2512 岩土力学 2007 年表 1 内蒙新疆三地风积沙筛分表 Table 1 Screen analysis of aeolian sands in Shaanxi, Inner Mongolia and Xinjiang 筛孔直径 / mm 分级筛余 / % 通过率 / % 内蒙新疆内蒙新

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城鄂
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1 第 28 卷第 12 期岩土力学 Vol.28 No 年 12 月 Rock and Soil Mechanics Dec 文章编号 : (2007) 风积沙作为路基填料的静力特性研究张生辉 1, 李志勇 2, 彭帝 1, 陈忠明 (1. 西安公路研究所, 西安 ;2. 同济大学交通运输工程学院, 上海 ; 3. 省交通厅, 西安 ) 3 摘要 : 风积沙颗粒细小级配差无粘性使用风积沙作为沙漠公路的路基填料具有与一般路基填料不同的力学性质选用新疆内蒙 3 省 ( 区 ) 典型风积沙, 进行了原材料的级配天然含水量相对密度等试验在此基础上进行了风积沙的 CBR 回弹模量压缩以及室内剪切试验根据风积沙的特性制定了有别于常规的试验仪器和试验方法利用图表和回归分析的方法分析了风积沙的贯入压力 - 贯入应变单位压力 - 回弹变形垂直压力 - 抗剪强度压力 - 压缩模量等性质考虑到沙漠地区干旱少雨的特点, 试验过程中对于风积沙采用了不同的干密度和含水量, 得出了不同压实标准情况下的沙基应力 - 变形特性关键词 : 公路工程 ; 路基 ; 风积沙 ; 静力特性 ; 中图分类号 :TU 文献标识码 :A Study of static property of aeolian sand used as roadbed Zhang Sheng-hui 1, Li Zhi-yong 2, Peng Di 1, Chen Zhong-ming 3 (1.Xian Highway Research Institute, Xian , China; 2. School of Traffic and Transportation, Tongji University, Shanghai , China; 3. Shaanxi Provincial Traffic Department, Xian , China) Abstract: The grain of Aeolian sand is fine; the geometric gradation of the particles in Aeolian sand aggregate is not good; and it is a kind of non-cohesive material. The aeolian-sand has different mechanical property from common material. The typical aeolian sand in Xinjiang, Inner Mongolia and Shaanxi are adopted to test the grain gradation, natural water content, relative density of the material. For the aeolion sand the CBR, resilience modulus, compress and shear tests are also carried out in the laboratory. The testing apparatus and methods are remade according to the property of aeolian sand The tamping pressure-strain and other property are analyzed by the way of chart and regression algorithm. In the course of test, the authors use aeolian sands which have different dry-densities and water contents and gains the stress-strain curves in different compaction standards. Key words: Rod engineering; aeolian-sand; CBR test 1 概述风积沙具有颗粒较细无粘性天然含水量小保水性差等特性, 但是作为路基填料具有水稳性好沉降均匀, 受水和不利季节的影响小等特点, 且在沙漠地区具有分布广泛储量丰富取材方便等优点风积沙作为路基填料同一般路基一样, 应具有足够的整体稳定性强度和水稳定性它作为路基填料, 在我国乃至世界范围内都是一个新课题, 特别是在风积沙的静力特性方面, 系统地研究较少为此, 采用新疆内蒙 3 省 ( 区 ) 典型风积沙进行 CBR 试验回弹模量试验剪切试验压缩试验等 4 种试验, 分析总结风积沙静力特性, 为作为路基填料提供依据 2 风积沙原材料风积沙作为路基填料, 原材料试验主要包括级配天然含水量相对密度等, 按照公路土工试验规程中规定的方法, 对内蒙新疆 3 省 ( 区 ) 的风积沙进行试验试验表明毛乌素沙漠风积砂的天然干密度约在 1.2~1.6g/ cm 3 之间, 相对密度 2.6 左右天然含水量一般在 3.8% 以下新疆风积砂更细, 级配也更差 ; 内蒙风积砂比毛乌素沙漠风积砂略粗, 但仍为细砂, 级配稍好级配试验结果见表 1 收稿日期 : 修改稿收到日期 : 基金项目 : 交通部西部交通建设科技项目资助 (No ) 作者简介 : 张生辉, 男,1954 年生, 硕士, 教授级高级工程师 zshyjs@126.com

