沙漠地區(qū)風積沙路堤填筑壓實技術研究

劉彥珍 劉安寧

摘要 依托烏瑪高速寧夏中衛(wèi)段是真正意義上穿越沙漠腹地的第一條高速公路。文章對項目區(qū)域風積沙的工程特性和影響壓實影響因素進行分析和室內外試驗研究，提出適合寧夏騰格里沙漠地區(qū)風積沙最大干密度獲得方法，進而研究該地區(qū)風積沙路堤的壓實方法與施工工藝。研究表明：寧夏騰格里沙漠的風積沙與其他風積沙一樣，在干燥狀態(tài)和最優(yōu)含水率狀態(tài)均可獲得較密實狀態(tài);含水量與風積沙的壓實效果有較大相關性，無論采用哪一種壓實方法，都應該加強對含水量的控制。

關鍵詞 騰格里沙漠;風積沙;最大干密度;壓實效果

中圖分類號 U416.16 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）07-0118-03

0 引言

烏海至瑪沁公路（寧夏境）青銅峽至中衛(wèi)段工程穿越國內四大沙漠之一的騰格里沙漠腹地。沙漠地區(qū)筑路材料缺乏，本著就地取材、降低工程造價的原則，采用風積沙進行路基填筑可以有效降低工程造價及利用路基開挖風積沙。風積沙路堤填筑質量對路基強度和整體穩(wěn)定性至關重要，選擇合適的壓實、試驗檢測方法可以起到保證路基填筑質量的關鍵作用。

國內外工程師已針對風積沙填筑路堤進行了大量研究，李志勇[1]的研究表明風積沙的壓實取決于顆粒間的重新排列和壓實功兩方面。曹源文等人的試驗研究結果表明[2]：就風積沙而言，采用振動壓實要比采用擊實試驗的效果要好，同時采用振動壓實過程中，風積沙試樣的干密度與振動加速度呈正相關性。張浩[3]等的研究表明沖擊振動作用對路基中下層作用明顯，表層在沖擊振動作用下較松散。陳曉光等通過試驗研究表明[4]，風積沙最大干密度確定方法應根據(jù)顆粒粒徑小于0.075 mm的顆粒含量占比進行確定，占比大于23%時宜采用標準擊實法，占比小于23%時宜采用振動法。該文在其研究基礎上針對寧夏騰格里沙漠的風積沙進行室內最大干密度試驗及室外壓實試驗，為高速公路路基建設提供技術指導并總結經(jīng)驗為今后類似工程提供參考。

1 風積沙工程屬性及壓實影響因素

1.1 研究區(qū)域風積沙的物理性質及顆粒組成

項目區(qū)域在寧夏回族自治區(qū)中衛(wèi)市境內，處于騰格里沙漠南緣，風積沙范圍廣，沙層厚度大，如圖1所示。西北風為主要風向，沙丘多呈格狀沙丘鏈及新月形沙丘鏈，沙丘高度約1.0～3.0 m。項目區(qū)域干旱少雨，水分蒸發(fā)速度快、早晚溫差大、日照充足。該項目施工區(qū)域風積沙（路基填料）主要粒徑介于0.075～0.25 mm，表層20 cm以內干燥層天然含水率為0.3%～0.5%，干燥層以下沙層含水率為1%～3%。根據(jù)取樣篩分試驗結果，0.075 mm以上占總質量94.5%。

1.2 風積沙的壓實影響因素

路堤的壓實是指在壓路機等筑路機械的碾壓或者沖擊荷載等外力作用下，使得路堤填料顆粒重新排列組合由松散狀態(tài)到密實狀態(tài)[5]。首先是在碾壓或沖擊荷載作用下克服了路堤填料原始骨架的土顆粒分子之間的作用力使土顆粒松散，進而在荷載作用下，使松散的土粒重新排列組合的過程。

風積沙是一種無粘性土，顆粒間狀態(tài)極為松散，儲水能力弱，與普通筑路材料不同，風積沙的壓實也與常規(guī)土料略有不同[6]，影響風積沙壓實的因素有以下幾個方面：

