长江吹填细砂用于填筑路基性能研究

   杨  群  张绪国  余承喜

   （同济大学道路与交通教育部重点实验室  上海  201804）

摘要长江人海口沿岸有大量的吹填细砂，考虑用于填筑道路路基。选取人海口某港区典型砂

源地3组典型细砂进行颗粒分析，发现细砂粒径集中在0．075～0．25  mm之间，其含量超过了80%，因此采用集料筛(0. 15 mm)进行二次筛分。结果表明，细砂粒径分布均匀，不均匀系数均小于5，级配不良。对细砂进行了小筒和大筒击实试验表明，细砂击实呈多峰特性，存在密实不敏感区，利于施工。进行CBR及回弹模量试验表明，细砂满足填筑路基材料力学性能要求。分析表明，细砂填筑路基无液化风险。

关键词  路基吹填细砂击实特性液化风险CBR回弹模量

  长江人海口沿岸有大量的吹填细砂，如能用于道路路基填料，将会大大降低路基建设成本，同时也解决了长江沿岸细砂淤积的问题。加之近年来我国交通事业快速发展，砂质材料在一些特定的工程中做为一种易取、经济、性能良好的填筑材料在公路工程中得到了较广泛的应用。吹填细砂的颗粒组成和压实特性和力学特性对路基压实具有重要影响，为保证路基施工质量，需对吹填细砂路用性能进行研究。

1  吹填细砂路基物理性能研究

1.1  细砂颗粒分析

  吹填细砂颗粒大小与级配特性对其力学性能有较大影响，需要进行颗粒分析。

  通过标准土工筛分试验对3个取样点(1，2，3)细砂进行颗粒分析，筛孔尺寸为0.5，0.25，

0.075 mm，筛分结果见表1。

  由表1可知，试验所用3种代表性砂源，0. 075 mm筛孔通过率偏差略大，0.5 mm筛孔通过率100%。3组砂样小于0.075 mm的颗粒含量分别为13. 8%，18. 6%，5.3%。可见，现有砂源含泥量基本稳定在20%以内，颗粒级配基本稳定，级配不良。对筛分结果进行分析发现，该地区细砂粒径都集中在0. 075～0.25  mm之间，而标准土工筛在这个区间内没有细分粒径能力，经分析研究决定，采用筛孔尺寸为0.6，0.3，0. 15，0. 075 mm的圆孔集料标准筛进行二次筛分，筛分试验结果见表2、图1。

由表2、图1可见，圆孔标准集料筛对砂样粒径分布的区分能力较好，筛分结果较好地反映了吹填砂样的粒径组成及分布。试验研究所用3种代表性砂源，0．3 mm筛孔通过率与标准土工筛的0. 25 mm筛孔通过率近似相等，而三者的0. 15mm筛孔通过率偏差较小，颗粒级配基本稳定。根据此次筛分结果计算出不均匀系数见表3。

  由表3可见，换用筛子后，计算结果比较符合真实情况。各砂不均匀系数小于标准土工筛筛分结果所计算值，均小于5，总体表明吹填细砂粒径比较单一，级配不良。

  吹填细砂粒径组成主要集中在砂类土中的细砂组，即粒径大于0. 075 mm颗粒含量多于总质量的75%;吹填砂样中含有不同程度的细粒组（即粉粒和粘粒），含量<20%，本项目中所研究的1号和3号砂属于含细粒土细砂、2号砂属于土质细砂。

  从该填料的分类来看，能够满足《公路路基设计规范》(JTG D30-2004)的要求。

1.2击实试验

  为使填砂路基具有足够的强度和稳定性，必须对其进行压实，通过击实试验可获得路基填筑细砂的最大干密度和最佳含水量，用于指导现场施工和检验现场压实作业的施工质量。

  本次试验选择重型击实标准。在选择击实筒时可考虑采用小筒（内径10 cm）或大筒(内径15.2 cm)，而在开展路基强度、模量等性能试验时，则应选择大筒。选用1号砂进行击实试验。

  (1)小筒重型击实试验。根据规范方法，选用小筒进行重型击实试验结果汇总列于表4、

图2。

  该砂样的击实特性曲线呈现出明显的多峰（多达4峰）特性，含水量为15. 6%时存在一最大干密度1. 593 g／cm3，含水量介于6%～21%区间时，干密度范围为1. 563～1. 593 g／cm3，含水量超过21%，其干密度急剧下降，结果见表5。

  击实试验结果显示，细砂击实有明显的密实不敏感区，利于施工。细砂粉粘粒含量较少，粒径较大，粘聚力近似为零。对细砂施加的压实力主要是用来克服其颗粒间的内摩擦力。

  (2)大筒重型击实试验。按照规范方法对1号砂进行大筒重型击实试验，试验结果列于表6、图3。

  由表6、图3可见，大筒重型击实结果与小筒保持一致，大筒击实能满足96%的压实度要求，因此后续试验一律采用小筒标准重型击实求最佳含水量和最大干密度，大筒击实求力学性能参数。

