风积沙应用于某地区软弱地基物理特性研究

2022-03-13中化学城市投资有限公司陕西西安710054

砖瓦 2022年2期

（中化学城市投资有限公司，陕西西安 710054）

某工业园创新创业产业园规划占地1001亩，一期工程项目包含标准化厂房、办公楼和配套园区道路等工程。其中，配套园区道路4条，总长度3211.782m，按13m～14m红线宽度进行设计，路幅为单幅路，机非不分离。该项目建设场地位于毛乌素沙漠东南部边缘，场地地形基本平坦，原始地貌单元属风积沙丘地貌单元，地表相对高差14.11m。地表以软弱地基为主，地质表层为粉沙土和细沙土，土质变化不大，承载力在80kPa～130kPa，摩阻力为20kPa～50kPa。路基为路面结构的基础，如果软弱地基处理不当则易在外力、环境影响下出现变形失稳，会使路面结构受到破坏，传统的路基多以填筑砂砾、石渣层来提高整体稳定性和承载力，而由于该园区位于沙漠边缘，将风积沙作为沙漠地区路基填筑材料，可以达到就地取代、降低工程成本的目的，本文将对风积沙处理园区道路软弱地基物理特性研究进行分析与研究。

1 物理特性

1.1 颗粒组成

采集某地区沙漠地段风积沙2份样本进行颗粒粒度筛分试验，具体统计数据见表1，绘制颗粒粒径分配曲线，得知97%沙样颗粒粒径区间为0.6mm～0.075mm区间，为路基分类中的细沙。

表1 风积沙试样粒度分成统计表

1.2 不均匀系数、曲率系数

对风积沙不均匀系数、曲率系数等参数进行计算，再通过烘干法测定含水量。

不均匀系数Cu、曲率系数Cc计算公式为：

式中d60是低于颗粒质量60%的限制粒径，mm;

d30是低于颗粒质量60%的限制粒径，mm;

d10是低于颗粒质量10%的限制粒径，mm。

风积沙样颗粒粒径分布见图1。

图1 风积沙样颗粒粒径分布图线

1.3 含水量

含水量ω计算公式为：

式中ω-是含水量，%；

m-是湿沙质量，g；

ms-是干沙质量，g。

从风积沙取样试验数据中发现，该地区风积沙含水量较低（2.1%～3.5%），平均含水量为3.3%。

1.4 细度模数

细度模数计算公式为：

上式中A4.75等为各筛累计筛余，单位为%。两组风积沙试样测定数据统计见表2。

表2 两风积沙样限定粒径、不均匀细数及级配系数数统计表

第2组风积沙样细度模数为1.11，为细沙或极细沙，塑限ωp=0，塑性指数lp=0。

从上面统计与计算数据可知，风积沙颗粒粒径不超过1mm，粒径位于0.3mm～0.15mm区间的颗粒区间平均含量约为21.55%，通过0.075mm、0.074mm筛孔通过率较低，则该地区风积沙细粒含量、颗粒表面活性均较低，松散不存在粘性，有很好的水稳定性，是含粒沙；细度模数低于1.6，则为极细沙；不均匀度Cu低于5，级配系数Cc低于1，有着较好的土粒级配性能。因此，该地区风风积沙颗粒粒径分选性比较好，具有分布均匀特点，为级配不良材粒料。

1.5 颗粒体积密度、相对密度、自然休止角

矿物体积密度与含水量会对风积水颗粒体积密度产生一定的影响，体积密度小则颗粒更细，颗粒间排列也更为松散，相应的天然密度也会更小。将风积沙试样以105℃～110℃进行烘干处理，将该条件下试样质量与相同体积在4℃蒸馏水比值作为体积密度值，因此，不同矿物成分的风积消化颗粒密度存在较大差异，而在相同的沙漠地区，风积沙密度相差不大。进行体积密度试验对该地区风积沙颗粒体积密度进行测定，体积密度为

2.655g/cm3。

风积沙在天然含水条件下具备密实度，以孔隙比、孔隙率绝对值进行判断存在较大的难度，这是由于松散状态下且粒径级配条件好的试样，会比颗粒均匀试样具有更小孔隙比。利用相对密度指标对风积沙紧密度进行评价才能更为准确。Dr计算公式为：

上式中e是风积沙试样天然孔隙比，emax是最大孔隙比，emin是最小孔隙比。

从具体的试验与计算数据中可以发现，该地区风积沙天然孔隙比为0.713，最大孔隙比为0.975，最小孔隙比为0.533，相对密度为0.59g/cm3。

自然休止角可以对风积沙流动性进行评价，也就是在堆积时可以达到的最大坡角，从实验可以得出该地区风积沙休止角为25.75°。

该地区风积沙有着很好的磨圆角，极少数颗粒为棱角状，颗粒表面有麻点及极小坑穴。

1.6 水理性质

风积沙浸水极易形成液化现象，可采用界限含水量对塑性指数和液性指数进行计算。风积沙表面不具备对水的吸附性，颗粒间具有透水性，有着很好的滤水效果，表层多呈现干燥。对沙漠不同地段风积沙进行取样来测定渗透系数，见表3，测定渗透系数为3.45m/d～5.38m/d,表明有着很好的透水性，试样1为细沙,试样2为中沙。不同地段风积沙渗透系数差别较小，所选两样试样渗透系数存在很小的差别，这是因为受到颗粒形状、矿物、孔隙度等因素影响有关。

