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塔克拉玛干沙漠和古尔班通古特沙漠样品

时间:2023-08-27 理论教育 版权反馈
【摘要】:风积沙的承载比同样是反映风积沙强度的一个十分重要的路用指标。试验内容包括不同风积沙在不同密度、不同含水量、不同试验类型等条件下的承载比试验。该项目研究的主要试验对象是塔克拉玛干沙漠腹地风积沙样品及古尔班通古特沙漠腹地风积沙样品。之所以如此,前已述及,是因为这两个风积沙样品具有典型性及代表性。

塔克拉玛干沙漠和古尔班通古特沙漠样品

风积沙的承载比同样是反映风积沙强度的一个十分重要的路用指标。所谓承载比(CBR值),是指试料贯入量达2.5mm时,单位压力对标准碎石压入相同贯入量时标准荷载强度的比值。标准荷载与贯入量之间的关系见表3-148。

表3-148 不同贯入量时的标准荷载强度和标准荷载

标准荷载强度与贯入量之间的关系也可用公式表示:

式中 p——标准荷载强度(kPa);

   l——贯入量(mm)。

CBR是路基土和路面材料的强度指标,是柔性路面设计的主要参数之一。在我国的柔性路面设计中,虽以路基土和路面材料的回弹模量值作为主要设计参数,但也经常用CBR值作为设计参数,从另一个角度对以回弹模量为设计参数的设计进行合理性验证等,并在国际学术交流中经常性地引用,故而有其研究之价值。

该项目研究进行此项试验所采用方法及依据为《公路土工试验规程》中的承载比试验。试验用风积沙样品主要为塔克拉玛干沙漠腹地风积沙、古尔班通古特沙漠腹地风积沙及0#~1#系列样品。试验内容包括不同风积沙在不同密度、不同含水量、不同试验类型等条件下的承载比试验。试验仪器为电动式路面材料强度仪(图3-98)。为保证试验数据的准确性,正式试验前对试验仪器进行了检修与标定,并且在试验过程中一直以一台仪器进行试验,以消除试验仪器自身缺陷的影响。

图3-98 风积沙CBR试验(试样饱水)

试验过程中,加荷使贯入杆以1mm/min的速度压入试件。由于风积沙在不同密度、不同含水量、不同试验类型(试验时是否饱水)条件下的承载比相差较大,为了能保证在试验过程中取得较多试验数据,在读取数据时,没有像规程要求的那样,记录测力计百分表的某些整读数(如20、40、60时)贯入量,而是以量测贯入量的某一百分表为准,在其达到某些整数(如30、50、80、100、130、150、180、200、230、150、280、300、330、350、380、400、430、450、480、500、530、550等)时读数另一量测贯入量的百分表读数及测力计内百分表读数。这样做的好处是可在任何情况下满足规程规定的“在贯入量为250×10-2mm时,能有5个以上的读数”。大量的数据也有利于对p-l关系曲线的修正,从而有力地保证了试验结果的准确性。

该项目研究的主要试验对象是塔克拉玛干沙漠腹地风积沙样品及古尔班通古特沙漠腹地风积沙样品。之所以如此,前已述及,是因为这两个风积沙样品具有典型性及代表性。该项目研究在对其进行承载比研究时进行的试验主要为不同的风积沙在不同密度、不同的含水量、不同试验类型(是否饱水)条件下的承载比试验,结果见表3-149~表3-152和图3-99。

承载比是一个比较综合的强度指标,能够反映土体在最不利条件下的强度。为了使承载比能够反映土体在最不利条件下的强度,《公路土工试验规程》中的承载比试验要求试件在进行破坏性试验之前,先在水中浸饱4d。该项目研究除了按此规程的要求进行了试验外,还考虑风积沙水稳定性问题及沙漠地区的特点(沙漠地区降水稀少,公路若为排水良好的沥青路面,则在干燥时成型的路基一般都能够在整个运营期间保持原有的干燥状态),对风积沙进行了在成型后不经过饱水而直接测定其CBR的试验。从试验数据中可看出:

表3-149 塔克拉玛干沙漠腹地风积沙试样CBR试验成果统计表(不饱水)

