干濕循環(huán)對道基材料中粗砂的性能影響研究

劉 濤 劉煥存 孫鳳玲 蔡 瀅

(1.中航勘察設(shè)計研究院有限公司，北京 100098； 2.北京市建平工程勘察有限責任公司，北京 102200)

0 引言

南昌青云譜機場填筑材料主要為贛江河砂中粗砂，場道道基受地勢影響，在降雨時易形成天然蓄水點，場道道基較長時間處于浸水狀態(tài)，而在旱季，水位降低，水位隨季節(jié)交替變化，循環(huán)增高或降低，填砂道基在干濕循環(huán)作用下的物理力學性質(zhì)是否發(fā)生變化有待研究，道基承載力在濕循環(huán)作用下發(fā)生的變化有待探索。

國內(nèi)外對干濕循環(huán)下中粗砂的變化規(guī)律研究較少，湯運昌等通過室內(nèi)試驗研究干濕循環(huán)作用下尾礦砂的強度特性，發(fā)現(xiàn)其應力應變關(guān)系，且經(jīng)歷多次干濕循環(huán)尾礦的殘余偏應力較未經(jīng)歷干濕循環(huán)尾礦提高近31．60%，其破壞后承載能力明顯增強； AL-Homoud等、Zhang等、Nowamooz等研究發(fā)現(xiàn)膨脹土的變形在第一次干濕循環(huán)時最為明顯，且在經(jīng)歷3次～5次循環(huán)后達到平衡狀態(tài)。

1 工程概況

南昌青云譜機場是江西洪都商用飛機股份有限公司興建的軍用試飛機場，機場為3級永備機場，位于江西省南昌市昌東部高新開發(fā)區(qū)麻丘鎮(zhèn)，距南昌市公路里程約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，整個跑滑系統(tǒng)占地面積約70萬m2，道面標高約為17.0 m～18.5 m。

已有研究表明，在中低壓縮性地基上，跑道道面附加應力影響深度約為4 m，因此本場地內(nèi)絕對標高+0. 00 m～-4. 00 m范圍內(nèi)地層力學性質(zhì)是研究的重點。

跑道主要地層由贛江河砂、粉質(zhì)粘土、粉土、細砂、中砂等組成。

各地層厚度及層頂標高如表1所示。

表1 各地層厚度及層頂標高

2 干濕循環(huán)次數(shù)對中粗砂力學性能的影響

為了研究干濕循環(huán)次數(shù)對道基材料中粗砂力學性能的影響，在青云譜機場滑行道北側(cè)、協(xié)轉(zhuǎn)坪西側(cè)50 m的航空城生產(chǎn)區(qū)預留地進行了機場場道反復浸水的模擬試驗，4個試驗區(qū)A,B,C和D，分別浸水0次,1次,3次,5次，測量每次干濕循環(huán)后中粗砂層的壓實度λ、加州承載比試驗的室外CBR值、道基反應模量k0，試驗區(qū)位置如圖1所示。

2.1 壓實度試驗

采取灌砂法進行壓實度試驗，在A，B，C和D一共4個試驗區(qū)分別做3個壓實度，參照MH/T 5020—2011民用機場檢測規(guī)范要求，壓實度試驗結(jié)果如表2所示。

表2 壓實度試驗結(jié)果表 %

由表2數(shù)據(jù)分析得到A，B，C，D 4個試驗區(qū)的壓實度分別為：A區(qū)壓實度0.953，B區(qū)壓實度0.952，C區(qū)壓實度0.959，D區(qū)壓實度0.951。而A，B，C，D 4個試驗區(qū)干濕循環(huán)次數(shù)為0次，1次，3次和5次，即隨著機場場道干濕循環(huán)次數(shù)n的增加，壓實度λ基本穩(wěn)定不變，兩者之間不存在正比或者反比關(guān)系，由表2繪制出的試驗結(jié)果曲線圖如圖2所示。

2.2 室外加州承載比試驗

采用CBR試驗儀進行，對4個試驗區(qū)分別選取3個點，借助道基反應模量的加載裝置提供反力，同時避開壓實度試驗點和道基反應模量試驗點，試驗結(jié)果見表3，圖3。

表3 室外CBR試驗結(jié)果表

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

其中，P1為荷載壓強，MPa；P0為標準壓強，當貫入量為2.5 mm時為7 MPa，當貫入量為5.0 mm時為10.5 MPa。

A～D試驗區(qū)的干濕循環(huán)次數(shù)n從0～5是逐漸遞增的，而室外CBR值按照均值依次是10.76,9.36,7.15和5.21是逐漸遞減的，室外CBR值和干濕循環(huán)次數(shù)n存在反比關(guān)系。

