影响土的塑性指数的关键因素是黏粒和有机质含量及黏粒矿物类型,而影响黏性土压实性状与工程稳定性的是土的各粒级含量,特别是粉粒和黏粒含量。《公路路基设计规范》和《公路路基施工技术规范》规定:液限大于50%,塑性指数大于26%的土不能直接用于路基填筑,要求按废弃或掺外加剂改性处理。液限波动为50%左右,塑限21%～27%,塑性指数20%～26%是黄泛区分布较多的一类湖淤积淤泥质土。由于粉粒和黏粒含量高、塑限低,该类土表现出了自身特有的强度特性。以饱和土力学理论分析非饱和高塑性黏土路基的抗剪强度机理须待商榷。

国内外的研究者一直致力于将非饱和土理论与工程实际相结合的研究^{[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]}。FREDLUND D G与杨宁从有效应力与土体三相体的工程效应相应方面,提出用纯应力性的总应力和基质吸力作为应力状态分量,通过弹性理论方程、压缩方程和孔隙比状态方程估计体积变化,并进行边坡稳定分析^[10]。方程中所用参数的物理概念明确,但是参数间关系和每一个参数的量测仍有待探讨。凌华、殷宗泽为解决吸力量测和计算困难问题,将含水量引入强度公式,为工程应用给出了近似性和经验性的便捷方法^[11]。为实现从非饱和土状态到饱和状态的平稳过渡,马少坤、黄茂松等考虑了不排水条件下高饱和度非饱和土的情况,建立了关于饱和度的非饱和土抗剪强度公式,该公式需进一步验证对低饱和度黏性土的工程应用^[12]。杨松、卢廷浩利用不排气、不排水三轴剪切试验,探明了气体对红黏土强度的影响,对于其他土质是否有同样规律仍需深入研究^[13]。张添锋等通过固结快剪试验研究了红黏土的粘聚力和内摩擦角与初始含水率的关系^[14]。对于黄泛区湖淤积淤泥质高塑性黏土强度理论的研究鲜见报道。

通过对黄泛区湖淤积非饱和高塑性黏土不同压实度、不同饱和度下的不固结快剪三轴试验,分析其受力过程中所表现出来的物理力学现象,探讨强度构成机理、工程特性与强度表示,为确定该类土的现场碾压控制指标与工艺具有重要意义。

黄泛区冲淤积形成的土有其自身的组成与物理特性及工程性状。路基土在填筑与运营过程中属于非饱和土。在最佳含水率,最大干密度状态下的渗透系数为3.74×10^-6cm/s,路基中水分难以排出,因此采用不固结不排水三轴试验。

本研究依托某两条在建高速公路项目,地理位置分别为东经116°28′～116°39′,北纬34°35′～35°31′和东径115°45′～116°16′,北纬36°35′～37°10′之间。该区域分别为鲁西南与鲁西北平原区,为较典型的黄河冲淤积平原地貌。由于特殊的搬运水成成土原因,该类土的粉砂颗粒具有一定的成熟度,如图 1所示。图 1表明黄河冲淤积土中粉粒颗粒较均匀,磨圆度较高。图 2是取自千佛山灰岩低洼区黏土堆积层中粉质黏土中的粉粒,说明山前冲洪积黏性土中粉粒颗粒不均匀,呈板状,棱角分明,磨圆度较差。两类土由于颗粒的成熟度、级配不同而表现出不同的压实性状。

图 1(Fig. 1)

图 1 黄河冲淤积高塑性黏土中的粉粒 Fig. 1 Powder particles of Yellow River′s deposition in unsaturated and high plastic clay

图 2(Fig. 2)

图 2 山前冲洪积黏性土中的粉粒 Fig. 2 Powder particles in the piedmont alluvial cohesive soil deposition

