清伊高速公路风积沙路基压实参数设计分析

关晖

摘要：风积沙路基经过一定的压实处理后，可以满足现代公路施工要求，变废为宝，降低综合成本。文章以新疆清伊高速公路某路段为例，介绍了风积沙路基的压实参数设计，对项目区风积沙力学性能进行分析，得出其为较理想的路基填筑材料，并通过分析路基压实干密度影响因素，设计了最佳含水量及压路机的振动频率、时间、振幅等参数，可为类似施工提供数据参考。

关键词：高速公路;力学特性;影响因素;压实参数

中国分类号：U416.1+6文献标识码：A

0 引言

我国新疆地区面积辽阔、地广人稀，同时也分布了大面积的沙漠和戈壁滩，环境较为恶劣。但新疆作为“西部大开发”“新丝绸之路经济带”的重要一环，交通建设必然是先行者。风积沙是新疆很多地区的常见地质条件，在这种地基上建造高速公路，前期必须进行碾压处理。

1 工程概况

新疆清伊高速公路（清水河至伊宁）全长57 km，设计为双向四车道一级公路标准，设计时速为120 km/h，路面设计宽度为22 m。经地质勘查，其中有一段长约453 m的地方为风积沙路基。为保证路基的坚固稳定性，经专家组商议，需要对该段风沙路基进行击实处理，本文重点对击实参数设计和施工要点进行分析。

2 清伊高速风积沙力学特性及击实影响因素分析

2.1 清伊高速风积沙力学特性分析

风积沙的工程力学特性是对交通建设最为重要的参数，包括抗剪强度、承载比、回弹模量等，准确测定这些参数对路基处理有着直接影响[1]。

2.1.1 抗剪强度分析

路基土抗剪强度对于路基强度有重要意义。在此取项目路段沙样20瓶，均为风干状态（密度1.65 g/cm3），利用“直剪仪”检测其抗剪强度。设计剪切沙样直径为6.5 cm，高度为10 cm，四种不同垂直载荷为100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa。试验结果如下页图1所示。

根据式（1）“库伦-剪切强度准则”公式[2]，由于沙样粘聚力较小，为方便计算在此忽略不计。最后可知：本项目路段风积沙抗剪强度τ与垂直压力σ呈正相关，相关系数约为1。对于维持路基边坡稳定完全没问题。

2.1.2 压缩特性分析

风积沙的压缩特性对于分析路基稳定性及沉降量意义重大。在此通过压缩试验来测定不同载荷作用下沙样的沉降量，沙样均为风干状态（密度为1.65 g/cm3）。具体试验统计数据及曲线图分别如表1及图2所示。

由表1及图2可知：（1）沙样下沉量同载荷呈正比关系，载荷越大，沙样下沉量越大;（2）沙样下沉在很短时间内完成（0.2 min以内），之后几乎不产生徐变，这也有利于公路建设;（3）在1.0～2.0 MPa之间，沉降量产生了一个较大的变化，说明超过1 MPa，沙样孔隙率会大大降低[3]。

2.1.3 回弹模量分析

为检测项目路段风积沙回弹模量，在此设计为现场试验。根据施工经验，共设计三个填筑厚度（50 cm、70 cm、90 cm），为保证结果准确性，样本分别取10个。具体试验数据如下表2所示。由相關数据可知：（1）风积沙填筑厚度越大，弹性模量数值会越大;（2）随着风积沙含水量降低，弹性模量会增大（表2数据未显示）;（3）总体而言，相对于粉土和黏土，本项目路段风积沙的水稳定性要好很多，适合公路建设[4]。

2.2 风积沙路基压实参数影响因素分析

为了保证风积沙路基有足够强度和稳定性，必须进行压实处理，而击实的本质目的是尽量将土体中的气体、水分逼出，使颗粒之间相互错动靠近，从而提高密实度。对于本项目路段风积沙来说，其内部粘聚力可以近似看作0，因此进行击实试验就是为了获得项目路段风积沙的最佳干密度及含水量，为指导以后施工收集数据。

