鄂爾多斯風積沙靜力特性及強度變形規律研究

【摘要】依托內蒙古自治區省際大通道榮成—烏海線的修建，結合《鄂爾多斯地風積沙路基擊實標準及檢測方法研究》課題的開展，通過對鄂爾多斯風積沙的CBR值、回彈模量、壓縮試驗的數據分析，研究鄂爾多斯地區風積沙的靜力學特性，即強度—變性特點，以確保風積沙路基具有更好的強度、穩定性。

【關鍵詞】風積沙；實驗；回彈模量；變形；強度

內蒙古地區沙漠分布范圍較廣，在沙漠地區修建公路，基本要使用風積沙作為路基填料。風積沙具有水穩定性好、沉降均勻、受不利氣候和季節的影響較小、儲量豐富和就地取材方便等優點。然而，在沙漠形成的過程中，由于風力的作用，會形成很多高高低低、大大小小的沙丘，有的沙丘高達十幾米，因此，路基也將會出現許多高填方路段。為保證風積沙路基具有更好的強度和穩定性，必須研究風積沙作為路基材料的靜力性質，以確保風積沙路基具有足夠的承載能力。筆者有幸參與《鄂爾多斯地風積沙路基擊實標準及檢測方法研究》項目的研究工作，為此，本文根據風積沙無粘性的特點，通過對不同的密度、含水量條件下風積沙的CBR值、回彈模量、壓縮實驗的數據進行分析，研究風積沙的靜力學特性，即強度—變性特點。

一、CBR試驗研究

（1）試驗方法。第一，基本實驗步驟。一是按照擬定的含水量，利用振動臺制備不同含水量、不同干密度的風積沙試件。二是將試件置于試驗儀（手搖式三軸試驗儀）上，調整貫入桿與試件頂面全面接觸，在貫入桿周圍放置重量為2.5kg的荷載板。三是在貫入桿上施加一定的壓力進行預壓，然后將測力和測變形的百分表調整至零。四是按變形百分表度數等級，用規定的速度給貫入桿加壓，記錄每一等級時的百分表讀數。第二，結果整理精度要求。如果根據三個平行實驗結果計算出的承載比變異系數Cv大于12%，則去掉一個偏離大的值，取其余兩個結果的平均值。如Cv小于12%，且三個平行實驗結果計算出的干密度偏差小于0.03g/m3，則取三個結果的平均值，如三個平行實驗結果計算出的干密度偏差超過0.03g/m3，則去掉一個偏離大的值，取其余兩個結果的平均值。（2）CBR試驗結果。根據上述的試驗方法，選用內蒙古自治區鄂爾多斯地區具有代表性的風積沙試樣，進行CBR試驗，壓頭直徑為50mm。在做CBR實驗過程中，記錄了鄂爾多斯風積沙單位壓力—貫入應變的變化。（3）抗變形能力分析。根據試驗結果分析，可知當試件干密度相同而含水量不同時，CBR值的差異較大，鄂爾多斯風積沙干沙的CBR值普遍較小，濕沙的CBR值在10～28之間，說明風積沙在壓實以后，具有較高的抵抗破壞的能力。風積沙的應力-變形基本呈線性關系。風積沙在天然干燥狀態下，基本表現為彈性性質。當風積沙有一定含水量時，隨著干密度增加，應力在初始的一定范圍內表現出彈性性質，隨著應力的增加，產生塑性變形，干密度值越大發生塑性變形時所承受的應力越大，因而說明風積沙的干密度值越大，抵抗變形的能力越強。

