和田地区风积沙路基填料最大干密度试验研究

仲冬晓

摘要：本文以新疆和田地区一条穿越塔克拉玛干沙漠边缘的公路工程为背景，通过试验研究探索风积沙作为路基填料的最大干密度确定方法，着重分析了室内标准击实试验、表面振动压仪实法、水沉法铺筑试验段三种方法。通过对不同含水量，不同振动和碾压参数组合条件下的干密度进行比较，确定了较为合理的最大干密度确定方法。试验表明表面振动压实仪法与水沉法铺筑试验段的干密度较为接近。

关键词：塔克拉玛干沙漠；风积沙；最大干密度；击实试验；表面振动压仪实法；试验段；水沉法

0.引言

塔克拉玛干沙漠地处我国西北地区，风积沙储量丰富，取材方便，用于填筑路基能大量缩减工程造价，减短工期，使道路尽早投入运营。但是风积沙的工程特性又决定了采用哪种科学合理的方法来确定最大干密度及填筑工艺是需要解决的一个技术性的难题。本文通过几种不同的最大干密度确定方法并结合现场实际施工及碾压工艺，探索研究了适合当地风积沙特性的最大干密度和填筑工艺。

1.风积沙的工程特性

表1 风积沙颗粒分析结果 %

粒径（mm）	试样1	试样2
0.5-1.0	0	0
0.25-0.5	9.5	8.9
0.075-0.25	85.7	87.1
小于0.075	4.8	4.0

由表1可知：项目所在地风积沙粒径主要分布在0.075—0.25mm范围内，颗粒组成比较均匀且集中，级配曲线较陡，属于级配不良砂。同时根据相关资料显示风积沙普遍具有水稳定性好、结构松散、透水性强、孔隙率大、保水性差、无黏聚力、抗剪强度低等特点。其矿物成分主要以石英、长石、云母为主，易溶盐含量很小，其化学性质呈微碱性，无腐蚀性。天然状态下的风积沙含水量非常低，最低不足1%，最大一般不超过3%，干燥状态下容重约为1.4g/cm³，潮湿时容重一般为1.5 g/cm³左右，压实后的最大干密度可达1.72~2.0 g/cm³，是天然状态下的1.2~1.4倍。风积沙黏聚力值很小，在干燥状态下几乎为零，在有一定含水量的情况下，由于毛细作用产生的吸力，表现出一定的黏聚力。

2.室内标准击实试验

  表2 两组风积沙击实试验结果

由表1可以看出两组沙样的平行试验结果最大干密度为1.684g/cm³，最佳含水量为12.4%。根据收集的类似项目的资料来看干密度偏小，且击实曲线峰值不明显。分析原因：采用室内标准击实试验的击实锤面不能全部覆盖沙样表面，只是局部单点旋转击实，而风积沙无黏聚力和均匀的粒径分布特性决定了风积沙很难被击实聚拢至不同大小颗粒嵌挤排列而达到板结的状态。所以风积沙保水性差、无黏聚力、级配不良等工程特性决定了室内标准击实试验的不适应性。

3.表面振动压实法试验

通过查阅相关资料我们得知，采用振动压实仪法能较好地模拟施工现场。又因为风积沙有比较特殊的工程特性，所以为了探究风积沙与一般材料在振动压实时间方面的差异性，我们分别采集了4min和6min时间的振动压实结果以便能与施工现场碾压参数达到互相印证的目的。

表3 表面振动压实仪法试验结果

   

  从表3 可以看出随着含水量的增加干密度迅速提高，当含水量接近最佳含水量时候出现干密度峰值，也就是最大干密度（4min和6min时最大干密度和最佳含水量分别是1.792g/cm³、12.2%；1.788g/cm³、12.3%），随着含水量继续增加干密度开始呈现下降趋势。这符合击实试验的一般规律性（击实曲线一般情况下呈现左陡右缓趋势）。从不同振动压实时间的干密度曲线上可以看出，在规定的振动频率、振幅下振动，开始时干密度随时间的增长而增大，4min后继续振动，干密度反而有所下降，4min时的最大干密度要优于6min时的最大干密度，说明发生了过振现象，原因可能是4min时候风积沙最佳排列方式随着振动的延续有一部分被破坏，使密度有所下降。但随着含水量的增加这种趋势在减缓。

