風(fēng)積沙應(yīng)用于某地區(qū)軟弱地基物理特性研究

（中化學(xué)城市投資有限公司，陜西 西安 710054）

某工業(yè)園創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園規(guī)劃占地1001畝，一期工程項(xiàng)目包含標(biāo)準(zhǔn)化廠房、辦公樓和配套園區(qū)道路等工程。其中，配套園區(qū)道路4條，總長(zhǎng)度3211.782m，按13m～14m紅線寬度進(jìn)行設(shè)計(jì)，路幅為單幅路，機(jī)非不分離。該項(xiàng)目建設(shè)場(chǎng)地位于毛烏素沙漠東南部邊緣，場(chǎng)地地形基本平坦，原始地貌單元屬風(fēng)積沙丘地貌單元，地表相對(duì)高差14.11m。地表以軟弱地基為主，地質(zhì)表層為粉沙土和細(xì)沙土，土質(zhì)變化不大，承載力在80kPa～130kPa，摩阻力為20kPa～50kPa。路基為路面結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，如果軟弱地基處理不當(dāng)則易在外力、環(huán)境影響下出現(xiàn)變形失穩(wěn)，會(huì)使路面結(jié)構(gòu)受到破壞，傳統(tǒng)的路基多以填筑砂礫、石渣層來提高整體穩(wěn)定性和承載力，而由于該園區(qū)位于沙漠邊緣，將風(fēng)積沙作為沙漠地區(qū)路基填筑材料，可以達(dá)到就地取代、降低工程成本的目的，本文將對(duì)風(fēng)積沙處理園區(qū)道路軟弱地基物理特性研究進(jìn)行分析與研究。

1 物理特性

1.1 顆粒組成

采集某地區(qū)沙漠地段風(fēng)積沙2份樣本進(jìn)行顆粒粒度篩分試驗(yàn)，具體統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表1，繪制顆粒粒徑分配曲線，得知97%沙樣顆粒粒徑區(qū)間為0.6mm～0.075mm區(qū)間，為路基分類中的細(xì)沙。

表1 風(fēng)積沙試樣粒度分成統(tǒng)計(jì)表

1.2 不均勻系數(shù)、曲率系數(shù)

對(duì)風(fēng)積沙不均勻系數(shù)、曲率系數(shù)等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，再通過烘干法測(cè)定含水量。

不均勻系數(shù)Cu、曲率系數(shù)Cc計(jì)算公式為：

式中d60是低于顆粒質(zhì)量60%的限制粒徑，mm;

d30是低于顆粒質(zhì)量60%的限制粒徑，mm;

d10是低于顆粒質(zhì)量10%的限制粒徑，mm。

風(fēng)積沙樣顆粒粒徑分布見圖1。

圖1 風(fēng)積沙樣顆粒粒徑分布圖線

1.3 含水量

含水量ω計(jì)算公式為：

式中ω-是含水量，%；

m-是濕沙質(zhì)量，g；

ms-是干沙質(zhì)量，g。

從風(fēng)積沙取樣試驗(yàn)數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)風(fēng)積沙含水量較低（2.1%～3.5%），平均含水量為3.3%。

1.4 細(xì)度模數(shù)

細(xì)度模數(shù)計(jì)算公式為：

上式中A4.75等為各篩累計(jì)篩余，單位為%。兩組風(fēng)積沙試樣測(cè)定數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 兩風(fēng)積沙樣限定粒徑、不均勻細(xì)數(shù)及級(jí)配系數(shù)數(shù)統(tǒng)計(jì)表

第2組風(fēng)積沙樣細(xì)度模數(shù)為1.11，為細(xì)沙或極細(xì)沙，塑限ωp=0，塑性指數(shù)lp=0。

從上面統(tǒng)計(jì)與計(jì)算數(shù)據(jù)可知，風(fēng)積沙顆粒粒徑不超過1mm，粒徑位于0.3mm～0.15mm區(qū)間的顆粒區(qū)間平均含量約為21.55%，通過0.075mm、0.074mm篩孔通過率較低，則該地區(qū)風(fēng)積沙細(xì)粒含量、顆粒表面活性均較低，松散不存在粘性，有很好的水穩(wěn)定性，是含粒沙；細(xì)度模數(shù)低于1.6，則為極細(xì)沙；不均勻度Cu低于5，級(jí)配系數(shù)Cc低于1，有著較好的土粒級(jí)配性能。因此，該地區(qū)風(fēng)風(fēng)積沙顆粒粒徑分選性比較好，具有分布均勻特點(diǎn)，為級(jí)配不良材粒料。

