风积沙的压实特性研究

张景焘

（长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西西安710064）

风积沙的压实特性研究

张景焘

（长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西西安710064）

风积沙是一种特殊的路基材料，其密实程度对公路使用耐久性起着至关重要的作用。风积沙工程特性差，其压实工艺一直是公路施工中的难题，通过击实试验、干振试验和水振试验研究了风积沙的压实特性。试验得到击实试验曲线与常规工程材料显著不同，呈一个特殊的横写S型，干密度随含水率变化有两个峰值，即沙在含水率为0和最优含水率下，均可被压实；干振试验和水振试验表明在固定的振动频率和振幅下，沙体的干密度随时间增长存在一个峰值，达到峰值时的振动时间约为4 min～6 min。通过试验对比分析可知，风积沙在水中振动能够达到最大限度的密实。

风积沙；干密度；击实试验；干振试验；水振试验

我国是一个多沙漠国家［1］，沙漠面积约7.5× 105km2，约占国土面积的8%，主要分布在陕西、新疆、内蒙古、甘肃、青海、宁夏等西部省区。随着国家经济的快速发展和西部大开发的实施，在未来数年内将修筑相当数量的沙漠公路。风积沙是沙漠地区最丰富、最廉价的建筑材料，也是修筑沙漠公路的重要基础材料［2］。本文通过试验，探索研究风积沙的压实特性，研究成果将有利于推动风积沙在道路工程中的应用，对沙漠公路的修建提供有益参考。

1 风积沙基本特性

1.1 风积沙的颗粒组成［3－4］

风积沙主要由岩屑、长石和石英三种颗粒组成。三种颗粒的总含量一般占整个沙样的90%以上。岩屑的组成多种多样，火成岩、变质岩均可见到。风积沙中还有少量的其它矿物颗粒，包括白云母、黑云母及褐铁矿、黄铁矿、绿泥石、角闪石、皓英石等重矿物。

表1为风积沙主要化学组成成分，风积沙化学成分中SiO2的含量最高，一般大于60%，SiO2的硬度大且稳定。风积沙中易溶岩、中溶岩含量都很低，难溶岩成分不超过10%，基本属非盐渍土。风积沙的酸碱度（pH值）为7.0～8.6（平均为7.8），呈弱碱性。

表1 风积沙的主要化学组成成分含量表

风积沙的颗粒组成很细，大多在0.24 mm～0.074mm之间，占总量90%以上，沙粒均匀。从工程学讲，土的级配不均匀（Cu＞5）且级配曲线连续（Cc＝1～3）的土，为级配良好的土，不能同时满足这两个基本条件的土，属不良级配的土。风积沙的不均匀系数Cu一般小于5，级配系数Cc一般小于1，是典型的级配不良的筑路材料。

1.2 风积沙的天然干密度和含水率［5－6］

通过调研分析沙漠地区风积沙的天然干密度和含水率，结果表明：风积沙的平均松散密度约在1.20 g／cm3～1.72 g／cm3之间，平均最大干密度约在1.60 g／cm3～2.02 g／cm3之间，其中陕西地区沙漠风积沙平均松散密度为1.56 g／cm3，平均最大干密度为1.69 g／cm3。坡峰的天然干密度较大，在1.54 g／cm3～1.72 g／cm3之间；迎风坡、坡谷、背风坡表面风积沙的干密度较低，约为1.20 g／cm3～1.53 g／cm3。

风积沙具有良好的透水性，最大吸水率不足1%，水在沙层中直接向下渗透。风积沙的粉黏粒很少，含量一般小于15%，沙粒表面活性很低，无粘性，渗透系数较大，水稳性比较好，毛细水上升高度小于1m。风积沙的持水能力较差，渗水较快，恒定渗透率约为0.42 cm／min。

沙漠地区降雨量少，而且蒸发量极大，因此风积沙的天然含水率很低，天然含水率一般在0～3.8%，其中陕西地区沙漠风积沙的天然含水率约为1.4%～3.3%。迎风坡及坡谷的含水率最大，一般为3.2%～3.8%；坡峰处含水率约为2.3%；背风坡含水率最小，约为1.4%。