表 1为黄河冲淤积高塑性黏土的颗粒组成及各成分的质量分数。粉粒的质量分数>65%,毛细管发达,具有良好的吸水性;黏粒的质量分数高于20%,具有较高的黏滞性与保水性,所以,在碾压状态的渗透系数处于黏性土与粉性土的临界状态,存在可碾压的临界含水率范围,表现出与一般高塑性黏土不同的抗剪与压实性状。

表1(Table 1)

表1 黄河冲淤积高塑性黏土的颗粒组成 Table 1 Yellow River′s deposition in unsaturated and high plastic clay particles 土样编号 粒组的质量分数/% >0.250 mm 0.250～0.075 mm 0.075～0.002 mm <0.002 mm 1＃ 0 6.4 69.3 24.3 2＃ 0 5.8 65.5 28.7 3＃ 0 2.7 71.1 26.2

表1 黄河冲淤积高塑性黏土的颗粒组成 Table 1 Yellow River′s deposition in unsaturated and high plastic clay particles

表 2中1＃、2＃和3＃土为典型的黄河冲淤积高塑性黏土,其液限在50%左右,塑限在21%～27%。4＃^[15]和5＃^[16]土为南方红黏土。由表 2可知,黄河冲淤积高塑性黏土的液限在50%左右,塑限比一般高液限黏土低,因而现场可碾压含水率范围比一般高液限黏土低得多,表现出特有的可碾压含水量范围的敏感性。

表2(Table 2)

表2 黄河冲淤积高塑性黏土的液塑限 Table 2 Yellow River′s desposition in unsaturated and high plastic clay liquid plastic limit 土样编号 液限/% 塑限/% 塑性指数 1＃ 45.4 21.9 23.5 2＃ 50.8 26.6 24.2 3＃ 47.7 23.4 24.3 4＃ 58.8 30.8 28.0 5＃ 59.9 30.9 29.0

表2 黄河冲淤积高塑性黏土的液塑限 Table 2 Yellow River′s desposition in unsaturated and high plastic clay liquid plastic limit

表 3显示,天然含水率与最佳含水率差别较大,尽管土中毛细管发育,但是高的黏粒含量致使双电层水膜的粘滞性大而保水性好,要晾晒至最佳含水量范围,需要消耗大量的工期和成本。

表3(Table 3)

表3 黄河冲淤积高塑性黏土击实试验 Table 3 Yellow River′s desposition in unsaturated and high plastic clay compaction test 土样编号 天然含水率/% 最佳含水率/% 最大干密度/(g·cm-3) 1＃ 30.21 14.77 1.863 2＃ 35.20 18.73 1.776 3＃ 32.63 17.00 1.824

表3 黄河冲淤积高塑性黏土击实试验 Table 3 Yellow River′s desposition in unsaturated and high plastic clay compaction test

综上所述,黄河冲淤积高塑性黏土粉粒含量高、有一定磨圆、塑限低且塑性指数高、含有一定量的有机质含量(质量分数为3%～8%),在强度与压实机理方面有其自身的特性。

非饱和土的三轴快剪试验用常规三轴试验仪进行。试验剪切速率0.01 mm/min,围压100,200,300,400 kPa。

试验用土为3＃土。试验前先根据不同的含水率制备土样,把制备的土样放在密闭容器中放置24 h,使土样里的水分均匀分布。按照不同含水率和压实度称取散状土样,试样直径3.91 cm,高8 cm,分8层填筑^[17]。

结合历年来公路土工试验对于黏性土的试验方法,并分析水利部门关于高塑性黏土的规范,综合考虑已建高速公路高液限黏土填筑实践、道路运营中的平衡含水量^[18]等因素制定试验方案见表 4。

表4(Table 4)

表4 试件制备方案 Table 4 Specimen preparation plan 含水率/% 压实度/% 饱和度/% 96 74 17 93 73 90 72 85 65 96 93 20 93 89 90 78 85 77 93 98 23 90 91 85 83 26 85 90

