清伊高速公路風(fēng)積沙路基壓實(shí)參數(shù)設(shè)計(jì)分析

關(guān)暉

摘要：風(fēng)積沙路基經(jīng)過(guò)一定的壓實(shí)處理后，可以滿足現(xiàn)代公路施工要求，變廢為寶，降低綜合成本。文章以新疆清伊高速公路某路段為例，介紹了風(fēng)積沙路基的壓實(shí)參數(shù)設(shè)計(jì)，對(duì)項(xiàng)目區(qū)風(fēng)積沙力學(xué)性能進(jìn)行分析，得出其為較理想的路基填筑材料，并通過(guò)分析路基壓實(shí)干密度影響因素，設(shè)計(jì)了最佳含水量及壓路機(jī)的振動(dòng)頻率、時(shí)間、振幅等參數(shù)，可為類似施工提供數(shù)據(jù)參考。

關(guān)鍵詞：高速公路;力學(xué)特性;影響因素;壓實(shí)參數(shù)

中國(guó)分類號(hào)：U416.1+6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

我國(guó)新疆地區(qū)面積遼闊、地廣人稀，同時(shí)也分布了大面積的沙漠和戈壁灘，環(huán)境較為惡劣。但新疆作為“西部大開發(fā)”“新絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”的重要一環(huán)，交通建設(shè)必然是先行者。風(fēng)積沙是新疆很多地區(qū)的常見(jiàn)地質(zhì)條件，在這種地基上建造高速公路，前期必須進(jìn)行碾壓處理。

1 工程概況

新疆清伊高速公路（清水河至伊寧）全長(zhǎng)57 km，設(shè)計(jì)為雙向四車道一級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)時(shí)速為120 km/h，路面設(shè)計(jì)寬度為22 m。經(jīng)地質(zhì)勘查，其中有一段長(zhǎng)約453 m的地方為風(fēng)積沙路基。為保證路基的堅(jiān)固穩(wěn)定性，經(jīng)專家組商議，需要對(duì)該段風(fēng)沙路基進(jìn)行擊實(shí)處理，本文重點(diǎn)對(duì)擊實(shí)參數(shù)設(shè)計(jì)和施工要點(diǎn)進(jìn)行分析。

2 清伊高速風(fēng)積沙力學(xué)特性及擊實(shí)影響因素分析

2.1 清伊高速風(fēng)積沙力學(xué)特性分析

風(fēng)積沙的工程力學(xué)特性是對(duì)交通建設(shè)最為重要的參數(shù)，包括抗剪強(qiáng)度、承載比、回彈模量等，準(zhǔn)確測(cè)定這些參數(shù)對(duì)路基處理有著直接影響[1]。

2.1.1 抗剪強(qiáng)度分析

路基土抗剪強(qiáng)度對(duì)于路基強(qiáng)度有重要意義。在此取項(xiàng)目路段沙樣20瓶，均為風(fēng)干狀態(tài)（密度1.65 g/cm3），利用“直剪儀”檢測(cè)其抗剪強(qiáng)度。設(shè)計(jì)剪切沙樣直徑為6.5 cm，高度為10 cm，四種不同垂直載荷為100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa。試驗(yàn)結(jié)果如下頁(yè)圖1所示。

根據(jù)式（1）“庫(kù)倫-剪切強(qiáng)度準(zhǔn)則”公式[2]，由于沙樣粘聚力較小，為方便計(jì)算在此忽略不計(jì)。最后可知：本項(xiàng)目路段風(fēng)積沙抗剪強(qiáng)度τ與垂直壓力σ呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)約為1。對(duì)于維持路基邊坡穩(wěn)定完全沒(méi)問(wèn)題。

2.1.2 壓縮特性分析

風(fēng)積沙的壓縮特性對(duì)于分析路基穩(wěn)定性及沉降量意義重大。在此通過(guò)壓縮試驗(yàn)來(lái)測(cè)定不同載荷作用下沙樣的沉降量，沙樣均為風(fēng)干狀態(tài)（密度為1.65 g/cm3）。具體試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及曲線圖分別如表1及圖2所示。

