长江口细砂路用性能的试验研究

来源：华拓网

　第33卷,第3期2008年6月

公路工程HighwayEngineeringVol.33,No.3Jun.,2008

长江口细砂路用性能的试验研究

张海霞,凌建明,蒋　鑫,谭　炜

(同济大学道路与交通工程教育部重点实验室,上海　200092)

[摘　要]上海长江隧桥工程崇明接线工程需要大量路基填料,但该地区土源缺乏,为了节约经济、疏浚长江

航道、保护周边生态环境,贯彻因地制宜就地取材原则,采用了长江口细砂填筑高等级公路路基。但目前国内对细砂用作高等级公路路基填料的适宜性研究尚欠深入。通过室内试验研究分析长江口细砂的物理特性、力学特性和化学特性等,并对其路用性能进行综合评价,研究结果表明长江口细砂具有良好的路用性能,如能扬长避短,合理利用,是理想的筑路材料。

[关键词]道路工程;填砂路基;长江口细砂;路用性能

[中图分类号]U414　　[文献标识码]A　　　　[文章编号]1002—1205(2008)03—0142—05

ExperimentalInvestigationsofHighwayPerformanceofFineSandoftheLongRiverEstuary

ZHANGHaixia,LINGJianming,JANGXin,TANWei(LaboratoryofRoadandTrafficEngineeringoftheMinistryofEducation,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

　　[Abstract]ItneedsvastscaleoffillerinsubgradeofChongmingconnectinglineengineeringoftheLongrivertunnelandbridgeengineeringofShanghai,butitisdeficiencyofsoilresourcesintheregion,soadoptingtheLongriverestuaryfinesandasfillerofhighwaysubgradeforeconomizationeconomic,dredgingtheLongriverchannel,protectingsurroundingecologicalenvironment,byexecutingtheprinci2pleofadaptationtolocalconditionsandobtainingrawmaterialslocally.Nowithasn’tbeenresearchedprofoundlyforfinesandfillinginhighwaysubgradedomestically,soweanalyzedthephysical,mechani2calandchemicalcharacteristicsoftheLongriverestuaryfinesandbylaboratorytestsandcomprehensive2lyevaluateditshighwayperformance.TheresearchingresultindicatesthattheLongriverestuaryfinesandisingoodhighwayperformance,itisidealroadmaterialbyputtingittorationaluse.

[Keywords]roadengineering;sand2fillingroadbed;finesandoftheLongriverestuary;highwayperformance

　　上海长江隧桥工程是为完善我国沿海交通大通道,改善上海市交通系统结构和布局,综合开发崇明岛资源,促进苏北经济发展,进一步增强和发挥浦东的经济发展而兴建的一项特大型基础设施工程。崇明岛接线工程需要大量土方,而崇明岛地势平坦、河塘水系发达,取土相对比较困难,且取土易占用大量耕地、造成生态破坏,另一方面,长江口岸江面开阔,粉细砂易淤积,如不及时清淤,容易堵塞河道,清淤后如不及时运走,随意堆积又不可避免占地,而该工程地理位置靠近海边,离码头不远,运输便捷,同时砂还具有水稳性好、沉降均匀、施工时受水和不利季

[收稿日期]2007—10—11

[作者简介]张海霞(1979—),女,黑龙江巴彦人,博士研究生,主要从事道路路基工程方面的研究。

节的影响小等特点,故采用长江口细砂作为路堤填

料,从而疏浚航道,保护生态,减少道路修筑对当地资源和环境产生的破坏,产生较好的综合经济效益。这也是上海地区首次大规模采用长江口细砂作为高等级公路路基填料(全长达4.463km,平均填高达3.74m)。

为深入认识长江口细砂作为高等级公路路基填料的可行性与适宜性,避免设计、施工中的风险,开展了长江口细砂的物理力学特性及化学特性的室内实验研究工作。测试内容包括长江口细砂的物理力学特性和化学特性,进而对其作为高等级公路路基

第3期张海霞,等:长江口细砂路用性能的试验研究　

[1]

143

填料的可行性、适宜性进行评价。能达到较高的抗剪强度。

综上,可认为长江口细砂在粒径与级配特性上

符合路基填料的要求。1.3　含泥量

[3]

在筛分试验中,将粒径小于0.074mm的粒料视为含泥量,故此种砂的含泥量为16.62%。综合既有研究成果,长江口细砂组成主要集中在砂类土中的细砂组,其次由于长江口细砂中含有不同程度的细粒组(即粉粒和粘粒),含量基本在<20%的范围内,因此,对长江口细砂可按其含该细粒组的成分划分见表1。