2 2512 岩土力学 2007 年表 1 内蒙新疆三地风积沙筛分表 Table 1 Screen analysis of aeolian sands in Shaanxi, Inner Mongolia and Xinjiang 筛孔直径 / mm 分级筛余 / % 通过率 / % 内蒙新疆内蒙新疆 / / / 筛余 CBR 试验风积沙有别于一般的路基材料, 其粘聚力很小, 非常松散, 为了更接近工地的实际情况, 试验时除按公路土工试验规程中规定采用的 5 cm 直径的压头外, 另外加工了 3.75 cm 3 cm 两种直径的压头, 使得压头与试筒直径比分别达到 1:3,1:4,1:5, 对榆林的风积沙分别采用 3 种压头进行试验, 新疆和内蒙风积沙的 CBR 试验均采用 5.0 cm 的压头表 2 风积沙 CBR 值 ( 压头直径为 50 mm) Table 2 The CBR values of aeolian sand in Shaanxi (diameter 50 mm) 省区新疆内蒙含水量 w/ % 干密度 /g cm -3 CBR 压头直径 D/ mm CBR 试验结果分别选用 ( 毛乌素沙漠 ) 新疆 ( 塔克拉玛干沙漠 ) 和内蒙 ( 腾格里沙漠 ) 具有代表性的风积沙, 作为试样进行 CBR 试验, 其试验结果如表 2 所示在作 CBR 试验过程中, 记录了风积沙贯入压力 - 贯入应变的变化, 如图 1~4 所示, 风积沙的贯入压力 - 贯入量基本呈直线关系在风积沙处于完全干燥状态时, 其基本表现为弹性性质 ; 当有一定含水量时, 在一定的荷载范围内, 风积沙表现为弹性性质, 当荷载超过这一范围时, 风积沙表现为塑性, 风积沙的干密度越大, 其塑性出现的越滞后, 说明具有一定压实度的风积沙在一定的压力下表现出相当好的弹性性质 ( 如图 1~4) 3.2 试验结果分析从表 2 可看出 : 不同直径的压头对风积沙的 CBR 值影响较小, 含水量对 CBR 值的影响较大, 风积沙干沙的 CBR 普遍偏小, 湿沙的 CBR 在 15~30 之间, 说明风积沙压实以后, 具有一定抵抗破坏的能力榆林风积沙最大干密度为 1.73 g/cm 3 换算压实度值 K, 采用回归分析得到不同压头直径的 CBR 值与含水量和压实度 K 的函数关系 (1) 压头直径为 50 mm CBR 值 y K (1) 最大误差 S =3.67 (2) 压头直径为 37.5 mm CBR 值 y K (2) 最大误差 S =3.27 (3) 压头直径为 30 mm CBR 值 y K (3) 最大误差 S =2.66 式中 : 为风积沙含水量 (%); K 为风积沙压实度 (%) 从回归分析式中可以看出, 风积沙 CBR 值随着压实度的提高而增大, 含水量对 CBR 值有较大影响, 计算值和试验数据之间的误差不超过 10 % 这说明用回归分析模型是可行的通过以上的论述, 风积沙的 CBR 试验可采用较小直径的压头对于完全干燥和饱水两种情况, 在实际路基施工和使用中是不存在的, 风积沙在完全干燥条件下施工, 在铺筑路面以后, 对沙基产生覆盖效应, 使得风积沙的含水量会有所增加 ; 风积沙完全饱水状态也是不存在的, 沙漠中降雨量较小, 同时风积沙本身具有良好的透水性, 水不会使沙达到饱水状态, 可不予考虑

