風積沙應用于某地區軟弱地基物理特性研究

（中化學城市投資有限公司，陜西 西安 710054）

某工業園創新創業產業園規劃占地1001畝，一期工程項目包含標準化廠房、辦公樓和配套園區道路等工程。其中，配套園區道路4條，總長度3211.782m，按13m～14m紅線寬度進行設計，路幅為單幅路，機非不分離。該項目建設場地位于毛烏素沙漠東南部邊緣，場地地形基本平坦，原始地貌單元屬風積沙丘地貌單元，地表相對高差14.11m。地表以軟弱地基為主，地質表層為粉沙土和細沙土，土質變化不大，承載力在80kPa～130kPa，摩阻力為20kPa～50kPa。路基為路面結構的基礎，如果軟弱地基處理不當則易在外力、環境影響下出現變形失穩，會使路面結構受到破壞，傳統的路基多以填筑砂礫、石渣層來提高整體穩定性和承載力，而由于該園區位于沙漠邊緣，將風積沙作為沙漠地區路基填筑材料，可以達到就地取代、降低工程成本的目的，本文將對風積沙處理園區道路軟弱地基物理特性研究進行分析與研究。

1 物理特性

1.1 顆粒組成

采集某地區沙漠地段風積沙2份樣本進行顆粒粒度篩分試驗，具體統計數據見表1，繪制顆粒粒徑分配曲線，得知97%沙樣顆粒粒徑區間為0.6mm～0.075mm區間，為路基分類中的細沙。

表1 風積沙試樣粒度分成統計表

1.2 不均勻系數、曲率系數

對風積沙不均勻系數、曲率系數等參數進行計算，再通過烘干法測定含水量。

不均勻系數Cu、曲率系數Cc計算公式為：

式中d60是低于顆粒質量60%的限制粒徑，mm;

d30是低于顆粒質量60%的限制粒徑，mm;

d10是低于顆粒質量10%的限制粒徑，mm。

風積沙樣顆粒粒徑分布見圖1。

圖1 風積沙樣顆粒粒徑分布圖線

1.3 含水量

含水量ω計算公式為：

式中ω-是含水量，%；

m-是濕沙質量，g；

ms-是干沙質量，g。

從風積沙取樣試驗數據中發現，該地區風積沙含水量較低（2.1%～3.5%），平均含水量為3.3%。

1.4 細度模數

細度模數計算公式為：

上式中A4.75等為各篩累計篩余，單位為%。兩組風積沙試樣測定數據統計見表2。

表2 兩風積沙樣限定粒徑、不均勻細數及級配系數數統計表

第2組風積沙樣細度模數為1.11，為細沙或極細沙，塑限ωp=0，塑性指數lp=0。

從上面統計與計算數據可知，風積沙顆粒粒徑不超過1mm，粒徑位于0.3mm～0.15mm區間的顆粒區間平均含量約為21.55%，通過0.075mm、0.074mm篩孔通過率較低，則該地區風積沙細粒含量、顆粒表面活性均較低，松散不存在粘性，有很好的水穩定性，是含粒沙；細度模數低于1.6，則為極細沙；不均勻度Cu低于5，級配系數Cc低于1，有著較好的土粒級配性能。因此，該地區風風積沙顆粒粒徑分選性比較好，具有分布均勻特點，為級配不良材粒料。

1.5 顆粒體積密度、相對密度、自然休止角

礦物體積密度與含水量會對風積水顆粒體積密度產生一定的影響，體積密度小則顆粒更細，顆粒間排列也更為松散，相應的天然密度也會更小。將風積沙試樣以105℃～110℃進行烘干處理，將該條件下試樣質量與相同體積在4℃蒸餾水比值作為體積密度值，因此，不同礦物成分的風積消化顆粒密度存在較大差異，而在相同的沙漠地區，風積沙密度相差不大。進行體積密度試驗對該地區風積沙顆粒體積密度進行測定，體積密度為