表1　长江口细砂分类

Table1　ClassifyoffinesandoftheLongriverestuary

粒径小于0.074mm含量/%

<55～15>15

1　物理特性

1.1　含水量

因砂填料渗透性较大,砂填料的天然含水量变异性较大,在压实施工中需通过人工洒水控制含水量。经测定,砂样的室内风干含水量为11.22%。1.2　颗粒分析

长江口淤积潮砂砂样的级配曲线见图1。其中筛孔尺寸为0.5、0.25、0.074mm,砂样总质量200g,精度为0.1g。

分类长江口细砂含土长江口细砂土质长江口细砂图1　砂样级配曲线Figure1　gradationofsand

　　综上,从该填料的分类来看,此次应用的砂具有一定含泥量,此类砂与粘性土相比具有较高的强度,与纯砂相比又具有一定的粘聚性,当作为路基填料压实时不易松散,满足规范“路床优先选用砾类土、砂类土作填料”的要求,可以考虑作为高等级公路路基填料。1.4　击实特性

为了使填砂路基具有足够的强度和稳定性,必

[2]

须对其进行压实,通过击实试验可获得材料的最大干密度和最佳含水量,从而用于指导现场施工和检验现场压实作业的质量。

图2、图3分别为轻型击实和重型击实条件下砂样干密度与含水量的关系曲线。可见,长江口细砂的击实表现为多峰特性,在轻型击实条件下,在近完全干燥状态下与10%含水量情况下都存在着一个干密度的峰值,其中含水量为W=10%时对应的干密度为1.53g/cm。在重型击实条件下,干密度—含水量关系也表现为明显的多峰特性,其中含水量

W=13.5%时,最大干密度为1.62g/cm。

不难看出,长江口细砂与粘性土的击实特性存在较大区别,前者的干密度随含水量的变化存在有多个峰值,在不同含水量峰值时对其进行压实均可以达到较好的压实效果,这为现场施工和检测提供了更多的可能,而后者则表现为单峰状,必须严格控制施工现场的含水量才能保证其压实质量。同时,由图2、图3发现,无论是轻型击实试验还是重型击实试验,干密度的变化范围都比较小,这表明砂的水稳定性好,力学性能受含水量影响较小

　　由图1可知,小于0.074mm的含量为16.62%,根据规范规定,粒径大于0.074mm颗粒

多于总质量的75%时,此类土即为细砂[2]

,本试验

材料的粒径大于0.074mm颗粒为83.38%,多于总质量的75%,所以本试验用砂为细砂,且不均匀系数Cu=d60/d10=0.25/0.074=3.38,小于5,说明此砂级配不良,粒径比较单一。

砂的粒径与级配特性对砂的液化性质影响很大。级配均匀的砂土比级配不均匀的更容易液化;平均粒径D50对抗液化强度有明显影响,D50在0.05～0.09mm之间最容易液化。D50越大,抗液化强度就越大。此类砂的D50远大于0.05～0.09mm的液化危险范围,同时颗粒级配不良,可以认为具有较强的抗液化的能力,在交通荷载循环作用和地震荷载作用下不会发生砂的液化。

砂的粒径与级配对抗剪强度有较大的影响。对于棱角较少且颗粒较小的细砂,在荷载不大的情况下不会发生颗粒的破碎,压实后颗粒级配对强度的影响很小,达到一定的压实度后级配不良的细砂也具有很高的抗剪强度。对于长江口细砂而言,颗粒较小且颗粒棱角较少,在压实与交通荷载作用下不易产生颗粒的破碎,同时压实后的颗粒具有较强的咬合能力,可增加填料的剪胀性,使其在一定密度下

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公路工程

33卷

(即干密度受含水量变化而波动的幅度很小),且细化量分别小于0.07、0.15g/cm,这更进一步说明其对含水量变化不敏感,用其作为路基填料应具有良好的水稳性。

砂具有一定的持水能力,同时注意到在南方潮湿多雨地区不可能对砂料进行长时间翻晒,且室内测定时的含水量状况接近现场施工状态。因此对细砂压实施工中的控制含水量范围可适当放宽,在含水量为10%～15%时压实都可以达到较好的压实效果,从而可以在不影响施工质量的情况下加快施工进度,缩短工期,节约成本。

图4　2种不同测定方法获得的干密度—含水量关系

(重型击实)

Figure4　Drydensitiesvs.watercontentobtainedatdifferent

measurements(heavycompaction)

图2　干密度—含水量关系(轻型击实)

Figure2　Relationshipbetweendrydensityandwatercontent

(lightcompaction)

2　力学特性2.1　抗剪强度指标在轻型击实标准、重型击实试验标准两种条件下,不同成型含水量对应不同压实度时细砂的直剪

φ的试验结果分别见表2、强度指标c、表3。可见,用于试验的细砂在不同的成型条件下的直剪强度指

φ值相差较小。在轻型击实标准下,c值在6～标c、

12.5kPa范围内,平均值为8.97kPa,其变异系数为0.25。φ的平均值约为33.84°,变异系数为0.12。在重型击实标准下,不同成型条件下的c值变化范围为4.23～12.08kPa,平均为8.27kPa,变异系数为1.66。对于φ值(大约在27°～35°之间),