1.5 顆粒體積密度、相對(duì)密度、自然休止角

礦物體積密度與含水量會(huì)對(duì)風(fēng)積水顆粒體積密度產(chǎn)生一定的影響，體積密度小則顆粒更細(xì)，顆粒間排列也更為松散，相應(yīng)的天然密度也會(huì)更小。將風(fēng)積沙試樣以105℃～110℃進(jìn)行烘干處理，將該條件下試樣質(zhì)量與相同體積在4℃蒸餾水比值作為體積密度值，因此，不同礦物成分的風(fēng)積消化顆粒密度存在較大差異，而在相同的沙漠地區(qū)，風(fēng)積沙密度相差不大。進(jìn)行體積密度試驗(yàn)對(duì)該地區(qū)風(fēng)積沙顆粒體積密度進(jìn)行測(cè)定，體積密度為

2.655g/cm3。

風(fēng)積沙在天然含水條件下具備密實(shí)度，以孔隙比、孔隙率絕對(duì)值進(jìn)行判斷存在較大的難度，這是由于松散狀態(tài)下且粒徑級(jí)配條件好的試樣，會(huì)比顆粒均勻試樣具有更小孔隙比。利用相對(duì)密度指標(biāo)對(duì)風(fēng)積沙緊密度進(jìn)行評(píng)價(jià)才能更為準(zhǔn)確。Dr計(jì)算公式為：

上式中e是風(fēng)積沙試樣天然孔隙比，emax是最大孔隙比，emin是最小孔隙比。

從具體的試驗(yàn)與計(jì)算數(shù)據(jù)中可以發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)風(fēng)積沙天然孔隙比為0.713，最大孔隙比為0.975，最小孔隙比為0.533，相對(duì)密度為0.59g/cm3。

自然休止角可以對(duì)風(fēng)積沙流動(dòng)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，也就是在堆積時(shí)可以達(dá)到的最大坡角，從實(shí)驗(yàn)可以得出該地區(qū)風(fēng)積沙休止角為25.75°。

該地區(qū)風(fēng)積沙有著很好的磨圓角，極少數(shù)顆粒為棱角狀，顆粒表面有麻點(diǎn)及極小坑穴。

1.6 水理性質(zhì)

風(fēng)積沙浸水極易形成液化現(xiàn)象，可采用界限含水量對(duì)塑性指數(shù)和液性指數(shù)進(jìn)行計(jì)算。風(fēng)積沙表面不具備對(duì)水的吸附性，顆粒間具有透水性，有著很好的濾水效果，表層多呈現(xiàn)干燥。對(duì)沙漠不同地段風(fēng)積沙進(jìn)行取樣來測(cè)定滲透系數(shù)，見表3，測(cè)定滲透系數(shù)為3.45m/d～5.38m/d,表明有著很好的透水性，試樣1為細(xì)沙,試樣2為中沙。不同地段風(fēng)積沙滲透系數(shù)差別較小，所選兩樣試樣滲透系數(shù)存在很小的差別，這是因?yàn)槭艿筋w粒形狀、礦物、孔隙度等因素影響有關(guān)。