注:平均表示算术平均值;S表示标准差;Cv表示变异系数。(www.xing528.com)

表3-150 古尔班通古特沙漠腹地风积沙试样CBR试验成果统计表(不饱水)

表3-151 塔克拉玛干沙漠腹地风积沙试样CBR试验成果统计表(饱水)

表3-152 古尔班通古特沙漠腹地风积沙试样CBR试验成果统计表(饱水)

图3-99 风积沙的承载比

(1)用重型击实法对风积沙进行击实时,在每层相同的击实次数下(如15次、35次、70次、105次,每层的最高击实次数之所以为105次,而不是规程中所规定的98次,是因为试样成型时采用的是人工击实法,在击实过程中,由于导杆不能完全垂直等原因,影响击实效果,故多加几次,并认为人工击实的每层105次与击实仪击实的每层98次是等效的),得到的干密度并不完全相同,有一定的波动性。波动范围最大可达0.06g/cm3左右,但一般多在0.03g/cm3以下,并且还表现为当每层的击实次数较少时,波动的范围相应较大,而当每层的击实次数变多时,波动的范围也相应地减少。

之所以如此,原因很简单,就是在击实过程中,风积沙样品的密度在由小到大、由松到密的变化过程中,总是开始是密度增大较快,然后越来越小。这首先意味着在击实初期的击实可引起风积沙密度较大的变化;较大的变化也自然会造成风积沙的密度出现较大差异。其次,这样的密度变化过程也可导致当击实次数较多时,再增加击实次数,风积沙的密度却变化不大;这已被试验所证实,尤其是当风积沙是处于干燥状态时,试验数据显示,每层击实70次与每层击实105次的密度差异并不大,几乎是相等的。这样的波动性自然会对试验结果产生一定影响,且已在试验数据中体现出来了。但由于这种波动性造成的密度差异多在0.03g/cm3以内,则按《公路土工试验规程》中的承载比试验的有关要求,可认为其造成的影响是很小的,不必专门考虑。

(2)从承载比试验数据来看,风积沙的CBR值同样也存在着较大的波动性,尤其是当其密度较低或击实次数较小时,表现为对一组试验数据(如同一风积沙在同一含水量及击实次数条件下)进行统计分析时,常常会出现变异系数大于规程规定的12%以内的要求;为了能满足规程规定的要求,经常得剔除异常的试验数据。出现这种情况,除受上述风积沙密度波动性影响及风积沙自身特性(由于其典型的散粒状结构,自身强度的来源主要是颗粒的相嵌作用;而相嵌作用即使在同一密度条件下,也往往会随颗粒的排列不同而有一定的波动)外,最主要的还是因为当风积沙密度较低时,其CBR值也较低,多在10%以内。由变异系数的计算公式来看,即使CBR的差值相同,当CBR值较低时,变异系数也会大幅度增加,从而超过12%的要求,但实际上其CBR的差值并不是很大的。由此看来,可以认为,风积沙的CBR值存在着一定的波动性,但这种波动性对其规律性的认识及有关参数的确定并无较大影响。

(3)无论试验时是否饱水,也无论含水量为多少,风积沙的CBR值一般都表现出随着密度(每层的击实次数)增大而增大的规律。这从图3-99中可以明显地看出(虽然偶有例外情况)。偶有例外者主要为风积沙处于干燥状态的,主要原因是由于干燥状态的风积沙内聚力基本上为零,表现出典型的散粒状结构,在外力作用下,颗粒间的位移相对比较容易,因此其容易在击实次数较少时就取得较大密度。从表3-149~表3-152中可看出,干燥状态的风积沙,每层击实次数为70的干密度与每层击实次数为105的干密度基本相同,每层击实次数为35的干密度与每层击实次数为70的干密度也差之不多,每层击实次数为15的干密度与每层击实次数为35的干密度也差之不多。由于其密度随每层击实次数的变化不大,且有时还会出现反常的情况,故其CBR值的变化不仅有可能为异常的情况,而且其CBR值的变化幅度与湿润状态的风积沙相比也不会大。后者可从图3-99中看出,并为试验所证明。因此可以得出这样的结论,就是风积沙的CBR值是随着其密度的增大而增大的。