表4 试件制备方案 Table 4 Specimen preparation plan

在击实试验过程中,黄泛区的粉性土和粉质黏土在高含水率下随锤击次数增加有水渗出,该类土却只出现弹簧现象而无水渗出。剪切过程中试件不出现明显裂缝,而呈现应力屈服的粗颈现象,见图 3。黏性土的黏粒矿物呈胶粒状态,表面呈现双电层效应,水-气界面的收缩膜产生表面张力,收缩膜上孔隙气压力与孔隙水压力的差值形成基质吸力^{[19, 20]}。双电层引力、收缩膜表面张力及基质吸力使得黏性土表现为高塑性,呈现出以塑性变形为主的力学现象,无脆性开裂。

图 3(Fig. 3)

图 3 三轴试验结束后试件形态 Fig. 3 The specimen status after the triaxial tests

非饱和土的抗剪强度,毕肖普提出非饱和土中的有效应力表达式为

式中:σ′、σ、(u_a-u_w)、u_a、u_w、 χ分别是有效应力、总应力、基质吸力、孔隙气压力、孔隙水压力、与饱和度有关的参数。

由于式(1)没有考虑水气界面表面张力的作用,且不仅χ难以量测,其物理意义亦不甚明确,该公式存在争议。FREDLUND D G等在《非饱和土土力学》中,给出了非饱和土双应力状态变量抗剪强度公式为

式中:c′、(σ-u_a)、φ′、φ^b分别是有效粘聚力、有效法向应力、与有效法向应力状态变量有关的内摩擦角、表示抗剪强度随基质吸力而增加的速率。

式(2)表示了非饱和土的抗剪强度与有效应力及随饱和度变化的基质吸力有关。

饱和土仅需一个应力状态变量即有效法向应力(σ-u_a)表示即可。非饱和土需要(σ-u_a、(u_a-u_w)两个应力状态变量来描述抗剪强度,即Mohr圆绘制在三维图中如图 4。为能够将三维破坏包面转换到二维图中,采取将基质吸力分量即(u_a-u_w)tanφ^b

同有效粘聚力c′加在一起的简化方法,如式(3):

式中c称为“总粘聚力截距”。式(3)说明非饱和土的粘聚力由有效粘聚力和基质吸力两部分组成,而这两部分力是不可分割的,它们受饱和度和黏粒含量的影响而变化。土的塑性指数越高,饱和度的影响也越大。这也说明高塑性黏土存在一个与抗剪强度相关的临界含水率。由于高塑性黏土的双电层吸力作用,保水性好,路基运营2～3 a后,含水率逐步达到平衡含水率范围。在路基工作区内,路基处于三相体相互作用的稳定状态。

图 4(Fig. 4)

图 4 非饱和土破坏包面 Fig. 4 Destructive enveloping surface of unsaturated soil

将(3)式代入(2)式中即可得非饱和土的抗剪强度公式为

在三轴试验中,试件处于轴对称受力状态,能够模拟土在路基中的受力情况,且总应力σ和围压σ₃与路基中土体应力水平接近,不固结不排水试验能够反映出基质吸力对于抗剪强度的影响。黄文熙也曾提出采用不固结不排水试验模拟现场条件得到非饱和土的抗剪强度^[21]:

式中的c_u和φ_u为总应力强度指标。

式(5)虽然以总应力表示土的抗剪强度,但其隐含着黏性土抗剪强度的3个关键因素:有效粘聚力、基质吸力及颗粒摩阻力;能够反映非饱和土的抗剪强度与饱和度的关系;土的三相间在轴对称应力状态下的相互影响与相互作用。也即该公式能够反映非饱和黏性土特有的抗剪性状。

综上所述,非饱和土的抗剪强度,可通过有效粘聚力和基质吸力的关系,由三维状态转化到二维状态中,从而可以用三轴不固结不排水试验表征土的抗剪强度。虽然用总应力表示土的抗剪强度,但由于有效粘聚力和基质吸力是随土的饱和度、黏粒含量及应力状态不同而变化的量,这两种力很难分割开来。因此,总应力公式隐含了土的这种特性,用总应力法的三轴抗剪强度公式能够满足工程应用要求。

