干湿循环对道基材料中粗砂的性能影响研究

刘 涛 刘焕存 孙凤玲 蔡 滢

(1.中航勘察设计研究院有限公司，北京 100098； 2.北京市建平工程勘察有限责任公司，北京 102200)

0 引言

南昌青云谱机场填筑材料主要为赣江河砂中粗砂，场道道基受地势影响，在降雨时易形成天然蓄水点，场道道基较长时间处于浸水状态，而在旱季，水位降低，水位随季节交替变化，循环增高或降低，填砂道基在干湿循环作用下的物理力学性质是否发生变化有待研究，道基承载力在湿循环作用下发生的变化有待探索。

国内外对干湿循环下中粗砂的变化规律研究较少，汤运昌等通过室内试验研究干湿循环作用下尾矿砂的强度特性，发现其应力应变关系，且经历多次干湿循环尾矿的残余偏应力较未经历干湿循环尾矿提高近31．60%，其破坏后承载能力明显增强； AL-Homoud等、Zhang等、Nowamooz等研究发现膨胀土的变形在第一次干湿循环时最为明显，且在经历3次～5次循环后达到平衡状态。

1 工程概况

南昌青云谱机场是江西洪都商用飞机股份有限公司兴建的军用试飞机场，机场为3级永备机场，位于江西省南昌市昌东部高新开发区麻丘镇，距南昌市公路里程约24 km，跑道尺寸3 600 m×60 m(不含道肩)，滑行道尺寸3 600 m×25 m，整个跑滑系统占地面积约70万m2，道面标高约为17.0 m～18.5 m。

已有研究表明，在中低压缩性地基上，跑道道面附加应力影响深度约为4 m，因此本场地内绝对标高+0. 00 m～-4. 00 m范围内地层力学性质是研究的重点。

跑道主要地层由赣江河砂、粉质粘土、粉土、细砂、中砂等组成。

各地层厚度及层顶标高如表1所示。

表1 各地层厚度及层顶标高

2 干湿循环次数对中粗砂力学性能的影响

为了研究干湿循环次数对道基材料中粗砂力学性能的影响，在青云谱机场滑行道北侧、协转坪西侧50 m的航空城生产区预留地进行了机场场道反复浸水的模拟试验，4个试验区A,B,C和D，分别浸水0次,1次,3次,5次，测量每次干湿循环后中粗砂层的压实度λ、加州承载比试验的室外CBR值、道基反应模量k0，试验区位置如图1所示。

2.1 压实度试验

采取灌砂法进行压实度试验，在A，B，C和D一共4个试验区分别做3个压实度，参照MH/T 5020—2011民用机场检测规范要求，压实度试验结果如表2所示。

表2 压实度试验结果表 %

由表2数据分析得到A，B，C，D 4个试验区的压实度分别为：A区压实度0.953，B区压实度0.952，C区压实度0.959，D区压实度0.951。而A，B，C，D 4个试验区干湿循环次数为0次，1次，3次和5次，即随着机场场道干湿循环次数n的增加，压实度λ基本稳定不变，两者之间不存在正比或者反比关系，由表2绘制出的试验结果曲线图如图2所示。

2.2 室外加州承载比试验

采用CBR试验仪进行，对4个试验区分别选取3个点，借助道基反应模量的加载装置提供反力，同时避开压实度试验点和道基反应模量试验点，试验结果见表3，图3。

表3 室外CBR试验结果表

计算加州承载比CBR2.5和CBR5.0，计算公式按照：CBR=P1/P0×100%。

其中，P1为荷载压强，MPa；P0为标准压强，当贯入量为2.5 mm时为7 MPa，当贯入量为5.0 mm时为10.5 MPa。

A～D试验区的干湿循环次数n从0～5是逐渐递增的，而室外CBR值按照均值依次是10.76,9.36,7.15和5.21是逐渐递减的，室外CBR值和干湿循环次数n存在反比关系。

2.3 室内加州承载比试验

从试验区的回填材料采用中粗砂。回填完成后，各项试验开始之前，取样3组中粗砂(A,B,C)，每组中粗砂150 kg，送至试验室，测定试样(A,B,C三组)的标准最大干密度和最优含水率。然后按最优含水率备样，因为每组需要制备3 种干密度试样(30击、50击、98击)，一共要9 个试样/组。做好的试样泡水测量膨胀量，通常浸泡4 昼夜，然后在室内CBR仪器上做贯入试验，测量材料的CBR值结果见表4，图4。

表4 室内CBR试验结果表

在3个区域压实度λ分别为93，94，96的情况下，随着压实度λ的递增，室内加州承载比CBR也跟着递增，两者之间存在正比例关系；干密度与室内加州承载比CBR也存在也一定的正比例关系。

2.4 道基反应模量试验

采用堆载法进行道基反应模量试验，对A，B，C和D 4个试验区 分别做3个道基反应模量，分级加载。用15.4 kN先进行预压一次，卸载，记录百分表初始值，然后分级连续加载，0.000 MPa(0.00 kN)→0.034 MPa(15.46 kN)→0.069 MPa(30.93 kN)→0.103 MPa(46.39 kN)→0.137 MPa(61.85 kN)→0.172 MPa(77.31 kN)→0.206 MPa(92.76 kN)，各级荷载稳定1 min，并待沉降速率小于0.25 mm/min时，进行下一级加载，记录各级压力p和沉降量s计算道基反应模量k0，k0=PB/0.001 27，其中，k0现场测得的道基反应模量,MN/m3；PB承载板下沉量为1.27 mm时所对应的单位面积压力,MPa。试验结果见表5，图5。

表5 道基反应模量试验结果表 MPa/m

A～D试验区的干湿循环次数n是逐渐递增的，而道基反应模量k0是逐渐递减至趋于平衡稳定的，所以道基反应模量k0和干湿循环次数n在1次以内存在反比关系，1次之后，道基反应模量值k0不再随着干湿循环次数n的增加发生递减，而是保持在一个较为稳定的范围内。而道基反应模量k0与地基承载力Q之间为正比例关系，所以地基承载力Q和干湿循环次数n在1次以内存在反比例关系，1次之后，地基承载力Q不再随着干湿循环次数n的增加发生递减，保持在一个较为稳定的范围内。

3 结论

1)试验通过模拟机场场道，对场道道基材料中粗砂浸水干湿循环次数n(0,1，3,5)，测量出的4个试验区压实度λ，压实度λ不随着干湿循环次数n的增加发生明显变化，而是基本稳定；

2)通过模拟机场场道，对场道道基材料中粗砂浸水干湿循环次数n(0,1,3,5)，测量出4个试验区加州承载比室外CBR，4个试验区的干湿循环次数n是逐渐递增的，而室外CBR是逐渐递减的，即室外CBR值和干湿循环次数n存在反比关系；

3)室内CBR在3个区域压实度λ分别为93,94,96的情况下，随着压实度λ的递增，室内加州承载比CBR也跟着递增，即室内加州承载比CBR与压实度λ之间存在正比例关系；

4)试验通过模拟机场场道，对场道道基材料中粗砂浸水干湿循环次数n(0,1,3,5)，测量出的4个试验区道基反应模量k0，道基反应模量k0与干湿循环次数n关系表明，场道地基承载力Q与干湿循环次数n在n≤1次循环时，存在反比例关系，且是一个陡降的变化，在n≥1次循环后，场道地基承载力Q不随着干湿循环次数n的增加发生明显变化，而逐渐趋于稳定，且k0≥40 MPa/m，符合MH/T 5027—2013民用机场岩土工程设计规范4.42规定，为机场场道道基安全维护问题提供了重要的指导意义。