鹤山市建设工程质量检测中心 广东 鹤山 529700
【摘 要】为了探索在不同含水率条件，压实度与粘土抗剪强度的关系，通过击实和直剪试验得出含水率、压实度与粘聚力、内摩擦角之间的变化规律，从水分变化和土体结构角度分析对强度的影响。试验结果表明：粘聚力在最佳含水率wop附近到达最大值，内摩擦角φ随压实度增大而增大，而当w＞wop时，内摩擦角变化幅度趋缓，对其影响相对减弱，通过对三者关系研究，严格控制土体含水率和合理压实度就能具有较高强度、较好的抗变形能力和良好的稳定性。
【关键词】最佳含水率；压实度；粘聚力；内摩擦角；抗剪强度
路基作为公路工程的主体，应具有足够的强度、稳定性和耐久性，而路基压实度和含水率又是路基工程质量控制中的关键环节，在施工现场，若在压实条件满足要求情况下，通过控制填料达到最佳含水率可以达到96%以上的理论压实度。土的抗剪强度是土力学性质的一个重要指标，抗剪强度主要受土体的种类、结构以及含水率的影响。土的力学研究开始受到重视并不断发展，而室内土工试验作为一种最直观、可靠的方法，可以通过控制试验状态来获取不同条件下土体的抗剪强度参数，并检验理论公式的正确性。现通过击实和直剪试验获得不同含水率条件下得压实度变化和土样抗剪强度的关系，为路基工程在设计、施工提供依据。
试验研究
1土样的制备与击实试验
试验用土取自江门新城区东部市政道路（k0+000至k0+450段）工程，土样的基本物理性质指标：液限为wL为31%，塑限为wP为18%，塑性指数Ip为13，土的类型为粘土，根据工程要求，本次试验采取轻型击实试验方法，对土样进行风干、辗碎、过筛，配制目标含水率为12.0、14.0、16. 0、18.0、20.0五种土料，在每种含水率制备压实度为90%、93%、96%、99%的4种试样进行直剪试验。击实试验数据如下，如表1 。
根据EXCEL函数方程，取其一阶导数为0，可计算出最大干密度=1.68 g.cm3，最佳含水率=16.0%，如图1所示。
2直剪试验分析
试验按照《土工试验规程》要求装好试样，分别在100KPa、200 KPa、300 KPa、400 KPa的垂直压力下，以0.8mm/min速率进行剪切，3~5min内剪损。土的抗剪强度构成因素有二：摩擦力与粘聚力。摩擦力中除包括颗粒与颗粒的表面摩擦之外，还包括颗粒间咬合力。而土的粘聚力包括原始粘聚力、加固粘聚力及毛细粘聚力三部分。其表达式为：c=c1+c2+c3
式中：c1为土粒间的分子引力产生的粘聚力；c2为颗粒间的胶合作用而产生的粘聚力；c3为空隙中毛细水的表面张力形成的毛细压力产生的粘聚力。对于粘土它们有以下的关系：
τ=σtanφ+c ——库伦定律
式中：τ为土的抗剪强度，KPa; σ为作用于剪切面上得法向压力，KPa；φ为土的内摩擦角，度；c为土的粘聚力KPa。由此可知，土体的抗剪强度土的密度、含水率、剪切方式等条件有关。
根据试验数据可得粘聚力与含水率和压实度变化规律，见图2。由图可知：粘聚力c随着压实度K的增大有增大趋势，因为饱和土的固结过程是土中空隙水应力和有效应力间的转移过程，只有在有效应力作用下才能使土固结密实，增加土的密度，从而增大土粒间的内聚力，使土的抗剪强度增大，在同一压实度下（K＞93），最佳含水率时粘聚力达到最大值。
粘聚力与含水率关系曲线图3可见，在各种压实度（K＞93）情况下，粘聚力c在最佳含水率wop附近达到峰值，当w＜wop时，随含水率w的增加粘聚力c增加，当w＞wop时，随含水率w的增加粘聚力c迅速降低，压实度越大，粘聚力c随含水率w影响越大。一般认为，土的粘聚力是土颗粒间引力和斥力综合作用的结果，主要来源于土粒件的相互吸引、水膜联结及颗粒间的胶结等，其中土颗粒的水膜联结和胶结作用对粘聚力的产生具有重要作用。因而土的粘聚力随着含水率的不同而变化较大。含水率越小，颗粒间的水膜联结力越大；随着含水率的增大，水膜联结力逐渐减小，直到达到土体饱和含水率完全丧失。所以当含水率增加到某一值时，胶结作用才开始与水膜联结力一起减小，产生粘聚力迅速降低的原因。