2.3 室內(nèi)加州承載比試驗

從試驗區(qū)的回填材料采用中粗砂。回填完成后，各項試驗開始之前，取樣3組中粗砂(A,B,C)，每組中粗砂150 kg，送至試驗室，測定試樣(A,B,C三組)的標準最大干密度和最優(yōu)含水率。然后按最優(yōu)含水率備樣，因為每組需要制備3 種干密度試樣(30擊、50擊、98擊)，一共要9 個試樣/組。做好的試樣泡水測量膨脹量，通常浸泡4 晝夜，然后在室內(nèi)CBR儀器上做貫入試驗，測量材料的CBR值結(jié)果見表4，圖4。

表4 室內(nèi)CBR試驗結(jié)果表

在3個區(qū)域壓實度λ分別為93，94，96的情況下，隨著壓實度λ的遞增，室內(nèi)加州承載比CBR也跟著遞增，兩者之間存在正比例關(guān)系；干密度與室內(nèi)加州承載比CBR也存在也一定的正比例關(guān)系。

2.4 道基反應模量試驗

采用堆載法進行道基反應模量試驗，對A，B，C和D 4個試驗區(qū) 分別做3個道基反應模量，分級加載。用15.4 kN先進行預壓一次，卸載，記錄百分表初始值，然后分級連續(xù)加載，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)，各級荷載穩(wěn)定1 min，并待沉降速率小于0.25 mm/min時，進行下一級加載，記錄各級壓力p和沉降量s計算道基反應模量k0，k0=PB/0.001 27，其中，k0現(xiàn)場測得的道基反應模量,MN/m3；PB承載板下沉量為1.27 mm時所對應的單位面積壓力,MPa。試驗結(jié)果見表5，圖5。

表5 道基反應模量試驗結(jié)果表 MPa/m

A～D試驗區(qū)的干濕循環(huán)次數(shù)n是逐漸遞增的，而道基反應模量k0是逐漸遞減至趨于平衡穩(wěn)定的，所以道基反應模量k0和干濕循環(huán)次數(shù)n在1次以內(nèi)存在反比關(guān)系，1次之后，道基反應模量值k0不再隨著干濕循環(huán)次數(shù)n的增加發(fā)生遞減，而是保持在一個較為穩(wěn)定的范圍內(nèi)。而道基反應模量k0與地基承載力Q之間為正比例關(guān)系，所以地基承載力Q和干濕循環(huán)次數(shù)n在1次以內(nèi)存在反比例關(guān)系，1次之后，地基承載力Q不再隨著干濕循環(huán)次數(shù)n的增加發(fā)生遞減，保持在一個較為穩(wěn)定的范圍內(nèi)。

3 結(jié)論

1)試驗通過模擬機場場道，對場道道基材料中粗砂浸水干濕循環(huán)次數(shù)n(0,1，3,5)，測量出的4個試驗區(qū)壓實度λ，壓實度λ不隨著干濕循環(huán)次數(shù)n的增加發(fā)生明顯變化，而是基本穩(wěn)定；

2)通過模擬機場場道，對場道道基材料中粗砂浸水干濕循環(huán)次數(shù)n(0,1,3,5)，測量出4個試驗區(qū)加州承載比室外CBR，4個試驗區(qū)的干濕循環(huán)次數(shù)n是逐漸遞增的，而室外CBR是逐漸遞減的，即室外CBR值和干濕循環(huán)次數(shù)n存在反比關(guān)系；

3)室內(nèi)CBR在3個區(qū)域壓實度λ分別為93,94,96的情況下，隨著壓實度λ的遞增，室內(nèi)加州承載比CBR也跟著遞增，即室內(nèi)加州承載比CBR與壓實度λ之間存在正比例關(guān)系；

4)試驗通過模擬機場場道，對場道道基材料中粗砂浸水干濕循環(huán)次數(shù)n(0,1,3,5)，測量出的4個試驗區(qū)道基反應模量k0，道基反應模量k0與干濕循環(huán)次數(shù)n關(guān)系表明，場道地基承載力Q與干濕循環(huán)次數(shù)n在n≤1次循環(huán)時，存在反比例關(guān)系，且是一個陡降的變化，在n≥1次循環(huán)后，場道地基承載力Q不隨著干濕循環(huán)次數(shù)n的增加發(fā)生明顯變化，而逐漸趨于穩(wěn)定，且k0≥40 MPa/m，符合MH/T 5027—2013民用機場巖土工程設(shè)計規(guī)范4.42規(guī)定，為機場場道道基安全維護問題提供了重要的指導意義。