Mohr圆顶点法反应了不同总应力级位下抗剪强度的大小。故可以选取该点绘制总应力强度包线。同一条总应力强度包线上,从左到右围压分别为100,200,300,400 kPa,其中有些包线最大到300 kPa。

图 5为相同含水率、不同压实度下的总应力强度包线。图 5(a)显示了在最佳含水率17%时,随着压实度增大抗剪强度明显增大,当围压增大到300 kPa时,强度包线接近水平。试验过程中,固、液、气三相共同承担和传递荷载。随着围压增大,土体的饱和度发生变化,引起土体三相之间的相互作用及土中应力分布状态的变化。所以,黏性土的抗剪能力随围压变化而变化。

图 5(Fig. 5)

图 5 相同含水率、不同压实度下总应力强度包线 Fig. 5 The total stress strength envelope under different compaction degree and with the same moisture content

图 5((b)、(c)、(d))及图 6显示:试件在含水率偏高的情况下,抗剪强度有随着围压增加呈现减小的“反常”现象。围压从100 kPa增加到200 kPa时,强度包线增幅明显。在200 kPa以后再增加围压,抗剪强度反而降低。围压200 kPa是一个变化的临界点。图 6显示,这种“反常”趋势在含水率为20%时最为明显。含水率为23%、26%时,在高围压下降低幅度小,总应力强度包线基本趋于水平。为排除试验过程的误差影响,重复做了若干组含水率为20%的试件,其试验结果相同。如图 7,相同压实度下,含水率增加3%,空气体积率降低5%左右。含水率为17%时,空气体积率较大,土体结构性强,结合图 4,从总应力包线可知,其内摩擦角φ≥与基质吸力有关的角φ^b。随着围压增大,土体饱和后抗剪强度仍然很大,总应力包线趋于水平。含水率20%的试件,围压超过200 kPa后,试件处于近饱和状态,抗剪强度降低明显,这是由于试样饱和之前,基质吸力是抗剪强度的主要贡献者,所以表现出非饱和土的抗剪性状,而饱和后基质吸力消失,立即表现出饱和土的抗剪性质。说明饱和度是影响高塑性黏土抗剪强度的关键。高于最佳含水率5%、8%的含水率(即含水率23%和26%)的试件,由于试件初始含水率大,饱和度高,围压为100 kPa时,抗剪强度较低,当围压大于200 kPa后,非饱和土抗剪强度包线略有减小趋势,可以认为围压>200 kPa后,强度包线是水平的。

图 6(Fig. 6)

图 6 相同压实度、不同含水率下总应力强度包线 Fig. 6 The total stress strength envelope under different moisture content and with the same degree of compaction

图 7(Fig. 7)

图 7 不同含水率、不同压实度下的空气体积率 Fig. 7 The air volume rate under the different moisture content and with the different degree of compaction

表 5给出了不同含水率、不同压实度条件下,土样的c、φ值,结合式(6),取σ=50 kPa(林小平等认为路基主应力在30～90 kPa之间^{[22, 23, 24]}),可得到各土样的抗剪强度,如图 8所示。图 8显示,饱和度80%左右是抗剪强度变化的临界点。饱和度<80%时,抗剪强度随饱和度增大而增大,即抗剪强度与击实功成正比,增大击实功可以提高土料的抗剪强度;饱和度>80%,初始含水率低于23%时,饱和度越大抗剪强度越小,即超压会降低土料的抗剪强度。当初始含水率达到23%时,压实度对抗剪强度的影响已经很小。

表5(Table 5)

表5 不同含水率、不同压实度下的c、φ值 Table 5 c and φ under the different moisture content and with the different degree of compaction 含水率/% 压实度/% 粘聚力/kPa 内摩擦角/(°) 96 327.12 9.51 17 93 241.97 14.24 90 180.94 17.44 85 173.16 9.96 96 119.77 19.86 20 93 143.99 15.61 90 227.95 0.00 85 94.82 16.64 93 107.17 8.34 23 90 109.68 5.73 85 120.09 3.38 26 85 1.98 9.92

