由于公路积沙往往在一场大风过后集中出现，为了保证及时通车，清沙机械的配置必须留有余地，各工区要根据当地沙害发生规律及历年清沙经验适当修订以上方案。但是，为了避免盲目购置造成的机械闲置和资金浪费，对配置方案必须进行可行性分析论证，还要重视清沙机械技术使用人员的技术培训和考核工作。......
2023-09-22
风积沙路基设计与施工技巧
【摘要】：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。
沙漠公路施工技术的关键是在以风积沙为路基填料，所带来的一系列技术难题，以及环境特征对路基、路面提出的特殊要求。
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。经大量试验表明，风积沙是一种良好的路基材料，不仅解决了流动沙漠中筑路材料匮乏的难题，而且达到了因地制宜、就地取材、控制和降低公路建设成本的目的。
6.2.2.1 风积沙物理特性
阿和沙漠公路沿线典型风积沙的粒度成分主要由细沙粒组成，粗沙粒和粉黏粒含量都很低，粒级比较集中；在陆相沉积物中，风积沙属于分选最好的一种。阿和沙漠公路沿线风积沙的粒度组成、矿物组成、化学组成变化不大。阿和沙漠公路沿线的风积沙以细沙为特征，分选性好；风积沙的主要矿物成分是石英和长石，风积沙颗粒主要分布在0.5%～0.074%之间（占95%）（表6-17），粉黏粒含量4.2%左右，不均匀系数C u约1.8左右，曲率系数C c约1.0左右，塑性指数8左右，比重为2.65～2.70 g／cm3。在阿和沙漠公路沿线，风积沙的粒度成分也有一定差异，从北向南，风积沙的粉黏粒含量有逐步增加的趋势。
表6-17 风积沙粒度组成及相对密度
阿和沙漠公路沿线的风积沙，其颗粒形态是棱角状的约占1／2，其次为次棱角～滚圆状的，其中滚圆状颗粒所占比例很小，一般不足3%，磨圆程度属一般水平。
风积沙比表面积很大，但无黏聚性（内聚力近似为零），颗粒表面活性低，松散性强，级配差，保水性差，但水稳性好。这些特性会给公路施工（如路基压实等）带来很多困难；但另一方面其强度稳定性很好，波动也较小，又对保证公路整体强度及使用年限等，颇为有利。
6.2.2.2 风积沙击实特性
风积沙的击实规律（表6-18）表现为：最大击实干密度出现在含水量为零处（或接近零处）或含水量饱和处（或接近饱和处）；随着含水量由零（或接近于零）逐步增大至饱和，击实干密度先下降再上升。这一结果具有非常重要的意义，为风积沙路基采用干压实法施工提供了依据。
表6-18 风积沙重型标准击实试验结果
无塑沙的击实曲线在含水量极低（或为零）时取得了干密度的最大值，称为击实曲线，见图6-16。击实曲线揭示了无塑沙击实过程中含水量与干密度之间的变化规律。我国的沙漠公路在修筑过程中符合该规律，在沙样处于无水或含水量较低状态时，风积沙干密度最大，其后，干密度随含水量的增多开始降低，最低风积沙干密度出现在含水量为2%～4.5%时。当风积沙含水量达饱和状态时，出现第二个风积沙干密度高峰值，但其干密度普遍略小于无水或低水状态时。因此，我国的风积沙路基均为干压实路基，在施工过程中控制含水量在最佳状态，以保证有很好的压实度。
6.2.2.3 风积沙路用性能的影响因素
1）含水量、压实度对风积沙回弹模量的影响
由于各沙漠地区风积沙的成分、颗粒粒径有一定的差异，周边环境（如地质地貌、气候水文、土壤植被、风积沙分布等）也大不相同，研究中所探讨的回弹模量（E 0）、含水量（W）、压实度（K）三个指标所用的风积沙一部分来自疆内沙漠地区，其余来自其他省区，见表6-19。10条路段被测点的数目不同，除了各公路路程长度不同外，主要是根据其地形地貌变化的大小、路面状况的好坏、横坡纵坡在某一区间内变化范围的大小等。
图6-16 风积沙击实曲线
表6-19 选择测点的情况
（续表）
回弹模量采用承载板测定方法，计算公式如下：
式中 E 0——土基回弹模量（MPa）；
L i——结束试验前的各级实测回弹变形值；
p i——对应于L i的各级压力值。
含水量试验采用烘干法，计算公式如下：
