鄂爾多斯風(fēng)積沙靜力特性及強(qiáng)度變形規(guī)律研究

【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