朱 墩

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

0 引 言

本文依托項(xiàng)目為葉新—大葉公路（新工路—奉賢區(qū)界）道路改建工程。在《上海市骨干道路網(wǎng)深化規(guī)劃》（2009）中提出的“14橫16縱”的主要干線公路網(wǎng)布局中，東大—大葉—葉新公路是一條重要的橫向干線公路。其西起滬浙省界，東至臨港新城，全長(zhǎng)86 km，是市域南部的一條重要的貨運(yùn)通道。

目前，該路段為雙向兩車道，相關(guān)配套設(shè)施建設(shè)較為滯后，大部分路線無(wú)雨、污水排水系統(tǒng)，且道路通行能力已逐漸不能滿足交通通行的需求。因此計(jì)劃對(duì)其進(jìn)行升級(jí)改造，改造后等級(jí)為一級(jí)公路，設(shè)計(jì)時(shí)速80 km/h。工程建設(shè)內(nèi)容包括改建工程、橋梁工程及排水工程等。

在進(jìn)行道路擴(kuò)建、橋梁、排水等工程的設(shè)計(jì)和施工前，需要對(duì)路基土的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行詳細(xì)地研究。其中，抗剪強(qiáng)度參數(shù)黏聚力和內(nèi)摩擦角是路基沉降以及穩(wěn)定性計(jì)算的主要參數(shù)[1-3]，與路基土的密實(shí)度和天然狀態(tài)關(guān)系密切。因此本文開(kāi)展多組路基土的直接剪切試驗(yàn)，以研究壓實(shí)度和含水率對(duì)路基土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響規(guī)律。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理環(huán)境

本項(xiàng)目工程沿線為松江區(qū)，位于上海市的西南部，地處黃浦江上游，長(zhǎng)江三角洲要沖。地勢(shì)東高西低，略呈傾斜，地形北狹南寬。

松江區(qū)地處長(zhǎng)江三角洲，屬北亞熱帶季風(fēng)區(qū)域，雨熱同期，雨水充沛，日照充足，無(wú)霜期長(zhǎng)。全年平均氣溫約17.5℃，日照時(shí)數(shù)約1 780 h，降水量約1 360 mm。常年平均風(fēng)速為3.1 m/s。夏季盛行東南風(fēng)，冬季盛行西北風(fēng)，年平均主導(dǎo)風(fēng)向不明顯。平均年際地表水徑流量2.12億m3，客水徑流36.5億m3，江潮徑流量57.6億m3。

1.2 工程地質(zhì)條件

松江區(qū)地處長(zhǎng)江三角洲前緣河口濱海平原，全區(qū)均為第四紀(jì)沉積物所覆蓋，厚度在300 m左右，土層概況見(jiàn)表1。

2 物理力學(xué)試驗(yàn)研究

本項(xiàng)目路段（新工路—奉賢區(qū)界）路基土為粉質(zhì)黏土，屬于地層組合中的②1層。本章將對(duì)其開(kāi)展物理性試驗(yàn)和直剪剪切試驗(yàn)，以研究壓實(shí)度和初始含水率對(duì)其抗剪強(qiáng)度的影響。

2.1 物理性試驗(yàn)

進(jìn)行直剪試驗(yàn)前，需獲得路基土的物理性指標(biāo)，作為直剪試驗(yàn)分組依據(jù)。按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123—1999），采用烘干法測(cè)定路基土的天然含水率，環(huán)刀法測(cè)定天然密度，使用聯(lián)合測(cè)定儀測(cè)定路基土的界限含水率，擊實(shí)試驗(yàn)測(cè)定最大干密度[4]。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可知，路基土天然含水率為29.5%；路基土天然密度為1.82 g/cm3，最大干密度為1.93 g/cm3，壓實(shí)度為94%；路基土液限為31.8%，塑限為17.5%，塑性指數(shù)IP為14.3，表明路基土為粉質(zhì)粘土。

表1 葉新-大葉公路地層概況

表2 路基土基本物理指標(biāo)

2.2 直接剪切試驗(yàn)

為了研究路基土的強(qiáng)度特性，必須掌握壓實(shí)度和含水率對(duì)其強(qiáng)度的影響。因此對(duì)路基粉質(zhì)粘土重塑樣開(kāi)展直接剪切試驗(yàn)[5-7]。

2.2.1 取樣及制樣

（1）在現(xiàn)場(chǎng)選擇合適路段，對(duì)路基土進(jìn)行取樣；

（2）在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)土樣進(jìn)行烘干、碾磨、過(guò)篩（2 mm標(biāo)準(zhǔn)篩），以備使用；

（3）按照要求的干密度和天然含水率，計(jì)算配樣所需地基土和蒸餾水的質(zhì)量，稱量后混合二者，攪拌均勻后密封保濕24 h；

（4）使用擊實(shí)器進(jìn)行制樣，按計(jì)算得到的質(zhì)量，將土體裝入制樣器，進(jìn)行擊實(shí)制樣；制樣方法為單層擊實(shí)法，可以保證試樣的密度均勻一致，防止因?yàn)樵嚇觾?nèi)部不均勻而產(chǎn)生的誤差；