φ平均为38.6°,变异系数为0.05。这些数据表明c、

值对于含水量和压实度的变化敏感性不强,该类砂的抗剪强度对含水量的变化的敏感性明显低于粘性土,在施工压实条件下的抗剪强度比较均匀,受施工影响比较小。

通常情况下,纯砂的c值应该为零,而此砂的c值一般都大于零,分析其主要原因是此砂具有一定的含泥量(含泥量达16.62%),测试结果就表现出一定的粘聚性;另一方面是因为此砂是在一定含水量下测定的,水使砂颗粒间具有一定的薄膜吸附能力,宏观上就表现出一定的粘聚力。在进行砂路基的稳定性计算时可以视c为零,并按直线滑动面进行稳定性的验算,如在此危险工况下稳定性能满足要求,则实际工程的安全系数应大于该值。

图3　干密度—含水量关系(重型击实)

Figure3　Relationshipbetweendrydensityandwatercontent

(heavycompaction)

对于检验现场压实质量方面,环刀法检测方便简洁,便于推广和应用,但是环刀法主要用于检测细粒土,是否适用于此类砂的施工质量检测可由以下分析确定:首先长江口细砂属于粗粒组当中的最细的一档,与细粒土十分接近;其次通过环刀与量筒两种测定方法所获得的干密度-含水量关系曲线(见图4)对比可知:在重型击实条件下,环刀测定的干密度要小于量筒测定的,说明由于砂是散粒体,室外环刀取样的时候可能导致土壤被扰动而松散,用其进行试验时会使试验结果稍偏低一些,有利于增加结构的安全系数。同时注意到采用量筒测定法、环刀测定法时,干密度在不同含水量条件下的变

[4]

第3期张海霞,等:长江口细砂路用性能的试验研究　

表2　轻型击实标准下不同成型条件时细砂的抗剪强度指标

Table2　Shearstrengthparametersoffinesandatdifferentformingconditionsbylightcompaction

145

含水量/%

81012

压实度90%

φ/(°)c/kPa

6.65

12.1510.10

38.30.0529.12

压实度93%

φ/(°)c/kPa

11.50

6.735.98

30.4839.7332.83

压实度96%

φ/(°)c/kPa

9.60

7.537.94

32.2138.1232.63

压实度98%

φ/(°)c/kPa

12.20

7.4.79

30.00.4731.88

表3　重型击实标准下不同成型条件时细砂的抗剪强度指标

Table3　Shearstrengthparametersoffinesandatdifferentformingconditionsbyheavycompaction

含水量/%

1013.515.5

压实度90%

φ/(°)c/kPa

9.11.11.

22525629

33.30.29.27.

75044605

压实度93%

φ/(°)c/kPa

10.7.4.

197523

31.29.32.31.

93660433

[2]

压实度96%

φ/(°)c/kPa

10.

10.11.2.

33501910

31.29.30.32.

9856

压实度98%

φ/(°)c/kPa

12.10.4.

87088768

33.30.35.27.

33771453

2.2　回弹模量

砂样的回弹模量测试结果见表4、表5,这表明长江口细砂具有较高的回弹模量,相同含水量下当压实度增大时,模量也相应增大,相同压实度下越接近最佳含水量回弹模量值越大,此砂的强度比粘性土要高。在含水量变化时回弹模量虽有变化,但都在规范规定的指标之上。总之,长江口细砂水稳定性比较好,其压实强度受施工工艺影响小,其长期性能比粘性土好,是路基填筑施工的首选材料。

表4　回弹模量测试结果一Table4　Testingresultofresilientmodulus成型含水量/

%7.7.9.10.13.

[2]

定是在重型击实标准下测定的,测试结果见图5,这表明不同成型含水量下CBR值不同,最大值在最佳含水量(W=13.5%)附近取得,整体测试结果说明此砂的CBR值比较高,具有较好的强度和稳定性,可以用作高等级公路路基填料。

回弹模量/MPa成型含水量/

回弹模量/

MPa

7551.8013.15.298172.4113.66100.107667.3816.7855.118167.4118.2144.536958.7317.8538.05　　注:重型击实标准压实度为100%最大干密度。

图5　重型击实下CBR与含水量关系曲线

Figure5　CBRvs.watercontentforfinesandbyheavy

compaction

表5　回弹模量测试结果二

Table5　Testingresultofresilientmodulus

压实度/%

90.90.91.91.94.95.95.95.