表3 試樣滲透結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

風(fēng)積沙毛細(xì)水上升高度計(jì)算公式為：

上式中hc為上升高度，T為表面張力，α為夾角，yω為水具備的容重，r為毛細(xì)管半徑。

從計(jì)算公式中不難發(fā)現(xiàn)，毛細(xì)水上升高度和毛細(xì)管半徑為反比例關(guān)系，風(fēng)積水毛細(xì)水上升高度會(huì)跟著壓實(shí)度、時(shí)間正比增大。從圖2可以看出，兩種沙樣毛細(xì)水上升高度會(huì)跟著壓實(shí)度變大而變大，這是由于上升高度與毛細(xì)半徑為反比關(guān)系，毛細(xì)半徑會(huì)跟著沙樣孔隙體生活會(huì)變小而變小，水樣孔隙比也會(huì)跟著密實(shí)度增大而變小，和密實(shí)度間存在反比例關(guān)系?？紫侗纫矔?huì)隨著沙樣孔隙體積呈現(xiàn)對(duì)應(yīng)關(guān)系，毛細(xì)水升高度會(huì)跟著壓實(shí)度增長(zhǎng)而變大。沙樣2比沙樣1上升高度大，這是由于沙樣1粒徑低于0.074mm顆粒含量更多，小粒徑沙樣會(huì)導(dǎo)致毛細(xì)管貫通性變小，水分進(jìn)行上升時(shí)會(huì)存在更大的阻力，會(huì)在同樣的壓實(shí)密度條件下，沙樣1上升高度會(huì)更小些。

圖2 兩組沙樣毛細(xì)水上升高度與壓實(shí)度對(duì)比圖

毛細(xì)水上升高度與時(shí)間也存在著一定關(guān)系，沙樣毛細(xì)水上升高度會(huì)跟著時(shí)間的增長(zhǎng)而變大，在初期有著較快的上升速度，中后期上升會(huì)變得緩慢，在48h左右上升高度達(dá)到穩(wěn)定，這是由于初期毛細(xì)管水柱質(zhì)量與毛細(xì)管壁摩擦力都比較低，在表面張力作用下會(huì)不斷變大，但隨著水柱重量增大，上升速度也會(huì)降低。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，風(fēng)積沙壓實(shí)度為98%左右，毛細(xì)水最大上升高度可達(dá)到59.3cm，可將風(fēng)積沙作為道路基底材料，可以起到較好的防濾水效果。

2 擊實(shí)特性

2.1 擊實(shí)試驗(yàn)

根據(jù)相關(guān)規(guī)程要求，在進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)時(shí)選取3層風(fēng)積沙填料，每層填料擊實(shí)數(shù)為98次，進(jìn)行重型擊實(shí)驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4。

表4 風(fēng)積沙標(biāo)準(zhǔn)重型擊實(shí)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中不難發(fā)現(xiàn)，含水量接近0%時(shí)，最大干密度為1.672g/cm3，最佳含水量13.15%時(shí)對(duì)應(yīng)最大干密度為1.701g/cm3。

2.2 振動(dòng)試驗(yàn)

由于風(fēng)積沙不具備粘性，最大干密度測(cè)定可通過振動(dòng)臺(tái)飽水振動(dòng)法、表面振動(dòng)法。采取具有代表性風(fēng)積沙樣本，進(jìn)行篩分并去除雜質(zhì)，振動(dòng)試驗(yàn)應(yīng)一次填料，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)含水量接近0%則最大干密度為1.701g/cm3，最佳含水量為13.2%，濕沙最大干密度為1.702g/cm3。表面振動(dòng)法以實(shí)測(cè)含水量為0.25%的干沙作為樣本，對(duì)2min、4min、6min、8min、10min、12min振動(dòng)時(shí)間下的一層、三層填料干密度進(jìn)行測(cè)定。對(duì)振動(dòng)效果進(jìn)行評(píng)定，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)時(shí)間保持在10min為最佳，三層填料表面振動(dòng)擊實(shí)效果更好。濕沙表面振動(dòng)時(shí)間設(shè)置4min、8min，采用一層、三層填對(duì)不同含水量下的干密度進(jìn)行測(cè)定，從試驗(yàn)結(jié)果來看，三次填料振動(dòng)壓實(shí)效果較好，最佳含水量為13%左右。不同試驗(yàn)應(yīng)用相同風(fēng)積沙樣，振動(dòng)法、擊實(shí)試驗(yàn)法要好于表面振動(dòng)壓實(shí)檢測(cè)法，測(cè)得風(fēng)積沙最大干密度為1.711g/cm3。

3 靜力特性、強(qiáng)度和變形規(guī)律

3.1 壓縮試驗(yàn)