2  吹填细砂路基力学性能研究

2.1  CBR强度试验

  《公路路基设计规范》(JTG D30-2004)对路床和路堤填土的压实度和CBR有明确要求，为分析砂样击实强度状况，按大筒重型击实成型试件，试验结果见表7。

  由表7可见，对应压实度标准条件下，强度满足路床、上路堤、下路堤等路基结构层位要求。

2.2  回弹模量试验

  回弹模量是反映路基结构刚度性能的重要指标。对吹填所取砂样，按T0135 -1993承载板法进行试验，结果见表8。

  试验结果表明，吹填细砂回弹模量较高，对应压实度标准条件下，满足规范要求。细砂水稳定性比较好，其长期性能比粘性土好，是路基填筑施工的首选材料。

2.3  细砂压实特性分析

2.3.1细砂的压实机理

  吹填细砂，其压实特性与砂料的组成结构、孔隙水和孔隙气压力等有关，影响因素比较复杂。一般认为：粒间斥力使砂料保持疏松状态，在一定的压实功下，粒间斥力被克服，通过颗粒移动使孔隙减小，密度增大，以达到压实目的。

  细砂在干燥状态时，粘聚力近似为零，击实功只需克服土颗粒间的内摩擦力，颗粒易于移动、嵌挤和充填，达到密实稳定的状态，干密度较大；当砂中含有一定水分，颗粒表面水膜因表面张力产生粘聚力，阻力增大，影响砂层击实，干密度下降；含水量增大，水薄膜厚度增大，水的粘滞性随着颗粒距离增大而减小，水的润滑作用逐渐增强，使得砂的内摩擦力逐渐减小，干密度增大。随着含水量继续增加，含水量超过最佳含水量，击实过程中水分难以完全排除，砂体开始出现类泥浆现象，干密度减小。细砂在击实过程中，出现了明显的不同于粘土的多峰特性曲线。

2.3.2压实效果的影响因素

  从细砂的压实机理角度进行分析，影响吹填的主要因素有以下几个方面：

  (1)含水量。当细砂含水量接近于零时，可实现较大的干密度。但此时压实细砂表面松散、易扬尘，不利于施工控制。在最佳含水量附近时，颗粒受压实功作用发生相对移动，容易被压实至最大干密度，且易于施工控制。当含水量继续增加时，由于细砂的保水率比较差，富余的水会很快排出，细砂的密度会进一步增加，但过高的含水量不便于施工。

  (2)压实厚度与压实功。对于吹填细砂这一特定的路基填料来说，不同的压实厚度需要相应的压实功才能达到要求的压实效果，也就是说要使该填层内的填料颗粒克服粒间引力需要有相应的外部压实功作用。所以，合理选择压实机械的类型、吨位及组合对压实具有重要作用。

3  吹填细砂路基液化风险分析

  细砂发生液化需要具备一定的条件，可将液化发生的条件分为内部条件和外部条件。内部条件主要指砂的颗粒特性、密实状态；外部条件主要指砂的饱和状态、排水条件、荷载条件。

3.1  液化内部条件

  (1)颗粒特性。吹填细砂D50介于0.12～0.15 mm，远大于0.05～0. 09  mm的液化危险范围，可以认为吹填细砂具有较强的抗液化能力。

  (2)密实状态。吹填细砂压实后处于良好的密实状态，增强了抗液化的能力。

3.2液化外部条件

  (1)饱和状态。液化只有在饱和状态下才可能发生，砂具有良好的透水性，一般情况下不会处于饱和状态。

  (2)排水条件。细砂填料本身渗透系数大，

在边界排水条件好的情况下，超孔隙水压力会迅

速消散。

  (3)荷载条件。吹填细砂的渗透系数大、边界排水条件好，重复作用的外荷载必须达到相当高的强度和频率，并且作用较长时间，才可能使砂体内部的孔隙水压力发生累积。交通荷载在强度、频率、作用时间上均达不到产生液化的条件。

4结论

  (1)吹填砂源含泥量基本稳定在20%以内，颗粒级配基本稳定，粒径比较单一，级配不良。

  (2)不同击实法进行的试验研究表明，细砂具有明显的多峰特性。试验研究表明，细砂存在对含水量的密实性不敏感区，这对施工控制是非常有利的。

(3)吹填砂源经CBR和回弹模量试验分析，力学性能基本满足填筑路基要求。

（4）对砂样的液化风险分析表明，此类砂用于本工程不存在液化的内部条件和外部条件，选用吹填细砂用于路基填筑无液化风险。