(4)无论试验时是否饱水,也无论压实度(每层击实次数)为多少,风积沙的CBR值一般都表现出随着含水量增大而增大的规律,只是增幅相对较小,并且有时还出现变化相反的情况。这从图3-99中可以明显地看出(虽然偶有例外情况)。偶有例外者主要为风积沙处于干燥状态的。之所以如此,主要原因是由于干燥状态的风积沙内聚力基本上为零,表现出典型的散粒状结构;而湿润状态的风积沙则有一定的内聚力。结果使得干燥状态的风积沙,其CBR值要比湿润状态明显要低一些。除此之外,风积沙的CBR值一般都表现出随着含水量增大而增大,只是增加幅度相对较小。这种相对较小的增加幅度表明风积沙受含水量作用的影响不大,也表明风积沙具有良好的水稳定性能。

(5)无论风积沙压实度(每层击实次数)为多少,也无论其含水量有多大,试验时饱水的风积沙CBR值一般都明显要比试验时不饱水的风积沙CBR值低(当然也有例外)。这从图3-99中可以明显看出。例外者主要为风积沙处于干燥状态的。之所以如此,主要原因是干燥状态的风积沙内聚力基本上为零,表现出典型的散粒状结构。干燥的风积沙浸水后,表现出两种情况,一种是风积沙中粉黏粒,尤其是黏粒含量较小,浸水后粉黏粒对风积沙的工程特性影响不大,这样一来,浸水后产生的水连接作用对风积沙的CBR值有增大的作用;另一种是风积沙中粉黏粒,尤其是黏粒含量较多,浸水后粉黏粒对风积沙的工程特性影响较大,这样一来,浸水后受粉黏粒作用的影响(粉黏粒浸润后强度会大幅度降低),风积沙的CBR值会降低。湿润状态成型的风积沙,应其在成型时就有水的作用,粉黏粒一般将填充到较大的沙颗粒之间,形成的风积沙结构缺陷较少,再浸水时,在沙颗粒间的粉黏粒,其作用力也将会降低。这也就是干燥状态的风积沙与湿润状态的风积沙在浸水后的表现有所不同的原因所在。

风积沙饱水后,其CBR值将有所降低,这是符合常理的。原因主要是水的润滑作用,将降低风积沙对外力的抵抗作用。从图3-99中可看出,当风积沙的压实度(每层击实次数)较低时,风积沙的CBR值较低,且饱水与不饱水的CBR值相差不大。但当风积沙的压实度(每层击实次数)较大时,风积沙的CBR值较高,且饱水与不饱水的CBR值相差较大,最大者可为不饱水的CBR值为其饱水的CBR值2倍左右。究其原因,还是风积沙的相嵌作用:风积沙压实度较大时,风积沙颗粒间的相嵌与摩擦作用也较大,因而在受到水的润滑作用后,下降的幅度也较大。

(6)风积沙饱水后膨胀率很小,尤其当压实度较小时,甚至出现负值,也即意味着收缩。之所以出现负值,是因为试样饱水时两端都进水,上部进的水在风积沙中向下运动,可带动风积沙颗粒移动,故有时会出现负值,尤其是当风积沙较疏松时。这也说明风积沙是具有憎水性的,故而受水的影响不会太大。

(7)从图3-99中可看出,不同的风积沙在不同的含水量条件下,在不饱水进行试验时,其CBR值会有较大的不同;但在饱水后进行试验,其CBR值却相当接近,并表现出随着压实度增大而增大的规律(个别例外者主要为干燥状态下成型者)。在一般情况下,在风积沙压实度为95%以上时,其CBR值多在25%~30%,平均30%左右。之所以如此,主要原因是饱水后的风积沙为饱水状态,其含水量不再为其成型时的含水量,故而也不再受其成型时的含水量影响;不同的风积沙原本CBR值相差不大(干燥状态的除外),因此其饱水后的CBR值也相差不大。正因为如此,才会有图3-99的情形出现。有鉴于此,可在公路设计中,将风积沙的CBR值确定为25%~30%,中值为30%。

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