4.水沉法铺筑试验段

本次选取了200米具有代表性的路段作为试验段进行填筑。试验段填料松铺厚度控制在48cm，采用水沉法填筑，即在摊铺、整平好的路基上人工配合推土机分段设置围堰，设置围堰时要根据纵坡、横坡大小适当划段，一般长度和宽度不大于5m。围堰高度不低于30cm，宽度不小于30cm。然后开始分格注水至填料接近饱和停止，待填料表面没有明自由水时再次精平碾压。为收集详细的碾压参数组合用以指导后续正式施工，试验路段分成两个100米采用不同的振动频率和振幅进行碾压，分别是高频低振幅（频率35HZ、振幅0.95mm、激振力258kN）和低频高振幅（频率29HZ、振幅1.9mm、激振力368kN），同时检测记录碾压第2、3、4遍结束后的干密度。

表4 试验段干密度检测结果

振动碾压遍数	高频低振幅干密度 （g/cm³）	低频高振幅干密度 （g/cm³）
第2遍	1.688、1.695、1.691、1.702、1.698、1.696  平均含水率14.8%	1.687、1.692、1.693、1.692、1.688、1.690       平均含水率14.5%
第3遍	1.718、1.713、1.709、1.712、1.715、1.719  平均含水率13.6%	1.695、1.696、1.692、1.701、1.703、1.703       平均含水率13.3%
第4遍	1.705、1.698、1.701、1.702、1.703、1.706   平均含水率12.1%	1.697、1.700、1.689、1.703、1.690、1.697       平均含水率11.9%

通过表4可以看出：采用高频低振幅碾压同样遍数下的干密度要普遍大于低频高振幅参数组合的干密度。碾压第三遍后干密度效果最好，风积沙颗粒排列到达一个比较密实状态。继续碾压第四遍后反而略有下降，猜测因为风积沙比较特殊的工程特性，随着碾压遍数的增加、碾压时间的增长、填料水分的损失，风积沙表层开始出现松散现象，说明风积沙颗粒在合适的含水量下经振动压实会达到一个比较密实排列状态和固有振频，而过多的振动压实又会破坏这一状态，从而密度才会有所下降。

5.不同击实方法和试验段干密度分析比较

表5 汇总分析

击实方法	试验段	标准击实	表面振动压实
最大干密度（g/cm³）	1.714	1.684	1.792g
含水量%	13.6	12.4	12.2
压实度%	/	101.8	95.6

由表4可以计算出试验段最大干密度为1.714g/cm³，含水量为13.6%。由表5数据汇总可以计算出试验段密度相较于标准击实干密度的压实度为101.8%，出现了“超百”现象，说明室内标准击实法的干密度偏小，进一步说明标准击实试验对于风积沙这种材料的不适应性。而试验段密度相较于表面振动压实法的压实度为95.6%，这符合规范及设计的要求，因此可以用于正式施工时压实度检测的依据。

6.总结

通过上述几种干密度确定方法我们得到了比较合理的数据，也积累了一些经验：（1）由于风积沙无粘聚性、高透水性、级配不良等工程特性决定了采用室内标准击实法来确定其最大干密度的不适应性。（2）表面振动压实仪法适合无粘聚性、小于0.075mm的干颗粒质量百分数不大于15%的土，尤其是采用标准击实试验无法或难以确定最大干密度和最佳含水量的高透水性土。（3）表面振动压实仪法能较好的模拟施工现场的振动压实工艺，风积沙试验4min时压实效果最好，且与试验路段干密度结果较为接近，可以作为压实度检测依据。（4）风积沙填筑采用高频低振幅参数组合压实效果优于低频高振幅，振动压实3遍效果较好。（5）水沉法通俗地讲，是指施工时在风积沙填料表面持续、均匀地洒水或灌水接近饱和状态，通过水流的搬运作用，使砂在自重下下沉，从而不断密实，以提高松散沙体的密实度和承载力。通过注水，可以有效地消除土体间空隙，减少气相体积，增加固相体积，因为沙不吸水，饱和含水量小，灌水并使水自然流走的过程是液相和气相体积减少的过程，可以有效的增加土体密实度。（6）风积沙分层铺筑厚度以压实后厚度为 30 ～ 40 cm 控制为宜，最大不超过50cm，不宜过薄或过厚。（7）风积沙的压实度检测当含水量＞3%时候，建议采用小环刀法或者灌砂法，含水量＜3%时采用大环刀护筒灌砂法比较准确可靠，且应挖开表层检测15cm以下深度。（8）鉴于路堤顶面风积沙难以压实的现象，路堤分层填筑时，在上一层填料摊铺前，应该对下一层已压实完成的路堤顶面全面洒水，透水深度不应小于15 cm，并及时对上层填料进行摊铺、洒水和碾压。

参考文献：

[1]JTG E40—2007 公路土工试验规程 ［S］． 北京： 人民交通出版社，2007．

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[3]赵青松.风积沙路基最大干密度试验研究[J].道路与交通工程.2011年增刊（1）（4月）第29卷.