特哈馬不同含泥量風積沙路基填料特性試驗研究.pdf

1、土木工程項目的施工與維護取決于場地、周圍環(huán)境和氣候的變化。風積沙地區(qū)的公路、鐵路和基礎設施設計、施工和維修都會存在特有的問題，例如：防沙、固沙、防風等。由于人口、經(jīng)濟和其它因素的作用，在沙漠或沙漠化地區(qū)修建基礎設施是未來趨勢。各地沙漠的形成環(huán)境、氣候及風沙條件有差異，地質(zhì)、風積沙特性以及地表植被狀況也有較大差別。遍布該地區(qū)的風積沙地基是否需要處理、能否用作路基填料，都是需要進行試驗研究的技術問題，以便更好理解其工程特性，提出合理的解決方

2、法。
　　也門共和國需要在沙漠地區(qū)修建公路，不可避免會遇到風積沙作為路基填料的問題。2003年修建的總長170km的荷臺達—摩卡高速公路，沿著紅海海岸線走向，穿越廣闊的沙土地帶，這意味著必需要用這種沙土作為路基填料。荷臺達位于也門西海岸中部卡希布灣內(nèi)，沿紅海海岸向東延伸至山腳下，海拔從海平面上升至250m。北緯15.8-13.38，東經(jīng)43.38-42.35，總面積約13336平方公里，是也門重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)。該地區(qū)屬熱帶沙漠氣候

3、，盛行西南風。年平均氣溫19~40攝氏度。8~9月份常出現(xiàn)強風及沙暴。全年平均降雨量達100mm。荷臺達海岸平原地基土是第四紀沖積土，包括風積土和沖積土。
　　風積沙土經(jīng)過處理可以作為路基填料，這就需要試驗研究來解決這類工程技術問題。當前，需要對不同含泥率的風積沙土特性進行試驗研究。本文參考國內(nèi)外研究成果，結合荷臺達—摩卡公路，對不同含泥率的風積沙土特性進行系統(tǒng)的試驗研究。主要研究內(nèi)容及技術路線如下：
　?。?）利用室內(nèi)試驗

4、，研究了不同含泥量的風積沙物理特性，對不同含泥量的風積沙工程地質(zhì)特性進行評價。
　?。?）對不同含泥量風積沙進行壓實試驗，研究不同含泥量風積沙壓實特性，分析其壓實機理。
　?。?）通過一系列強度和壓縮試驗研究，探索了不同含泥量風積沙強度特性和變形特性，研究了不同含泥量風積沙的強度特性和變形特性的影響因素及作用機理。
　?。?）研究總結不同含沙量風積沙的力學特性，提出不同含泥量風積沙的力學指標變化范圍，并提出不同含泥量風

5、積沙最大干密度的試驗方法。
　?。?）根據(jù)試驗結果，對不同含泥量風積沙路用性能進行綜合評價，確定出適合作為路基填料的最佳含泥量范圍。
　　結合室內(nèi)試驗研究結果，深入分析不同含沙量風積沙的物理特性、壓實性、強度特性和變形特性，綜合評價了不同含沙量風積沙作為路基填料的工程特性，提出了合適的含沙量范圍。具體研究成果如下：
　　1.不同含泥量的風積沙的物理特性試驗研究
　　通過顆粒級配試驗可發(fā)現(xiàn)，荷臺達—摩卡高速公路含泥

6、風積沙的粒徑主要分布在0.6~0.074mm范圍內(nèi)，屬于中細沙；各沙樣的不均勻系數(shù)Cu顯示，荷臺達—摩卡高速公路含泥風積沙的不均勻系數(shù)均較小，說明顆粒級配不良，粒度均比較均勻。
　　為了研究荷臺達—摩卡高速公路不同含泥量風積沙的工程特性，制備不同含泥量（<0.074mm）的風積沙試樣，制備了含泥量分別為0.5％，5%，10%，50%，55%和80%7種試樣。
　　不均勻系數(shù)Cu反映的是大小不同粒組分布情況。Cu越大表明土粒粒

7、徑的分布范圍越大，其級配就越良好，作為路基填料時，則較容易得到較大的密實度。曲率 Cc表明的是粒徑累積曲線的分布范圍，反映了曲線的整體形狀。一般認為：當土樣同時滿足Cu>5和Cc=l~3兩個條件時，則屬于級配良好。級配試驗結果顯示：不同含泥量風積沙的不均勻系數(shù)Cu大多小于5，只有含泥量為0.5%時，其不均勻系數(shù)Cu=5.13；所有試樣的曲率系數(shù)Cc均在1~3之間，由此可見，大部分的風積沙試樣級配不良。
　　采用比重瓶法對不同含泥量

8、風積沙試樣進行比重試驗。試驗結果表明：隨著試樣含泥量的增大，試樣土粒比重也是逐漸增大的。
　　土的界限含水量是指土的液限和塑限，土的液限和塑限主要是用于劃分土類、及公路設計和施工中。本文采用聯(lián)合測定法測定所有試樣的液限和塑限。對于含泥量較小的試樣(含泥量<4.5%),由于細顆粒土含量少，可以不考慮其液限和塑限。試驗結果表明：隨著試樣中含泥量的增加，試樣的液限、塑限以及塑性指數(shù)均在增大，這是由于隨著粘性含量的增加，試樣中礦物成分發(fā)生

