【摘要】依托內(nèi)蒙古自治區(qū)省際大通道榮成—烏海線的修建,結(jié)合《鄂爾多斯地風(fēng)積沙路基擊實標(biāo)準(zhǔn)及檢測方法研究》課題的開展,通過對鄂爾多斯風(fēng)積沙的CBR值、回彈模量、壓縮試驗的數(shù)據(jù)分析,研究鄂爾多斯地區(qū)風(fēng)積沙的靜力學(xué)特性,即強(qiáng)度—變性特點,以確保風(fēng)積沙路基具有更好的強(qiáng)度、穩(wěn)定性。
【關(guān)鍵詞】風(fēng)積沙;實驗;回彈模量;變形;強(qiáng)度
內(nèi)蒙古地區(qū)沙漠分布范圍較廣,在沙漠地區(qū)修建公路,基本要使用風(fēng)積沙作為路基填料。風(fēng)積沙具有水穩(wěn)定性好、沉降均勻、受不利氣候和季節(jié)的影響較小、儲量豐富和就地取材方便等優(yōu)點。然而,在沙漠形成的過程中,由于風(fēng)力的作用,會形成很多高高低低、大大小小的沙丘,有的沙丘高達(dá)十幾米,因此,路基也將會出現(xiàn)許多高填方路段。為保證風(fēng)積沙路基具有更好的強(qiáng)度和穩(wěn)定性,必須研究風(fēng)積沙作為路基材料的靜力性質(zhì),以確保風(fēng)積沙路基具有足夠的承載能力。筆者有幸參與《鄂爾多斯地風(fēng)積沙路基擊實標(biāo)準(zhǔn)及檢測方法研究》項目的研究工作,為此,本文根據(jù)風(fēng)積沙無粘性的特點,通過對不同的密度、含水量條件下風(fēng)積沙的CBR值、回彈模量、壓縮實驗的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,研究風(fēng)積沙的靜力學(xué)特性,即強(qiáng)度—變性特點。
一、CBR試驗研究
(1)試驗方法。第一,基本實驗步驟。一是按照擬定的含水量,利用振動臺制備不同含水量、不同干密度的風(fēng)積沙試件。二是將試件置于試驗儀(手搖式三軸試驗儀)上,調(diào)整貫入桿與試件頂面全面接觸,在貫入桿周圍放置重量為2.5kg的荷載板。三是在貫入桿上施加一定的壓力進(jìn)行預(yù)壓,然后將測力和測變形的百分表調(diào)整至零。四是按變形百分表度數(shù)等級,用規(guī)定的速度給貫入桿加壓,記錄每一等級時的百分表讀數(shù)。第二,結(jié)果整理精度要求。如果根據(jù)三個平行實驗結(jié)果計算出的承載比變異系數(shù)Cv大于12%,則去掉一個偏離大的值,取其余兩個結(jié)果的平均值。如Cv小于12%,且三個平行實驗結(jié)果計算出的干密度偏差小于0.03g/m3,則取三個結(jié)果的平均值,如三個平行實驗結(jié)果計算出的干密度偏差超過0.03g/m3,則去掉一個偏離大的值,取其余兩個結(jié)果的平均值。(2)CBR試驗結(jié)果。根據(jù)上述的試驗方法,選用內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯地區(qū)具有代表性的風(fēng)積沙試樣,進(jìn)行CBR試驗,壓頭直徑為50mm。在做CBR實驗過程中,記錄了鄂爾多斯風(fēng)積沙單位壓力—貫入應(yīng)變的變化。(3)抗變形能力分析。根據(jù)試驗結(jié)果分析,可知當(dāng)試件干密度相同而含水量不同時,CBR值的差異較大,鄂爾多斯風(fēng)積沙干沙的CBR值普遍較小,濕沙的CBR值在10~28之間,說明風(fēng)積沙在壓實以后,具有較高的抵抗破壞的能力。風(fēng)積沙的應(yīng)力-變形基本呈線性關(guān)系。風(fēng)積沙在天然干燥狀態(tài)下,基本表現(xiàn)為彈性性質(zhì)。當(dāng)風(fēng)積沙有一定含水量時,隨著干密度增加,應(yīng)力在初始的一定范圍內(nèi)表現(xiàn)出彈性性質(zhì),隨著應(yīng)力的增加,產(chǎn)生塑性變形,干密度值越大發(fā)生塑性變形時所承受的應(yīng)力越大,因而說明風(fēng)積沙的干密度值越大,抵抗變形的能力越強(qiáng)。
二、回彈模量試驗研究
(1)試驗方法。第一,試件制備及試驗步驟。一是由于風(fēng)積沙粘聚力較小,含水量較低時試樣成型較困難,鄂爾多斯風(fēng)積沙選擇含水量為0%、2%、6%和最佳含水量9.9%的試樣進(jìn)行試驗,在每個所選含水量的試樣成型三個不同干密度試件,每組成型3~4個試件,探討含水量、干密度對回彈模量的影響。二是根據(jù)實驗?zāi)康?、工程要求選擇重型Ⅱ-2法擊實,按擊實試驗方法制備試件。按擊實實驗步驟制備不同含水量及不同干密度的試件組。三是將帶試筒的試樣放在杠桿式壓力試驗儀上進(jìn)行試驗。四是用預(yù)定的最大壓力進(jìn)行預(yù)壓,含水量不同的試件施加不同的壓力,預(yù)壓1~2次,每次預(yù)壓1min。五是將預(yù)定的最大單位壓力分為4~6級,按確定的加載等級加載,每次加載到預(yù)定荷載后,穩(wěn)定1min,立即讀取兩個測量變形表的讀數(shù)值,卸載后穩(wěn)定1min,再次讀取兩個測量變形表的讀數(shù)值,每次卸載后百分表不再回零。