风积沙工程实践研究-风积沙工程特性及工程实践研究

4.4.4.1　形变观测分析

在大击实筒中成型试样，在浸水时进行形变观测，结果见表4-17。由表4-17可知干燥的风积沙在浸水后，其形变特征如下：

（1）干燥的风积沙浸水后的体积变化表现为下沉（正因为如此，其他内陆省区才有对风积沙路基进行水坠法施工的经验）。

（2）风积沙浸水后的沉降开始比较快，随后就越来越慢（图4-51与图4-52）。60min的沉降量与1080min的沉降量相比，当压实度小于95%时，前者可占到后者的90%以上；压实度大于95%的，除个别较特殊外，一般都能达到80%以上。

（3）对于同一风积沙来说，压实度（密度）越高，浸水后的沉降量越少；反之，压实度（密度）越低，浸水后的沉降量也就越大（图4-51）。

表4-17　风积沙浸水后的形变量

注：1.沉降量单位为0.01mm。
2.试样成型厚度为20cm。

图4-51　风积沙B的浸水形变曲线

图4-52　试验沙样的浸水沉降量

（4）从图4-51可以看出，不同的风积沙在浸水过程中的沉降量差异较大，尤其是压实度较低时（如在88%时），试验的两种风积沙不仅沉降量较大，相互间的差异也较大，可达1倍以上。但此差异的产生是由于风积沙的细度（细度模数）不同，还是由于风积沙中的粉黏粒（∠0.074mm）含量不同，还是这两者都起作用，这是目前的研究水平难以解决的。因此通过该项试验，虽能定性地掌握风积沙浸水后的形变规律，却无法对其进行定量的描述（这样的数学描述应能适合于不同的风积沙）。

（5）风积沙的最大持水量：A在27%左右，B在12%左右。在大击实筒中将风积沙成型后，在进行浸水时，所需要的水量按略小于风积沙的最大持水量来计算（如A为25%，B为10%）。当所需要的水量被缓慢均匀地倒入大击实筒中后，渗入沙层（厚度20cm左右）的时间，虽然会因风积沙的不同以及其密度的不同而有所不同，但一般均在5min之内。再加上用环刀取样并完成密度测定所需要的时间一般也不会超过5min。则从浸水时开始到用环刀取出沙样并完成密度测定的时间一般应不超过10min。从表4-17可以看出，在10min内，风积沙的沉降量除最松散的沉降率可达3.06%外，较为密实及密实的（密实度达90%以上时）沉降率一般在0.5%以下，由此导致的密度变化（增大）也在0.5%以下，也是很小的，因而可认为浸水措施对风积沙的密度影响不大。

（6）风积沙浸水后不再呈松散状，壁面可起立，故而可用环刀法与灌砂法等对其进行密实度测定。

4.4.4.2　密度测定分析

1）尝试性试验

在正式进行浸水法测定干沙密度试验之前，为了能够更好地掌握环刀法试验的技能，进行了尝试性试验。首次进行尝试性试验时，因经验不足，在对A样进行环刀法试验时，因在修土过程中过分注意将环刀两端的沙样面抹平（沙表面较粗糙，不易抹平），而在反复抹平的过程中出现了将环刀外面的沙被压入环刀中（进行试验的沙样密度恰巧又较小）的现象，导致试验结果明显偏大（表4-18）。

表4-18　风积沙密度测定试验结果

注：成型时干燥，试验前加水浸湿。

后在多次试验的基础上，通过经验总结，再进行试验时，一方面在修削沙样时非常细心，注意勿垂直于环刀面用力而使沙被压入环刀中；另一方面在抹平沙样时，每面只抹2～3次，不多抹。此外，对在修削过程中环刀端口处的沙样面上出现有缺口（破坏）的，若缺口较大（深度超过2mm或面积超过环刀口面积的1／4），则将此沙样作废，不再修补；若缺口较小（最大深度小于2mm且面积不超过环刀口面积的1／4），则在进行修补时，视具体情况进行修补（修补时首先估计缺口的体积大小，再从取样地的土层中切取一小块沙样或从已切削下的沙块中找到一块密度未发生变化的小块，从中修剪或挖取出与缺口的形状、体积差不多大小的土块，填入缺口处，然后再进行修补。修补过程中，一方面注意用力的大小：在用修土刀将填补的土样垂直压入环刀的过程中，对较密实的沙样用力要大些，反之就要小些；另一方面，当此填补的沙样多出或不够而要进行第二次修补时，多出的或需再补充的沙样应远远小于第一次修补时所需的沙样，即只做小幅度调整，否则就将被看成对此沙样的修补不成功，而将此样作废），从而基本上避免了上述现象的出现。

