新疆特殊地区公路力学特性研究成果

风积沙的力学特性直接影响着风积沙路基和固化风积沙基层的整体强度及稳定性。因此，从击实特性、振动特性、回弹模量等方面系统研究风积沙的力学特性。

1.风积沙的击实特性

1）风积沙的击实特性

由于风积沙的黏性很小，比较松散，成型十分困难，采用常规的击实试验方法，所得试验结果比较零乱，规律性较差。试验结果如图 3.1所示。

图3.1　风积沙击实曲线

击实试验结果表明：

（1）风积沙的击实特性与黏土、粉土的完全不同，随着粉、黏粒含量的增大出现了从双峰值向单峰值变化的趋势，这一变化点在粉、黏粒含量为20%～25% 之间。

（2）在粉、黏粒含量小于 25%（如 XS-A、XS-B、XS-C）时，峰值分别出现在干燥状态（即含水量约为0处）和最佳含水量（接近饱和状态）处。当含水量接近零时，干密度较大；稍增大含水量，干密度反而减少，直至曲线上出现干密度值最小的谷点；但在此之后，干密度又随含水量的增大而增大，直至达到最佳含水量时的最大干密度，此后干密度又随含水量的增大而减小。这也说明了风积沙具有干压实和湿压实（最佳含水量）两大特性。

（3）随着风积沙中粉、黏粒含量的增大，最大干密度从风干状态向最佳含水量状态移动。在粉、黏粒含量大于15% 时，利用相同的压实功，采用湿压比干压更易压实。

（4）在粉、黏粒含量小于 25% 时，风积沙的最小干密度为最大干密度的93%～95% 之间，施工中按照一般公路的压实标准 93% 或 95% 是较容易达到的，因而这种标准已不适合于风积沙的压实控制。为了充分发挥风积沙的路用性能，应该适当提高风积沙的压实标准。

2）风积沙击实机理

（1）风积沙在含水量极低或接近于最佳含水量时，击实后可获取较大的干密度，表明风积沙中的薄膜水、毛细水等对击实产生着不利的影响。通常，土在压实过程中主要克服其颗粒之间的黏聚力，因其摩擦力较小，但对于风积沙而言，在干燥的状况下颗粒之间的黏聚力很小而摩擦力较大，击实试验时沙层受到振动力的作用，不仅在垂直方向受力，而且在水平方向也受到派生力；此外，由于力是以振动波的形式传播，将使颗粒产生跳跃式位移，所有这些位移的方向总是朝着有孔隙的地方发展，从而使颗粒得到重新排列，沙层逐渐趋于密实。而当有一定水分时，分布于颗粒表面并在不同的颗粒之间连成一片的水膜将产生一定的连接力而使阻力增大，不仅影响颗粒间的位移而且使颗粒的跳跃减弱；再者，毛细水所产生的表面张力也阻止颗粒间位移，从而导致干密度相对降低。当含水量接近最佳含水量时毛细水消失，薄膜水也因其变厚而造成其连接力大大下降，另外水在振动作用下沿空隙排出也将对沙颗粒产生使其位移的作用力，结果其干密度有了较大的提高。

（2）虽然在含水量极低时击实出现较大的干密度，但含水量稍有增大即出现干密度的最低值。造成这种情况的原因在于存在一定的含水量而又较小时，颗粒之间的薄膜水较薄，形成的毛细水也在细小的孔隙处。薄膜水的连接力大，沙颗粒在水的作用下表面带电，在水膜中产生双层电，双层电的电动势也随距离的增大而消弱；毛细张力同样是在孔隙小时大，这样沙颗粒间的连接力较大故不易压实。其后，随着含水量的增加，水薄膜变厚，导致连接力下降，但毛细水增多又阻止了连接力的下降，毛细水的作用进一步增强，但当重力水大量出现时，沙样中的空气消失，毛细作用急速减小，从而导致沙颗粒间的连接力突然下降，干密度很快提高。