由表1及圖2可知：（1）沙樣下沉量同載荷呈正比關(guān)系，載荷越大，沙樣下沉量越大;（2）沙樣下沉在很短時(shí)間內(nèi)完成（0.2 min以內(nèi)），之后幾乎不產(chǎn)生徐變，這也有利于公路建設(shè);（3）在1.0～2.0 MPa之間，沉降量產(chǎn)生了一個(gè)較大的變化，說(shuō)明超過(guò)1 MPa，沙樣孔隙率會(huì)大大降低[3]。

2.1.3 回彈模量分析

為檢測(cè)項(xiàng)目路段風(fēng)積沙回彈模量，在此設(shè)計(jì)為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，共設(shè)計(jì)三個(gè)填筑厚度（50 cm、70 cm、90 cm），為保證結(jié)果準(zhǔn)確性，樣本分別取10個(gè)。具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表2所示。由相關(guān)數(shù)據(jù)可知：（1）風(fēng)積沙填筑厚度越大，彈性模量數(shù)值會(huì)越大;（2）隨著風(fēng)積沙含水量降低，彈性模量會(huì)增大（表2數(shù)據(jù)未顯示）;（3）總體而言，相對(duì)于粉土和黏土，本項(xiàng)目路段風(fēng)積沙的水穩(wěn)定性要好很多，適合公路建設(shè)[4]。

2.2 風(fēng)積沙路基壓實(shí)參數(shù)影響因素分析

為了保證風(fēng)積沙路基有足夠強(qiáng)度和穩(wěn)定性，必須進(jìn)行壓實(shí)處理，而擊實(shí)的本質(zhì)目的是盡量將土體中的氣體、水分逼出，使顆粒之間相互錯(cuò)動(dòng)靠近，從而提高密實(shí)度。對(duì)于本項(xiàng)目路段風(fēng)積沙來(lái)說(shuō)，其內(nèi)部粘聚力可以近似看作0，因此進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)就是為了獲得項(xiàng)目路段風(fēng)積沙的最佳干密度及含水量，為指導(dǎo)以后施工收集數(shù)據(jù)。

2.2.1 含水量

前文已經(jīng)說(shuō)明沙樣含水量與彈性模量呈反比關(guān)系，而含水量還會(huì)對(duì)風(fēng)積沙的內(nèi)摩擦力產(chǎn)生重要影響。根據(jù)其他學(xué)者得出的結(jié)論：風(fēng)積沙含水量與干密度之間并非存在直線關(guān)系，而是折線關(guān)系（見(jiàn)圖3）。由圖可知：含水量在A點(diǎn)時(shí)，風(fēng)積沙含水量為0，此時(shí)干密度為一個(gè)較大數(shù)值;當(dāng)含水量增大到B時(shí)，干密度呈下降趨勢(shì);當(dāng)含水量再增大到C時(shí)，干密度又呈上升趨勢(shì)，而且會(huì)達(dá)到一個(gè)最大值。而對(duì)于風(fēng)積沙路基來(lái)說(shuō)，C點(diǎn)是最佳含水量點(diǎn)[5]。

2.2.2 擊實(shí)功

擊實(shí)功包括振動(dòng)頻率、方式、時(shí)間、振幅等，也是影響風(fēng)積沙干密度值的重要參數(shù)之一。大量學(xué)者通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)：對(duì)于同一種材料，擊實(shí)功越大，最佳含水量值越小，而最大干密度值會(huì)越大。但是當(dāng)擊實(shí)功達(dá)到一定數(shù)值后，對(duì)最佳含水量、最大干密度值影響會(huì)減弱甚至消失。因此不能一味追求大擊實(shí)功，否則既增加了施工成本，又無(wú)法提高實(shí)際效果，經(jīng)濟(jì)性會(huì)變差。