表3 试样渗透结果统计表

风积沙毛细水上升高度计算公式为：

上式中hc为上升高度，T为表面张力，α为夹角，yω为水具备的容重，r为毛细管半径。

从计算公式中不难发现，毛细水上升高度和毛细管半径为反比例关系，风积水毛细水上升高度会跟着压实度、时间正比增大。从图2可以看出，两种沙样毛细水上升高度会跟着压实度变大而变大，这是由于上升高度与毛细半径为反比关系，毛细半径会跟着沙样孔隙体生活会变小而变小，水样孔隙比也会跟着密实度增大而变小，和密实度间存在反比例关系。孔隙比也会随着沙样孔隙体积呈现对应关系，毛细水升高度会跟着压实度增长而变大。沙样2比沙样1上升高度大，这是由于沙样1粒径低于0.074mm颗粒含量更多，小粒径沙样会导致毛细管贯通性变小，水分进行上升时会存在更大的阻力，会在同样的压实密度条件下，沙样1上升高度会更小些。

图2 两组沙样毛细水上升高度与压实度对比图

毛细水上升高度与时间也存在着一定关系，沙样毛细水上升高度会跟着时间的增长而变大，在初期有着较快的上升速度，中后期上升会变得缓慢，在48h左右上升高度达到稳定，这是由于初期毛细管水柱质量与毛细管壁摩擦力都比较低，在表面张力作用下会不断变大，但随着水柱重量增大，上升速度也会降低。实验数据表明，风积沙压实度为98%左右，毛细水最大上升高度可达到59.3cm，可将风积沙作为道路基底材料，可以起到较好的防滤水效果。

2 击实特性

2.1 击实试验

根据相关规程要求，在进行击实试验时选取3层风积沙填料，每层填料击实数为98次，进行重型击实验，具体实验数据见表4。

表4 风积沙标准重型击实数据统计表

从统计数据中不难发现，含水量接近0%时，最大干密度为1.672g/cm3，最佳含水量13.15%时对应最大干密度为1.701g/cm3。

2.2 振动试验

由于风积沙不具备粘性，最大干密度测定可通过振动台饱水振动法、表面振动法。采取具有代表性风积沙样本，进行筛分并去除杂质，振动试验应一次填料，通过试验发现含水量接近0%则最大干密度为1.701g/cm3，最佳含水量为13.2%，湿沙最大干密度为1.702g/cm3。表面振动法以实测含水量为0.25%的干沙作为样本，对2min、4min、6min、8min、10min、12min振动时间下的一层、三层填料干密度进行测定。对振动效果进行评定，发现振动时间保持在10min为最佳，三层填料表面振动击实效果更好。湿沙表面振动时间设置4min、8min，采用一层、三层填对不同含水量下的干密度进行测定，从试验结果来看，三次填料振动压实效果较好，最佳含水量为13%左右。不同试验应用相同风积沙样，振动法、击实试验法要好于表面振动压实检测法，测得风积沙最大干密度为1.711g/cm3。

3 静力特性、强度和变形规律

3.1 压缩试验

风积沙具备的密度及含水量会对静力压力性产生影呼，不同压力作用于不同压实度风积沙试件进行压缩试验，将风积沙颗粒进行挤压来排水分、空气，这样会使风积沙试件出现压缩变形。选取含水量为0%、2%、6%、9.9%的风积沙试件，其中9.9%为及最佳含水量，成型密度96%，施加50kPa、100kPa、200kPa、400kPa作用力，间隔1h读取试件变形量，以试样压缩前后体积变化计算出压缩变形与孔隙比关系。从试验结果来看，压缩模量近似于线性增大，不同含水量试样e-logp曲线为线性关系，表明压缩指数可用于试样压缩沉降计算，含水量的增大则压缩指数变小，随着加载压力增加而变小，则该地区风积沙具有低压缩性和高压缩模量，采用该材料进行路基填筑压实，可以达到较好的稳定性、强度。

3.2 CBR试验

风积沙不具备较强的粘聚力，选用含水量0%、2%、6%及最佳含水量来制取干密度试件，在不同含水量条件下进行干密度CBR试验，测时不同干密度情况下CBR值，建立起含水量0%与最佳含水量条件下的压力和贯入量关系。从试验结果中发现，含水量在0%时CBR值比较小，压力与贯入量为直线关系且表现为弹性，随着击打次数增长则压实度随之变大，CBR值也会增加，因此，风积沙CBR值会随着压实度增长而增加。试件干密度相同、含水量不同，则CBR值有着较大差异，在2000kPa区间内，风积沙压力与贯力量为直线关系，如果压力超过该区间则表现为非直线关系，击实98次要比击实30次塑性滞后。在最佳含水量条件下，每层击实98次具有很好弹性，湿沙CBR值约为27，也就是压实至一定程度则具有较好的抵抗变形及抗破坏性能。

结合静力压实特性CBR试验，针对不同干密度、含水量条件下压力-变形规律进行测定。从实验结果中发现，含水量为0%则CBR值比较小，干密度变大则CBR值增大，含水量为0%时应力-变形规律表现为弹性，干密度大则抵抗变形性能越好。不同含水量湿沙CBR值（10-27）比较大，相同含水量条件下不同干密度的CBR值也不尽相同，干密度大则CBR值增大。干密度值的不断增加，应力-变形在初始区间为线性关系，如果为最佳含水量，干密度增加则变形差别就越小，与CBR值接近，表明最佳含水量条件下压实后有着更好的抗破坏性能和更强的稳定性。

3.3 回弹模量

采用风积沙材料填筑路基，回弹模量与干密度、含水量有着直接关系，由于该地区风积沙粘聚力小、含水量低，将含水量为0%、2%、6%条件风积沙制作为样本，在选定的3个含水量条件下制作3个干密度试件，对干密度、含水量对试件回弹模型的影响进行分析。从试验结果上来看，含水量不同条件下压力-回弹变形为线性关系，则表明风积沙为弹性体。试件压实度相同时，干沙弹性模量低于有含水量时弹性模型，而干密度变大则相同含水量试件回弹模量也相应变大。