含黏粒風(fēng)積沙路用性能研究

張武東, 柴安俊, 劉仁偉, 李 偉, 侯天琪

(1.中鐵三局集團有限公司, 太原 030000; 2.中鐵三局集團第六工程有限公司, 山西 晉中 030600; 3.長安大學(xué), 西安 710064)

風(fēng)積沙是在風(fēng)力作用下,土顆粒經(jīng)過轉(zhuǎn)移、躍遷并沉積形成的特殊土體,廣泛存在于沙漠與戈壁地區(qū)。在長期的風(fēng)力作用下,沙源區(qū)土顆粒中的細粒(粉粒與黏粒)被帶走,大顆粒滯留,這使得風(fēng)積沙中的中等顆粒占比極高,顆粒粒徑均勻且分布集中[1]。沙漠腹地的風(fēng)積沙基本由粒徑0.075 mm～0.25 mm的均勻沙粒構(gòu)成,沙中的細粒與粗粒含量極少,如塔克拉瑪干腹地風(fēng)積沙的細粒與粗粒含量就不超過總量的8%。此外,在沙漠邊緣和平原地區(qū)的過渡帶,這里的流動沙體被固定,隨著地表植被的生長與環(huán)境的成土作用,風(fēng)積沙顆粒組成的復(fù)雜程度發(fā)生改變,沙土中的黏粒含量逐漸升高,黏粒對風(fēng)積沙工程特性有顯著影響[2]。

黏粒含量的升高會顯著改變風(fēng)積沙的工程特性。為此,諸多學(xué)者開展了含黏風(fēng)積沙靜、動力學(xué)特性試驗,探討了細粒含量對風(fēng)積沙力學(xué)特性的影響。張龍菊等[3]開展了不同含黏量風(fēng)積沙的直剪試驗,結(jié)果表明風(fēng)積沙的直剪強度隨著含黏量的升高而增加,風(fēng)積沙的黏聚力隨含黏量的升高提升顯著,內(nèi)摩擦角隨含黏量的升高呈線性降低。朱建群[4]開展了含細粒砂土的固結(jié)不排水三軸剪切試驗,研究了細粒含量對砂土抗剪特性的影響,結(jié)果表明隨著含黏量的升高,砂土的峰值抗剪強度有所降低并逐漸趨于穩(wěn)定,細粒的加入降低了砂土的殘余抗剪強度,但隨著含黏量升高,土體的殘余抗剪強度發(fā)生明顯回升,細粒含量對砂土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線影響顯著。孟鋒[5]開展了不同壓實度下珊瑚鈣質(zhì)砂的固結(jié)排水三軸試驗,研究了圍壓、顆粒破碎程度與相對密度對鈣質(zhì)砂的臨界剪切狀態(tài)的影響。楊瑞雪[6]探究了細粒含量對砂土抗剪強度與動力特性的影響,發(fā)現(xiàn)細粒主要影響了砂土的黏聚力,對砂土的內(nèi)摩擦角影響較小,細粒的加入能有效提升砂土的動力性能,砂土的動力特性受圍壓改變的影響較小。綜上所述,細顆粒的存在對砂土等粗粒土的力學(xué)特性變化十分顯著,既利于砂土的壓實與強度提升,但同時又受溫度和鹽分的影響,使得含細粒砂土后期服役性能顯著下降,出現(xiàn)大量路基病害。

隨著地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展需求不斷增加,交通網(wǎng)絡(luò)需不斷完善,大量不同黏粒含量風(fēng)積沙被用作路基填料,在其使用過程中,需要考慮到其較為特殊的使用環(huán)境和材料特性,以確保其具有良好路用性能[7-10]。為此,本文研究了不同細粒含量對風(fēng)積沙路用性能的影響,旨在為風(fēng)積沙道路的設(shè)計和施工提供科學(xué)參考。

1 工程概況

新疆若民沙漠高速公路位于阿爾金山及昆侖山北麓,塔克拉瑪干沙漠南部邊緣,東起若羌縣,途徑且末縣,一路與315國道伴行,終點接于民豐縣,路線全長530.202 km,設(shè)計速度120 km/h,雙向4車道,路基設(shè)計寬度27 m。

該區(qū)域?qū)儆诘湫偷拇箨懮衬詺夂?主要受南疆大型天氣系統(tǒng)所操縱,項目區(qū)氣象如表1所示。公路自然區(qū)劃為Ⅵ2區(qū),氣候表現(xiàn)為四季分明,晝夜溫差大,干旱少雨,且末縣路段年均降水量18.6 mL,年平均無霜期為165 d。