2）成型误差分析

在正式试验之前，还需指出的是，为确定在超大击实筒中成型的沙样厚度而进行的水准测量是这样进行的：

（1）水准仪安置在距超大击实筒约4m处（也就是在进行水准测量时其视距为4m左右。在如此近的距离内，在水准测量时，在具有毫米刻划的塔尺上读数时，分辨率可达0.5mm）。

（2）在一个完整的试样成型过程所需的多次水准测量中，第一次水准测量完成后，不移动已安置好的水准仪，并用此已安置好的水准仪继续进行后续的水准测量，直至完成整个试样成型过程（这样可大幅减少测量数据的系统误差）。

（3）在水准测量过程中使用同一把具有毫米刻划的塔尺上读数，并在水准测量过程中反复多次地读摇尺（这样即可减少测量数据的系统误差，也可减少测量数据的偶然误差）。

这样的水准测量，其系统误差与偶然误差相比是很小的，因而可忽略不计；一次观测的偶然误差Δm=±0.5mm。沙样厚度则是以两次观测的数据相减而得到的。根据误差传播理论，若偶然误差Δm=±0.5mm，系统误差忽略不计，则在某一测点的一次测量数据中，系统误差Δb=0，偶然误差Δm=±0.5mm。以两次测量所得数据之差而得到的新数据，其误差同样为：两次系统误差Δb的累积，为系统误差，等于0；两次偶然误差Δm的累积，为±1mm；总误差为±1mm。

在超大击实筒中，沙样的成型厚度设计为20cm（虽然实际压实后会略多或略少一点）。若将实际压实后的成型厚度均以20cm计，则成型出的沙样，其干密度的总误差为±1／200=±0.005。如此一来，通过高程测量而得知的成型干密度并不一定是其准确值。其准确值在此量测值的1±0.005范围内。虽然此范围很小，却还是有一定影响的。假如通过高程量测而得知的干密度为1.7500g／cm3，则其准确值应在1.741～1.759。因此在进行密度测定试验时，即使测出的干密度（以数次试验的平均值为准）与通过高程量测而得知的干密度有一定的偏差并不奇怪，只要前者能落在后者准确值所在的范围内，或是前者加上或减去测定误差后仍能落在后者准确值所在的范围内，同样是正确的。

3）试验误差分析

用环刀法对已完成了浸水试验的风积沙进行密度测定试验，结果见表4-18，并由此分析可知：

（1）即使对有一定内聚力的湿砂，即使在工作中格外小心，用环刀法测定风积沙密度时，一定的误差总是在所难免。用环刀法对同一密度的风积沙进行多次试验后，发现测得的密度差值最大可达0.1g／cm3，但一般多在0.06g／cm3以内。

（2）《公路土工试验规程》中密度试验的环刀法的第6.1.5条要求的精密度和允许差为：

该试验须进行二次平行测定，取其算术平均值，其平行差值不得大于0.03g／cm3。

这也意味着用环刀法对细粒土进行密度测定试验时，其二次平行试验的差值一般在0.03g／cm3以内。

但用环刀法对风积沙进行密度测定试验时，其二次平行试验的差值一般在0.06g／cm3以内。

之所以有此差异，分析其原因，大致有二：一是即使风积沙是湿润的，有一定的内聚力，但与粉土与黏土等相比，此内聚力还是较小的，因而外力扰动（虽然小心地将其降到了很低的限度）还是对其有一定影响的，虽然这种影响与风积沙干燥时相比要小许多；二是与粉土与黏土等相比，风积沙的颗粒还是比较大的，因而其表面也显得较“粗糙”，“粗糙”的表面会在一定程度上影响其体积的真实性，从而也会对密度测定产生一定的影响。

由此可见，用环刀法测定风积沙密度时，其平行试验的差值与细粒土的相比要大些，但大得并不多。此时如果按《公路土工试验规程》中密度试验的环刀法的第6.1.5条要求进行二次平行测定的话，则会经常出现二次平行测定的差值大于0.03g／cm3而小于0.06g／cm3的现象。这是正常的，并不意味着试验中出了差错。

有鉴于此，若要有效降低试验误差，就应适当增加平行试验的次数。为此可要求进行的平行测定试验不应低于三次。若三次平行测定所得到数值的中间值与高值、低值之差均小于0.03g／cm3的话，则可将这三次平行测定的数值进行算术平均。

