压实度与级配变化对风积沙抗剪强度指标的影响

1试验目的与意义

路基边坡稳定的主要因素是土体的抗剪强度，由于风积沙为无粘性材料，粘聚力C几乎为零，影响其强度的因子主要为内摩擦角。同时不同深度范围内路基填料按相应规定的压实度分层填筑，不同压实度的风积沙对应的内摩擦角不同。因此，如何测定不同压实度风积沙的内摩擦角成为沙漠公路路基边坡设计及其稳定性研究的关键技术。以往计算风积沙路基边坡稳定性时均是采用原始风积沙的内摩擦角，并没有根据路基填料实际情况进行计算。

通过对不同级配风积沙进行多次试验，了解不同级配风积沙压实度的变化对其直剪试验结果的影响，探索风积沙级配变化对其直剪试验结果的影响，试验得出了不同级配风积沙在不同压实度时对应的内摩擦角，并建立了相应的函数关系。

2试验准备与实验仪器改装

本试验根据毛乌素沙漠风积沙的特点，配制了5种典型级配的风积沙。由于风积沙为松散体，无法按照拟定的干密度和含水量制样，只能在剪切盒中制备不同干密度的沙样，并直接进行试验。因此试验过程中采取了以下措施：

1）试验前将沙样全部烘干。由于试验时水份蒸发较快，含水量无法统一。其次由于水的存在对改装仪器形成了一定的困难。因此，将试样全部烘干，既保证了每次试验时沙样含水量基本相同，又便于改装仪器时去掉剪切盒中的透水石。

2）改装仪器，确保铜模中的沙样为圆柱体，以方便测出沙样的体积。剪切盒中土样上、下两面必须分别放置一块透水石，鉴于本试验沙样全部为干沙，可用一定厚度且面积与剪切盒的圆面积基本接近的钢板代替。

3）采取改变附加荷载及振动时间的方法来制备不同压实度的试样。大量的干振试验表明，沙样的干密度不仅与振动时间有关，而且与上部附加荷载有关。

表2-1不同级配风积沙的粒度成分

3试验步骤

试验过程中，具体试验步骤如下：

1）加工厚度分别为1mm、3mm、5mm、10mm、15mm，,直径为61.82mm圆形钢板，用厚度为5mm的钢板取代剪切盒底部的透水石，钢板与剪切盒间的缝隙用蜡进行密封。图3-1给出了仪器改装前后的对比图。

2）用深度规多次量取图3-1所示的高度h，取其平均值为50mm。

3）称取一定量的沙样倒入剪切盒中，并在其顶面加盖厚度为h3钢板，然后将剪切盒放在振动台上振动至规定时间。其中沙样顶面加盖的钢板厚度及剪切盒振动时间通过试验确定，具体数值如表4-1所示。

4）剪切盒振动完毕，多次测定图3-1中所示的高度h2，取其平均值，即可得到风积沙试样的高度 。

5）将剪切盒放在直剪仪的传动装置上，按照《公路土工试验规程》（JTJ051-93）中规定的步骤试验和整理数据。

4试验结果及分析

试验结果如表4-1所示。图4-1给出不同级配风积沙内摩擦角与压实度之间的关系。并将回归方程中斜率k，即内摩擦角随压实度的增长率，与不均匀系数进行比较，如图4-2所示。图4-3给出了2＃、3#、4#、5＃沙样内摩擦角与压实度之间的综合回归曲线。图4-4给出了五种典型级配沙样内摩擦角与压实度之间的综合回归曲线。

2）不同级配沙样内摩擦角与压实度之间线性方程的斜率k（斜率k表示沙样压实度变化时，内摩擦角增长率）与其不均匀系数比较结果表明，斜率k最大的为4＃沙样，而不是不均匀系数最大的3#沙样。其主要原因可能为风积沙的内摩擦角与其粗颗粒所占比例有关，当0.25～0.5mm粒径范围内的颗粒含量大于一定范围时，沙样的内摩擦角随压实度变化的增长率基本相同。

3）图4-3及图4-4表明，五种典型级配沙样的内摩擦角与压实度的综合回归方程为 ，相关系数 ；而2＃～5＃沙样的内摩擦角与压实度的综合回归方程为 ，相关系数 。这进一步验证了上述观点。因此，当0.25～0.5mm粒径范围内颗粒含量大于30％时，沙样的内摩擦角与其压实度之间的线性回归方程为式（4.6），当0.25～0.5mm颗粒范围含量小于30％时，沙样的内摩擦角与压实度之间的线性回归方程为式（4.1）。

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