6080101090104060

3　化学特性

经过试验分析,发现长江口细砂的矿物成分主要为石英、长石,含少量粘土矿物。其成分说明此类砂具有较高的强度和一定的粘聚性,可以作为高等级公路路基填料。

成型含水量/%

11.14.8.10.14.14.11.8.

9000603020203020

回弹模量/MPa

8866.120.106.80.77.94.130.

43755183256161

4　结语

结合长江隧桥工程崇明接线工程的建设,对长江口细砂用做高等级公路的路用性能进行了试验研究,主要结论有:

①长江口细砂级配不良,为单粒结构,但具有较强的抗液化能力和较高强度,适用于作为路基填料;

②长江口细砂具有一定的含泥量,可以使此砂

2.3　CBR

填砂路基在贯入试验中所反映的强度实质上是

它的局部抗剪强度,因此,可以通过对试样进行贯入试验得到的CBR值来评价填砂的抗剪切强度。填砂路基的局部剪切强度特性同时也可以反映填砂的作为路基填料时的承载力特性。此砂的CBR测

　146

具有一定的粘聚力,增加了强度和稳定性;

公路工程33卷

路的施工质量和使用性能。在实际施工中,应扬长避短,合理利用,充分发挥其功效。

[参考文献]

[1]　上海长江隧桥工程建设发展有限公司.长江口细砂路堤设计

③长江口细砂的击实特性表现为多峰特性,与

粘性土截然不同,对细砂压实施工中的控制含水量范围可适当放宽,在含水量为10%～15%时压实都可以达到较好的压实效果;

φ随压实度和含水量变化④长江口细砂的c、不大,表明该砂具有很好的水稳定性和施工适宜性,

且c不为零,有利于路基边坡稳定性;

⑤长江口细砂的回弹模量和CBR值均较高,证明此砂强度较高,水稳定性良好。

总之应用其作为路基填料,能够很好的保证道(上接第97页)

与施工关键技术研究中期研究报告[R].上海:上海长江隧桥工程建设发展有限公司.2007.

[2]　JTJ051—93,公路土工试验规程[S].[3]　JTJ058—2000,公路工程集料试验规程[S].

[4]　JTGF80/1～2—2004,公路工程质量检验评定标准[S].[5]　刘多文,熊承仁.红砂岩路用性质的试验研究[J].中南公路工

程,2003,28(4):27～31.

　　架设时的垂度的目标值应该为基准条件下的垂

度加上修正项,由于温度、跨度、塔高各自的变化区间较小,其组合变化可用各自变化叠加相加来表示,则基准索股架设的主跨、边跨垂度目标值分别为:

fm=f0+0.0168(T-T0)-3.37(L-L0)-1.65(C-C0)

fm=f0+0.0199(T-T0)-5.60(L-L0)-3.65(C-C0)

[1]

控制点高程的误差在规定允许范围时(平胜大桥基准索股中跨跨中允许误差为±4mm,边跨跨中的允许误差为±8mm,上下游基准索股高差为10mm),调整结束。

④基准索股调整结束后,连续观察3个晚上,若控制点的高程与目标高程的误差不变或者可以视为不变时,则基准索股的架设工作完成。基准索股架设完成后,进行一般索股的架设,并且在主缆索股架设的过程中经常对基准索股进行监测。平胜大桥4根基准索股的架设完成后的跨中高程误差(与目标值之差)一般在5mm以内,上下游4根主缆的基准索股主跨跨中高程相差一般在10mm以内,架设效果良好。

式中:fm为垂度目标值;f0为基准条件下的垂度;T0为索股的基准温度;L0为基准跨长;C0为基准高差。

现场基准索股架设时如果测得的垂度与目标垂度有差别就必须进行调整,调整的方法是张拉丝股锚头,调整无应力长度,需要调整的长度用下式表示:

ΔS=0.267Δf=0.267(fm-fs)(主跨)ΔS=0.155Δf=0.155(fm-fs)(边跨)式中:fs为实测垂度。3.3　基准索股架设的实施

平胜大桥基准索股架设的实施步骤如下:①白天利用牵引索将基准索股引上塔、入鞍及拉人锚管。将主索鞍、散索套中心的标志点与基准索股标志点对准)将索股架设就位。

②午夜温度稳定(温度稳定的条件:长度方向索股的温差ΔT≤2℃,横截面索股的温差ΔT≤1℃)后,测量各跨跨径、塔高和基准索股温度,并现

4　结论

本文结合佛山平胜大桥基准索股架设的施工控

制,详细论述了自锚式悬索桥基准索股架设过程中的确定初始状态的关键因素和方法、理论的基准丝股线形的修正方法和计算流程、基准索股架设实施过程中的控制方法,可供广大施工监控和设计施工人员参考使用。

[参考文献]

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场快速计算目标垂度和丝股调整量,然后对基准索股进行张拉或放松调整。

③调整后观察基准索股各控制点的高程,如各

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