从以上分析可以发现，风积沙在较为干燥的状态下压实是可行的。但必须在含水量接近于0，控制在0.5% 以内。

2.风积沙的振动特性

1）风积沙的振动曲线（振动台试验）

众所周知，对于一种材料的最佳压实状态是外力的频率与材料的自振频率相同时，达到共振，最易压实。针对风干风积沙在固定振幅（0.5 mm）和振动时间（10 min）下，变换振动频率进行振动压实试验，其试验结果见图3.2。

图3.2　风积沙振动台试验曲线

从图3.2可以看出：

（1）风积沙的自振频率在 45～50 Hz 之间。因此现场的碾压时，应该选择频率在45～50 Hz的振动压实机械，从而使较小的压实功获得较大的干密度。

（2）沙样XS-C由于粉、黏粒含量较大（19.1%），在振动过程中有大量的粉、黏粒飞出，致使振动曲线规律性差，这与振动台的使用范围有关。因此，振动台法不适用于粉、黏粒含量大于15%的风积沙，这和土工规范一致。

2）风积沙振动压实机理

振动压实是依靠机械静力和振动力的共同作用，振动以压力波的方式向土体内传递，并能达到较大的深度。在振动的往复作用下土粒间的 内摩擦力急剧降低，并在静压作用下产生移动充填空隙而达到密实状态。因此，振动压实以其高效率、低成本及显著的压实效果等技术经济优势在公路建设中越来越多的得到应用。

目前，国内外对振动压路机的振动压实机理已经取得了一定的进展，土木工程界也提出了几种有关振动压实机理的观点，比较有代表性的有共振压实观点、重复冲击观点、土颗粒运动内摩擦力减小观点等。这些观点的主要内容分别是：如果压实土的固有频率和激振频率一致，则振动压实能达到最大的压实效果；振动在土体上产生周期性冲击作用，使土体密实；由于振动的影响，土的内摩擦力急剧减小，使土的剪切强度下降，因此只要很小的作用力就能很容易进行压实。这些观点从不同的角度对振动压实进行解释，各自可以解释某一类振动压实问题，但是不能全面解释各种振动压实现象。下面以室内试验为基础，参考国内外对黏土和沥青混合料的振动压实的研究成果，结合上述三种振动压实机理观点，探讨振动压实机理。

目前施工中常用的三种压实方法为滚压、夯实和振实；其压实作用见图3.3。

图3.3　不同压实方法作用示意图

对图 3.3 分析知，无论是静力压路机、振动压路机还是振荡压路机，其压实原理都是向被压材料加载，克服松散多相材料中固体颗粒间的内摩擦力、黏聚力，促使土颗粒发生位移或运动，相互靠近，排除土中的气体或液体，达到土体结构密实的目的。为此，一般从两方面分析：一方面是减小颗粒间的黏聚力和内摩擦力，即降低土壤的抗剪强度τf，使土颗粒运动阻力减小，这实际上是内摩阻力减小观点；另一方面是对土颗粒施加压应力和剪切应力使土壤发生剪切破坏，或者增加颗粒的动能，以克服颗粒的黏聚力和内摩擦力，从而达到使颗粒位移或运动的目的，这实际上是重复冲击和共振观点。因此，可以认为，只有当土中的剪切应力τ大于土体的抗剪强度τf时，才能使土颗粒重新排列，土体被压实：

只要分析出振动对土体剪切应力τ和抗剪强度τf的影响，也就清楚了振动压实的机理。土体的抗剪强度常用库仑剪切强度理论来表示：

式中　τf——土的抗剪强度；

c——土的黏聚力；

σ——土的法向应力；

Φ——土的内摩擦角。

通过对沙样直剪试验可知，风积沙的黏聚力基本为零，内摩擦角在30°～40° 之间，且随着干密度的增大，内摩擦角增大。为了提高风积沙垫层的抗剪变形能力，应尽可能提高沙的干密度，而振动压实是目前获得较大密度的有效手段，因此采用振动压实法，在风积沙共振频率下对风积沙进行充分压实是解决风积沙压实的重要手段。

3.风积沙的强度特性

1）承载比（CBR）

承载比是由美国加利福尼亚州公路局首先提出来的一种评价路基土和路面材料承载力的指标。在我国的沥青路面的设计中，虽以路基土和路面材料的回弹模量值作为设计参数，但不少单位特别是科研单位，为了参考国外有关CBR方面的资料，在寻求回弹模量与 CBR的关系方面做了大量工作。