2.655g/cm3。

風積沙在天然含水條件下具備密實度，以孔隙比、孔隙率絕對值進行判斷存在較大的難度，這是由于松散狀態下且粒徑級配條件好的試樣，會比顆粒均勻試樣具有更小孔隙比。利用相對密度指標對風積沙緊密度進行評價才能更為準確。Dr計算公式為：

上式中e是風積沙試樣天然孔隙比，emax是最大孔隙比，emin是最小孔隙比。

從具體的試驗與計算數據中可以發現，該地區風積沙天然孔隙比為0.713，最大孔隙比為0.975，最小孔隙比為0.533，相對密度為0.59g/cm3。

自然休止角可以對風積沙流動性進行評價，也就是在堆積時可以達到的最大坡角，從實驗可以得出該地區風積沙休止角為25.75°。

該地區風積沙有著很好的磨圓角，極少數顆粒為棱角狀，顆粒表面有麻點及極小坑穴。

1.6 水理性質

風積沙浸水極易形成液化現象，可采用界限含水量對塑性指數和液性指數進行計算。風積沙表面不具備對水的吸附性，顆粒間具有透水性，有著很好的濾水效果，表層多呈現干燥。對沙漠不同地段風積沙進行取樣來測定滲透系數，見表3，測定滲透系數為3.45m/d～5.38m/d,表明有著很好的透水性，試樣1為細沙,試樣2為中沙。不同地段風積沙滲透系數差別較小，所選兩樣試樣滲透系數存在很小的差別，這是因為受到顆粒形狀、礦物、孔隙度等因素影響有關。

表3 試樣滲透結果統計表

風積沙毛細水上升高度計算公式為：

上式中hc為上升高度，T為表面張力，α為夾角，yω為水具備的容重，r為毛細管半徑。

從計算公式中不難發現，毛細水上升高度和毛細管半徑為反比例關系，風積水毛細水上升高度會跟著壓實度、時間正比增大。從圖2可以看出，兩種沙樣毛細水上升高度會跟著壓實度變大而變大，這是由于上升高度與毛細半徑為反比關系，毛細半徑會跟著沙樣孔隙體生活會變小而變小，水樣孔隙比也會跟著密實度增大而變小，和密實度間存在反比例關系。孔隙比也會隨著沙樣孔隙體積呈現對應關系，毛細水升高度會跟著壓實度增長而變大。沙樣2比沙樣1上升高度大，這是由于沙樣1粒徑低于0.074mm顆粒含量更多，小粒徑沙樣會導致毛細管貫通性變小，水分進行上升時會存在更大的阻力，會在同樣的壓實密度條件下，沙樣1上升高度會更小些。

圖2 兩組沙樣毛細水上升高度與壓實度對比圖

毛細水上升高度與時間也存在著一定關系，沙樣毛細水上升高度會跟著時間的增長而變大，在初期有著較快的上升速度，中后期上升會變得緩慢，在48h左右上升高度達到穩定，這是由于初期毛細管水柱質量與毛細管壁摩擦力都比較低，在表面張力作用下會不斷變大，但隨著水柱重量增大，上升速度也會降低。實驗數據表明，風積沙壓實度為98%左右，毛細水最大上升高度可達到59.3cm，可將風積沙作為道路基底材料，可以起到較好的防濾水效果。

2 擊實特性

2.1 擊實試驗

根據相關規程要求，在進行擊實試驗時選取3層風積沙填料，每層填料擊實數為98次，進行重型擊實驗，具體實驗數據見表4。

表4 風積沙標準重型擊實數據統計表

從統計數據中不難發現，含水量接近0%時，最大干密度為1.672g/cm3，最佳含水量13.15%時對應最大干密度為1.701g/cm3。

2.2 振動試驗

由于風積沙不具備粘性，最大干密度測定可通過振動臺飽水振動法、表面振動法。采取具有代表性風積沙樣本，進行篩分并去除雜質，振動試驗應一次填料，通過試驗發現含水量接近0%則最大干密度為1.701g/cm3，最佳含水量為13.2%，濕沙最大干密度為1.702g/cm3。表面振動法以實測含水量為0.25%的干沙作為樣本，對2min、4min、6min、8min、10min、12min振動時間下的一層、三層填料干密度進行測定。對振動效果進行評定，發現振動時間保持在10min為最佳，三層填料表面振動擊實效果更好。濕沙表面振動時間設置4min、8min，采用一層、三層填對不同含水量下的干密度進行測定，從試驗結果來看，三次填料振動壓實效果較好，最佳含水量為13%左右。不同試驗應用相同風積沙樣，振動法、擊實試驗法要好于表面振動壓實檢測法，測得風積沙最大干密度為1.711g/cm3。