兩個百分表度數(shù)之差小于平均值的20%時,取平均值;如大于20%,應(yīng)重新加載測量變形讀數(shù)。如此逐級進(jìn)行加載和卸載,直至最后一級壓力。第二,數(shù)據(jù)整理的精度和允許誤差。如果p-1曲線不通過原點,允許用初始值線段與縱座標(biāo)軸的交點當(dāng)作原點,修正各級荷載下的回彈變形和回彈模量。試驗的精度與允許誤差:回彈模量最少需進(jìn)行三次平行的試驗來確定,每次試驗的結(jié)果與回彈模量均值之差不應(yīng)超過5%。(2)試驗結(jié)果。根據(jù)靜壓實特性中回彈模量試驗的結(jié)果,對風(fēng)積沙不同干密度、不同含水量情況下成型的試件,測定其回彈變形,確定其回彈模量值,總結(jié)在一定壓力下的變形規(guī)律。(3)試驗結(jié)果分析。第一,鄂爾多斯風(fēng)積沙的單位壓力—回彈變形關(guān)系曲線基本上呈直線關(guān)系,屬于彈性體。第二,鄂爾多斯風(fēng)積沙干沙的回彈模量E0較小,基本在19.09MPa~41.48MPa之間;濕沙的回彈模量E0值在27MPa~76.71MPa之間。當(dāng)含水量固定時,回彈模量會隨著干密度的提高而增大。第三,當(dāng)壓實度一定時,干沙的彈性模量比濕沙的彈性模量要小得多。第四,含水量較小時,風(fēng)積沙的回彈模量達(dá)到較高的值。當(dāng)含水量大于2%時,回彈模量值變化很小,出現(xiàn)不規(guī)則波動,在含水量在6%時達(dá)到較大的值。第五,干沙和不同含水量的濕沙變形量差異較小,變形趨勢相同,應(yīng)力與變形基本呈直線變化;隨應(yīng)力增加,不同含水量的風(fēng)積沙的變形量差異較大,變化趨勢相同,應(yīng)力與變形呈線性關(guān)系。這就同樣說明鄂爾多斯風(fēng)積沙基本屬于彈性體。
三、壓縮試驗研究
(1)試驗原理。路基風(fēng)積沙填料在外荷載的作用下,水和空氣之間被擠出,風(fēng)積沙顆粒之間互相擠緊,封閉氣體體積減小,從而引起風(fēng)積沙體的壓縮變形。風(fēng)積沙的壓縮主要是孔隙體積的減小,所以其壓縮變形可以參照一般土的做法,其壓縮變形也以孔隙比的變化來表示。試驗資料整理時,可根據(jù)試樣壓縮前后的體積變化求出壓縮變形和孔隙的關(guān)系,繪制e-p曲線,也可整理成e-1gp曲線。(2)試驗方法。采用快速固結(jié)試驗法,選擇5~6個加載等級每1h讀一次試件的變形量,將最后一級荷載作為終壓荷載,24h后讀取數(shù)據(jù),以得出試件總的變形量的修正系數(shù)K。(3)試驗結(jié)果與分析。第一,隨著加載等級的加大,風(fēng)積沙的壓縮模量大體上呈線性增長。第二,隨著壓實度的增長或含水量的降低,壓縮模量變大;隨著壓實度的減少或含水量的上升壓縮模量變小。壓縮系數(shù)則相反。第三,無論是干沙還是濕沙,都有較高的壓縮模量值,這說明風(fēng)積沙路基經(jīng)壓實后,具有較好的穩(wěn)定性和較高的強(qiáng)度。第四,風(fēng)積沙的壓縮系數(shù)a不是常數(shù),會隨著加載壓力的增大而減少,可知鄂爾多斯風(fēng)積沙屬于低壓縮性土。第五,風(fēng)積沙在一定壓力作用下完成壓縮變形的時間很短,在半對數(shù)坐標(biāo)中沉降量與時間呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。第六,應(yīng)力在一定范圍內(nèi)與單位變形呈線性關(guān)系,當(dāng)應(yīng)力超過一定值時,應(yīng)力—單位變形也可近似看成是線性關(guān)系,但隨著應(yīng)力增大,單位變形量增加很小。
四、結(jié)語
(1)鄂爾多斯風(fēng)積沙處于干燥狀態(tài)時其基本表現(xiàn)為彈性體性質(zhì);有一定含水量時,在一定的荷載范圍內(nèi),風(fēng)積沙表現(xiàn)為彈性性質(zhì);當(dāng)荷載超過這一范圍時,風(fēng)積沙表現(xiàn)為塑性。風(fēng)積沙的壓實度越大,其塑性出現(xiàn)的越遲,說明具有一定壓實度的風(fēng)積沙在一定的壓力下表現(xiàn)出相當(dāng)好的彈性性質(zhì),可以看作為彈性材料。且在一定壓力作用下完成壓縮變形的時間很短。在半對數(shù)坐標(biāo)中沉降量與時間呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。(2)對于風(fēng)積沙路基來講,由于風(fēng)積沙的透水性較好,沙顆粒間空隙通道暢通,其中空氣和水的排出所需時間很短,因而路基的壓縮沉降變形很快完成,隨時間的延長變形量變化不大,工后沉降隨時間的變化主要是由路基土體骨架的蠕變引起的。因此,只要采用合理的施工工藝,用風(fēng)積沙作為路基填料是能保證其強(qiáng)度和穩(wěn)定性的。
參 考 文 獻(xiàn)
[1]交通部.公路土工試驗規(guī)程(JTJ051-93)[S].北京:人民交通出版社,1993