表1 項目區(qū)氣象要素

2 不同黏粒含量風(fēng)積沙路用性能

我國西北干旱荒漠區(qū)不同黏粒含量風(fēng)積沙廣布,最大黏粒含量在20%左右,該類土被廣泛應(yīng)用于路基填筑,但由于西北獨特的大溫差氣候以及土壤鹽漬化的惡劣條件,其作為路基填料在服役過程中所表現(xiàn)的性質(zhì)與純風(fēng)積沙或細粒土差別較大。針對沙漠邊緣及綠洲區(qū)不同黏粒含量風(fēng)積沙的特點,通過試驗分析顆粒級配、承載比及回彈模量等技術(shù)指標(biāo),并對其路用性能作出評價。

2.1 顆粒級配

細粒土為依托工程現(xiàn)場含黏粒風(fēng)積沙經(jīng)0.075 mm篩篩分后的黏粒,將黏粒按照質(zhì)量百分比加入風(fēng)積沙,并對含黏粒風(fēng)積沙進行篩分試驗,其顆粒級配曲線如圖1所示。圖1中,FC表示黏粒含量;不均勻系數(shù)Cu反映不同顆粒粒徑的分布情況,當(dāng)Cu<5時,土顆粒粒徑分布比較均勻,稱為勻粒土,級配不良;Cu越大,表明土樣不同粒組的分布越廣,但當(dāng)Cu過大,表示有可能缺失中間粒徑,屬于不連續(xù)級配,因此需結(jié)合曲率系數(shù)Cs來評價,曲率系數(shù)Cs是描述曲線整體形狀的指標(biāo)[11]。在實際工程中,當(dāng)Cu≥5,且Cs=1～3時,土的級配優(yōu)良,為不均勻土。此外,對不同黏粒含量風(fēng)積沙的顆粒級配進行評價,結(jié)果如表2所示。

圖1 不同黏粒含量風(fēng)積沙顆粒級配曲線

表2 不同黏粒含量風(fēng)積沙顆粒級配評價

由表2可知,隨著黏粒含量不斷增加,顆粒粒徑差距逐漸增大,不均勻系數(shù)逐漸增大,當(dāng)黏粒含量達到24%時,其不均勻系數(shù)Cu大于5;當(dāng)風(fēng)積沙中黏粒含量≥8%時,其曲率系數(shù)Cs位于1～3,當(dāng)黏粒含量為24%時,土樣級配逐漸轉(zhuǎn)為良好。

2.2 承載比(CBR)

按照不同黏粒含量風(fēng)積沙擊實試驗,取93%、95%、98%壓實度所對應(yīng)的含水率以及最優(yōu)含水率制樣, 將風(fēng)積沙中細粒含量作為試驗變量,開展不同黏粒含量風(fēng)積沙的承載比(CBR)試驗[12]。使用路面材料強度綜合測定儀開展試驗,試驗方案如表3所示。風(fēng)積沙的CBR值隨含黏粒含量及壓實度變化如表4及圖2所示。

圖2 不同黏粒含量風(fēng)積沙CBR值隨壓實度變化

表3 承載比試驗方案

表4 不同黏粒含量風(fēng)積沙CBR值 %

由表4可知,在最優(yōu)含水率下,黏粒含量為0%、8%、16%及24%風(fēng)積沙的CBR值分別為7.5%、8.2%、9.8%及11.2%,隨著壓實度的減小,其CBR值逐漸減小。而根據(jù)《公路路基設(shè)計規(guī)范》(JTG D30—2015)中路床填料最小承載比要求可知,純風(fēng)積沙可滿足二級公路路基的承載比要求。因此,隨著黏粒含量的提高,風(fēng)積沙的CBR值逐漸提高,可滿足高速公路路基承載比規(guī)定。

2.3 回彈模量

依據(jù)試驗規(guī)范,將不同細粒含量風(fēng)積沙按照最優(yōu)含水率以及壓實度分別為98%、95%、93%所對應(yīng)的含水率擊實后進行制樣,與承載比試驗相同,按徑高比1∶1制成150 mm(直徑)×150 mm(高)的圓柱體試樣,每組制備3個試樣。將試樣用塑料袋密封放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生室(溫度20 ℃±3 ℃、濕度≥95%)養(yǎng)護。

