含黏粒风积沙路用性能研究

张武东, 柴安俊, 刘仁伟, 李 伟, 侯天琪

(1.中铁三局集团有限公司, 太原 030000; 2.中铁三局集团第六工程有限公司, 山西 晋中 030600; 3.长安大学, 西安 710064)

风积沙是在风力作用下,土颗粒经过转移、跃迁并沉积形成的特殊土体,广泛存在于沙漠与戈壁地区。在长期的风力作用下,沙源区土颗粒中的细粒(粉粒与黏粒)被带走,大颗粒滞留,这使得风积沙中的中等颗粒占比极高,颗粒粒径均匀且分布集中[1]。沙漠腹地的风积沙基本由粒径0.075 mm～0.25 mm的均匀沙粒构成,沙中的细粒与粗粒含量极少,如塔克拉玛干腹地风积沙的细粒与粗粒含量就不超过总量的8%。此外,在沙漠边缘和平原地区的过渡带,这里的流动沙体被固定,随着地表植被的生长与环境的成土作用,风积沙颗粒组成的复杂程度发生改变,沙土中的黏粒含量逐渐升高,黏粒对风积沙工程特性有显著影响[2]。

黏粒含量的升高会显著改变风积沙的工程特性。为此,诸多学者开展了含黏风积沙静、动力学特性试验,探讨了细粒含量对风积沙力学特性的影响。张龙菊等[3]开展了不同含黏量风积沙的直剪试验,结果表明风积沙的直剪强度随着含黏量的升高而增加,风积沙的黏聚力随含黏量的升高提升显著,内摩擦角随含黏量的升高呈线性降低。朱建群[4]开展了含细粒砂土的固结不排水三轴剪切试验,研究了细粒含量对砂土抗剪特性的影响,结果表明随着含黏量的升高,砂土的峰值抗剪强度有所降低并逐渐趋于稳定,细粒的加入降低了砂土的残余抗剪强度,但随着含黏量升高,土体的残余抗剪强度发生明显回升,细粒含量对砂土的应力-应变曲线影响显著。孟锋[5]开展了不同压实度下珊瑚钙质砂的固结排水三轴试验,研究了围压、颗粒破碎程度与相对密度对钙质砂的临界剪切状态的影响。杨瑞雪[6]探究了细粒含量对砂土抗剪强度与动力特性的影响,发现细粒主要影响了砂土的黏聚力,对砂土的内摩擦角影响较小,细粒的加入能有效提升砂土的动力性能,砂土的动力特性受围压改变的影响较小。综上所述,细颗粒的存在对砂土等粗粒土的力学特性变化十分显著,既利于砂土的压实与强度提升,但同时又受温度和盐分的影响,使得含细粒砂土后期服役性能显著下降,出现大量路基病害。

随着地区经济发展需求不断增加,交通网络需不断完善,大量不同黏粒含量风积沙被用作路基填料,在其使用过程中,需要考虑到其较为特殊的使用环境和材料特性,以确保其具有良好路用性能[7-10]。为此,本文研究了不同细粒含量对风积沙路用性能的影响,旨在为风积沙道路的设计和施工提供科学参考。

1 工程概况

新疆若民沙漠高速公路位于阿尔金山及昆仑山北麓,塔克拉玛干沙漠南部边缘,东起若羌县,途径且末县,一路与315国道伴行,终点接于民丰县,路线全长530.202 km,设计速度120 km/h,双向4车道,路基设计宽度27 m。

该区域属于典型的大陆沙漠性气候,主要受南疆大型天气系统所操纵,项目区气象如表1所示。公路自然区划为Ⅵ2区,气候表现为四季分明,昼夜温差大,干旱少雨,且末县路段年均降水量18.6 mL,年平均无霜期为165 d。

表1 项目区气象要素

2 不同黏粒含量风积沙路用性能

我国西北干旱荒漠区不同黏粒含量风积沙广布,最大黏粒含量在20%左右,该类土被广泛应用于路基填筑,但由于西北独特的大温差气候以及土壤盐渍化的恶劣条件,其作为路基填料在服役过程中所表现的性质与纯风积沙或细粒土差别较大。针对沙漠边缘及绿洲区不同黏粒含量风积沙的特点,通过试验分析颗粒级配、承载比及回弹模量等技术指标,并对其路用性能作出评价。

2.1 颗粒级配

细粒土为依托工程现场含黏粒风积沙经0.075 mm筛筛分后的黏粒,将黏粒按照质量百分比加入风积沙,并对含黏粒风积沙进行筛分试验,其颗粒级配曲线如图1所示。图1中,FC表示黏粒含量;不均匀系数Cu反映不同颗粒粒径的分布情况,当Cu<5时,土颗粒粒径分布比较均匀,称为匀粒土,级配不良;Cu越大,表明土样不同粒组的分布越广,但当Cu过大,表示有可能缺失中间粒径,属于不连续级配,因此需结合曲率系数Cs来评价,曲率系数Cs是描述曲线整体形状的指标[11]。在实际工程中,当Cu≥5,且Cs=1～3时,土的级配优良,为不均匀土。此外,对不同黏粒含量风积沙的颗粒级配进行评价,结果如表2所示。

