后隨著剪切位移的增加，含水率較低的試樣產生剪脹，含水率較高的試樣依然產生剪縮。在摻入20%砂土后，在相同豎向荷載狀態下，改良試樣的剪縮位移更小，變形更小，故經過砂土改良后，試樣的抗變形能力得到了有效增強。

參考文獻

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[7] 楊俊，袁凱，狄先均，等.天然砂礫改良膨脹土力學指標試驗及模型分析[J].江蘇大學學報（自然科學版），2016，37（3）：359-366.