將黏粒含量與壓實度作為試驗變量,開展不同黏粒含量風(fēng)積沙的回彈模量試驗。利用萬能試驗機開展試驗,測量土樣的回彈模量[13]。加載前先進行2次100 kPa的預(yù)壓,逐級加載,得到不同黏粒含量風(fēng)積沙的回彈模量,結(jié)果如表5所示。

表5 不同黏粒含量回彈模量

由表5可知,當(dāng)黏粒含量為0%、8%、16%及24%時,風(fēng)積沙的回彈模量分別為63.5 MPa、76.1 MPa、81.6 MPa和96.3 MPa,其變化與承載比CBR值變化相似,隨著黏粒含量增加而增大,隨著壓實度減小而減小。根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范(JTG D50—2017)》中路基土回彈模量的要求可知,純風(fēng)積沙即可滿足特重交通荷載路基頂面的回彈模量要求。風(fēng)積沙的回彈模量隨著黏粒含量的增加而逐漸升高,當(dāng)風(fēng)積沙中細粒含量不小于8%時,可滿足極重交通荷載路基頂面的回彈模量規(guī)定。

2.4 路用性能指標(biāo)評價

將篩分試驗、CBR試驗以及回彈模量試驗結(jié)果作為主要評價指標(biāo),黏粒含量小于24%的風(fēng)積沙路用性能指標(biāo)如表6所示。

表6 不同黏粒含量風(fēng)積沙路用性能指標(biāo)

由表6可以看出,盡管黏粒含量的增加會提高風(fēng)積沙CBR值與回彈模量,增強路用性能,但同時也提高了路基的水鹽遷移效率,破壞了風(fēng)積沙路基的強度穩(wěn)定性,進而加快路基土的強度劣化。因此,針對西北干旱荒漠區(qū)鹽漬土廣布的情況,對高等級公路仍需嚴(yán)格控制風(fēng)積沙中的黏粒含量。通過上述試驗可獲得不同黏粒含量風(fēng)積沙路基結(jié)構(gòu)分類,應(yīng)用推薦如表7所示。

表7 不同黏粒含量風(fēng)積沙路基結(jié)構(gòu)分類應(yīng)用推薦

由表7可知,黏粒含量低于8%的風(fēng)積沙可用來填筑高速、一級公路,而隨著黏粒含量的提高,風(fēng)積沙路基填筑應(yīng)用逐漸受限。因此,含黏粒風(fēng)積沙用于填筑路基過程時應(yīng)注意,黏粒含量不超過8%的風(fēng)積沙可填筑高等級公路;風(fēng)積沙中黏粒含量大于8%時,應(yīng)注意其凍脹性;當(dāng)?shù)鼗宣}分含量較大或地下水位較高時,應(yīng)注意隔水防鹽,必要時增加土工布隔斷,防止鹽分隨水分遷移至路基頂部對路基產(chǎn)生鹽脹破壞,影響道路的耐久性。此外,黏粒含量大于24%的風(fēng)積沙可采用水泥等加固技術(shù)進行處理。

3 結(jié)論

通過對不同黏粒含量風(fēng)積沙開展篩分試驗、承載比(CBR)試驗以及回彈模量試驗,研究了不同黏粒含量對風(fēng)積沙路用性能的影響,并得出如下結(jié)論:

1) 隨黏粒含量不斷增加,顆粒粒徑差距逐漸增大,不均勻系數(shù)逐漸提高,當(dāng)黏粒含量達到24%時,其不均勻系數(shù)Cu大于5;當(dāng)風(fēng)積沙中黏粒含量大于或等于8%時,其曲率系數(shù)Cs位于1～3,當(dāng)細粒含量為24%時,土樣級配逐漸轉(zhuǎn)為良好。

2) 隨黏粒含量從0%～24%的增加,風(fēng)積沙的CBR值逐漸增大,能夠滿足高速公路路基承載比規(guī)定。

3) 隨黏粒含量的增加,風(fēng)積沙的回彈模量逐漸增大,當(dāng)風(fēng)積沙中黏粒含量不小于8%時,可滿足極重交通荷載路基頂面的回彈模量規(guī)定。

4) 本研究通過將不同黏粒含量風(fēng)積沙路用性能試驗結(jié)果數(shù)據(jù)與工程實際相結(jié)合,給出了不同黏粒含量風(fēng)積沙路基結(jié)構(gòu)分類應(yīng)用推薦表,可供西北沙漠邊緣及農(nóng)灌區(qū)含黏風(fēng)積沙路基施工參考。