为了全面了解风积沙的强度特性，分别对干燥（以下简称状态1）、泡水（状态2）、饱和风干（状态3）和最佳含水量（状态4）等4种状况进行了CBR试验，试验结果见图3.4～图3.9。

图3.4　单位体积击实功～CBR关系曲线（XS-A）

图3.5　干密度～CBR关系曲线（XS-A）

图3.6　单位体积击实功～CBR关系曲线（XS-B）

图3.7　干密度～CBR关系曲线（XS-B）

图3.8　单位体积击实功～CBR关系曲线（XS-C）

图3.9　干密度～CBR关系曲线（XS-C）

现对试验结果分析如下：

（1）无论在哪种情况下，随着击实功和干密度的增加，CBR值明显增大。即单位体积内的空隙小，有效颗粒占多数，CBR也越大。

（2）三种沙样在状态3下，CBR值比其他三种状态下大，这说明在较为干燥及路基缺少水源补给的情况下，路基的强度增大较大。所以在此环境中采用饱水碾压，可以使路基在运行过程中随着水分的散失，路基强度就会大幅度的增大。

（3）在粉、黏粒含量小于 15%（如沙样XS-A、XS-B）状态1下的CBR值均大于状态2，但是两者相差较小，且随着粘、粉粒含量的增大而更趋于接近，当粉、黏粒含量大于15%（如沙样XS-C）时，则反之，这说明粉、黏粒含量对风积沙的影响是比较大的。但是其值随着粉、黏粒含量的增大而有减小的趋势。

（4）由于风积沙黏聚力为零，含黏性颗粒很少，其颗粒相对较大，因此，泡水试验后膨胀量很小。另外，风积沙的保水性很差，不同干密度下其膨胀量变化不大。

（5）风积沙干压实状态（干燥状态）和湿压实状态（最佳含水量）下都具有较高的 CBR 值，说明风积沙干压实和湿压实都具有较高的强度。

（6）由于风积沙的保水性很差，透水性较好，而且风积沙颗粒较黏性土大，因此，当试件在泡水时水分较易渗入，试样的强度下降很快，因此CBR值比不泡水的要低得多；但是一旦试件取出，水下渗很快，说明风积沙的透水性良好。

（7）不泡水的CBR值比泡水4 d后的CBR值高50% 左右，由于风积沙具有较高的透水性，颗粒较大，即使风积沙具有较高的含水量，颗粒之间也很难形成水膜；另外，考虑兵团垦区（特别是塔克拉玛干沙漠）的实际情况：全年降水量很少，风积沙路基不会处于饱水状态，而潮湿状态下由于毛细水压力作用形成假凝聚力，风积沙路基强度将有所提高，风干状态可能是实际的最不利状态。因此，对于风积沙这种材料，规范中要求的泡水后进行贯入试验不太切合实际，建议进行不泡水的贯入试验。

2）回弹模量

（1）强度特性。

回弹模量值是路面结构设计中最主要的设计参数之一，它的大小直接影响到路面结构层的厚度及路基路面整体稳定性。在20世纪70年代，国内曾组织较大规模的回弹模量值测定，有关细砂的试验结果已纳入柔性路面设计规范中，其建议值为60～70 MPa。为了更为准确地反映兵团垦区不同颗粒组成、不同条件下风积沙回弹模量值，为兵团垦区的公路建设提供依据，针对不同颗粒组成的风积沙进行了不同击实功、不同条件下的回弹模量试验。

根据新疆特有的地理环境及气候条件，为了取得较为实用的风积沙回弹模量值，针对具有代表性的沙样，采用三种击实功、在风干（状态1）、浸水（状态2）及饱和风干（状态3）、最佳含水量（状态4）的4种状态36种情况，进行回弹模量试验，试验结果见图3.10～图3.15。