4）环刀类型影响

用于环刀法密度测定的环刀类型有多种，最为常见的有三种，其有关参数见表4-19。由表可以看出，不同类型的环刀在高度上差别并不大，造成其体积差异的主要因素是其在直径上有着较大的差异。《公路土工试验规程》的条文说明中有关环刀法的第6.1.2条中说：施工现场检查填土压实密度时，由于每层土压实度上下不均匀，为提高试验结果的精度，可增大环刀容积，一般采用的环刀容积为200～500cm3。从这段文字可看出，之所以采用较大容积的环刀，原因在于土的压实度不匀，并不是因为容积较大的环刀测定精度比容积较小的高。即使如此，仍有不少人认为在测定精度方面，使用容积较大的环刀要比使用容积较小的环刀要高，因而倾向于在实际工作中使用容积较大的环刀。但用较大容积的环刀做试验，花费的时间较多，破坏性也较大。因此有必要对不同类型的环刀对其试验结果是否有影响及其影响程度大小进行专项试验研究。

表4-19　环刀参数

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为了有利于试验数据的分析与对比，专项研究试验用的是湿润的风积沙，并在用做室内承载板试验的大型试槽中成型。大型试槽长2.1m，宽2.1m，深1.5m。在这样的大型试槽中，按照某一密度将风积沙振压成型后（在试槽中成型的试验沙层厚10cm），可用不同类型的环刀进行多次密度测定。多次密度测定，测定的是同一密度（风积沙成型时的密度）。对此试验结果进行数理分析（方差对比及统计假设检验等），就可知不同类型的环刀对其密度测定的试验结果是否有较为明显的影响。试验结果见表4-20，进一步分析如下：

表4-20　不同环刀类型的密度测定

注：风积沙成型时的含水量为9.53%。

将某一类型的环刀所测定的密度试验结果看成一个总体；三种环刀类型就会有三个总体，它们可分别由随机变量ξ、η、λ来表征。ξ表示用容积为100cm3环刀所测定的密度，η表示用容积为200cm3环刀所测定的密度，λ表示用容积为500cm3环刀所测定的密度。根据中心极限定理，如果一个随机变量决定于大量（乃至无穷个）随机因素的总和，其中每个随机因素的单独作用微不足道，而且各因素的作用相对均匀，那么它就服从（或近似地服从）正态分布。由此中心极限定理可知，在沙样成型及密度测定均正常的条件下，ξ、η、λ都服从正态分布。因此问题可以化为统计假设的检验问题。

试验表明，容积为100cm3、200cm3、500cm3的三种环刀类型对风积沙密度进行测定的结果，其平均水平并无显著差异。表明在测定次数较多且又以平均值为代表时，用这三种环刀进行测定的结果是没有差别的，因而在实际工作中，可选取容积较小的环刀进行试验，以取得最大功效。

但从表4-20也还可看出，随着环刀容积由小至大，测量数据的绝对误差及其变异系数均在变小：容积为100cm3的绝对误差达0.104cm3，容积为200cm3的为0.077cm3，容积为500cm3的为0.061cm3；容积为100cm3的变异系数达2.23%，容积为200cm3的为1.75%，容积为500cm3的为1.16%。虽然从总体上讲，这三种绝对误差与变异系数均很小，因而对测定结果的影响都不大，但它们毕竟还是有差异的。这种差异有时还比较大，如在变异系数方面，容积为100cm3的约是容积为500cm3的2倍。说明在测定精度方面，环刀容积大的明显要比环刀容积小的高。有鉴于此，在测定次数较少、准确性要求又较高的试验中，可（宜）选用容积较大的环刀。

5）浸水法密度测定

在上述研究的基础上，在大型击实筒中成型风积沙试样，然后加水浸湿；浸湿过程结束后，也就是所加之水全部都渗入到风积沙试样中后，即开始用环刀进行密度测定。试验结果见表4-21。

由表可以看出：

（1）用浸水法测定的风积沙干密度的平均值，包括经过修正与未修正的，与风积沙成型干密度相差不大，最大达0.046g／cm3，一般在0.02g／cm3以下。相差较大者，为风积沙成型密度（压实度）较低的，一般在90%以下；随着密度（压实度）的增大，两者间的相差也越来越小；当压实度达90%以上时，相差值一般都低于0.02g／cm3；而当压实度达95%以上时，相差值一般都在0.01g／cm3以内。

（2）用浸水法测定的风积沙干密度的平均值，包括经过修正与未修正的，与风积沙成型干密度所在的准确值范围相比，其大致规律是：

当压实度在90%以下时，前者（显得较大）超出了后者的范围；当压实度在90%以上时，前者一般都在后者的范围之内（虽然仍存在着前者在压实度较低时略偏小，压实度较高时又略偏大之规律——原因前已述及）。