表5 不同含水率、不同压实度下的c、φ值 Table 5 c and φ under the different moisture content and with the different degree of compaction

图 8(Fig. 8)

图 8 抗剪强度随饱和度变化曲线 Fig. 8 Curve of the shear strength changes with saturation

综上所述,含水率在超过最佳含水率3%范围,饱和度低于80%时,增大压实度可以显著提高土料的抗剪强度;饱和度高于80%时,超压会降低土料的抗剪强度。含水率超过最佳含水率5%后,抗剪强度较小,且增大压实功对抗剪强度影响甚微。综合考虑工程的安全性及现场施工的可行性,现场碾压含水率控制在高于最佳含水率4%范围内是较为合理的。

图 5显示,在最佳含水率下,压实度越大土体的抗剪强度越大,而随着含水率增大,压实度对于抗剪强度的影响明显减小。图 6更加直观的显示了含水率是影响抗剪强度的关键因素。

由以上分析可知:

(1)高的粉粒含量与黏粒含量是黄河冲淤积高塑性黏土颗粒组成的重要特征,决定了该类土的吸湿与保水性及应力作用下特有的抗剪特性。在应力作用下,非饱和土中三相之间是相互作用与影响的。

(2)在一定压实度下,含水率决定了土中空气体积率,也就决定了土体的结构性。土体中即使是仅存在质量分数1%的空气,也会对土体的压缩性产生明显的影响。因此,影响非饱和土抗剪强度的关键因素是含水率。

(3)高塑性黏性土路基的抗剪性状表现出非饱和土的三相体结构效应,其有效应力,基质粘滞力决定了抗剪强度的大小和性状。有效粘聚力和基质吸力是相互影响的,二者不可分割,是随饱和度、黏粒含量变化而变化的关键参数。因此可用三轴应力状态下的总应力公式表示抗剪强度。

(4)土料的初始含水率对抗剪强度的影响明显。在高于最佳含水率4%范围内,土料抗剪强度维持在较高水平,可以满足路基稳定性要求。

强度包线所覆盖的应力范围不超出工程实际的应力范围时,弯曲的破坏包线可用直线近似表示。作出围压为100 kPa和200 kPa的莫尔圆切线,得到粘聚力和内摩擦角,不同含水率,不同压实度条件下试样的c、φ值见表 5。表 5显示,这类土的内摩擦角< 20°,抗剪强度主要由粘聚力贡献。

图 9将文献[25]通过直剪试验得到的粉细砂、砂质粉土和粉质黏土的抗剪强度与高塑性黏土相比,可见高塑性黏土粘聚力较高,其抗剪强度高于其他土质。

图 9(Fig. 9)

图 9 抗剪强度线 Fig. 9 Shear strength curve

通过非饱和土的三轴不固结不排水试验分析,得出如下结论:

(1)黄河冲淤积非饱和高塑性黏土具有粉粒、黏粒高的组成特点,具有中液限、低塑限的物理特征。表现出吸水性与保水性。

(2)在应力作用下,非饱和黏性土的三相之间处于相互作用与影响的状态。抗剪强度的主要贡献是由孔隙气压力和孔隙水压力产生的基质吸力。土的有效粘聚力和基质吸力随饱和度、黏粒含量而变化,二者合在一起成为影响抗剪强度的关键参数,抗剪强度可用三轴应力状态下的总应力公式表示。

(3)粘聚力是抗剪强度的主要贡献者,受饱和度和初始含水率的影响。碾压含水率应在高于最佳含水率4%左右,且饱和度高于80%后,应根据试验段碾压情况选择合适的碾压遍数。

(4)本研究揭示了非饱和高塑性黏土的抗剪强度形成机理,以及影响抗剪强度的关键因素及抗剪强度变化的拐点,以期为确定该类土现场碾压控制指标与碾压工艺的选择提供了理论参考。