3 第 12 期张生辉等 : 风积沙作为路基填料的静力特性研究回弹模量试验图 1 干沙应力 - 应变图 Fig.1 The stress-strain curve of dry sand 沙路基的回弹模量值与含水量和密度 ( 干密度 ) 有关内蒙风积沙在含水量为 0,2 %,6 % 和最佳含水量 4 个点进行试验 ; 新疆风积沙在含水量为 0 2 %,10 %, 最佳含水量 4 种情况下试验其中风积沙在每个所选含水量情况下成型 3 个不同干密度的试件, 探讨不同含水量干密度对回弹模量的影响采用室内刚性承载板法, 直径 5 cm, 厚度为 1.0 cm 4.1 试验步骤及结果 (1) 利用底部振动台成型不同含水量情况下的干密度试件 (2) 将试件置于强度仪上, 按事先确定的压力预压, 使承载板与试件顶面紧密接触 (3) 逐级加载, 按事先确定的加载等级用量力环控制加载量三地风积沙回弹模量试验结果如表 3 所示, 单位压力 - 回弹变形关系曲线图, 如图 5 和图 6 所示表 3 风积沙回弹模量值 (MPa) Table 3 The resilience moduli of aeolian sand 图 2 含水量为 2 % 沙应力 - 应变图 Fig.2 The stress-strain curve of sand(w=2 %) 省区含水量 w/ % 干密度 /g cm -3 回弹模量 / MPa 图 3 含水量为 6 % 沙应力 - 应变图 Fig.3 The stress-strain curve of sand(w=6 %) 内蒙古新疆图 4 含水量为 12 % 沙应力 - 应变图 Fig.4 The stress-strain curve of sand(w=12 % ) 4.2 试验结果分析 (1) 风积沙的单位压力 - 回弹变形关系曲线基本呈直线, 说明风积沙属于弹性体 (2) 风积沙的含水量为 0 时回弹模量值不是很

4 2514 岩土力学 2007 年大, 基本都在 60.8~92 MPa 之间 ; 但只要有一定含水量的风积沙回弹模量值都在 100 MPa 以上, 有的已经达到很高的值 (3) 含水量相同时, 回弹模量值会随着干密度的提高而增大 (4) 含水量为较小时, 每一种风积沙的回弹模量都达到很高的值风积沙的回弹模量 E 0 是含水量和压实度的函数以风积沙的试验数据为例, 最大干密度为 1.80 g/cm 3 换算成压实度 K, 得出回弹模量 E 0 和含水量压实度 K 的关系图 5 p l 曲线图 Fig.5 The p l curve of sand 风积沙的回弹模量值随着压实度的增大或含水量的减小而增大 ; 随着压实度的减小或含水量的增大而减小, 计算值和已知数据之间的最大误差不超过 5 % 因此, 用回归关系式 (5) 对风积沙的回弹模量值进行线形回归是可行的 5 剪切试验 5.1 试验方法考虑到风积沙特性, 为了更好的反映风积沙路基的受力状况, 为此专门加工了如图 7 所示的剪切试验仪测定抗剪强度其基本原理与土工直接剪切试验相似, 即在不同的垂直压力作用下, 施加水平剪切力进行剪切, 求得破坏时的剪应力, 然后根据库仑定律确定抗剪强度参数内摩擦角值和粘聚力 c 值假定风积沙的粘聚力 c 等于 0 那么, 库仑定律为 : tan (6) 试模规格为 70 cm 65 cm 20 cm, 在试模中填满风积沙, 并在初步压实整平的沙表面放置试箱, 规格为 50 cm 50 cm 20 cm, 在试模中填满风积沙, 并压实整平控制试槽和试箱内风积沙的干密度在沙表面施加均布垂直压力, 然后在试箱侧面通过反力架缓慢而均匀地施加水平荷载, 直到产生剪切破坏同时用压力传感器和静态电阻应变仪测定剪切破坏时的水平荷载 T, 那么, 抗剪强度 : T / A (7) 式中 : A 为受剪面积, 试模底面积 A = cm 2 图 7 剪切试验示意图 Fig.7 Sketch of shear test 图 6 p l 曲线图 Fig.6 The p l curve of sand (1) 试验数据的回归关系式为 : E K (4) 最大误差 S = 37.5 (2) 弃除含水量为 0 时的试验数据后回归关系式为 : E K (5) 最大误差 S = 试验结果分析根据前述试验方法, 分别测定垂直压应力为 0.02,0.03,0.04,0.05 MPa 作用下的抗剪强度, 其试验结果见表 4 表 4 抗剪强度试验结果 Table 4 Results of shear test 垂直应力 T/ MPa 备注抗剪强度 / MPa 摩擦角 /( ) = w = 0.35 %

