沙漠地区风积沙路堤填筑压实技术研究

刘彦珍 刘安宁

摘要 依托乌玛高速宁夏中卫段是真正意义上穿越沙漠腹地的第一条高速公路。文章对项目区域风积沙的工程特性和影响压实影响因素进行分析和室内外试验研究，提出适合宁夏腾格里沙漠地区风积沙最大干密度获得方法，进而研究该地区风积沙路堤的压实方法与施工工艺。研究表明：宁夏腾格里沙漠的风积沙与其他风积沙一样，在干燥状态和最优含水率状态均可获得较密实状态;含水量与风积沙的压实效果有较大相关性，无论采用哪一种压实方法，都应该加强对含水量的控制。

关键词 腾格里沙漠;风积沙;最大干密度;压实效果

中图分类号 U416.16 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）07-0118-03

0 引言

乌海至玛沁公路（宁夏境）青铜峡至中卫段工程穿越国内四大沙漠之一的腾格里沙漠腹地。沙漠地区筑路材料缺乏，本着就地取材、降低工程造价的原则，采用风积沙进行路基填筑可以有效降低工程造价及利用路基开挖风积沙。风积沙路堤填筑质量对路基强度和整体稳定性至关重要，选择合适的压实、试验检测方法可以起到保证路基填筑质量的关键作用。

国内外工程师已针对风积沙填筑路堤进行了大量研究，李志勇[1]的研究表明风积沙的压实取决于颗粒间的重新排列和压实功两方面。曹源文等人的试验研究结果表明[2]：就风积沙而言，采用振动压实要比采用击实试验的效果要好，同时采用振动压实过程中，风积沙试样的干密度与振动加速度呈正相关性。张浩[3]等的研究表明冲击振动作用对路基中下层作用明显，表层在冲击振动作用下较松散。陈晓光等通过试验研究表明[4]，风积沙最大干密度确定方法应根据颗粒粒径小于0.075 mm的颗粒含量占比进行确定，占比大于23%时宜采用标准击实法，占比小于23%时宜采用振动法。该文在其研究基础上针对宁夏腾格里沙漠的风积沙进行室内最大干密度试验及室外压实试验，为高速公路路基建设提供技术指导并总结经验为今后类似工程提供参考。

1 风积沙工程属性及压实影响因素

1.1 研究区域风积沙的物理性质及颗粒组成

项目区域在宁夏回族自治区中卫市境内，处于腾格里沙漠南缘，风积沙范围广，沙层厚度大，如图1所示。西北风为主要风向，沙丘多呈格状沙丘链及新月形沙丘链，沙丘高度约1.0～3.0 m。项目区域干旱少雨，水分蒸发速度快、早晚温差大、日照充足。该项目施工区域风积沙（路基填料）主要粒径介于0.075～0.25 mm，表层20 cm以内干燥层天然含水率为0.3%～0.5%，干燥层以下沙层含水率为1%～3%。根据取样筛分试验结果，0.075 mm以上占总质量94.5%。

1.2 风积沙的压实影响因素

路堤的压实是指在压路机等筑路机械的碾压或者冲击荷载等外力作用下，使得路堤填料颗粒重新排列组合由松散状态到密实状态[5]。首先是在碾压或冲击荷载作用下克服了路堤填料原始骨架的土颗粒分子之间的作用力使土颗粒松散，进而在荷载作用下，使松散的土粒重新排列组合的过程。

风积沙是一种无粘性土，颗粒间状态极为松散，储水能力弱，与普通筑路材料不同，风积沙的压实也与常规土料略有不同[6]，影响风积沙压实的因素有以下几个方面：

（1）含水率，此前大量研究均已表明风积沙的击实曲线具有“双峰值”现象，即风积沙可在干燥状态和最优含水率状态下均可获得密实状态。

（2）压实工艺，不同的压实工艺如碾压遍数、碾压组合等对筑路材料的压实效果有不同的影响，风积沙也不例外。

（3）其他因素如压实功、风积沙的颗粒级配等，均会对风积沙的压实产生影响。

1.3 最大干密度确定

根据依托工程工地试验室击实试验资料，乌玛高速所处路段腾格里沙漠腹地的击实曲线如图2所示。

从击实特性曲线可以看出，乌玛高速所处的腾格里沙漠风积沙与其他沙漠风积沙击实曲线相似，符合风积沙普遍击实规律，在含水率为0以及其最优含水率15.4%时，最大干密度基本保持一致为1.68 g·cm-3，这也进一步反映了风积沙填筑采用干压及湿压均可以达到最佳压实特性，而且通过击实曲线也可以发现，在干燥状态之后的一段范围内，随着含水率的增大，干密度急剧降低，至最低点后随着含水量增加逐渐增大，至最优含水率处获得第二个峰值。

以依托工程沙漠风积沙作为试验样品，分别采用重型击实试验、振动试验法进行试验，试验结果见表1所示。

试验结果表明：风积沙的击实曲线明显不同于传统筑路所用的材料;采用重型击实试验和振动台两种试验方法都可以得出风积沙的最大干密度，但所得数据有明显偏差，试验表明饱水振动台试验得到的最大干密度为1.78 g·cm-3，干振动台法得到的干密度次之为1.72 g·cm-3;重型标准击实试验得到的干密度最小仅为1.68 g·cm-3。风积沙采用振动台法得出的最大干密度与重型击实试验得出的最大干密度相比较要高出0.04～0.1 g·cm-3。

