长江青砂压实和承载强度特性研究*

方　正　李　磊　柳子尧　罗　蓉　冯光乐

(武汉理工大学交通学院1)　武汉　430063)　(湖北长江路桥股份有限公司2)　武汉　430212) (湖北省交通厅工程质量监督局3)　武汉　430014)

长江青砂压实和承载强度特性研究*

方正1)李磊2)柳子尧1)罗蓉1)冯光乐3)

(武汉理工大学交通学院1)武汉430063)(湖北长江路桥股份有限公司2)武汉430212) (湖北省交通厅工程质量监督局3)武汉430014)

摘要：针对填砂路基施工过程中施工机械容易发生陷轮的现象，选取湖北潜江至江陵高速公路江陵段中的填砂路基进行了室内加州承载比试验，探讨了青砂的压实度和CBR值在含水率，以及击实功变化下的变化情况.研究结果表明，在击实功较小时，青砂CBR峰值含水率要略小于其最佳含水率，对于不同击实功，青砂CBR峰值都对应于最大干密度处；试验室及现场结果都说明在当地夏季阴天气候条件下，对洒水半天后的青砂进行碾压，不会产生机械陷轮的现象；在施工过程中需要不断洒水，维持青砂的含水率在最佳含水率附近，从而保证青砂碾压后的压实度.

关键词：青砂；含水率；击实功；压实度；加州承载比(CBR)

0引言

在江汉平原地区，由于地下水位高，往往需要填筑较高的路基，而由于某些地带土资源较为匮乏，高速公路的修筑当中需要寻找其他的路基填料.湖北潜江至江陵高速公路的江陵段临近长江，拥有丰富的河砂资源，而河砂作为路基填筑材料对项目而言是一种经济又方便的选择.砂作为一种路基填筑材料，具有水稳定性好、透水性强、饱水易压实的特点，但同时也存在易沉陷、干稳定性差等缺点[1].项目的施工过程中，由于对洒水后的砂路基的强度不能进行很好的主观判断，往往会出现砂的承载力不够，导致机械陷轮的问题.

目前我国施工规范中没有关于填砂路基施工工艺及质量检测标准[2]，国内关于填砂路基的工程实例大多为沙漠戈壁地区的风积沙路基[3]，以及江河密集地区的吹填砂路基[4].由汽车运输河砂在高速公路大规模应用的工程实例较少，仅有江西省乐化至温家圳段高速公路和上海崇明岛接线工程等[5].本文针对填砂路基施工过程中，施工机械容易发生陷轮的现象，并结合项目实际情况，对青砂的压实和承载力进行了相关研究.

1砂的基本性质

1.1青砂的颗粒分析

砂取于湖北省江陵县郝穴镇长江码头，砂为长江内采集的青砂.采用《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)中的筛分法(T 0115-1993)进行颗粒分析试验[6]，其结果见表1.

表1　砂的颗粒分析

由颗粒分析试验结果可得，砂的不均匀系数Cu为3.33，属于不良级配.粒径大于1 mm的砂很少，而0.075 mm以上砂的颗粒超过了总质量85%，根据规范分类为细砂.

1.2青砂的击实试验

参照《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)，在现场和室内试验室分别进行了青砂的击实试验，用来测定青砂的最佳含水率和最大干密度.试验仪器为多功能电动击实仪，试验具体参数见表2.

表2　试验具体参数

依照规范，砂的粒径应该按照轻型击实试验的标准来进行击实试验，但为保证与后续的CBR试验试件的一致，统一采用重型击实试验的标准.按照干土法制备样料，总共预加了8个含水率，6%，8%，10%，12%，14%，16%，18%，20%，闷料一夜，开始击实试验.分3层进行击实，每层放入1 500～1 700 g砂，每层击实数为98次，将成型后的试件脱模称重，并测得试件的含水率，然后计算出试件的湿密度和干密度.

最终得到青砂的最佳含水率和最大干密度，见图1.

图1　青砂的击实试验

由图1可见，青砂的干密度先是减少然后逐渐增大，在含水率16%处出现了最高点，然后下降.青砂的干密度也有2个峰值，一个最大干密度在含水率5%之前，另一个在含水率16%处.考虑到填砂路基的施工当中，一般都会过量洒水，砂的含水率普遍是大于5%的，因此这里选择16%处的干密度作为青砂的最大干密度，最佳含水率为16%.