（3）与表4-17相比，表4-21的数据波动性要明显大些，尤其是在对试样A进行试验时，表现为与平均值之差大于0.03g／cm3的异常试验数据明显增多。通过分析发现，之所以如此，主要是受水分因素的影响。在进行表4-21试验测定时，风积沙浸水时间较短，水分还未能在沙样中较为均匀地分布，表现为含水量测定时发现其变化较大。注意到这点后，再进行含水量测定时（如对试样B进行此试验时），一方面注意取样的代表性（环刀里的沙样从上到下均取），另一方面尽可能多地将环刀中的沙样全部都用于含水量测定，从而较为有效地避免了水分因素的影响（表现为B试样的波动性明显又小了）。虽然有此波动，但从表4-21可看出，这种波动对试验结果（多次试验结果的平均值）影响并不大。

（4）综合前述三点，再考虑到在风积沙试样成型时水准测量的误差，以及环刀法测定风积沙密度的误差等，则可认为当风积沙的密度（压实度）达90%时，浸水作用所造成的风积沙的密度改变是很小的，既小于风积沙试样成型时水准测量误差所造成的误差，也更小于环刀法测定风积沙密度的误差（仅为后者的50%左右），因而在用浸水法测定风积沙密度时，注意人工操作的均一性、准确性与熟练性，尽可能消除含水量分布不匀等因素的影响，并适当地增加试验测定次数，则试验结果是可以在精度及准确度上满足公路工程需要的。

6）对比试验

为了能说明浸水法测定风积沙密度试验的必要性，有必要进行对比试验。所谓对比试验，就是直接用环刀在干燥的风积沙上进行密度测定。

在干燥的风积沙上用环刀法进行密度测定试验，与用环刀法在湿润的风积沙或细粒土（粉土与黏土）上进行密度测定试验的异同之处在于：

（1）按照《公路路基路面现场测试规程》中的环刀法测定压实度试验方法第6.3.3.3的要求，直接将环刀压入（或打入）沙层后，由于干沙为松散状，因而不能用镐或锹将环刀挖出（那样的话环刀中的沙会因周围压力发生了较大变化而产生扰动），而是先在环刀旁边且距环刀有一定距离处挖一坑（挖坑时注意勿使环刀中的沙松动）。再用一薄铁板，从坑底平插到环刀口下面。然后再抬起薄铁板，在抬起的过程中一直保持薄铁板水平，从而将薄铁板上的环刀从沙层中取出（这样可基本上保证干沙在取出的过程中受力状况不至于产生较大的变化，从而尽可能地减少对环刀中的沙样产生扰动）。

（2）接下来先取下环盖，用修土刀修削掉环盖一侧多余的沙，并将其修平。这与用环刀法在湿润的风积沙或细粒土（粉土与黏土）上进行密度测定试验的要求是相同的。

（3）再用第二块薄铁板盖在修平的沙面上。然后将两个薄铁板所夹的环刀翻转。完成翻转后，再将环刀另一面的沙土修平即可。这也与用环刀法在湿润的风积沙或细粒土（粉土与黏土）上进行密度测定试验的要求相同。不同之处在于，在翻转环刀时，动作不能慢，否则就会有沙从环刀中流出（在第一块薄铁板插入环刀下部时，很难保证其正好在环刀下部并与环刀紧密接触，因而在其与环刀之间有沙层存在，这些沙将在环刀翻转过程中撒落，只有动作迅速，才能减少沙的洒落）。