5 第 12 期张生辉等 : 风积沙作为路基填料的静力特性研究 2515 示垂直应力与抗剪强度的关系曲线如图 8 所试验结果表明 : - 关系近似呈线形关系, 利用最小二乘法, 求得风积沙的抗剪强度 , 即 c 0, 31.3 由于试验条件与实际受力状况比较接近, 其试验结果比较合理可靠当风积沙路基中某点剪应力达到抗剪强度时, 便产生剪切破坏, 因此, 沙基的剪切稳定条件为 tan (8) max 式中 : max,, 分别是最大剪应力最大压应力和内摩擦角利用此试验装置, 可以进行不同压实度不同含水量的风积沙的剪切试验, 得出内摩擦角的变化规律 : (1) 由下面的回归关系式可知, 内摩擦角随着压实度的增大而增大 K (9) 2 R 式中 :,K, R 2 分别为风积沙的内摩擦角压实度和相关系数 (2) 随着含水量的增大, 内摩擦角略有减小这主要是水在风积沙颗粒之间起了润滑作用 (3) 通过不同沙漠地区的风积沙剪切试验, 风积沙的内摩擦角在 30 ~38 之间 6 压缩试验 Fig.8 图 8 抗剪强度和垂直压力关系图 The relation of shear intensity and vertical pressure 图 9 风积沙 e-lgp 曲线 Fig.9 The e-lgp curve of aeolian- sand 采用杠杆式固结仪进行风积沙压缩试验, 主要得到如下结论 : (1) 风积沙的 e lg p 曲线基本为线性关系, 这说明用压缩指数 C 等压缩性指标进行风积沙的压 c 缩沉降计算是可行的 (2) 随着加荷等级的增大, 风积沙的压缩模量大体上呈线性增长 (3) 压缩模量是含水量和压缩度 ( 或干密度 ) 的函数随着压缩度的增长或含水量的降低, 压缩模量变大 ; 随着压缩度的减小或含水量的上升压缩模量变小压缩系数则与之则相反 (4) 不论干沙, 还是有含水量的风积沙, 都有较高的压缩模量值这说明在天然含水量下 ( 一般在 2 % 左右 ), 风积沙路基经压实后, 具有较好的稳定性 (5) 风积沙在一定压力作用下完成压缩变形的时间很短, 并在半对数坐标中沉降量与时间呈现良好的线性关系图 10 风积沙压力 - 压缩模量图 Fig.10 The pressure- compress modulus curve 7 结论经过对风积沙静力特性的试验研究, 分析总结出风积沙静力特性如下 : (1) 风积沙的 CBR 值是含水量和压实度函数干沙的 CBR 值较小, 有一定含水量后,CBR 值明显增大 (2) 风积沙的回弹模量是含水量和压实度函数干沙的回弹模量较小, 有一定含水量后, 回弹模量