图1 不同黏粒含量风积沙颗粒级配曲线

表2 不同黏粒含量风积沙颗粒级配评价

由表2可知,随着黏粒含量不断增加,颗粒粒径差距逐渐增大,不均匀系数逐渐增大,当黏粒含量达到24%时,其不均匀系数Cu大于5;当风积沙中黏粒含量≥8%时,其曲率系数Cs位于1～3,当黏粒含量为24%时,土样级配逐渐转为良好。

2.2 承载比(CBR)

按照不同黏粒含量风积沙击实试验,取93%、95%、98%压实度所对应的含水率以及最优含水率制样, 将风积沙中细粒含量作为试验变量,开展不同黏粒含量风积沙的承载比(CBR)试验[12]。使用路面材料强度综合测定仪开展试验,试验方案如表3所示。风积沙的CBR值随含黏粒含量及压实度变化如表4及图2所示。

图2 不同黏粒含量风积沙CBR值随压实度变化

表3 承载比试验方案

表4 不同黏粒含量风积沙CBR值 %

由表4可知,在最优含水率下,黏粒含量为0%、8%、16%及24%风积沙的CBR值分别为7.5%、8.2%、9.8%及11.2%,随着压实度的减小,其CBR值逐渐减小。而根据《公路路基设计规范》(JTG D30—2015)中路床填料最小承载比要求可知,纯风积沙可满足二级公路路基的承载比要求。因此,随着黏粒含量的提高,风积沙的CBR值逐渐提高,可满足高速公路路基承载比规定。

2.3 回弹模量

依据试验规范,将不同细粒含量风积沙按照最优含水率以及压实度分别为98%、95%、93%所对应的含水率击实后进行制样,与承载比试验相同,按径高比1∶1制成150 mm(直径)×150 mm(高)的圆柱体试样,每组制备3个试样。将试样用塑料袋密封放入标准养生室(温度20 ℃±3 ℃、湿度≥95%)养护。

将黏粒含量与压实度作为试验变量,开展不同黏粒含量风积沙的回弹模量试验。利用万能试验机开展试验,测量土样的回弹模量[13]。加载前先进行2次100 kPa的预压,逐级加载,得到不同黏粒含量风积沙的回弹模量,结果如表5所示。

表5 不同黏粒含量回弹模量

由表5可知,当黏粒含量为0%、8%、16%及24%时,风积沙的回弹模量分别为63.5 MPa、76.1 MPa、81.6 MPa和96.3 MPa,其变化与承载比CBR值变化相似,随着黏粒含量增加而增大,随着压实度减小而减小。根据《公路沥青路面设计规范(JTG D50—2017)》中路基土回弹模量的要求可知,纯风积沙即可满足特重交通荷载路基顶面的回弹模量要求。风积沙的回弹模量随着黏粒含量的增加而逐渐升高,当风积沙中细粒含量不小于8%时,可满足极重交通荷载路基顶面的回弹模量规定。

2.4 路用性能指标评价

将筛分试验、CBR试验以及回弹模量试验结果作为主要评价指标,黏粒含量小于24%的风积沙路用性能指标如表6所示。

表6 不同黏粒含量风积沙路用性能指标

由表6可以看出,尽管黏粒含量的增加会提高风积沙CBR值与回弹模量,增强路用性能,但同时也提高了路基的水盐迁移效率,破坏了风积沙路基的强度稳定性,进而加快路基土的强度劣化。因此,针对西北干旱荒漠区盐渍土广布的情况,对高等级公路仍需严格控制风积沙中的黏粒含量。通过上述试验可获得不同黏粒含量风积沙路基结构分类,应用推荐如表7所示。

表7 不同黏粒含量风积沙路基结构分类应用推荐

由表7可知,黏粒含量低于8%的风积沙可用来填筑高速、一级公路,而随着黏粒含量的提高,风积沙路基填筑应用逐渐受限。因此,含黏粒风积沙用于填筑路基过程时应注意,黏粒含量不超过8%的风积沙可填筑高等级公路;风积沙中黏粒含量大于8%时,应注意其冻胀性;当地基中盐分含量较大或地下水位较高时,应注意隔水防盐,必要时增加土工布隔断,防止盐分随水分迁移至路基顶部对路基产生盐胀破坏,影响道路的耐久性。此外,黏粒含量大于24%的风积沙可采用水泥等加固技术进行处理。

3 结论

通过对不同黏粒含量风积沙开展筛分试验、承载比(CBR)试验以及回弹模量试验,研究了不同黏粒含量对风积沙路用性能的影响,并得出如下结论:

1) 随黏粒含量不断增加,颗粒粒径差距逐渐增大,不均匀系数逐渐提高,当黏粒含量达到24%时,其不均匀系数Cu大于5;当风积沙中黏粒含量大于或等于8%时,其曲率系数Cs位于1～3,当细粒含量为24%时,土样级配逐渐转为良好。

2) 随黏粒含量从0%～24%的增加,风积沙的CBR值逐渐增大,能够满足高速公路路基承载比规定。

3) 随黏粒含量的增加,风积沙的回弹模量逐渐增大,当风积沙中黏粒含量不小于8%时,可满足极重交通荷载路基顶面的回弹模量规定。

4) 本研究通过将不同黏粒含量风积沙路用性能试验结果数据与工程实际相结合,给出了不同黏粒含量风积沙路基结构分类应用推荐表,可供西北沙漠边缘及农灌区含黏风积沙路基施工参考。