2 风积沙压实机理［3－4］

对一般粘性土的压实［12］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，土中含水率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作用下，存在最优含水率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，含水率才会起作用。因此，风积沙在完全干燥状态、某一特定含水率状态和完全饱和状态时都可能达到最佳的压实效果。这时沙中含水率主要有以下两方面作用：

（1）在沙体处于潮湿状态下含水率的增减可使颗粒间产生或消除毛细作用。

（2）土中水起着润滑作用，使土颗粒间的摩擦力减小。

图1和图2分别给出了一般粘性土与风积沙的击实曲线。

图1 一般粘性土的击实曲线

图2 风积沙的击实曲线

风积沙处于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3所示，不同的结构状态下沙体中孔隙体积差异显著（其中图3（a）为最松散状态，图3（b）为最密实状态）。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：emax为沙体的最大孔隙比；emin为沙体的最小孔隙比；e为沙体的天然孔隙比。

emax、emin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 N63.5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3（a）所示的松散状态转变为图3（b）所示的密实状态。压实的手段主要有两种：

（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。这时如图3（c）所示，一部分外力分解为颗粒间的剪切力，使颗粒相对位移；另一部分外力分解为颗粒间的法向力，产生推挤作用，使颗粒侧向位移，所起的压实作用明显较小。此时土中水所起的作用有以下几个方面：

①水的润滑作用；

②在一定含水率情况下，颗粒间产生毛细水作用力，不利于压实；

③含水率较大时，消除了毛细作用力；

④含水率较大时，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）采用振动密实法，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，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。

图3 沙体的几种结构状态示意图

综上，风积沙的压实试验研究，又可分为击实法、干振法和水振法三种方法。

3 风积沙压实特性试验分析［9－16］

为了使试验具有典型性和广泛代表性，课题组选取了三种具有代表性的沙样作为试验用沙，沙样1、沙样 2和沙样 3分别取自陕西、内蒙古和新疆［11］。

3.1 重型标准击实试验

（1）试验方法及设备

本试验按照交通部标准《公路土工试验规程》［6］（JTG E40－2007）进行。击实筒采用小击实筒，分五层击实，每层击27次，落锤高45 cm。

（2）试验结果及分析

试验结果如表2及图4所示。

表2 重型击实试验得出的干密度 单位：g／cm3

从图4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，随着含水率的增加，干密度开始降低，约在 w＝4～6%时，干密度开始回升，一直到w＝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、粘土所呈现的完全不同。

风积沙的上述击实特性是由其自身的材料特性引起的。

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，主要受到颗粒间的引力的控制，摩擦力很小；对粗颗粒土而言，当含水率很小时，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；当含水率继续增大时，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，自由水也将沿孔隙向外排出，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。当含水率继续增加时，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。

图4 各沙样的击实曲线

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。

3.2 干振试验

（1）试验方法、设备及方案

根据文献［7］对风积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 Hz～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。冯冠庆和杨阴华曾［8］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 Hz～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1m×1m的混凝土振动台作为激振设备，其振幅为0.3mm，频率为47.7 Hz。试筒采用标准击实用的小击实筒，容积为977 cm3。

本文对三种沙进行了含水率为零的干振试验，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。

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称称盘，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3和图5所示。

表3 干振试验干密度随时间变化 单位：g／cm3

从图5中可看出，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 min～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 min～6min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。

图5 干密度随时间变化曲线

3.3 水振试验

（1）试验方法、设备及方案

有关资料表明［9］，沙的含水率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0.3mm。为了观察沙在水振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、10min。

（2）试验步骤

①将击实筒放在振动台中间。

②倒入约500ml的水，并将准备好的沙样装入筒中，直到与筒口齐平为止。

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率分布不均对试验精度造成的影响。

（3）试验结果及分析

水振试验的结果如表4，其干密度随时间变化曲线如图6。

表4 水振试验干密度随时间变化 单位：g／cm3

图6 干密度随时间变化曲线

从图6可以看出，水振试验能得到比前两种方法大得多的干密度。

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，其粘滞度比空气大得多，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。

从干密度随时间变化的关系曲线可以看出：在规定的振动频率、振幅下，振动开始时干密度随时间的增长而增大，到4min～6 min，沙的干密度达到最大，继续振动，干密度反而有所下降，说明发生了过振现象，原先的最佳排列方式随着振动的延续有一部分被破坏，使密度有所下降。