式中 W——试坑材料的含水量（%）；
m b——试坑中取出材料的质量（g）；
m d——试坑中取出材料的烘干质量（g）。
压实度采用环刀法测定，计算公式如下：
式中 K——测试地点的施工压实度（%）；
ρd——填筑过程中试样的干密度（g／cm3）；
ρc——由击实试验得到的试样的最大干密度（g／cm3）。
试验按照规范进行，试验精度满足规程要求，所得各指标数值见表6-20。
表6-20 实测回弹模量、含水量、压实度的指标
（续表）
对其进行相关性分析，并未得到有规律性的结论，为了更加精确地了解单个因素对回弹模量的影响，在数学分析的过程中，需要单独对回弹模量与含水量、回弹模量与压实度的关系进行分析，且必须剔除其他因素的影响。因此选用数理统计方法中的偏相关分析，偏相关分析可对两相关变量之外的某一或某些影响相关的其他变量进行控制，见表6-21。计算其他控制变量影响后的相关系数（如在计算含水量与回弹模量关系时，控制压实度对回弹模量的影响）。本文利用SPSS软件进行偏相关分析。
表6-21 回弹模量与含水量间的偏相关系数
注：P为相关性检验值。P＞0.05称“不显著”；P≤0.05称“显著”；P≤0.01称“非常显著”。
由表6-20可看出，只有路段2具有显著的负相关性。将路段2与其他试验路段进行比对，发现路段2的颗粒成分、粒径与其他路段没有特殊差别，但在对路段2进行承载板试验的前几天，下过大雨，路基处于潮湿状态；由于风积沙属于低液限材料，含水量突然增大，使风积沙稠度降低，从而导致回弹模量减小。还有部分原因是风积沙从干到湿时，风积沙沙粒表面的盐渍成分被软化，而风积沙沙粒表面的盐渍成分可以增大啮合力，当其软化后，啮合力减小。同时，一些有裂痕的表面其锋角会被磨掉，也会降低沙粒间的啮合力。并且当含水量增大，风积沙沙粒间的润滑增加，也破坏了沙粒间的啮合力（咬合力），因此回弹模量减小。此时，含水量对风积沙回弹模量的影响较一般情况下要大。
路段1、3、4、5、6、7、8、9、10均不显著，相关性不成立，说明风积沙路基含水量与回弹模量无明显关系。主要有以下几方面原因：
（1）风积沙属低液限粉土，是由单个散状的沙粒组成的集合体，具有最为典型的散粒状结构。由于分选及磨圆度都较好，沙体的孔隙度相对较大，一般多在35%以上，孔隙的连通性好，在各个方面均表现出各向同性的性质。正因为如此，风积沙的透水性要比同类的其他砂（如最大粒径或平均粒径相同的其他砂）要好些，渗透系数更大些。典型的风积沙中粉黏粒尤其是黏粒的含量少，颗粒集中，主要为憎水的砂粒，与水的作用微弱，较大的孔隙度及较大且又连通的孔隙使其渗透性强，又利于在击实过程中排水而不造成较大的孔隙水压力，故含水量对其压实的影响低，与回弹模量的关系不大（表6-22）。
表6-22 各路段回弹模量与压实度间的偏相关系数
注：P为相关性检验值。P＞0.05称“不显著”；P≤0.05称“显著”；P≤0.01称“非常显著”。
（2）风积沙路基在工程上采用干压实施工，因而含水量不大，在低含水量情况，水对回弹模量的影响有限（表6-21）。
（3）由于气候等外界条件的原因，风积沙路基一般处于干燥状态，沙基强度变化不大，水对回弹模量影响有限。
路段1、6、8、9没有通过显著性检验，通过专家法、经验法分析，这一现象不符合客观规律。出现这种现象的主要原因有：施工过程中操作不当、环境因素，影响了最佳含水量，因此出现了异常值；承载板试验耗时耗力，试验数据的样本量不是很多，导致异常值出现；在检测过程中产生了人为的或仪器的误差。比如与密度测定试验、击实试验、承载板测定试验的误差等有关；以及天气原因、不利季节的影响。
路段2、3、4、5、7、10均通过显著性检验，且相关度高，对它们进行曲线拟合。在图6-17曲线拟合中发现，6条回弹模量与压实度的关系曲线虽然均可以用四阶方程y＝Ax 4＋Bx 3＋Cx 2＋D表示，但其中的调整系数A、B、C、D均不相同。因此，可以认为我国风积沙回弹模量与压实度存在函数关系，且总体趋势都是正相关，但不同地区风积沙路基这两个指标关系的具体值不同。
图6-17 回弹模量与压实度的拟合关系曲线