9、變化，含泥量變化時土顆粒之間吸附水膜厚度也在變化。
　　由于含泥風積沙所在地區(qū)的差異性，其天然干密度也不盡相同。荷臺達平原不同含泥量風積沙干密度一般在1.56~1.84g/cm3。盡管含泥風積沙經(jīng)常處于干旱狀態(tài)下，但其天然含水量一般要比純凈風積沙的較高。天然含水量低的地方，含泥風積沙含水量可以不足1%，天然含水量高的地方，含泥風積沙含水量也不會超過10%。隨著季節(jié)的變化，含泥風積沙里的含水量也會不斷變化，變化范圍與含泥量有關，如在

10、春季含水量變化幅度為0.2%~4%，在夏季僅為0.1%~1%。由于蒸發(fā)作用，沙漠表層的含水量小，越往下含水量逐漸增大。含泥風積沙里少量的水分，對于該地區(qū)的植物生長卻有重要的作用。在降雨量小的地區(qū)，含泥風積沙的含水量會更低。
　　荷臺達—摩卡高速公路含泥風積沙由于含有一定含量的細粒土，故具有一定的塑性特性，根據(jù)含泥量的不同，各種風積沙表現(xiàn)出的塑性程度也不一樣。含泥量小的試樣，塑性低，試樣成型困難，且抗剪強度低。
　　荷臺達—摩

11、卡高速公路含泥風積沙基本上具有親水性，即顆粒表面對水有一定的吸附作用，隨著含泥量的增加，親水性越來越強烈。含泥量較小時，風積沙的滲透性較好，地面水會很快滲入地層深處，導致地層表層土常處于干燥狀態(tài)。
　　對于荷臺達—摩卡高速公路含泥風積沙，在含泥量較小時，均不具有濕陷性。
　　含泥量不同，風積沙中的毛細水對路基工程的不利影響程度也不同。因為含泥風積沙的毛細現(xiàn)象主要與孔隙比、含泥量、結合水膜、沙粒的有效粒徑和形狀等有關。含泥量越

12、大，細顆粒越多，比表面積越大，顆粒表面親水性強，毛細現(xiàn)象越強烈。
　　2.含泥風積沙壓實特性試驗研究
　　為了研究荷臺達—摩卡高速公路含泥風積沙壓實特性，本文采用重型標準擊實試驗、干振法和水振法三種不同方法，對不同含泥量內(nèi)積怨沙試樣進行壓實試驗。
　　重型標準擊實試驗結果表明：含泥量在0.56%~9.2%范圍內(nèi)，最大干密度在干燥狀態(tài)下出現(xiàn)，隨著含水量增大，干密度呈下降趨勢；含泥量在9.2%~51.31%范圍內(nèi)，擊實曲線

13、呈不規(guī)則變化，忽上忽下，干密度總體比含泥量小的風積沙要??；當含泥量大于55.89%時，擊實曲線與細粒土的類似，即含水量小于最優(yōu)含水量時，干密度隨著含水量的增加而增大。含泥風積沙最大干密度的變化趨勢是，隨著含泥量的增加，最大干密度呈減小趨勢。
　　干振法試驗結果顯示：含泥量小于51.31%的風積沙試樣表現(xiàn)為類似于風積沙振動性質(zhì)，在一定的時間和振幅下，干密度隨時間增大，振動時間大約在4~8分鐘內(nèi)，試樣達到最大干密度，之后，干密度隨振動

14、時間減??；含泥量大于51.31%時，含泥風積沙干密度隨振動時間一直減小，且干密度較含泥量小于51.31%風積沙的小很多；當含泥量大于55.87%時，干密度下降更明顯，這也說明振動法不適用于細粒土。含泥量為9.2%時，風積沙最大干密度最大，之后，隨含泥量增加，風積沙最大干密度減小。
　　水振法試驗結果表明：含泥量小于51.31%時，干密度在4~8分鐘內(nèi)達到最大值，且含泥量越小干密度總體越大；含泥量大于51.31%時，試樣的干密度整體

15、上小于含泥量小于51.31%試樣的；含泥量小于4.5%時，利用水振法風積沙可以得到較大的干密度；水振法試驗得到的風積沙最大干密度隨含泥量的增大而減小。
　　比較三種試驗結果發(fā)現(xiàn)：采用重型擊實方法時，在含泥量較小時，風積沙最大干密度隨含泥量增加而減小，在含泥量為20%~30%范圍內(nèi)，風積沙最大干密度基本保持穩(wěn)定值不變，含泥量大于30%時，風積沙最大干密度隨含泥量增加繼續(xù)減小。采用干振法時，最大干密度在含泥量為0.56%出現(xiàn)最大值，直