二、回彈模量試驗研究

（1）試驗方法。第一，試件制備及試驗步驟。一是由于風積沙粘聚力較小，含水量較低時試樣成型較困難，鄂爾多斯風積沙選擇含水量為0%、2%、6%和最佳含水量9.9%的試樣進行試驗，在每個所選含水量的試樣成型三個不同干密度試件，每組成型3～4個試件，探討含水量、干密度對回彈模量的影響。二是根據實驗目的、工程要求選擇重型Ⅱ-2法擊實，按擊實試驗方法制備試件。按擊實實驗步驟制備不同含水量及不同干密度的試件組。三是將帶試筒的試樣放在杠桿式壓力試驗儀上進行試驗。四是用預定的最大壓力進行預壓，含水量不同的試件施加不同的壓力，預壓1～2次，每次預壓1min。五是將預定的最大單位壓力分為4～6級，按確定的加載等級加載，每次加載到預定荷載后，穩定1min，立即讀取兩個測量變形表的讀數值，卸載后穩定1min，再次讀取兩個測量變形表的讀數值，每次卸載后百分表不再回零。兩個百分表度數之差小于平均值的20%時，取平均值；如大于20%，應重新加載測量變形讀數。如此逐級進行加載和卸載，直至最后一級壓力。第二，數據整理的精度和允許誤差。如果p-1曲線不通過原點，允許用初始值線段與縱座標軸的交點當作原點，修正各級荷載下的回彈變形和回彈模量。試驗的精度與允許誤差：回彈模量最少需進行三次平行的試驗來確定，每次試驗的結果與回彈模量均值之差不應超過5%。（2）試驗結果。根據靜壓實特性中回彈模量試驗的結果，對風積沙不同干密度、不同含水量情況下成型的試件，測定其回彈變形，確定其回彈模量值，總結在一定壓力下的變形規律。（3）試驗結果分析。第一，鄂爾多斯風積沙的單位壓力—回彈變形關系曲線基本上呈直線關系，屬于彈性體。第二，鄂爾多斯風積沙干沙的回彈模量E0較小，基本在19.09MPa～41.48MPa之間；濕沙的回彈模量E0值在27MPa～76.71MPa之間。當含水量固定時，回彈模量會隨著干密度的提高而增大。第三，當壓實度一定時，干沙的彈性模量比濕沙的彈性模量要小得多。第四，含水量較小時，風積沙的回彈模量達到較高的值。當含水量大于2%時，回彈模量值變化很小，出現不規則波動，在含水量在6%時達到較大的值。第五，干沙和不同含水量的濕沙變形量差異較小，變形趨勢相同，應力與變形基本呈直線變化；隨應力增加，不同含水量的風積沙的變形量差異較大，變化趨勢相同，應力與變形呈線性關系。這就同樣說明鄂爾多斯風積沙基本屬于彈性體。

三、壓縮試驗研究

（1）試驗原理。路基風積沙填料在外荷載的作用下，水和空氣之間被擠出，風積沙顆粒之間互相擠緊，封閉氣體體積減小，從而引起風積沙體的壓縮變形。風積沙的壓縮主要是孔隙體積的減小，所以其壓縮變形可以參照一般土的做法，其壓縮變形也以孔隙比的變化來表示。試驗資料整理時，可根據試樣壓縮前后的體積變化求出壓縮變形和孔隙的關系，繪制e-p曲線，也可整理成e-1gp曲線。（2）試驗方法。采用快速固結試驗法，選擇5～6個加載等級每1h讀一次試件的變形量，將最后一級荷載作為終壓荷載，24h后讀取數據，以得出試件總的變形量的修正系數K。（3）試驗結果與分析。第一，隨著加載等級的加大，風積沙的壓縮模量大體上呈線性增長。第二，隨著壓實度的增長或含水量的降低，壓縮模量變大；隨著壓實度的減少或含水量的上升壓縮模量變小。壓縮系數則相反。第三，無論是干沙還是濕沙，都有較高的壓縮模量值，這說明風積沙路基經壓實后，具有較好的穩定性和較高的強度。第四，風積沙的壓縮系數a不是常數，會隨著加載壓力的增大而減少，可知鄂爾多斯風積沙屬于低壓縮性土。第五，風積沙在一定壓力作用下完成壓縮變形的時間很短，在半對數坐標中沉降量與時間呈現良好的線性關系。第六，應力在一定范圍內與單位變形呈線性關系，當應力超過一定值時，應力—單位變形也可近似看成是線性關系，但隨著應力增大，單位變形量增加很小。

四、結語

（1）鄂爾多斯風積沙處于干燥狀態時其基本表現為彈性體性質；有一定含水量時，在一定的荷載范圍內，風積沙表現為彈性性質；當荷載超過這一范圍時，風積沙表現為塑性。風積沙的壓實度越大，其塑性出現的越遲，說明具有一定壓實度的風積沙在一定的壓力下表現出相當好的彈性性質，可以看作為彈性材料。且在一定壓力作用下完成壓縮變形的時間很短。在半對數坐標中沉降量與時間呈現良好的線性關系。（2）對于風積沙路基來講，由于風積沙的透水性較好，沙顆粒間空隙通道暢通，其中空氣和水的排出所需時間很短，因而路基的壓縮沉降變形很快完成，隨時間的延長變形量變化不大，工后沉降隨時間的變化主要是由路基土體骨架的蠕變引起的。因此，只要采用合理的施工工藝，用風積沙作為路基填料是能保證其強度和穩定性的。

參 考 文 獻

[1]交通部．公路土工試驗規程（JTJ051-93）[S]．北京：人民交通出版社，1993