2）含水量对风积沙路基沉降的影响
公路路面沉降特性观测（图6-18、表6-23）可以间接地反映风积沙用作路基时的路用性能，尤其是其路用性能的长期性特征。观测结果可能有三：一是路面沉降量较大。在这种情况下原因较多，可能是路面材料质量达不到设计要求，或者可能是路面结构设计不合理，也可能是用作路基的风积沙材料性能不好，当然也有可能是这几种因素都不太好。二是路面沉降量一般。在这种情况下原因也较多，可能是路面材料质量一般，或者可能是路面结构设计水平一般，也可能是用作路基的风积沙材料性能一般，当然也有可能是这几种因素中有的较好，有的一般或不太好。三是路面沉降量很小。在这种情况下，如果采用的路面结构、材料与一般常见形式相同、并无特殊之处的话，则此观测结果即可表明路面材料质量较良，也可反映路面结构设计的合理性，更重要的是它在此也可以间接地表明用作路基的风积沙有良好的路用性能，且此良好的路用性能具有长期稳定性。
图6-18 沉降量观测示意图
表6-23 沙漠公路路基沉降观测点位置、地貌特征及观测时间
图6-19为阿和沙漠公路的路面沉降观测曲线，观察可知：
三次观测的沉降趋势曲线非常接近，道路沉降均匀；
如果以观测的中间列（第五列）为对称轴，那么轴左侧与右侧对应列的高差很小，说明道路保持原有的结构状态，沉降几乎对其没有产生影响；
路拱的坡度明显，利用三角函数计算各路段沉降后路拱的坡度，在1.2°～1.8°之间，路拱情况良好；
在沉降观测过程中发现（表6-24），路段表面有明显裂纹。比照塔且沙漠公路与阿和沙漠公路的沉降曲线，并分析路面破损情况，发现塔且沙漠公路的沉降曲线没有阿和沙漠公路的好，说明前者的压实度不如后者，但分析路面破损情况，发现阿和沙漠公路的破损率远远大于塔且沙漠公路，这一事实证明了在沉降好的情况下，沙漠公路的路面破损与沙基无关，不属于风积沙垫层受力推挤造成的反射裂缝。
图6-19 阿和沙漠公路三次观测的沉降曲线
表6-24 路面沉降速率
注：①表中沉降速率单位：mm／月。②由于存在测量误差，表中数据虽出现了正值，但这并不一定说明路面在上升。
对路面结构进行分析，表6-25为阿和沙漠公路6个沉降观测路段的路面结构厚度。其中面层均为沥青混合料摊铺而成的柔性路面，基层均为天然砂砾层，摊铺工艺、施工质量相同。对照沉降速率图（图6-20）可知，路面结构厚度与沉降速率关系不大，因此排除不同的路面结构厚度是造成6个被测路段沉降速率存在差异的可能性。
表6-25 阿和沙漠公路各沉降观测路段路基、路面厚度
表6-26 阿和沙漠公路各沉降观测路段沙基含水率、粉粒含量
图6-20 阿和沙漠公路沉降速率
对风积沙垫层进行分析，表6-26为该公路6个被测路段风积沙垫层颗粒筛分中＜0.075 mm的颗粒含量及含水量的试验结果（2008年9月测），对照沉降速率图不难看出，在2009年2月—2009年11月间出现负沉降的路段1、路段5，其风积沙垫层的粉粒含量和含水量相对其他被测段要大。粉粒含量大，导致沙基中的水分不易排出，造成毛细上升作用，使颗粒周围被水包裹，形成“浮土现象”，从而导致路面略有上升。之所以发生在气候条件较好的春夏秋季，是因为路段1为刚进入沙漠的起始段，附近仍有农田区，在气候较好的季节，农田区的作物灌溉时会造成地下水位的上升，致使路段1风积沙垫层含水量增加；路段5为淤土平滩区，风积沙的粉粒含量高，且该路段离和田河较近，和田河属于季节性河流，冬季枯竭，其他季节水位较高。除此以外，降水量对沙基的含水量也有影响，阿和沙漠公路所在的区域属于温带干旱性气候，冬季降雪量少，即使降雪，雪也会被强风立即吹干、蒸发，没有融化下渗的条件。因此出现了气候好的季节沉降为负值的现象。
除去路段1和路段5这两个出现负沉降的路段，其余各路段的总沉降量都在0.32～0.45 mm之间，说明各段间的年沉降速率比较接近，各段间沉降较均匀。
因此认为，一般情况下，含水量、风积沙粉粒含量对路基沉降存在一定的影响，但是这种影响量很小，甚至可以忽略。
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