图3.10　单位体积击实功～回弹模量关系曲线（XS-A）

图3.11　干密度～回弹模量关系曲线（XS-A）

图3.12　单位体积击实功～回弹模量关系曲线（XS-B）

图3.13　干密度～回弹模量关系曲线（XS-B）

图3.14　单位体积击实功～回弹模量关系曲线（XS-C）

图3.15　干密度～回弹模量关系曲线（XS-C）

试验结果表明：

① 通过前面的击实试验可知风积沙的最大干密度变化幅度不大，很容易达到现行规范要求的压实度，为了充分发挥风积沙的强度特性，在现场施工中应提高风积沙的压实度标准，增大压实功，提高风积沙的密度，已达到提高其强度的目的。

② 风积沙在风干状态（状态1）下，回弹模量值均大于浸水状态（状态2），这说明在干旱的地域采用干压实能够发挥风积沙的力学性能。新疆特殊的干旱气候条件，特别是沙漠周边地区水源短缺，采用干压法对于发挥风积沙的强度性能是可行的。

③ 沙样在饱和风干状态（状态3）下，回弹模量比其他状态大，这说明在蒸发量大、地下水源补给困难的地区采用饱和状态下碾压，可以使风积沙垫层的强度得到大幅度增大。垦区大部分灌溉渠道纵横交错，为湿压风积沙创造了条件，而新疆特有的蒸发量大于降水量的气候条件，对于湿压成型的风积沙路基必定存在运行过程中的失水现象，这对于提高风积沙路基的运行强度是有利的。因此这就是建议在垦区筑路时采用湿压法施工工艺的一个主要原因。

（2）室内回弹模量试验。

根据《公路沥青路面设计规范》（JTJ 014—2017）中规定，材料的回弹模量值应考虑不利季节、不利年份的影响，乘以折减系数λ。由于在风积沙地区地下水位较低，一般在 5 m以下，路基大部分都处于干燥状态，所以折减系数λ取为0.9。为了进一步了解风积沙的强度，对垦区内不同级配风积沙进行了回弹模量试验。其结果汇总如表3.8所示。

表3.8　风积沙回弹模量汇总表　MPa

通过表7可知，在较为干燥的路基状态，风积沙的回弹模量值在最佳含水量状态下的取值范围：SP 类风积沙为60～82 MPa，SF类风积沙为47～78 MPa，SM类风积沙为45～71 MPa。

（3）不同含水量下的回弹模量试验。

对于一般路基在地面水和地下水的作用下，其强度将明显的降低。所以通过室内试验对风积沙路基的水稳性进行研究，以分析风积沙在不同含水量条件下回弹模量值的变化规律。试验结果见图3.16。

图3.16　含水量～回弹模量关系

通过图3.16可知：

① 随着风积沙粉、黏粒含量的增大，其强度对于水的敏感性增大，回弹模量值降低较快。回弹模量的最小值出现在饱和含水量处，而在干燥状态处，回弹模量值达到了最大。

② 当粉、黏粒含量较小时，风积沙（如XS-A，粉、黏粒含量小于5%）的水稳性较好，可用于任何路段。因此，在施工中尽量采用粉、黏粒含量较少的风积沙。

③ 对于粉、黏粒含量较大的风积沙，一般情况下采用湿压方式，使路基的强度不至于降低很大，而在运行过程中路基的回弹模量随着水分的减少将增大。在路基比较干燥、地下水位低、降水量少的地区使用风积沙时，可通过干压实来提高风积沙的强度，以便利用风积沙在干燥状态下回弹模量值较高的特性。

④ 从整体上看，风积沙的水稳性是比较好的，受水影响后回弹模量降低不多（相对于黏土、粉土），是比较好的筑路材料。

（4）沙基回弹模量。

在野外大型试槽试验和古新干线一标段试验段施工中，对湿压实风积沙路基运用承载板法测其回弹模量，试验结果见表3.9。

表3.9　风积沙回弹模量试验结果

由表3.9可知：风积沙沙基具有较高的承载能力（如GX-3），回弹模量E0的最大值高达90.10 MPa，即使最小值也达80.20 MPa，远大于室内E0值。在风积沙填筑厚度为90 cm时，现场实测E0值也接近室内值，均远大于兵团垦区一般路基土的设计土基回弹模量值30 MPa，说明风积沙是垦区筑路的良好材料。