16、到含泥量增加至30%左右，最大干密度隨含泥量變化不明顯，當含泥量大于30%時，最大干密度隨含泥量增加而減小。水振法試驗得到的含泥風積沙最大干密度與含泥量變化規(guī)律與重型標準擊實試驗類似，只是當含泥量小于30%時，水振法得到的最大干密度比重型標準擊實試驗得到的略大一點，當含泥量大于30%時，水振法得到的最大干密度隨含泥量的增加而減小得更明顯。當含泥量小于30%時，水振法得到的最大干密度最大，干振法得到的最小，當含泥量大于30%時，重型標準擊

17、實試驗得到的最大干密度最大，水振法得到的最小?？梢?，不同含泥量的風積沙，應采用不同的擊實方法來獲得更大的干密度。
　　3.含泥風積沙的強度特性試驗研究
　　本文采用直剪試驗、回彈試驗和CBR試驗研究不同壓實度、不同含泥量下含泥風積沙的強度特性。
　　分析直剪試驗結果得出：荷臺達—摩卡高速公路含泥風積沙內(nèi)摩擦角在30°~40°之間，內(nèi)摩擦角與壓實度近似呈線性關系，通過回歸分析，相關系數(shù)均在0.9以上，且內(nèi)摩擦角隨壓實度的

18、增大而增加。對于含泥量小于9.2%的風積沙，其內(nèi)摩擦角整體上均大于含泥量大于51.31%的風積沙的，含泥量為9.2%時內(nèi)摩擦角出現(xiàn)最大值。含泥量大于51.31%時，風積沙內(nèi)摩擦角隨含泥量增加而減小。含泥風積沙粘聚力均較小，且隨含泥量減小而減小。壓實度對含泥風積沙的內(nèi)摩擦角影響明顯，內(nèi)摩擦角隨壓實度增大而增加；在含泥量小于10%左右時，內(nèi)摩擦角隨含泥量增大而增加，含泥量大于10%時，內(nèi)摩擦角隨含泥量增大而減小。
　　回彈試驗結果表明

19、：含量泥風積沙的回彈模量在40MPa~65MPa之間；含泥量小于9.2%時，回彈模量與壓實度近似呈三次多項式函數(shù)關系，回彈模量隨壓實度增加；當含泥量大于51.31%時，回彈模量與壓實度近似呈二次多項式函數(shù)關系，回彈模量仍隨壓實度增加。在壓實度不變的前提下，回彈模量與含量泥量有一定的關系，含泥量小于9.2%時，回彈模量大小較接近，此時含泥量對回彈模量影響不明顯，在含泥量為9.2%時，回彈模量整體達到最大，含泥量在51.31%~84.13%

20、范圍內(nèi)時，回彈模量隨含泥量增大而減小。壓實度對含泥風積沙回彈模量影響顯著，在每個壓實度下，回彈模量大約在含泥量為10%時達到最大值，含量泥量小于10%時，回彈模量隨含泥量增加而增大，含泥量大于10%時，回彈模量隨含泥量增加而減小，含泥量達到55%左右時，回彈模量趨于穩(wěn)定。
　　CBR試驗結果表明：含泥量小于9.2%時，CBR與含水量曲線存在峰值，即CBR值先隨含水量的增加而增大，CBR達到最大值時，又隨含水量的增加而減小，含泥量在

21、51.31%~84.31%范圍內(nèi)時，CBR基本隨含水量增加而增大，但不明顯。CBR最大值對應的含水量隨含泥量增加而增大，含泥量為0.56%時，其對應的含水量為8%，含泥量為84.31時，其對應的含水量為15%左右。在含水量為8%，10%和12%三種情況下，對于含泥量小于9.2%的試樣，浸水和不浸水的CBR值先隨含泥量增大而減小，在含泥量為4.5%時達到最小值，之后 CBR又隨含泥量增大；含泥量大于9.2%時，浸水和不浸水試樣的CBR值均

22、隨含泥量增加而減小，在含泥量達到55%左右時，兩種試樣的CBR值均趨于穩(wěn)定；同一含泥量下，不浸水試樣的CBR值大于浸水試樣的。
　　4.含泥風積沙的變形特性試驗研究
　　采用固結壓縮試驗研究含泥風積沙特性。試驗結果表明：孔隙比并不是隨含泥量的增大一直增大的，含泥量在4.5%~9.2%之間時，孔隙比隨含泥量增大而減小，含泥量在51.31~84.31%范圍內(nèi)時，孔隙比隨含泥增加而增大，且孔隙比整體較大；整體孔隙比在含泥量為0.5

23、6%時最小，此時壓縮系數(shù)也最??；在不同壓實度下，隨著試樣含泥量的增加，壓縮系數(shù)先減小至最小值，之后隨含泥量逐漸增大；含泥量在10%左右時，壓縮系數(shù)達到最小值，沁含泥量大于55.31%時，壓縮系數(shù)隨含泥量的增加更明顯。
　　5.含泥風積沙路用性能評價
　　根據(jù)擊實試驗、直剪試驗、回彈模量試驗、CBR試驗和壓縮試驗結果，分析得出荷臺達—摩卡高速公路含泥風積沙大致可分為三類：（1）風積沙，含泥量小于9.2%；（2）沙、土混合，含泥