（1）含水率，此前大量研究均已表明風積沙的擊實曲線具有“雙峰值”現(xiàn)象，即風積沙可在干燥狀態(tài)和最優(yōu)含水率狀態(tài)下均可獲得密實狀態(tài)。

（2）壓實工藝，不同的壓實工藝如碾壓遍數(shù)、碾壓組合等對筑路材料的壓實效果有不同的影響，風積沙也不例外。

（3）其他因素如壓實功、風積沙的顆粒級配等，均會對風積沙的壓實產(chǎn)生影響。

1.3 最大干密度確定

根據(jù)依托工程工地試驗室擊實試驗資料，烏瑪高速所處路段騰格里沙漠腹地的擊實曲線如圖2所示。

從擊實特性曲線可以看出，烏瑪高速所處的騰格里沙漠風積沙與其他沙漠風積沙擊實曲線相似，符合風積沙普遍擊實規(guī)律，在含水率為0以及其最優(yōu)含水率15.4%時，最大干密度基本保持一致為1.68 g·cm-3，這也進一步反映了風積沙填筑采用干壓及濕壓均可以達到最佳壓實特性，而且通過擊實曲線也可以發(fā)現(xiàn)，在干燥狀態(tài)之后的一段范圍內，隨著含水率的增大，干密度急劇降低，至最低點后隨著含水量增加逐漸增大，至最優(yōu)含水率處獲得第二個峰值。

以依托工程沙漠風積沙作為試驗樣品，分別采用重型擊實試驗、振動試驗法進行試驗，試驗結果見表1所示。

試驗結果表明：風積沙的擊實曲線明顯不同于傳統(tǒng)筑路所用的材料;采用重型擊實試驗和振動臺兩種試驗方法都可以得出風積沙的最大干密度，但所得數(shù)據(jù)有明顯偏差，試驗表明飽水振動臺試驗得到的最大干密度為1.78 g·cm-3，干振動臺法得到的干密度次之為1.72 g·cm-3;重型標準擊實試驗得到的干密度最小僅為1.68 g·cm-3。風積沙采用振動臺法得出的最大干密度與重型擊實試驗得出的最大干密度相比較要高出0.04～0.1 g·cm-3。

2 風積沙室外壓實試驗研究

基于上述認識，對于風積沙路基的壓實，可根據(jù)項目所在地的水源情況選擇在不同的含水率下壓實，即選擇干壓實、濕壓實施工工藝。在水源比較充足、取水方便的地區(qū)，可優(yōu)先選擇濕壓實施工工藝;對于水源缺乏、取水不易的地區(qū)，宜采用干壓實施工工藝。為了獲得最佳壓實效果，采用兩種壓實方法對試驗段進行研究。

2.1 現(xiàn)場壓實試驗

試驗段采用2臺22 t雙驅振動壓路機施工，碾壓遍數(shù)與最大干密度關系見表2、圖3、圖4所示。

試驗段試驗結果表明在采用干壓法時振動壓實第三遍前后，即可獲得較好的壓實效果;采用濕壓法，在最佳含水率狀態(tài)，靜壓一遍到靜壓一遍+振壓三遍壓實度都可以滿足壓實度要求。振動壓實三遍以后干密度不再明顯增加，甚至有下降趨勢。與干振法對比，濕壓法獲得的最大干密度大于干壓法，也就是說濕壓法的壓實效果要優(yōu)于干壓法。

分析其結果可以得出為何濕壓法整體壓實效果要比干壓法好，第一個峰值狀態(tài)下的含水率（干壓法）控制相比于第二個峰值狀態(tài)下的含水率控制更難，風積沙的壓實對含水率非常敏感，一旦超出一定范圍，壓實效果明顯下降。此外從現(xiàn)場含水率監(jiān)測情況來看，隨著碾壓遍數(shù)的增加，含水率不斷減少，水分散失較快。水分散失后再壓實時最大干密度不僅不增加反而降低。

