风积沙路基公路设计施工与防沙技巧

2025-09-30 理论教育版权反馈

【摘要】：图1-3和图1-4分别给出了一般黏性土与风积沙的击实曲线。初步分析认为，这主要是沙的特性引起的。

对一般黏性土的压实是通过碾压、冲击等外力手段，克服土颗粒之间的分子引力，压缩孔隙体积，使土颗粒互相靠拢，从而提高土的密度。这时，土中含水量是一个重要的影响因素。大量的试验研究已经表明，土体在一定的击实功下，含水量与干密度之间存在单一的函数关系，其中存在最佳含水量及其对应的最大干密度。对于风积沙，由于处于松散单粒状态，颗粒间的分子引力几乎为零，依靠土中水的含量来抵消颗粒间分子引力的作用已不存在，仅当沙粒处于潮湿状态、颗粒间产生毛细作用力时，含水量才会起作用。因此，风积沙在完全干燥状态、某一特定含水量状态和完全饱和状态时都可能达到最佳的压实效果。这时沙中含水量主要有以下两方面作用：一是在沙体处于潮湿状态下含水量的增减可使颗粒间产生或消除毛细作用；二是土中水起着润滑作用，使土颗粒间的摩擦力减小。图1-3和图1-4分别给出了一般黏性土与风积沙的击实曲线。

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图1-3 一般黏性土的击实曲线图

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图1-4 风积沙的击实曲线

风积沙处于单粒颗粒间点接触的架空结构状态，颗粒间不同排列和接触方式决定了其密实状态。如图1-5所示，不同的结构状态下沙体中孔隙体积差异显著。其中图1-5a为最松散状态，图1-5b为最密实状态。因此土力学中通常用相对密度或孔隙比来评价沙体密实度，其中相对密度表达式为

式中 e max——沙体的最大孔隙比；

e min——沙体的最小孔隙比；

e——沙体的天然孔隙比。

e max、e min是通过振动试验确定的。此外也有采用标准贯入试验锤击数N 63.5来评价沙土地基现场密实度的。

对风积沙的压实，就是要使沙体从图1-5a所示的松散状态转变为图1-5b所示的密实状态。压实手段主要有两种：

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图1-5 沙体的几种结构状态示意图

（1）采用常规的击实试验方法，依靠外力的强制作用力，使沙体密实。如图1-5c所示，一部分外力分解为颗粒间的剪切力，使颗粒产生相对位移；另一部分外力分解为颗粒间的法向力，产生推挤作用，使颗粒产生侧向位移，所起的压实作用明显较小。土中水所起的作用有如下几个方面：一是水的润滑作用；二是一定含水量情况下，颗粒间产生毛细作用力，不利于压实；三是含水量较大时，消除了毛细作用力；四是含水量较大时，由于水不可压缩，又不能迅速排出，依靠冲击击实作用产生的作用力很大程度上被水吸收而不利于压实。

（2）另一种手段是振动密实，这种手段又分为两种方法：①使沙体处于完全干燥状态下，按照一定的频率和振幅振动，使颗粒失去原有的稳定状态，并向另一种更稳定的状态过渡，达到密实状态，这时存在最佳振动时间。松散的沙体随振动逐渐变密，到一定时间后达到稳定状态，密实度几乎不再变化。若在试样上施加一定荷载，或改变频率和振幅都可能达到不同的密实状态。②使沙体处于完全饱和状态下，按照一定的频率和振幅振动，使颗粒失去原有的稳定状态，并向另一种更稳定的状态过渡，达到密实状态。这时土中水起到了润滑作用。同样地，不同频率和振幅下达到的密实状态不同。若试筒中水能流动，并在试样上施加一定荷载，可达到最佳的密实效果。

对上述风积沙的压实试验，可分为击实法、干振法和水振法三种方法，介绍和对比如下。

1.4.2.1 重型标准击实试验

1）试验方法及设备

本试验按照JTGE 40《公路土工试验规程》进行。采用小击实筒，分5层击实，每层击27次，落锤高45 cm。

2）试验结果及分析

试验结果见表1-22、图1-6。

表1-22 重型击实试验得出的干密度

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（续表）

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从图1-6中可看出：风积沙的击实曲线表现为：在干燥状态时，干密度出现一个峰值；其后，随着含水量的增加，干密度开始降低，约在4%～6%时，干密度开始回升，一直到12%左右时干密度又达到一个峰值，击实曲线呈现一个横写的“S”形曲线，与粉、黏土所呈现的完全不同。

初步分析认为，这主要是沙的特性引起的。通常，土在压实的过程中，主要克服颗粒间的摩阻力（包括颗粒间的引力和摩擦力）。对细颗粒土而言，主要受到颗粒间引力的控制，摩擦力很小；而对粗颗粒土而言，当含水量很小时，引力小得可以忽略不计，主要是受到颗粒间的摩擦力控制。击实过程中，力主要以振动波的形式传递，沙粒在振动波的作用下移动，重新排列组合，趋于密实。当沙中含有一定水分时，在沙粒表面形成一层薄的水膜，产生表面张力，从而在沙粒之间形成引力，阻碍沙粒的移动，影响沙层的密实。当含水量继续增大时，沙粒的水膜增厚，削弱了沙粒之间的引力，此时除了振动本身的作用，自由水将沿孔隙向外排出，并对沙颗粒也产生一定的作用力使其位移，这样综合的作用使沙的密度有较大提高。当含水量继续增加时，出现了过多的自由水，在击实过程中水分无法迅速排出，表层开始出现液化、飞溅现象，部分的击实功被吸收掉，这样使沙的干密度有所降低。上述试验及分析结果为沙漠路基振动干压法施工工艺提供了理论基础。