2 風积沙室外压实试验研究

基于上述认识，对于风积沙路基的压实，可根据项目所在地的水源情况选择在不同的含水率下压实，即选择干压实、湿压实施工工艺。在水源比较充足、取水方便的地区，可优先选择湿压实施工工艺;对于水源缺乏、取水不易的地区，宜采用干压实施工工艺。为了获得最佳压实效果，采用两种压实方法对试验段进行研究。

2.1 现场压实试验

试验段采用2台22 t双驱振动压路机施工，碾压遍数与最大干密度关系见表2、图3、图4所示。

试验段试验结果表明在采用干压法时振动压实第三遍前后，即可获得较好的压实效果;采用湿压法，在最佳含水率状态，静压一遍到静压一遍+振压三遍压实度都可以满足压实度要求。振动压实三遍以后干密度不再明显增加，甚至有下降趋势。与干振法对比，湿压法获得的最大干密度大于干压法，也就是说湿压法的压实效果要优于干压法。

分析其结果可以得出為何湿压法整体压实效果要比干压法好，第一个峰值状态下的含水率（干压法）控制相比于第二个峰值状态下的含水率控制更难，风积沙的压实对含水率非常敏感，一旦超出一定范围，压实效果明显下降。此外从现场含水率监测情况来看，随着碾压遍数的增加，含水率不断减少，水分散失较快。水分散失后再压实时最大干密度不仅不增加反而降低。

2.2 压实度检测方法

对实验段现场检测结果进行分析，相同碾压振动工艺所测得的试验结果可以看出，压实度的增大，不管采用灌砂法还是浸水环刀法，所测得的干密度数值相差并不大，根据所测数据的离散性可以得出浸水环刀法所测得的干密度变化幅度相对较小，也就是采用该方法平稳性相对较好，而采用灌砂法测出的干密度数据离散程度较大，即平行误差较大[7]。图5为现场压实与压实度检测情况。

对于在最优含水率状态下压实风积沙，压实度检测可采用直接环刀法或灌砂法进行测定;在干燥状态下压实风积沙时，压实度检测宜采用浸水环刀法测定，所得数据离散性较小，但应注意消除由于含水量分布不匀等因素带来的影响。此外，由于在干燥状态下压实，表层会有浮沙层存在，在检测压实度时，不管采用哪种方法，都需要将表层松散的风积沙进行清除[8]。

3 结论

（1）研究结果表明，采用的风积沙的击实曲线具有典型的“双峰值”现象，由击实曲线得出最优含水率为15.4%，风积沙在干燥状态和最优含水率状态均可得到较好的密实程度，即采用干压和湿压均可达到最佳压实特性。

（2）根据采用不同干密度试验方法对比结果可知，风积沙采用振动台法得出的最大干密度要比重型击实试验得出的最大干密度高出0.04～0.1 g·cm-3。风积沙宜采用振动台法较为合理，但是考虑到地区之间风积沙性质存在差异，结合《公路土工试验规程》，最大干密度确定方法应采用不同试验方法做平行试验，结果取大值。

（3）在饱水状态或最佳含水率状态下的风积沙天然密实度较高，这是因为第二峰值状态下含水率控制较第一峰值状态下相对容易。含水率对风积沙压实具有很大相关性，不管采取哪种压实方法，都需要对含水率给予高度重视。

（4）规范要求的任何一种检测方法均可用于风积沙压实度的检测，采用振动干压法时，压实度检测宜采用浸水环刀法，该方法检测压实度的平行误差较小，但同时须注意在试验时应消除由于含水量分布不匀等因素的影响。

参考文献

[1]李志勇. 风积沙的压实机理及路用承载力研究[D]. 重庆：重庆交通学院， 2003.

[2]曹源文， 钟家森， 马丽英， 等. 风积沙路基压实度测定关键技术及方法[J]. 筑路机械与施工机械化， 2007（5）： 18-19+28.

[3]张浩， 胡江洋， 折学森， 等. 沙漠地区某高速公路风积沙压实特性与压实工艺研究[J]. 铁道科学与工程学报， 2015（4）： 806-811.

[4] 陈晓光， 罗俊宝， 张生辉， 等. 沙漠公路成套技术创新和发展[J]. 公路交通科技（应用技术版）， 2008（S1）： 295-301.

[5]王向华， 高举怀. 腾格里沙漠腹地风积沙路基干压法施工技术研究[J]. 中华建设， 2020（29）： 270-271.

[6]薛飞. 风积沙填筑路基的边坡稳定性与工程防护措施[J]. 黑龙江交通科技， 2019（6）： 15-18.

[7]李红. 风积沙路基的基本特性及施工要点研究[J]. 甘肃科技纵横， 2018（11）： 42-44.

[8]刘明江， 吕鹏. 风积沙路基压实试验分析及应用[J]. 甘肃科技， 2017（5）： 60-62+37.