張武東, 柴安俊, 劉仁偉, 李 偉, 侯天琪

(1.中鐵三局集團(tuán)有限公司, 太原 030000; 2.中鐵三局集團(tuán)第六工程有限公司, 山西 晉中 030600; 3.長(zhǎng)安大學(xué), 西安 710064)

風(fēng)積沙是在風(fēng)力作用下,土顆粒經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)移、躍遷并沉積形成的特殊土體,廣泛存在于沙漠與戈壁地區(qū)。在長(zhǎng)期的風(fēng)力作用下,沙源區(qū)土顆粒中的細(xì)粒(粉粒與黏粒)被帶走,大顆粒滯留,這使得風(fēng)積沙中的中等顆粒占比極高,顆粒粒徑均勻且分布集中[1]。沙漠腹地的風(fēng)積沙基本由粒徑0.075 mm～0.25 mm的均勻沙粒構(gòu)成,沙中的細(xì)粒與粗粒含量極少,如塔克拉瑪干腹地風(fēng)積沙的細(xì)粒與粗粒含量就不超過(guò)總量的8%。此外,在沙漠邊緣和平原地區(qū)的過(guò)渡帶,這里的流動(dòng)沙體被固定,隨著地表植被的生長(zhǎng)與環(huán)境的成土作用,風(fēng)積沙顆粒組成的復(fù)雜程度發(fā)生改變,沙土中的黏粒含量逐漸升高,黏粒對(duì)風(fēng)積沙工程特性有顯著影響[2]。

黏粒含量的升高會(huì)顯著改變風(fēng)積沙的工程特性。為此,諸多學(xué)者開展了含黏風(fēng)積沙靜、動(dòng)力學(xué)特性試驗(yàn),探討了細(xì)粒含量對(duì)風(fēng)積沙力學(xué)特性的影響。張龍菊等[3]開展了不同含黏量風(fēng)積沙的直剪試驗(yàn),結(jié)果表明風(fēng)積沙的直剪強(qiáng)度隨著含黏量的升高而增加,風(fēng)積沙的黏聚力隨含黏量的升高提升顯著,內(nèi)摩擦角隨含黏量的升高呈線性降低。朱建群[4]開展了含細(xì)粒砂土的固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn),研究了細(xì)粒含量對(duì)砂土抗剪特性的影響,結(jié)果表明隨著含黏量的升高,砂土的峰值抗剪強(qiáng)度有所降低并逐漸趨于穩(wěn)定,細(xì)粒的加入降低了砂土的殘余抗剪強(qiáng)度,但隨著含黏量升高,土體的殘余抗剪強(qiáng)度發(fā)生明顯回升,細(xì)粒含量對(duì)砂土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線影響顯著。孟鋒[5]開展了不同壓實(shí)度下珊瑚鈣質(zhì)砂的固結(jié)排水三軸試驗(yàn),研究了圍壓、顆粒破碎程度與相對(duì)密度對(duì)鈣質(zhì)砂的臨界剪切狀態(tài)的影響。楊瑞雪[6]探究了細(xì)粒含量對(duì)砂土抗剪強(qiáng)度與動(dòng)力特性的影響,發(fā)現(xiàn)細(xì)粒主要影響了砂土的黏聚力,對(duì)砂土的內(nèi)摩擦角影響較小,細(xì)粒的加入能有效提升砂土的動(dòng)力性能,砂土的動(dòng)力特性受圍壓改變的影響較小。綜上所述,細(xì)顆粒的存在對(duì)砂土等粗粒土的力學(xué)特性變化十分顯著,既利于砂土的壓實(shí)與強(qiáng)度提升,但同時(shí)又受溫度和鹽分的影響,使得含細(xì)粒砂土后期服役性能顯著下降,出現(xiàn)大量路基病害。

隨著地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求不斷增加,交通網(wǎng)絡(luò)需不斷完善,大量不同黏粒含量風(fēng)積沙被用作路基填料,在其使用過(guò)程中,需要考慮到其較為特殊的使用環(huán)境和材料特性,以確保其具有良好路用性能[7-10]。為此,本文研究了不同細(xì)粒含量對(duì)風(fēng)積沙路用性能的影響,旨在為風(fēng)積沙道路的設(shè)計(jì)和施工提供科學(xué)參考。

1 工程概況

新疆若民沙漠高速公路位于阿爾金山及昆侖山北麓,塔克拉瑪干沙漠南部邊緣,東起若羌縣,途徑且末縣,一路與315國(guó)道伴行,終點(diǎn)接于民豐縣,路線全長(zhǎng)530.202 km,設(shè)計(jì)速度120 km/h,雙向4車道,路基設(shè)計(jì)寬度27 m。

該區(qū)域?qū)儆诘湫偷拇箨懮衬詺夂?主要受南疆大型天氣系統(tǒng)所操縱,項(xiàng)目區(qū)氣象如表1所示。公路自然區(qū)劃為Ⅵ2區(qū),氣候表現(xiàn)為四季分明,晝夜溫差大,干旱少雨,且末縣路段年均降水量18.6 mL,年平均無(wú)霜期為165 d。