2青砂的CBR试验

在填砂路基的施工中，往往会因为砂的强度不够，导致机械无法进行摊铺碾压，而影响砂强度的主要原因是砂的压实度，砂的压实度又由含水率和压实功控制.所以本文在进行砂的承载比试验(CBR)时，考虑了含水率和击实功两方面的影响，分别研究了在30次、50次、98次击实下，不同含水率试件的承载比.

根据击实试验确定的最佳含水率为16%，承载比试验选择的5个含水率为10%，12%，14%，16%，18%，为保证同击实试验的一致性，试验仪器采用同击实试验一样的多功能电动击实仪，试验参数也保持一致.

2.1青砂的干密度和湿密度

不同含水率以及击实功下，试件干密度和湿密度见图2～3.

图2　干密度随含水率以及击实功的变化曲线

图3　湿密度随含水率以及击实功的变化曲线

由图2～3可见，随着击实功的增加，试件的干密度和湿密度都在增大.从图3可以得到，不同击实功作用下，试件湿密度随着含水率的增大呈上升趋势；在图2中可以得到，在30和50次击实下，试件干密度在12%左右达到最大值，而在98次击实下，试件干密度在16%处达到最大值.这说明试件在30次和50次击实下的密实情况与98次有一定的区别，在30次和50次击实下的最佳含水率相对于98次击实下的最佳含水率偏小，但是击实次数越多试件都越密实.

2.2青砂的CBR值

在试件成型以后，在试件上添加荷载板和百分表，读取百分表的读数，然后在水中浸泡4 d.养护完成之后，取出试件读取百分表读数，并利用路面强度测试仪，进行承载比的试验，具体步骤见图4.

图4　承载比试验过程

试验完后，根据路面强度测试仪上的百分表读数，利用公式计算出青砂的承载比(CBR).具体试验数据见表3和图5.

表3　不同含水率和击实功下的青砂的CBR值

图5　青砂CBR随含水率以及击实功的变化曲线

由图5可知，在30次击实的条件下，不同含水率的试件承载比变化不大，在50次击实的条件下，试件在含水率12%处的承载比最大，而不是在最佳含水率16%处，并随着含水率的增加承载比不断下降，在98次击实的条件下，试件在16%处的承载比最大.

结合图2可见，在 50次击实条件下，试件干密度最大时，试件的CBR也达到峰值(含水率12%的试件，干密度为1.57，CBR值为7.2)，说明砂越密实，其承载能力也越强.可是在30次击实条件下，试件干密度最大时，其CBR值并不是最大(含水率12%的试件，干密度为1.53，CBR值为3.94，CBR不是最大).分析其原因，在30次击实条件下，如图5所示，5个含水率试件的CBR值变化不大(3.54～4.09)，并且远小于50次击实条件下的试件CBR值(4.5～7.2)，这说明在30次击实条件下，试件不够密实，此时试件承载力随含水率的变化并没有明显规律，并且承载能力较弱.

图5中，在98次击实条件下，试件在含水率16%处的干密度达到峰值，其承载比的变化规律与干密度的变化一致，因此也说明对于该青砂，越密实其承载能力就越强.对比50次和98次击实，可以发现青砂的最大干密度不在同一个点处，说明击实功对青砂的最大干密度和最佳含水率有影响.

3青砂含水率的变化规律

当砂的含水率接近最佳含水率时，砂料有较好的承载力，进行机械碾压也可使砂料的压实度更高，保证填砂路基的强度.实际施工过程中，一般会对摊铺完后的砂料进行过量洒水，然后等待一段时间，使砂料含水率到最佳含水率并具有一定强度后再进行碾压.因此，对青砂的含水率随时间的变化规律进行了相关试验，来确定施工中过量洒水后的青砂，进行碾压所需等待的时间.

由于青砂含水率随时间的变化规律与施工环境的温度、湿度、风速等众多因素有关，在进行模拟试验时，重点考虑温度对其含水率的影响.青砂初始含水率为25%，置于室外避光处，室外温度为22.2～28.4 ℃，相对湿度81.4%～96.6%，风速为1.7～3.3 m·s-1，每隔1 h取样烘干测定含水率，青砂含水率随时间变化，见图6.