風(fēng)積沙具備的密度及含水量會(huì)對(duì)靜力壓力性產(chǎn)生影呼，不同壓力作用于不同壓實(shí)度風(fēng)積沙試件進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，將風(fēng)積沙顆粒進(jìn)行擠壓來排水分、空氣，這樣會(huì)使風(fēng)積沙試件出現(xiàn)壓縮變形。選取含水量為0%、2%、6%、9.9%的風(fēng)積沙試件，其中9.9%為及最佳含水量，成型密度96%，施加50kPa、100kPa、200kPa、400kPa作用力，間隔1h讀取試件變形量，以試樣壓縮前后體積變化計(jì)算出壓縮變形與孔隙比關(guān)系。從試驗(yàn)結(jié)果來看，壓縮模量近似于線性增大，不同含水量試樣e-logp曲線為線性關(guān)系，表明壓縮指數(shù)可用于試樣壓縮沉降計(jì)算，含水量的增大則壓縮指數(shù)變小，隨著加載壓力增加而變小，則該地區(qū)風(fēng)積沙具有低壓縮性和高壓縮模量，采用該材料進(jìn)行路基填筑壓實(shí)，可以達(dá)到較好的穩(wěn)定性、強(qiáng)度。

3.2 CBR試驗(yàn)

風(fēng)積沙不具備較強(qiáng)的粘聚力，選用含水量0%、2%、6%及最佳含水量來制取干密度試件，在不同含水量條件下進(jìn)行干密度CBR試驗(yàn)，測(cè)時(shí)不同干密度情況下CBR值，建立起含水量0%與最佳含水量條件下的壓力和貫入量關(guān)系。從試驗(yàn)結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，含水量在0%時(shí)CBR值比較小，壓力與貫入量為直線關(guān)系且表現(xiàn)為彈性，隨著擊打次數(shù)增長(zhǎng)則壓實(shí)度隨之變大，CBR值也會(huì)增加，因此，風(fēng)積沙CBR值會(huì)隨著壓實(shí)度增長(zhǎng)而增加。試件干密度相同、含水量不同，則CBR值有著較大差異，在2000kPa區(qū)間內(nèi)，風(fēng)積沙壓力與貫力量為直線關(guān)系，如果壓力超過該區(qū)間則表現(xiàn)為非直線關(guān)系，擊實(shí)98次要比擊實(shí)30次塑性滯后。在最佳含水量條件下，每層擊實(shí)98次具有很好彈性，濕沙CBR值約為27，也就是壓實(shí)至一定程度則具有較好的抵抗變形及抗破壞性能。

結(jié)合靜力壓實(shí)特性CBR試驗(yàn)，針對(duì)不同干密度、含水量條件下壓力-變形規(guī)律進(jìn)行測(cè)定。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，含水量為0%則CBR值比較小，干密度變大則CBR值增大，含水量為0%時(shí)應(yīng)力-變形規(guī)律表現(xiàn)為彈性，干密度大則抵抗變形性能越好。不同含水量濕沙CBR值（10-27）比較大，相同含水量條件下不同干密度的CBR值也不盡相同，干密度大則CBR值增大。干密度值的不斷增加，應(yīng)力-變形在初始區(qū)間為線性關(guān)系，如果為最佳含水量，干密度增加則變形差別就越小，與CBR值接近，表明最佳含水量條件下壓實(shí)后有著更好的抗破壞性能和更強(qiáng)的穩(wěn)定性。

3.3 回彈模量

采用風(fēng)積沙材料填筑路基，回彈模量與干密度、含水量有著直接關(guān)系，由于該地區(qū)風(fēng)積沙粘聚力小、含水量低，將含水量為0%、2%、6%條件風(fēng)積沙制作為樣本，在選定的3個(gè)含水量條件下制作3個(gè)干密度試件，對(duì)干密度、含水量對(duì)試件回彈模型的影響進(jìn)行分析。從試驗(yàn)結(jié)果上來看，含水量不同條件下壓力-回彈變形為線性關(guān)系，則表明風(fēng)積沙為彈性體。試件壓實(shí)度相同時(shí)，干沙彈性模量低于有含水量時(shí)彈性模型，而干密度變大則相同含水量試件回彈模量也相應(yīng)變大。

4 結(jié)語

綜上所述，采用風(fēng)積沙作為路基填筑材料對(duì)軟弱土地基進(jìn)行處理，可以達(dá)到與鋪設(shè)砂礫等透水性材料墊層相同的加固的效果，通過碾壓施工以后可有效提升地基承載力、防止在荷載作用下產(chǎn)生側(cè)向變形，因此，采用風(fēng)積沙作為墊層是可行的，可以滿足道路工程對(duì)路基施工的質(zhì)量要求。