3 清伊高速風(fēng)積沙路基壓實(shí)參數(shù)設(shè)計(jì)分析

參考其他類似工程經(jīng)驗(yàn)，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)采用振動(dòng)壓路機(jī)對(duì)風(fēng)積沙路基進(jìn)行壓實(shí)施工，而其振動(dòng)頻率、振幅、重量等參數(shù)均可以調(diào)節(jié)，因此需要根據(jù)本項(xiàng)目實(shí)際情況來(lái)確定最適合的擊實(shí)參數(shù)。

3.1 最佳含水量設(shè)計(jì)

在此利用“小筒擊實(shí)試驗(yàn)”先確定風(fēng)積沙最佳含水量，從0%上升至14%，每0.5%設(shè)定一檔，最后將測(cè)定數(shù)值用曲線擬合。本項(xiàng)目測(cè)試結(jié)果如圖4所示[6]。根據(jù)結(jié)果可知：本項(xiàng)目路段風(fēng)積沙最佳含水量為12.5%，以下試驗(yàn)均按照該值進(jìn)行。

3.2 壓路機(jī)振動(dòng)頻率設(shè)計(jì)

振動(dòng)壓路機(jī)的振動(dòng)頻率范圍為25～50 Hz，在此共對(duì)壓路機(jī)設(shè)計(jì)5組不同頻率進(jìn)行對(duì)照，其他參數(shù)均一致（振幅1.0 mm，時(shí)間3 min，配重4塊）。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示[7]。由數(shù)據(jù)可知：當(dāng)振動(dòng)頻率由30 Hz升至45 Hz過(guò)程中，風(fēng)積沙干密度值均為上升趨勢(shì)，超過(guò)45 Hz后，數(shù)值下降。因此確定本項(xiàng)目風(fēng)積沙壓實(shí)施工最佳振動(dòng)頻率為45 Hz。

3.3 壓路機(jī)振動(dòng)時(shí)間設(shè)計(jì)

振動(dòng)壓路機(jī)的振動(dòng)時(shí)間范圍為2～5 min，在此共對(duì)壓路機(jī)設(shè)計(jì)4組不同頻率進(jìn)行對(duì)照，其他參數(shù)均一致（頻率45 Hz，振幅1.0 mm，配重4塊）。試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。由數(shù)據(jù)可知：當(dāng)振動(dòng)時(shí)間由2 min增至3 min的過(guò)程中，風(fēng)積沙干密度值均為上升趨勢(shì)，超過(guò)3 min后，數(shù)值下降。因此確定本項(xiàng)目對(duì)風(fēng)積沙壓實(shí)施工最佳振動(dòng)時(shí)間為3 min。

3.4 壓路機(jī)振幅設(shè)計(jì)

在此共對(duì)壓路機(jī)設(shè)計(jì)6組不同振幅進(jìn)行對(duì)照，其他參數(shù)均一致，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。由數(shù)據(jù)可知：當(dāng)振幅由0.2 mm升至1.0 mm過(guò)程中，風(fēng)積沙干密度值均為上升趨勢(shì)，超過(guò)1.0 mm后，數(shù)值下降。因此確定本項(xiàng)目對(duì)風(fēng)積沙壓實(shí)施工最佳振幅為1.0 mm。

4 結(jié)語(yǔ)

風(fēng)積沙路基是我國(guó)西北地區(qū)常見(jiàn)地質(zhì)條件之一，若無(wú)特殊病害，只要處理得當(dāng)，該類路基的結(jié)構(gòu)堅(jiān)固度、穩(wěn)定性還是很好的。清伊高速公路該段路基經(jīng)過(guò)壓實(shí)處理后，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到規(guī)范要求，路面也很順利地鋪設(shè)完成。投入使用兩年后，該路段并未發(fā)生任何地基塌陷、沉降問(wèn)題，取得了良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

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