表1 項(xiàng)目區(qū)氣象要素

2 不同黏粒含量風(fēng)積沙路用性能

我國(guó)西北干旱荒漠區(qū)不同黏粒含量風(fēng)積沙廣布,最大黏粒含量在20%左右,該類土被廣泛應(yīng)用于路基填筑,但由于西北獨(dú)特的大溫差氣候以及土壤鹽漬化的惡劣條件,其作為路基填料在服役過(guò)程中所表現(xiàn)的性質(zhì)與純風(fēng)積沙或細(xì)粒土差別較大。針對(duì)沙漠邊緣及綠洲區(qū)不同黏粒含量風(fēng)積沙的特點(diǎn),通過(guò)試驗(yàn)分析顆粒級(jí)配、承載比及回彈模量等技術(shù)指標(biāo),并對(duì)其路用性能作出評(píng)價(jià)。

2.1 顆粒級(jí)配

細(xì)粒土為依托工程現(xiàn)場(chǎng)含黏粒風(fēng)積沙經(jīng)0.075 mm篩篩分后的黏粒,將黏粒按照質(zhì)量百分比加入風(fēng)積沙,并對(duì)含黏粒風(fēng)積沙進(jìn)行篩分試驗(yàn),其顆粒級(jí)配曲線如圖1所示。圖1中,FC表示黏粒含量;不均勻系數(shù)Cu反映不同顆粒粒徑的分布情況,當(dāng)Cu<5時(shí),土顆粒粒徑分布比較均勻,稱為勻粒土,級(jí)配不良;Cu越大,表明土樣不同粒組的分布越廣,但當(dāng)Cu過(guò)大,表示有可能缺失中間粒徑,屬于不連續(xù)級(jí)配,因此需結(jié)合曲率系數(shù)Cs來(lái)評(píng)價(jià),曲率系數(shù)Cs是描述曲線整體形狀的指標(biāo)[11]。在實(shí)際工程中,當(dāng)Cu≥5,且Cs=1～3時(shí),土的級(jí)配優(yōu)良,為不均勻土。此外,對(duì)不同黏粒含量風(fēng)積沙的顆粒級(jí)配進(jìn)行評(píng)價(jià),結(jié)果如表2所示。

圖1 不同黏粒含量風(fēng)積沙顆粒級(jí)配曲線

表2 不同黏粒含量風(fēng)積沙顆粒級(jí)配評(píng)價(jià)

由表2可知,隨著黏粒含量不斷增加,顆粒粒徑差距逐漸增大,不均勻系數(shù)逐漸增大,當(dāng)黏粒含量達(dá)到24%時(shí),其不均勻系數(shù)Cu大于5;當(dāng)風(fēng)積沙中黏粒含量≥8%時(shí),其曲率系數(shù)Cs位于1～3,當(dāng)黏粒含量為24%時(shí),土樣級(jí)配逐漸轉(zhuǎn)為良好。

2.2 承載比(CBR)

按照不同黏粒含量風(fēng)積沙擊實(shí)試驗(yàn),取93%、95%、98%壓實(shí)度所對(duì)應(yīng)的含水率以及最優(yōu)含水率制樣, 將風(fēng)積沙中細(xì)粒含量作為試驗(yàn)變量,開展不同黏粒含量風(fēng)積沙的承載比(CBR)試驗(yàn)[12]。使用路面材料強(qiáng)度綜合測(cè)定儀開展試驗(yàn),試驗(yàn)方案如表3所示。風(fēng)積沙的CBR值隨含黏粒含量及壓實(shí)度變化如表4及圖2所示。

圖2 不同黏粒含量風(fēng)積沙CBR值隨壓實(shí)度變化

表3 承載比試驗(yàn)方案

表4 不同黏粒含量風(fēng)積沙CBR值 %

由表4可知,在最優(yōu)含水率下,黏粒含量為0%、8%、16%及24%風(fēng)積沙的CBR值分別為7.5%、8.2%、9.8%及11.2%,隨著壓實(shí)度的減小,其CBR值逐漸減小。而根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30—2015)中路床填料最小承載比要求可知,純風(fēng)積沙可滿足二級(jí)公路路基的承載比要求。因此,隨著黏粒含量的提高,風(fēng)積沙的CBR值逐漸提高,可滿足高速公路路基承載比規(guī)定。

2.3 回彈模量

依據(jù)試驗(yàn)規(guī)范,將不同細(xì)粒含量風(fēng)積沙按照最優(yōu)含水率以及壓實(shí)度分別為98%、95%、93%所對(duì)應(yīng)的含水率擊實(shí)后進(jìn)行制樣,與承載比試驗(yàn)相同,按徑高比1∶1制成150 mm(直徑)×150 mm(高)的圓柱體試樣,每組制備3個(gè)試樣。將試樣用塑料袋密封放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生室(溫度20 ℃±3 ℃、濕度≥95%)養(yǎng)護(hù)。