按照上述方法，干燥的风积沙在大击实筒中成型，然后直接在干沙上用环刀法进行密度测定，试验结果见表4-22。

对比表4-21与表4-22，可知在干燥的风积沙上直接用环刀进行密度测定，其试验结果有两个较为明显的特征：

一是试验数据波动性（由数据之差的绝对值与标准差的大小来表征）明显增大，明显大于用环刀对湿润的风积沙进行密度测定时所取得的相关数值。

表4-22　风积沙密度测定试验结果

注：1.成型时干燥，直接在干沙上试验。
2.密度准确值一栏中的两行数字表明了成型试样干密度准确值的变化范围。

二是试验结果（以多次试验的平均值来代表）偏差很大，并且当干沙的压实度较低时，测出的数据明显偏大；反之，当干沙的压实度较高时，测出的数据明显偏小。

究其原因，首先是干燥的风积沙呈散粒状，无论其密度（压实度）如何，都易于被扰动，尤其是当这样的扰动来自沙层下部时（有了空隙后，沙层将在重力作用下发生流动）。用薄铁板从环刀下部插入沙层时，不可避免地将扰动沙层，沙层的扰动正好发生在环刀的下方，因而环刀中的沙肯定会明显受到影响。此外，也是更主要的，就是在取样的过程中，松散状的干沙在快速翻转环刀的过程中，一方面受到了离心力的作用，导致密度发生了变化；在翻转环刀的过程中，无论怎样总会有沙从第一块薄铁板与环刀间处撒落与流出；另一方面，在用薄铁板将环刀从沙层中取出的过程中，由于环刀口处外围的压力减小（环刀外的沙层受重力作用跑到了薄铁板之外），有少量沙从环刀中流出（这在试验过程中有时可明显观察到）；干沙对振动比较敏感，而在试验过程中的振动又在所难免（如将环刀打入沙层时就会有振动）等，都会导致干沙的密度发生变化。而干燥的风积沙在受到扰动而发生密度变化时，其一般规律是：压实度明显较低的密实度会增加；压实度明显较高的密实度会减少；压实度在95%左右的，其密实度的变化既有可能增加，也有可能减少，但增减值要比压实度明显较高或明显较低时小许多。

表4-22中，用环刀法直接在干沙上测定的干密度平均值，与其成型干密度相比，大多都超过了0.03g／cm3。说明这一测定方法存在着较大的误差，并已超过了有关规程的规定，故在实际工作中不宜再采用。

4.4.4.3　试验结论

（1）试验表明，用环刀法直接在干沙上进行密度测定，这一方法存在着较大的误差，并已超过了有关规程的规定，故在实际工作中不宜再采用。

（2）用环刀法直接在干沙上进行密度测定，这一方法之所以存在较大的误差，是因为干燥的风积沙其内聚力很小，基本上为零，故呈散粒状，并对外部的扰动很敏感；而用环刀法直接在干沙上进行密度测定时，又不可避免地会对所要测定的风积沙产生较为明显的扰动，如将环刀快速翻转等，由此导致风积沙的密度发生不同程度的变化，并在多数情况下，这种变化超出了规程所要求的范围。

（3）干燥的风积沙在浸水后的体积变化表现为下沉，并且开始时较快，随后就越来越慢。对同一风积沙来说，压实度（密度）越高，浸水后的沉降量越少；反之，压实度（密度）越低，浸水后的沉降量也就越大。

（4）按照最大持水量来浸水，20cm厚的沙层一般在5min内所有的水都可渗入，加上用环刀取样并完成密度测定所需要的时间一般不会超过5min。则在10min内，风积沙的沉降量除最松散的沉降率可达3.06%外，较为密实及密实的（密实度达90%以上时）沉降率一般在0.5%以下，由此导致的密度变化（增大）也在0.5%以下，是很小的，因而可认为浸水措施对风积沙的密度影响不大。这是浸水法测定密度的理论基础。

（5）在进行环刀法试验时，除了要严格按照规程要求去做外，还要能很好地掌握试验技能，尤其在修削沙样方面，要注意勿将环刀外的沙压入环刀中。

（6）在大击实筒中成型风积沙时，通过称量及水准高程测量可得知其密度。这样确定的密度，其误差约在±0.5%左右。

（7）用环刀法对湿润的风积沙进行密度测定的结果表明，对风积沙来说，环刀法密度测定试验的平行误差一般多在0.06g／cm3以内。

（8）由于用环刀法测定风积沙密度的平行误差相对来说比较大，故为降低此误差，应适当增加平行试验的次数，如不低于三次等。

（9）用环刀法测定的风积沙密度，在风积沙密度较小时，测定值略偏大，密度较大时，测定值略偏小。根本原因还在于风积沙对外力扰动具有敏感性。

（10）试验表明，随着环刀容积由小至大，测量数据的绝对误差及其变异系数均在变小，故在测定精度方面，环刀容积大的明显要比环刀容积小的高；但其多次测定的平均值并无显著差异。

（11）试验表明，当风积沙的密度（压实度）达90%以上时，浸水作用所造成的风积沙的密度改变是很小的，既小于风积沙试样成型时水准测量的误差，也更小于环刀法测定风积沙密度的误差，因而用浸水法进行风积沙密度测定时，注意人工操作的均一性、准确性与熟练性，尽可能消除含水量分布不匀等因素影响，并适当增加试验测定次数，则试验结果是可以在精度及准确度上满足公路工程需要的。