通过采集阿和沙漠公路沿线典型风积沙进行系统的检测，来评价风积沙的路用性能。内容包括检测风积沙的粒度组成、矿物组成、物理性质、化学性质、力学性质等。......
2023-09-22
风积沙路基设计、施工与防护，解析强度特性
【摘要】：以上试验结果仅针对榆林地区的风积沙，至于其他地区的风积沙，由于其沙的粒径、级配的不同，内摩擦角可能会有很大变化。
作为路基，必须具有足够的整体稳定性、足够的强度和水温稳定性，这些性质也是制订路基压实标准的主要制约因素。没有足够的整体性、足够的强度和水稳定性，其他性质（如经济性、工艺性）就无从谈起。风积沙作为沙漠里最丰富的筑路材料，是路基的主要填料，甚至可以说路基全部是由风积沙填起来的；因此，风积沙的物理、力学性质直接影响着公路的强度和稳定性。所以，对风积沙的物理、力学性质做系统的研究显得非常重要。本章将对三种沙样进行直剪、回弹模量、CBR试验，以分析风积沙的上述工程性质与压实度及含水量的一些基本关系。
1.4.3.1 风积沙的直剪试验
1）试验设备、方法及方案
直剪试验按照JTGE 40《公路土工试验规程》中无黏性土的快剪试验进行。试样是通过铜模静压得到的。
（1）试验设备：手摇式直剪仪。
（2）加荷等级：100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa。
（3）试验方案：
①内摩擦角与压实度的关系。试验个数：三种沙样各有5种不同的干密度；含水量：沙的天然含水量在2%左右，因此取w＝2%（其他试验相同）。
②含水量变化对内摩擦角的影响。对沙样1做了含水量对比试验。
2）试验结果及分析
（1）摩擦角与压实度的关系。为了使各沙样具有可比性，将干密度换算成相应的压实度（以水振试验所得的最大干密度为标准），试验结果如表1-27～表1-29及图1-10所示。
表1-27 沙样1的内摩擦角与压实度的关系
表1-28 沙样2的内摩擦角与压实度的关系
表1-29 沙样3的内摩擦角与压实度的关系
从图1-10可以看出：
①毛乌素沙漠风积沙的内摩擦角φ值在33°～48°之间的范围内变化。
②内摩擦角φ随着压实度K增大而增大，而且呈线性关系，相关系数R均在0.98以上，其函数关系如下：
沙样1：φ＝1.400 1K－91.976R＝0.991 7；
沙样2：φ＝1.335K－84.504R＝0.992 5；
沙样3：φ＝1.467K－92.089R＝0.987 0。
因此，要提高沙体的抗剪性能，应尽可能地提高路基压实度。
图1-10 内摩擦角φ与压实度K之间的关系
φ＝1.203 2K－71.24R＝0.833 3
由上式，可以根据压实度的大小估计出内摩擦角φ值。
以上试验结果仅针对榆林地区的风积沙，至于其他地区的风积沙，由于其沙的粒径、级配的不同，内摩擦角可能会有很大变化。
④三种沙样的不均匀系数C u3＞C u2＞C u1，而内摩擦角则φ3＞φ2＞φ1，这说明沙的级配愈好，内摩擦角愈大。原因是：沙的级配愈好，沙粒咬合愈紧，剪切时需克服的阻力就愈大。
图1-11 含水量对内摩擦角φ的影响
（2）含水量对φ值的影响。在同一干密度（1.63 g／cm3）下，对沙样1做了含水量对比试验。试验结果如图1-11所示。
从图中可以看出，随着含水量的增大，内摩擦角φ值略有减少，这主要是由于水在沙粒表面起润滑作用所致。
1.4.3.2 风积沙的室内回弹模量试验
1）试验设备及方案
室内回弹模量试验按照JTGE 40《公路土工试验规程》进行。试样通过室内击实得到。
（1）试验设备：杠杆压力仪。
（2）加载等级：50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa、250 kPa；
（3）试验方案：
①内摩擦角与压实度的关系。试验个数：3种沙样各有7种不同的干密度；含水量：2%。
②含水量变化对回弹模量的影响：对沙样1做了含水量对比试验。
2）试验结果及分析
（1）回弹模量与压实度的关系。试验结果见表1-30～表1-32及图1-12。
表1-30 沙样1的回弹模量与压实度的关系
表1-31 沙样2的回弹模量与压实度的关系
表1-32 沙样3的回弹模量与压实度的关系
从图1-12中可以看出：