为了验证水振试验结果重现性的好坏，对沙样1进行了三次平行试验，试验结果如表5。从表5可以看出，水振试验的重现性是很好的，三次试验到6 min时沙的密度都达到了最大值，而且数值大小相同，这是水振法比重型标准击实优越之处。主要原因是：与重型击实相比，水振法受人为干扰的影响很小，其密实度的大小主要受振动的频率、振幅和振动时间的控制。

表5 水振法平行试验干密度结果 单位：g／cm3

（4）施工工艺

水坠法加推土机压实路基［3］按照设计分层厚度进行分层碾压。施工时采取推土机推送填料、整平，人工分段设堰，围堰高度大于30 cm，宽度不小于50 cm，水头高度为10 cm。中型推土机稳压3遍，待水排完之后定点测定高程和密实度［10］。

4 三种试验方法的比较分析

综合以上试验结果，可以得到表6和图7。

表6 三种最大干密度试验结果比较 单位：g／cm3

图7 三种室内试验的最大干密度比较

从图7可以看出：由水振试验得到的干密度最大，重型击实试验得到的干密度次之，干振试验得到的干密度最小。这说明沙在水中振动能够得到充分的密实，约比重型击实法高出0.5 g／cm3～0.7 g／cm3左右。干振试验得到的干密度甚至不如重型击实，说明在没有附加应力下，沙不能得到充分密实。

采用水振试验作为风积沙最大干密度的标准试验，它具有以下优点：

（1）击实筒上无须附加荷重；

（2）工作量小，操作简便，对试验人员的技术要求低；

（3）无需添加新的试验设备；

（4）与重型标准击实试验相比，受人为因素的影响较小，试验结果比较稳定、离散性小，结果可靠。

值得注意的是，由于过振现象的存在，试验存在最佳振动时间，而且最佳振动时间随着沙样的不同也不尽相同，一般在4min～6min左右，所以在试验时应分别用不同振动时间做几个试样，观察是否出现最大值。如果没有，应延长振动时间，直到出现最大值为止。

5 结 论

通过试验研究分析，可得到如下主要结论：

（1）风积沙的重型标准击实具有两个峰值，击实曲线呈现出一个特殊的横写S型，即在完全干燥时和最优含水率时各有一个峰值，但峰值的大小不同，这揭示了风积沙在干燥和饱水状态下均可被压实的特有性质；

（2）对风积沙进行干振动、水振动压实时，在固定的振动频率和振幅下，沙体的干密度随时间也出现一个峰值，达到峰值时的振动时间约为4 min～6 min，随后继续振压，则干密度将减小，存在过振现象；

（3）从三种室内压实试验所得的干密度大小来看，水振法最大，重型击实次之，干振法（不加配重）最差，水振法得到的干密度要比重型击实法大0.06 g／cm3～0.07 g／cm3左右。这说明沙在水中振动能够得到最大限度的密实。

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Study on Compaction Characteristics of Aeolian Sand

ZHANG Jing-tao
（Key Laboratory ofMinistry of Education for Highway Engineering in Special Areas，Chang’an University，Xi’an，Shaanxi 710064，China）

As aeolian sand is a particular kind of subgradematerial，its compaction degree plays amajor role in highway durability.Because of the poor engineering properties of aeolian sand，its compaction technology is always amajor problem in highway construction.The compaction test，dry vibration test and water vibration test are used here to study the compaction characteristics of aeolian sand.Unlike conventional engineeringmaterials，the compaction curve shows a special transverse S type，and the dry density has two peaksalongwith the change ofwater content，that is，the aeolian sand can be compacted under the bestmoisture content and when themoisture content is 0.The dry vibration test and water vibration test show that the dry density of sand has one peak under the fixed vibration frequency and amplitude，and the time of vibration is about4min～6min.Through experimental comparison and analysis，it is known that the aeolian sand can achieve themaximum dense in water vibration.

aeolian sand；dry density；compaction test；dry vibration test；water vibration test

U416.1

A

1672—1144（2014）01—0077—06

10.3969／j.issn.1672－1144.2014.01.016

2013-08-10

2013-09-02

张景焘（1986—），男，陕西吴起人，硕士研究生，研究方向为岩土工程、路基工程。