（5）制樣采用的環(huán)刀規(guī)格為：高20 mm、直徑61.8 mm。

2.2.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)表2提供的路基土基本物性指標(biāo)，設(shè)置直剪試驗(yàn)組數(shù)。共設(shè)置4個(gè)壓實(shí)度4個(gè)含水率，16組試樣，見(jiàn)表3。

表3 直剪試驗(yàn)試樣組數(shù)設(shè)置

2.2.3 試驗(yàn)步驟

（1）制備試樣，在環(huán)刀內(nèi)壁涂抹凡士林；

（2）將環(huán)刀均勻壓入土體之中，當(dāng)試樣超出環(huán)刀上緣一至二毫米時(shí)停止壓入，再使用刮土刀對(duì)試樣兩端進(jìn)行刮平；

（3）將剪切盒上下對(duì)齊，并插上定位銷釘。刀口向上，將試樣推入剪切盒中；

（4）再依次安裝加壓蓋、鋼珠等部件。試樣安裝完成后，確保上側(cè)剪切盒和測(cè)力計(jì)處于接觸狀態(tài)；

（5）按照試驗(yàn)要求，對(duì)試樣施加相應(yīng)的垂直荷載，并調(diào)平杠桿，拔出定位銷釘；

（6）荷載施加后，開(kāi)始剪切試樣，剪切速率設(shè)為0.8 mm/min；一般，試樣將在三至五分鐘發(fā)生剪切破壞；

（7）試樣完成后，卸去試樣上的垂直荷載。取出土樣，清理剪切盒內(nèi)余土，進(jìn)行下一次試驗(yàn)。

2.2.4 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算路基土的粘聚力和內(nèi)摩擦角，見(jiàn)表4。

3 直剪試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 含水率對(duì)路基土抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響

根據(jù)直剪試驗(yàn)結(jié)果，繪制含水率與路基土黏聚力、內(nèi)摩擦角的關(guān)系曲線，見(jiàn)圖1、圖2。

由圖1可見(jiàn)，粉質(zhì)粘土的粘聚力隨初始含水率增大而不斷減小，當(dāng)含水率達(dá)到29%以上時(shí)，黏聚力減小趨勢(shì)變緩；初始含水率由25%增大到31%，黏聚力由28.3 kPa減小到10.6 kPa。由圖2可見(jiàn)，隨著初始含水率的增大，內(nèi)摩擦角也隨之減小，但減小幅度不大；初始含水率由25%增大到31%，內(nèi)摩擦角由19.1°減小到14.7°。

因此，路基土的初始含水率越高，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)越低，強(qiáng)度性質(zhì)越差。其中，含水率對(duì)粘聚力的影響更明顯，對(duì)內(nèi)摩擦角的影響較小。

表4 路基土直剪試驗(yàn)強(qiáng)度指標(biāo)

圖1 黏聚力與初始含水率的關(guān)系曲線（壓實(shí)度90%）

圖2 內(nèi)摩擦角與初始含水率的關(guān)系曲線（壓實(shí)度90%）

3.2 壓實(shí)度對(duì)路基土抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響

繪制壓實(shí)度與路基土黏聚力、內(nèi)摩擦角的關(guān)系曲線，見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 粘聚力與壓實(shí)度的關(guān)系曲線（初始含水率25%）

圖4 內(nèi)摩擦角與壓實(shí)度的關(guān)系曲線（初始含水率25%）

由圖3可見(jiàn)，粉質(zhì)黏土的黏聚力隨壓實(shí)度增大而不斷增大；壓實(shí)度由90%增大到96%，黏聚力由28.3 kPa增大到37.0 kPa。由圖4可見(jiàn)，隨著壓實(shí)度的增大，內(nèi)摩擦角也隨之增大；初始含水率由25%增大到31%，內(nèi)摩擦角由19.1°增大到32.9°。

因此，路基土的壓實(shí)度越高，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)越高，強(qiáng)度性質(zhì)越好。

4 結(jié) 論

直剪試驗(yàn)結(jié)果表明，路基土的初始含水率越高，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)越低，強(qiáng)度性質(zhì)越差；其中，含水率對(duì)黏聚力的影響更顯著，對(duì)內(nèi)摩擦角的影響較小。路基土的壓實(shí)度越高，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)越高，強(qiáng)度性質(zhì)越好。

根據(jù)路基土的抗剪強(qiáng)度特性，道路改建時(shí)，為保證路面強(qiáng)度，防止路面出現(xiàn)工后沉降過(guò)大以及不均勻沉降等現(xiàn)象，在經(jīng)濟(jì)成本允許的情況下，應(yīng)適當(dāng)提高路基土的壓實(shí)度，并設(shè)置排水工程，降低路基土的含水率。