①风积沙的室内回弹模量在43～70 MPa之间变化，而且随着压实度的增大，E 0值以近似三次多项式函数关系增长。在某一压实度区间内，回弹模量随压实度变化平缓，而小于或大于该区间时，呈现出明显的增长规律。函数关系如下：
沙样1：E 0＝0.313 2K 3－87.047K 2＋8 064.9K－249 027R＝0.987 1；
沙样2：E 0＝0.325 4K 3－90.511K 2＋8 391.4K－259 287R＝0.996 1；
沙样3：E 0＝0.335 2K 3－91.895K 2＋8 396.8K－255 690R＝0.987 1。
其原因是干密度愈大，沙粒之间空隙就愈小，单位体积内承担荷载的沙粒就愈多，变形量也就愈小，所以回弹模量就愈大。
②尽管回弹模量由于沙样级配的不同而有所不同，但是从图1-12可以看出，回弹模量呈带状分 布，大小比较接近，说明在沙样粒径、级配基本相同的前提下，对回弹模量起决定因素的是压实度。由此，可以得到风积沙的室内回弹模量与压实度的回归关系如下：
E 0＝0.075 5K 3－20.633K 2＋1 880.2K－57 093R＝0.885 06
由上式，可以根据压实度的大小估算出室内回弹模量。
以上试验结果仅针对榆林地区的风积沙，至于其他地区的风积沙，由于其沙的粒径、级配的不同，回弹模量值可能会有很大变化。
③三种沙样的不均匀系数C u3＞C u2＞C u1，而E 03＞E 02＞E 01，这说明沙的级配愈好，E 0愈大。
图1-12 室内回弹模量与压实度的关系
图1-13 含水量对回弹模量的影响
④图1-12表明，在某一压实度区间内，回弹模量随压实度增加缓慢，甚至无增加。小于或大于该区间压实度时，回弹模量随压实度呈现明显增大规律。对出现上述现象的原因尚待进一步试验研究和分析。初步分析认为，在该压实度区间内，沙体呈现半饱和状态，导致颗粒间产生毛细压力所致。当小于该区间压实度时，由于沙体密度小，其中较小的含水量不足以对回弹模量产生明显影响；当大于该区间压实度时，沙体密度很大，其饱和度也较大，颗粒间毛细压力减少，甚至消失。
（2）含水量对回弹模量的影响。在同一干密度（1.83 g／cm3）下，对沙样3做了含水量对比试验，试验结果见图1-13。该图表明，当沙体密实度较大（压实度为93.8%）时，含水量对回弹模量的影响较小。
1.4.3.3 风积沙的CBR试验
CBR（加州承载比）是评定路基、路面材料的一个承载能力指标。承载能力是以材料抵抗局部荷载压入变形的能力表征，并采用高质量标准碎石为标准，以它们的相对比值表示CBR值。通过CBR试验，能够从另一个侧面了解沙基在不同密度条件下的强度。
1）试验设备及方案
CBR试验按照JTGE 40《公路土工试验规程》进行：
（1）对沙样1（含水量为2%）做不同密度下浸水饱和4 d后的CBR试验；
（2）对沙样1（含水量为2%）做不同密度下不浸水的CBR试验。
风积沙试件是通过室内击实试验得到的。
2）试验结果及分析
试验结果见表1-33、表1-34。由此可以得出CBR值与压实度的关系曲线如图1-14所示。
表1-33 沙样浸水4 d后的CBR值
表1-34 沙样不浸水的CBR值
图1-14 风积沙的CBR试验曲线
由图1-14可以看出：
（1）随着压实度的增加，CBR值明显增大。
（2）不浸水的CBR值比浸水4 d后的CBR值高出近1倍。主要原因是：由于浸水后，沙体处于饱和状态，其中有较多的自由水，而且这些水不能很快排出，沙粒之间有一层比较厚的水膜，起到了润滑的作用，使沙体的内摩擦力降低，在贯入杆贯入的过程中，受到的阻力较小，因此CBR值较低。
（3）在某一压实度区间内CBR值增长缓慢，此后随压实度显著增大，这一区间包含上述回弹模量平缓变化的区间。对此试验结果可做以下几点认识：一是对风积沙来讲，现有的常规室内试验方法是否合理尚待探讨；二是由于风积沙的透水性良好，按现有规范饱水情况下确定路基CBR值的方法是否适宜有待探索；三是将图1-14与图1-12比较可见，当路基压实度在90%～96%之间时，室内回弹模量和CBR试验结果均呈平缓变化的规律，且室内饱水试验得出的CBR值处于现行JTJ 013—95《公路路基设计规范》给出的最小临界值。这表明风积沙路基在饱水状态下的强度是较低的。
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