图6　青砂含水率随时间的变化

由上文可知，青砂从初始含水率25%下降到了最佳含水率16%大约需要12 h时间，然后在晚上会少量的吸水，在36 h后含水率下降到13%.结合试验数据，在施工现场，对洒水半天后的青砂进行碾压，发现不会产生机械陷轮的现象，并且在施工过程中不断洒水，使青砂的含水率维持在最佳含水率附近，从而保证青砂碾压后的压实度.

4结论

1) 对于青砂来说，干密度随含水率的变化曲线是一个双峰曲线，存在2个干密度峰值，但第1个最大干密度对应的含水率一般小于5%，而在填砂路基施工中一般是过量洒水，含水率肯定是大于5%的，所以选取第2个干密度峰值1.63 g·cm-3作为青砂的最大干密度，最佳含水率为16%.

2) 击实功不同时，青砂的CBR峰值对应的含水率也不相同，击实功较小时，青砂CBR峰值出现于最佳含水率之前，击实功较大时，青砂CBR峰值与最佳含水率相对应.

3) 不同的击实功以及含水率下，青砂的CBR峰值都对应于其最大干密度，说明青砂越密实，其承载力也越高.因此，施工需要保证青砂压实度达到规范的要求.

4) 根据青砂含水率随时间的变化规律，总结出了洒水后的青砂需要放置半天再进行碾压，可以避免出现机械陷轮的现象，碾压过程中需要适量洒水，使青砂的含水率在最佳含水率附近，保证青砂路基的压实度.

参 考 文 献

[1]董明.砂土填筑高速公路路基新技术[J].甘肃科技,2006,22(1):54-55.

[2]中交第一公路工程局有限公司.公路路基施工技术规范：JTG F10-2006[S].北京：标准出版社，2006.

[3]董秀坤.毛乌素沙漠地区特殊路基处理技术研究[D].西安：长安大学,2011.

[4]张务民.路基用吹填泥砂稳定性能研究[J].中外公路,2011,31(3):1-5.

[5]张利杰.河砂在路基填筑中的应用研究[D].济南：山东大学,2012.

[6]交通部公路科学研究院.公路土工试验规程：JTG E40-2007[S].北京：标准出版社，2007.

Characterization of the Compaction and Bearing Strength of the Yangtze Sand

FANG Zheng1)LI Lei2)LIU Ziyao1)LUO Rong1)FENG Guangle3)

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)1)(ChangJiangRoadandBridge,Wuhan430212,China)2)(EngineeringQualitySupervisionBureau,TransportationDepartmentofHubeiProvince,Wuhan430014,China)3)

Abstract：Indoor California Bearing Ratio (CBR) tests are performed on Yangtze sand, which is sampled from the raw materials used for the sand-filling subgrade construction in the Jiangling section of the Qianjiang-Jiangling Highway, Hubei Province, to investigate why the wheels of the construction trucks are prone to sink during the sand-filling subgrade construction period. CBR tests serve the purpose of investigating how the degree of compaction and the CBR value of Yangtze sand changed with the water content and compaction work. The test results indicate that 1) the water content at the maximum CBR value is slightly lower than the optimum water content when the compact work is relatively small; 2) the CBR value reaches to the maximum value at the maximum dry density regardless of the compact work. It can be concluded from laboratory and field tests that 1) the sink of construction truck wheels could be avoided if it is half a day after the water pouring to the subgrade when the rolling compaction on the sand-filling subgrade is conducted in the local overcast climate; 2) water should be constantly poured on the subgrade during the sand-filling subgrade construction period so as to maintain the water content of Yangtze sand around the optimum water content and to ensure the degree of compaction.

Key words：green sand; moisture content; compaction work; degree of compaction; California bearing ratio (CBR)

收稿日期：2016-04-19

中图法分类号：U415.6

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.03.032

方正(1994- )：男，硕士生，主要研究领域为道路工程

*湖北省交通运输厅交通运输建设研究项目资助(2014-721-2-6)