含水率对南平重塑黏土强度影响分析

陈慧枝

福州建通工程试验检测有限公司，福建 福州 350108

受气候条件影响，福建省南平地区土体天然含水率非常高，通常在40%以上，液限大于50%，属于高液限土。统计南平地区现有高液限土试验成果，发现土体最优含水率往往在15%～28%左右，路基填筑施工中，按照常规路基施工方法，很难将土体晾晒到最佳含水率，进而采用压实度指标控制填筑质量［1］。同时受土体成分影响，接近最佳含水率的土体具有较大的膨胀性，往往CBR 值也难以满足要求［2］。因此，南平地区采用高液限土填筑路基，为了确保土体的水稳定性和力学强度同时满足要求，往往通过联合控制土体含水率、压实度和饱和度三个指标来确保填筑质量，即适当提高施工碾压含水率，降低压实度，同时控制土体饱和度处在合理区间，已保证土体的水稳定性。从浦南高速、武邵高速、宁武高速等路段通车十来年的实践分析，上述处理方法是合理、可行的［2］。下文将在分析土体填筑路基性能指标的基础上，通过三轴试验分析碾压含水率对南平地区该类型黏土强度的影响，为路基施工提供指导。

1 土体填筑路基性能指标

对试验土样分别进行比重试验、含水率试验、液塑限试验、标准击实试验及颗粒分析试验，得到土体的基本物理指标如图1所示。试验土样为高液限黏土，土体天然含水率非常高，达到了40.1%，而最佳含水率仅19.2%。如果采用最佳含水率施工，土体含水率需要降低近21%，难度非常大。同时土体中细颗粒含量非常大，小于0.075mm的颗粒占到总质量的78.5%，细颗粒含量高，土体的渗透性很差，晾晒过程中水分不易蒸发，这也造成了填筑路基过程中降低含水率需要的时间比较长，晾晒困难。

表1 土体的基本物理性质

由于道路施工中通过晾晒的方法进行路基填筑，为了充分模拟填筑路基土体的物理力学性能，试样制备过程中，采用天然土晾晒的方法，依次降低土样含水率，分别获得30.5%、28.1%、26.7%、24.2%四种不同含水率的土样。对土样分3 层击实，每层击实21 下，击实后浸水4 昼夜，开展CBR 试验，并测试膨胀量和吸水量［2］，试验结果如表2 所示。随着土样含水率的增加，CBR 值先增加后减小，在含水率为26.7%时，CBR值达到最大值。试验含水率范围内，CBR 值处于3.2%～7.9%之间。吸水量随含水率增加而降低，处于25～292g 之间。干密度随含水率增加先增大后减小，含水率为28.1%时，达到最大值。试验含水率范围内，干密度值处于1.42～1.48g/cm3之间，对应的压实度处于86.6%～90.2%之间。饱和度随含水率的增加而增大，处于73.4%～98.3%之间。虽然压实度小于《公路路基施工技术规范》（JTG T 3610-2019）要求的93%，但是CBR 强度和水稳定均满足要求。

表2 不同含水率CBR 试验结果

对含水率-干密度，含水率-压实度通过多项式进行数值拟合，如图1 和图2 所示，R 平方值为1，拟合效果较好。通过拟合公式得到含水率为24%～30%对应的干密度、压实度对应值，如表3 所示，此即为通过试验获得的路基填筑控制指标。

图1 含水率-干密度拟合关系

图2 含水率-压实度拟合关系

表3 路基填筑控制指标

2 土样破坏模式

试件尺寸为3.91cm×8cm，为分析初始含水率对土体强度的影响，试件制作中压实度控制为88%。对30.5%、28.1%、26.7%、24.2%共4 组不同含水率土样开展固结排水试验，每组土样分别在50kPa、100kPa、200kPa 和400kPa 围压下固结，固结后进行排水剪切。试验采用TSZ10 型应变控制式三轴仪。

试验中土样呈现2 种破坏模式，即鼓胀破坏和剪切破坏。对于含水率为30.5%的土样，在50kPa、100kPa、200kPa 和400kPa 围压下进行剪切，均表现为中间部分向外鼓胀，但没有明显裂缝。对于含水率为28.1%的土样，围压较小时（50kPa，100kPa），破坏形式仍然为鼓胀且无明显裂缝；当围压增大到200kPa和400kPa时，土样在鼓胀的同时，出现了细微剪切裂缝。对于含水率为26.7%的土样，随着竖向压力的增大，相比高含水率，试样侧向鼓胀逐渐变小，但侧表面出现了较大斜向剪切裂缝，且方向不规则。对于含水率为24.2%的土样，剪切过程中，裂缝逐渐贯通，土样表现为剪切破坏。

试验说明，随着含水率的不断降低，重塑黏土的破坏形式由鼓胀破坏转变为剪切破坏［3］。具体如图3 所示。

图3 土样破坏过程

3 土样不同含水率应力应变关系

对4 组不同含水率土样开展固结排水试验，每组土样分别在50kPa、100kPa、200kPa 和400kPa 围压下固结，固结后进行排水剪切，剪切阶段的应力应变曲线如图4。由图可知，当含水率较低（w ≤28.1%）时，低围压（≤100 kPa）下的应力—应变关系曲线呈弱软化型；高围压下的应力—应变关系曲线呈硬化型［4］。

图4 四种含水率试样的应力—应变关系

当含水率较高（w=30.5%）时，在50kPa、100kPa、200kPa和400kPa 围压下土体应力—应变关系呈硬化型。说明高含水率的试样在剪切过程中土体发生减缩，低含水率试样在低围压情况下会出现剪胀。在相同围压下，破坏主应力差都随含水率的增大而略微减小。

4 含水率对土体强度参数值的影响

针对土样不同初始含水率，分别绘制土样强度包线图（图5）。从图中可以看出，抗剪强度包线具有较好的线性关系，随着含水率的增大，强度包线的斜率不变，均为27.7°；但是截距减小。根据摩尔库伦定律，强度包线的倾角对应土体的内摩擦角，截距对应土体的粘聚力。从图中可得出，土样在含水率24.2%的情况下，土样固结排水（CD）三轴剪所得粘聚力cd值为65.4kPa，相应的内摩擦角Φd 为27.7°；土样在含水率26.7%的情况下，土样非饱和固结排水（CD）三轴剪所得粘聚力cd 值为63.3kPa，相应的内摩擦角Φd 为27.7°；土样在含水率28.1%的情况下，土样非饱和固结排水（CD）三轴剪所得粘聚力cd值为60.0 kPa，相应的内摩擦角Φd 为27.7°；土样在含水率30.5%的情况下，土样非饱和固结排水（CD）三轴剪所得粘聚力cd值为53.7 kPa，相应的内摩擦角Φd为27.7°。随着含水率的增大，粘聚力cd 值随之减小，内摩擦角Φd 不随含水率的变化而变化［5］。将含水率与粘聚力进行数值拟合，得到cd=-2625w2+1225.5w-77.61。

图5 四种含水率试样的强度包线

5 结论

（1）通过CBR 试验和膨胀量观测，得出土样含水量24%～30%之间，土体具有较好的CBR 强度和水稳定，满足路用性能。

（2）三轴排水固结试验中，土样呈现鼓胀和剪切2 种破坏模式。

（3）排水固结试验中，在含水率较低时，低围压下土样应力—应变关系呈弱软化型；高围压下土样应力—应变关系呈硬化型。

（4）含水率对南平重塑黏土有效内摩擦角无影响，对有效粘聚力cd 的影响可通过公式cd=-2625w2+1225.5w-77.61计算。