3 靜力特性、強度和變形規律

3.1 壓縮試驗

風積沙具備的密度及含水量會對靜力壓力性產生影呼，不同壓力作用于不同壓實度風積沙試件進行壓縮試驗，將風積沙顆粒進行擠壓來排水分、空氣，這樣會使風積沙試件出現壓縮變形。選取含水量為0%、2%、6%、9.9%的風積沙試件，其中9.9%為及最佳含水量，成型密度96%，施加50kPa、100kPa、200kPa、400kPa作用力，間隔1h讀取試件變形量，以試樣壓縮前后體積變化計算出壓縮變形與孔隙比關系。從試驗結果來看，壓縮模量近似于線性增大，不同含水量試樣e-logp曲線為線性關系，表明壓縮指數可用于試樣壓縮沉降計算，含水量的增大則壓縮指數變小，隨著加載壓力增加而變小，則該地區風積沙具有低壓縮性和高壓縮模量，采用該材料進行路基填筑壓實，可以達到較好的穩定性、強度。

3.2 CBR試驗

風積沙不具備較強的粘聚力，選用含水量0%、2%、6%及最佳含水量來制取干密度試件，在不同含水量條件下進行干密度CBR試驗，測時不同干密度情況下CBR值，建立起含水量0%與最佳含水量條件下的壓力和貫入量關系。從試驗結果中發現，含水量在0%時CBR值比較小，壓力與貫入量為直線關系且表現為彈性，隨著擊打次數增長則壓實度隨之變大，CBR值也會增加，因此，風積沙CBR值會隨著壓實度增長而增加。試件干密度相同、含水量不同，則CBR值有著較大差異，在2000kPa區間內，風積沙壓力與貫力量為直線關系，如果壓力超過該區間則表現為非直線關系，擊實98次要比擊實30次塑性滯后。在最佳含水量條件下，每層擊實98次具有很好彈性，濕沙CBR值約為27，也就是壓實至一定程度則具有較好的抵抗變形及抗破壞性能。

結合靜力壓實特性CBR試驗，針對不同干密度、含水量條件下壓力-變形規律進行測定。從實驗結果中發現，含水量為0%則CBR值比較小，干密度變大則CBR值增大，含水量為0%時應力-變形規律表現為彈性，干密度大則抵抗變形性能越好。不同含水量濕沙CBR值（10-27）比較大，相同含水量條件下不同干密度的CBR值也不盡相同，干密度大則CBR值增大。干密度值的不斷增加，應力-變形在初始區間為線性關系，如果為最佳含水量，干密度增加則變形差別就越小，與CBR值接近，表明最佳含水量條件下壓實后有著更好的抗破壞性能和更強的穩定性。

3.3 回彈模量

采用風積沙材料填筑路基，回彈模量與干密度、含水量有著直接關系，由于該地區風積沙粘聚力小、含水量低，將含水量為0%、2%、6%條件風積沙制作為樣本，在選定的3個含水量條件下制作3個干密度試件，對干密度、含水量對試件回彈模型的影響進行分析。從試驗結果上來看，含水量不同條件下壓力-回彈變形為線性關系，則表明風積沙為彈性體。試件壓實度相同時，干沙彈性模量低于有含水量時彈性模型，而干密度變大則相同含水量試件回彈模量也相應變大。

4 結語

綜上所述，采用風積沙作為路基填筑材料對軟弱土地基進行處理，可以達到與鋪設砂礫等透水性材料墊層相同的加固的效果，通過碾壓施工以后可有效提升地基承載力、防止在荷載作用下產生側向變形，因此，采用風積沙作為墊層是可行的，可以滿足道路工程對路基施工的質量要求。