2.2.1 含水量

前文已经说明沙样含水量与弹性模量呈反比关系，而含水量还会对风积沙的内摩擦力产生重要影响。根据其他学者得出的结论：风积沙含水量与干密度之间并非存在直线关系，而是折线关系（见图3）。由图可知：含水量在A点时，风积沙含水量为0，此时干密度为一个较大数值;当含水量增大到B时，干密度呈下降趋势;当含水量再增大到C时，干密度又呈上升趋势，而且会达到一个最大值。而对于风积沙路基来说，C点是最佳含水量点[5]。

2.2.2 击实功

击实功包括振动频率、方式、时间、振幅等，也是影响风积沙干密度值的重要参数之一。大量学者通过研究发现：对于同一种材料，击实功越大，最佳含水量值越小，而最大干密度值会越大。但是当击实功达到一定数值后，对最佳含水量、最大干密度值影响会减弱甚至消失。因此不能一味追求大击实功，否则既增加了施工成本，又无法提高实际效果，经济性会变差。

3 清伊高速风积沙路基压实参数设计分析

参考其他类似工程经验，本项目设计采用振动压路机对风积沙路基进行压实施工，而其振动频率、振幅、重量等参数均可以调节，因此需要根据本项目实际情况来确定最适合的击实参数。

3.1 最佳含水量设计

在此利用“小筒击实试验”先确定风积沙最佳含水量，从0%上升至14%，每0.5%设定一档，最后将测定数值用曲线拟合。本项目测试结果如图4所示[6]。根据结果可知：本项目路段风积沙最佳含水量为12.5%，以下试验均按照该值进行。

3.2 压路机振动频率设计

振动压路机的振动频率范围为25～50 Hz，在此共对压路机设计5组不同频率进行对照，其他参数均一致（振幅1.0 mm，时间3 min，配重4块）。试验结果如表3所示[7]。由数据可知：当振动频率由30 Hz升至45 Hz过程中，风积沙干密度值均为上升趋势，超过45 Hz后，数值下降。因此确定本项目风积沙压实施工最佳振动频率为45 Hz。

3.3 压路机振动时间设计

振动压路机的振动时间范围为2～5 min，在此共对压路机设计4组不同频率进行对照，其他参数均一致（频率45 Hz，振幅1.0 mm，配重4块）。试验结果如表4所示。由数据可知：当振动时间由2 min增至3 min的过程中，风积沙干密度值均为上升趋势，超过3 min后，数值下降。因此确定本项目对风积沙压实施工最佳振动时间为3 min。

3.4 压路机振幅设计

在此共对压路机设计6组不同振幅进行对照，其他参数均一致，试验结果如表5所示。由数据可知：当振幅由0.2 mm升至1.0 mm过程中，风积沙干密度值均为上升趋势，超过1.0 mm后，数值下降。因此确定本项目对风积沙压实施工最佳振幅为1.0 mm。

4 结语

风积沙路基是我国西北地区常见地质条件之一，若无特殊病害，只要处理得当，该类路基的结构坚固度、稳定性还是很好的。清伊高速公路该段路基经过压实处理后，各项指标均达到规范要求，路面也很顺利地铺设完成。投入使用两年后，该路段并未发生任何地基塌陷、沉降问题，取得了良好的社会经济效益。

参考文献：

[1]胡建荣，张 宏，张海龙，等.沙漠区风积沙路基水盐迁移规律[J].交通运输工程学报，2017（3）：38-43.

[2]严少发，高 东.浅谈沙漠地区风积沙路基干压法施工技术[J].铁道工程学报，2010（7）：13-16.

[3]阚志涛，谢立扬，徐信芯.风积沙路基干压法施工壓实设备的选择研究[J].筑路机械与施工机械化，2013（4）：59-62.

[4]张生辉，王新民，陈忠明.沙漠地区高速公路风积沙路基压实方法研究[J].公路交通科技，2014，21（8）：29-33.

[5]张维仁，钱燕青，李彦国，等.浑善达克沙地风积沙路基湿法施工[J].公路，2009（12）：84-86.

[6]李志勇，梁乃兴，梅迎军.风积沙路基压实度检测方法研究[J].重庆交通大学学报（自然科学版），2005，24（1）：73-76.

[7]袁玉卿，王选仓.风积沙压实特性试验研究[J].岩土工程学报，2007，29（3）：360-365.