土体内摩擦角与含水率和压实度关系见图4，可知在含水率相同时，压实土的内摩擦角φ随压实度的增大而增大，其原因是随压实度增大，土粒间的接触更加紧密，克服颗粒间相对运动所需外力也越大。在压实度相同情况下，若w＜wop时，内摩擦角φ随含水率w的增大显著减少，而w＞wop时，含水率w对内摩擦角φ影响而减少不显著。究其原因是当土含水率较小时，土中的水主要以颗粒周围的结合水膜的形式存在（强结合水膜和弱结合水膜）。其中弱结合水膜中的水分子可沿土粒表面移动，对土粒间的相对运动起润滑作用，强结合水膜中的水分子不能移动。内摩擦角φ是土粒间相对运动时摩擦情况的综合反映，随着含水率的增大，弱结合水膜急剧变厚，故土体剪切时土粒间的摩擦力作用急剧减少，表现为内摩擦角φ随含水率的增加而急剧减小，当含水率达到最佳含水率时，结合水膜最厚。若含水率继续增大，则增加的水分主要以自由水方式存在于空隙中，对土粒间的相对运动不再起明显的润滑作用，即表现内摩擦角φ随含水率w的变化趋于平缓。
通过直剪试验结果(见表2)表明，剪切强度与粘聚力和内摩擦角不是单一的关系，当含水率w＜16.0%时，随含水率的增加，粘聚力也增大；当含水率w＞16.0%时，随含水率的增加，粘聚力近似呈直线下降。整体上随含水率的增加内摩擦角变小，内摩擦角的值在27°~31°之间波动。与粘聚力类似，土的抗剪强度也随含水率的增加先变大，然后逐渐降低。而且，土的抗剪钱的与含水率具有明显的相关关系，由图5可知，含水率越大抗剪强度越小，这与基质吸力与含水率成反比的规律是一致的。当含水率w＞16.0%，抗剪强度显著降低，当含水率w＜16.0%，剪切强度则缓慢减小，说明它们存在界限含水率。
结论
本文通过对某工程土样进行试验研究，分析土体含水率和压实度与抗剪强度之间的关系，从水分变化和土体结构差异角度探讨了内在机理，本文仅对粘土进行研究得出结论如下：
（1）压实度对粘聚力影响较为明显，在各种含水率条件下，粘聚力均随压实度的增大而增大，当含水率增大到最佳含水率时，粘聚力达到最大值。
（2）土的粘聚力与含水率关系可以用两段关系曲线描述，当粘聚力在最佳含水率附近时出现峰值，当含水率超过这一临界值后，粘聚力急剧下降；而粘聚力也随压实度的增加而增大。
（3）在相同的压实度情况下，最佳含水率也作为临界值，当若w＜wop时，内摩擦角φ随含水率w的增大显著减少，含水率对其影响较为明显；内摩擦角φ随压实度增大变化较小。
（4）粘土的抗剪强度与含水率之间的关系存在一个界限含水率，当超过该含水率后，抗剪强度将显著降低。土体的抗剪强度在高于和低于最佳含水率表现出来的不同形状，与土体结构和土中的水的分布密切关系。对于不同类型的土以及不同干密度条件下的土体抗剪强度与含水率的关系是否符合本文规律还待进一步深入研究。
（5）从本次研究可知，水对土体存在有利和有害的影响，一方面，水的存在会引起土颗粒之间的吸引力的增大和减小，而另一方面，空隙水的存在改变所施加应力的作用效果，进而影响土的力学性能。通过对含水率和压实度对粘土抗剪强度影响研究分析，选取合理的压实度和含水率来控制土体压实质量至关重要。因此，需尽量采取有效措施控制填筑土料含水率，建议控制在最佳含水率左右，在低含水率地区，尽量把土压（夯）实到最大合理可行的密实度；在高含水率地区，土的压实度建议控制在96%，压实度不够使土的强度偏低，过度压实导致土的强度降低，在实际工程中，控制土体含水率在最佳含水率附近和合理的压实度以获得较高强度是最有效的途径。
参考文献：
[1]中华人民共和国交通部.JTG E40-2007 .公路土工试验规程.人民交通出版社
[2]顾晓鲁.钱鸿缙.刘惠珊.汪时敏编.地基与基础（第三版）中国建筑工业出版社
[3]王林浩，白晓红，冯俊琴，等.压实黄土状填土抗剪强度指标的影响因素探讨[J].岩土工程学报.2010.32(82):132-135
论文作者:李丽华
论文发表刊物:《低碳地产》2015年第7期
论文发表时间:2016/8/17
标签：含水率论文; 压实论文; 强度论文; 摩擦论文; 关系论文; 颗粒论文; 粘土论文; 《低碳地产》2015年第7期论文;