1.4.2.2 干振试验

1）试验方法、设备及方案

根据有关文献对沙的压实机理研究表明，干燥状态下，风积沙的共振频率在25～55 Hz之间，也就是说在这个范围内能够取得最大的密实度，而且沙愈密实、共振频率愈大。我国的冯冠庆和杨阴华曾对振动台法的标准化问题进行了试验研究，发现当频率为47.5～50 Hz时，存在一个最优振幅0.3 mm，在此振幅下，干密度能达到最大值。因此，在本试验中，采用1 m×1 m的砼振动台作为激振设备，其振幅为0.3 mm，频率为47.7 Hz。此振动台在一般试验室或生产单位都能找到。试筒采用标准击实用的小击实筒，容积为977 cm3。

本试验对三种沙都进行了试验，试验时沙的含水量为零。为了观察振动中干密度随振动时间的变化规律，将振动时间设定为2 min、4 min、6 min、8 min、10 min。

2）试验步骤

（1）将击实筒放在振动台上。

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图1-6 各沙样的击实曲线

（2）将预先烘干的试样装满试筒。

（3）开始振动，达到预设的振动时间后立即停止。值得注意的是，由于砼振动台没有固定装置，所以试验时必须用双手按住击实筒两侧，使之不发生剧烈晃动。

（4）将试筒的套筒取下，并刮去多余的沙，将筒内的沙全部倒入台秤秤盘，称取沙重。

3）试验结果及分析

三种沙的干密度随时间变化，如表1-23、图1-7所示。(https://www.chuimin.cn)

表1-23 干振试验干密度随时间变化

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图1-7 干振试验干密度随时间变化曲线

试验表明：在规定的振动时间和振幅下，干密度随时间的增长而增大，振动时间为4～6 min时，沙体的干密度达到最大值，继续振动，干密度有所下降，说明发生了过振现象。这说明经过4～6 min的振动，沙颗粒在振动过程中，受到重力、碰撞力及振动力的作用，重新排列组合，其中一些小颗粒移动到大颗粒之间的缝隙中去，且排列比较密实，颗粒之间的孔隙变小，即达到了最大干密度；再继续振动，原先已经密实的结构部分被破坏，使密度有所下降。由于沙粒之间的摩擦力与碰撞力的作用，而且沙粒相互碰撞的能量较大，不易达到最佳排列状态，因而得到的干密度不如重型击实法得到的干密度大。鉴于此，有人提出，在试样上增加附加荷重，使沙在有附加压力的作用下振动，增加沙粒运动的阻力，从而提高沙体的最大干密度；但是，附加荷重操作起来具有一定的难度，不利于推广应用。

1.4.2.3 水振试验

1）试验方法、设备及方案

有关资料表明，沙的含水量大小对其共振频率无明显影响，因此本试验仍采用干振试验的振动台，振动频率和振幅不变，振动频率为47.7 Hz，振幅为0.3 mm。为了观察沙在水中振动过程中干密度随时间的变化，将振动时间设定为2 min、4 min、6 min、8 min、10 min。

2）试验步骤

（1）将击实筒放在振动台中间。

（2）倒入约500 ml的水，并将准备好的沙样装入筒中，直到与筒口平齐为止。

（3）开始振动，达到预设的振动时间后立即停止。由于击实筒的密封性欠佳，水会从击实筒底漏出，在振动过程中要注意加水，保证水面始终高出沙面。在振动过程中要用双手用力按住击实筒，以防击实筒剧烈晃动，影响试验的精度。

（4）振动结束后，取下套筒，刮去多余的沙，将筒内的沙全部倒入盘中（注意：有少量的沙粒粘附在筒壁上，必须刮净），将盘和沙一起放入烘箱烘干，然后称取干沙重。这样做的目的是能够消除由于含水量分布不均对试验精度造成的影响。

3）试验结果及分析

水振试验的结果见表1-24，其干密度随时间变化曲线如图1-8所示。

表1-24 水振试验干密度随时间变化

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试验结果表明：水振试验能得到比前两种方法大得多的干密度。初步分析认为：沙粒在水中除了自身重力、摩擦力、碰撞力外，还受到水浮力和孔隙水压力的作用，沙粒处于自由半悬浮状态。在此状态下，沙粒之间的摩擦力很小，在振动作用下，容易重新排列至最佳位置，而且水是液体，其黏滞度比空气大得多，因此对沙粒的运动有阻尼作用、削弱了沙粒之间碰撞的能量，所以这种最佳位置不易受到破坏，因而能够得到最大程度的密实。

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