將黏粒含量與壓實(shí)度作為試驗(yàn)變量,開展不同黏粒含量風(fēng)積沙的回彈模量試驗(yàn)。利用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)開展試驗(yàn),測(cè)量土樣的回彈模量[13]。加載前先進(jìn)行2次100 kPa的預(yù)壓,逐級(jí)加載,得到不同黏粒含量風(fēng)積沙的回彈模量,結(jié)果如表5所示。

表5 不同黏粒含量回彈模量

由表5可知,當(dāng)黏粒含量為0%、8%、16%及24%時(shí),風(fēng)積沙的回彈模量分別為63.5 MPa、76.1 MPa、81.6 MPa和96.3 MPa,其變化與承載比CBR值變化相似,隨著黏粒含量增加而增大,隨著壓實(shí)度減小而減小。根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG D50—2017)》中路基土回彈模量的要求可知,純風(fēng)積沙即可滿足特重交通荷載路基頂面的回彈模量要求。風(fēng)積沙的回彈模量隨著黏粒含量的增加而逐漸升高,當(dāng)風(fēng)積沙中細(xì)粒含量不小于8%時(shí),可滿足極重交通荷載路基頂面的回彈模量規(guī)定。

2.4 路用性能指標(biāo)評(píng)價(jià)

將篩分試驗(yàn)、CBR試驗(yàn)以及回彈模量試驗(yàn)結(jié)果作為主要評(píng)價(jià)指標(biāo),黏粒含量小于24%的風(fēng)積沙路用性能指標(biāo)如表6所示。

表6 不同黏粒含量風(fēng)積沙路用性能指標(biāo)

由表6可以看出,盡管黏粒含量的增加會(huì)提高風(fēng)積沙CBR值與回彈模量,增強(qiáng)路用性能,但同時(shí)也提高了路基的水鹽遷移效率,破壞了風(fēng)積沙路基的強(qiáng)度穩(wěn)定性,進(jìn)而加快路基土的強(qiáng)度劣化。因此,針對(duì)西北干旱荒漠區(qū)鹽漬土廣布的情況,對(duì)高等級(jí)公路仍需嚴(yán)格控制風(fēng)積沙中的黏粒含量。通過(guò)上述試驗(yàn)可獲得不同黏粒含量風(fēng)積沙路基結(jié)構(gòu)分類,應(yīng)用推薦如表7所示。

表7 不同黏粒含量風(fēng)積沙路基結(jié)構(gòu)分類應(yīng)用推薦

由表7可知,黏粒含量低于8%的風(fēng)積沙可用來(lái)填筑高速、一級(jí)公路,而隨著黏粒含量的提高,風(fēng)積沙路基填筑應(yīng)用逐漸受限。因此,含黏粒風(fēng)積沙用于填筑路基過(guò)程時(shí)應(yīng)注意,黏粒含量不超過(guò)8%的風(fēng)積沙可填筑高等級(jí)公路;風(fēng)積沙中黏粒含量大于8%時(shí),應(yīng)注意其凍脹性;當(dāng)?shù)鼗宣}分含量較大或地下水位較高時(shí),應(yīng)注意隔水防鹽,必要時(shí)增加土工布隔斷,防止鹽分隨水分遷移至路基頂部對(duì)路基產(chǎn)生鹽脹破壞,影響道路的耐久性。此外,黏粒含量大于24%的風(fēng)積沙可采用水泥等加固技術(shù)進(jìn)行處理。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)不同黏粒含量風(fēng)積沙開展篩分試驗(yàn)、承載比(CBR)試驗(yàn)以及回彈模量試驗(yàn),研究了不同黏粒含量對(duì)風(fēng)積沙路用性能的影響,并得出如下結(jié)論:

1) 隨黏粒含量不斷增加,顆粒粒徑差距逐漸增大,不均勻系數(shù)逐漸提高,當(dāng)黏粒含量達(dá)到24%時(shí),其不均勻系數(shù)Cu大于5;當(dāng)風(fēng)積沙中黏粒含量大于或等于8%時(shí),其曲率系數(shù)Cs位于1～3,當(dāng)細(xì)粒含量為24%時(shí),土樣級(jí)配逐漸轉(zhuǎn)為良好。

2) 隨黏粒含量從0%～24%的增加,風(fēng)積沙的CBR值逐漸增大,能夠滿足高速公路路基承載比規(guī)定。

3) 隨黏粒含量的增加,風(fēng)積沙的回彈模量逐漸增大,當(dāng)風(fēng)積沙中黏粒含量不小于8%時(shí),可滿足極重交通荷載路基頂面的回彈模量規(guī)定。

4) 本研究通過(guò)將不同黏粒含量風(fēng)積沙路用性能試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)與工程實(shí)際相結(jié)合,給出了不同黏粒含量風(fēng)積沙路基結(jié)構(gòu)分類應(yīng)用推薦表,可供西北沙漠邊緣及農(nóng)灌區(qū)含黏風(fēng)積沙路基施工參考。