6 2516 岩土力学 2007 年值明显增大 (3) 风积沙的内摩擦角在 30 ~38 之间, 内摩擦角受含水量和压实度影响粘聚力较小, 干沙的粘聚力几乎 0, 有水时, 由于毛细作用内部粘聚力有所增大 (4) 压实后的风积沙压缩模量大于 100 MPa, 压缩系数小于 kpa 3 1, 属低压缩性土风积沙排水性良好, 固结变形时排水所需时间很短因此, 风积沙的固结变形随时间的变化主要是由于一定压力作用下的颗粒骨架蠕变引起的根据风积沙的静力特性和强度 - 变形特性, 对于沙漠地区高速公路的施工和质量控制都具有重要的指导意义参考文献 [1] 沙庆林. 公路压实与压实标准 [S]. 北京 : 人民交通出版社, [2] 李冰, 焦生杰. 振动压路机与振动压实技术 [S]. 北京 : 人民交通出版社, [3] 陈忠达, 张登良. 风积沙路基压实技术的研究 [J]. 中国公路学报, (2): [4] 陈忠达, 张登良. 塔克拉玛干风积沙工程特性 [J]. 西安公路交通大学学报, 2001, 2.(3). [5] 榆 - 靖沙漠高速公路修筑养护综合技术课题组. 榆 - 靖高速公路试验段阶段试验报告 [R]. 西安 : 西安公路研究所, [6] 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, 第一届国际岩土安全与风险研讨会 (ISGSR 2007) 会议总结第一届国际岩土安全与风险研讨会 (ISGSR 2007) 于 2007 年 10 月日在中国上海同济大学成功召开第一届国际岩土安全与风险研讨会 (ISGSR 2007) 由同济大学承办, 中国高技术研究发展计划 (863 计划 ) 国家基金委中国土木工程学会上海土木工程学会中国岩石力学与工程学会, 加拿大岩土工程学会代尔夫特岩土研究中心美国工程师学会岩土工程研究中心国际灾害中心结构安全联合委员会挪威岩土工程研究中心欧洲结构规范技术委员会共同协办此次研讨会的目的是 :1 为岩土工程设计规范或指南的发展建立资源共享平台;2 强化岩土工程的安全理念, 提升风险管理在岩土工程中的应用 ;3 推进岩土工程经济技术和结构安全的和谐统一研讨会邀请到了我国著名地下工程专家钱七虎院士国际岩土工程专家英国皇家工程院院士 Brian Simpson 教授国际结构安全与风险专家瑞士联邦技术研究院的 Michael H. Faber 教授国际岩土安全网络组织主席新加坡国立大学的 Kok-Kwang Phoon 教授国际土力学学会的极限状态设计分会主席日本岐阜大学 Y.Honjo 教授国际岩土灾害中心主任挪威岩土研究院的 Farrokh Nadim 先生等作主题报告邀请报告研讨会在以下几个研究领域展开讨论 : 岩土工程的不确定性 ; 岩土工程的灾难与风险 ; 岩土工程的风险与可靠度分析 ; 以风险管理理念为指导的设计指南建设 ; 岩土工程风险管理工程实例 ; 岩土工程与结构安全的和谐统一 ; 岩土工程的维护与寿命周期第一届国际岩土安全与风险研讨会 (ISGSR 2007) 共收到论文 110 篇, 通过审核后共接受 81 篇论文, 最终包括在论文集中的论文共 77 篇, 论文集分两册印刷 ( 附光盘 ) 此次研讨会共吸引了来自全球 16 个国家的 140 名代表参加, 其中国外代表 47 人第二界国家岩土安全于风险研讨会将于 2009 年在日本 Gifu 大学召开第一届国际岩土安全与风险研讨会 (ISGSR 2007) 的成功召开, 不仅为岩土安全与风险研究提供了交流平台, 而且推进了岩土安全与风险理念在工程中的应用, 尤其对目前我国城市建设的高速发展阶段, 岩土安全与风险问题尤为突出, 通过此次研讨会, 对提升我们岩土安全与风险研究和管理的水平也具有重要的意义第一届国际岩土安全与风险研讨会 (ISGSR 2007) 组委会 2007 年 10 月 22 日

01-0982.doc

01-0982.doc 第 32 卷第 7 期岩土工程学报 Vol.32 No.7 2010 年 7 月 Chinese Journal of Geotechnical Engineering July 2010 沿海碎石回填地基上高能级强夯系列试验对比研究年廷凯 1,2, 水伟厚 3, 李鸿江 4, 杨庆 1,2, 王玉立 (1. 大连理工

2512 岩土力学 2007 年 表 1 内蒙 新疆三地风积沙筛分表 Table 1 Screen analysis of aeolian sands in Shaanxi, Inner Mongolia and Xinjiang 筛孔直径 / mm 分级筛余 / % 通过率 / % 内蒙新疆内蒙新

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