2.2 壓實度檢測方法

對實驗段現(xiàn)場檢測結果進行分析，相同碾壓振動工藝所測得的試驗結果可以看出，壓實度的增大，不管采用灌砂法還是浸水環(huán)刀法，所測得的干密度數(shù)值相差并不大，根據(jù)所測數(shù)據(jù)的離散性可以得出浸水環(huán)刀法所測得的干密度變化幅度相對較小，也就是采用該方法平穩(wěn)性相對較好，而采用灌砂法測出的干密度數(shù)據(jù)離散程度較大，即平行誤差較大[7]。圖5為現(xiàn)場壓實與壓實度檢測情況。

對于在最優(yōu)含水率狀態(tài)下壓實風積沙，壓實度檢測可采用直接環(huán)刀法或灌砂法進行測定;在干燥狀態(tài)下壓實風積沙時，壓實度檢測宜采用浸水環(huán)刀法測定，所得數(shù)據(jù)離散性較小，但應注意消除由于含水量分布不勻等因素帶來的影響。此外，由于在干燥狀態(tài)下壓實，表層會有浮沙層存在，在檢測壓實度時，不管采用哪種方法，都需要將表層松散的風積沙進行清除[8]。

3 結論

（1）研究結果表明，采用的風積沙的擊實曲線具有典型的“雙峰值”現(xiàn)象，由擊實曲線得出最優(yōu)含水率為15.4%，風積沙在干燥狀態(tài)和最優(yōu)含水率狀態(tài)均可得到較好的密實程度，即采用干壓和濕壓均可達到最佳壓實特性。

（2）根據(jù)采用不同干密度試驗方法對比結果可知，風積沙采用振動臺法得出的最大干密度要比重型擊實試驗得出的最大干密度高出0.04～0.1 g·cm-3。風積沙宜采用振動臺法較為合理，但是考慮到地區(qū)之間風積沙性質存在差異，結合《公路土工試驗規(guī)程》，最大干密度確定方法應采用不同試驗方法做平行試驗，結果取大值。

（3）在飽水狀態(tài)或最佳含水率狀態(tài)下的風積沙天然密實度較高，這是因為第二峰值狀態(tài)下含水率控制較第一峰值狀態(tài)下相對容易。含水率對風積沙壓實具有很大相關性，不管采取哪種壓實方法，都需要對含水率給予高度重視。

（4）規(guī)范要求的任何一種檢測方法均可用于風積沙壓實度的檢測，采用振動干壓法時，壓實度檢測宜采用浸水環(huán)刀法，該方法檢測壓實度的平行誤差較小，但同時須注意在試驗時應消除由于含水量分布不勻等因素的影響。

參考文獻

[1]李志勇. 風積沙的壓實機理及路用承載力研究[D]. 重慶：重慶交通學院， 2003.

[2]曹源文， 鐘家森， 馬麗英， 等. 風積沙路基壓實度測定關鍵技術及方法[J]. 筑路機械與施工機械化， 2007（5）： 18-19+28.

[3]張浩， 胡江洋， 折學森， 等. 沙漠地區(qū)某高速公路風積沙壓實特性與壓實工藝研究[J]. 鐵道科學與工程學報， 2015（4）： 806-811.

[4] 陳曉光， 羅俊寶， 張生輝， 等. 沙漠公路成套技術創(chuàng)新和發(fā)展[J]. 公路交通科技（應用技術版）， 2008（S1）： 295-301.

[5]王向華， 高舉懷. 騰格里沙漠腹地風積沙路基干壓法施工技術研究[J]. 中華建設， 2020（29）： 270-271.

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[7]李紅. 風積沙路基的基本特性及施工要點研究[J]. 甘肅科技縱橫， 2018（11）： 42-44.

[8]劉明江， 呂鵬. 風積沙路基壓實試驗分析及應用[J]. 甘肅科技， 2017（5）： 60-62+37.