第33卷,第3期 公 路 工 程 V01.33.No.3 2 0 0 8年6月 Highway Engineering Jun.,2 0 0 8 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]-U 414 [文献标识码]A [文章编号]1002—1205(2008)03—0142—05 Experimental Investigations of Highway Performance of Fine Sand of the Long River Estuary ZHANG Haixia,LING Jianming,JANG Xin,TAN Wei (Laboratory of Road and Trafifc Engineering of the Ministyr of Education,Tongji University,Shanghai 200092,China) [Abstract]It needs vast scale of ifller in subgrade of Chong ming connecting line engineering of the Long river tunnel and bridge engineering of Shang hai,but it is deficiency of soil resources in the region, SO adopting the Long river estuary fine sand as filler of highway subgrade for economization economic, dredging the Long river channel,protecting surrounding ecological environment,by executing the princi- ple of adaptation to local conditions and obtaining raw materials locally.Now it hasn t been researched profoundly for fine sand filling in highway subgrade domestically,SO we analyzed the physical,mechani- cal and chemical characteristics of the Long river estuary fine sand by laboratory tests and comprehensive- ly evaluated its highway performance.The researching result indicates that the Long fiver estuary fine sand is in good highway performance,it is ideal road material by putting it to rational use. [Key words]road engineering;sand—iflling road bed;fine sand of the Long river estuary;highway performance 上海长江隧桥工程是为完善我国沿海交通大通 节的影响小等特点,故采用长江口细砂作为路堤填 道,改善上海市交通系统结构和布局,综合开发崇明 料,从而疏浚航道,保护生态,减少道路修筑对当地 岛资源,促进苏北经济发展,进一步增强和发挥浦东 资源和环境产生的破坏,产生较好的综合经济效益。 的经济发展而兴建的一项特大型基础设施工程。崇 这也是上海地区首次大规模采用长江口细砂作为高 明岛接线工程需要大量土方,而崇明岛地势平坦、河 等级公路路基填料(全长达4.463 km,平均填高达 塘水系发达,取土相对比较困难,且取土易占用大量 3.74 m)。 耕地、造成生态破坏,另一方面,长江口岸江面开阔, 为深入认识长江口细砂作为高等级公路路基填 粉细砂易淤积,如不及时清淤,容易堵塞河道,清淤 料的可行性与适宜性,避免设计、施工中的风险,开 后如不及时运走,随意堆积又不可避免占地,而该工 展了长江口细砂的物理力学特性及化学特性的室内 程地理位置靠近海边,离码头不远,运输便捷,同时 实验研究工作。测试内容包括长江口细砂的物理力 砂还具有水稳性好、沉降均匀、施工时受水和不利季 学特性和化学特性,进而对其作为高等级公路路基 [收稿日期]2007—10—11 [作者简介]张海霞(1979一),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。 维普资讯 http://www.cqvip.com 第3期 张海霞,等:长江口细砂路用性能的试验研究 143 填料的可行性、适宜性进行评价…。 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、0.074 mm,砂样总质量200 g, 精度为0.1 g。 、、 槲 }Ⅲ 捌 鼎 图1砂样级配曲线 Figurel gradation of sand 由图1可知,小于0.074 mm的含量为 16.62%,根据规范规定,粒径大于0.074 mm颗粒 多于总质量的75%时,此类土即为细砂 ,本试验 材料的粒径大于0.074 mm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C = /d。o=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 ∞对抗液化强度有明显影响, ∞在0.05 —0.09 mm之间最容易液化。D 越大,抗液化强度 就越大。此类砂的D 远大于0.05—0.09 mm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 能达到较高的抗剪强度。 综上,可认为长江121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 在筛分试验 中,将粒径小于0.074 mm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121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121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 Table 1 Classify of fine sand of the Long river estuary 粒径小于0.074 mm含量/% 分类 长江口细砂 含土长江口细砂 土质长江口细砂 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 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1.53 g/cm 。在重型击实条件下,干密度一 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1.62 g/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 维普资讯 http://www.cqvip.com 144 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 砂具有一定的持水能力,同时注意到在南方潮湿多 化量分别小于0.07、0.15 g/em ,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 雨地区不可能对砂料进行长时间翻晒,且室内测定 良好的水稳性。 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 l目 。 度,缩短工期,节约成本。 l目 u ● \ {毯 黼 H. 0o 含水量/% 图2干密度一含水量关系(轻型击实) Figure 2 Relationship between dry density and water content (1ight compaction) 0 。E 。 ● \ 瑚 00 图3干密度一含水量关系(重型击买) Figure 3 Relationship between dry density and water content (heavy compaction) 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一含水量关系曲线 (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 ● \ 瑚 H. 图4 2种不同测定方法获得的干密度一含水量关系 (重型击实) Figure 4 Dry densities VS.water content obtained at different measurements(heavy compaction) 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 强度指标C、 的试验结果分别见表2、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 标c、 值相差较小。在轻型击实标准下,C值在6~ 12.5 kPa范围内,平均值为8.97 kPa,其变异系数 为0.25。 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4.23~12.08 kPa,平均为8.27 kPa,变 异系数为1.66。对于 值(大约在27。~35。之间), 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。 维普资讯 http://www.cqvip.com 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 Table 2 Shear strength parameters of ine sand atf different forming conditions by light compaction 145 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 Table 3 Shear strength parameters of fine sand at different forming conditions by heavy compaction 2.2 回弹模量 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 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 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。 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 Table 4 Testing result of resilient modulus 成型含水量/ % 回弹模量/ MPa 成型含水量/ % 回弹模量/ MPa 7.75 7.8l 9.76 10.81 51.80 72.4l 67.38 67.41 l3.15 13.66 16.78 l8.21 89.29 100.10 55.1l 44.53 图5重型击实下CBR与含水量关系曲线 Figure 5 CBR VS.water content for fine sand by heavy compaction 13.69 58.73 17.85 38.05 注:重型击实标准压实度为100%最大干密度。 表5 回弹模量测试结果二 Table 5 Testing result of resilient modulus 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。 4 结语 结合长江隧桥工程崇明接线工程的建设,对长 2.3 CBR 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: 填砂路基在贯人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人 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 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 维普资讯 http://www.cqvip.com 146 公路工程 33卷 具有一定的粘聚力,增加了强度和稳定性; ③长江I;3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 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 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; ④长江I;3细砂的c、 随压实度和含水量变化 与施工关键技术研究中期研究报告[R].上海:上海长江隧桥 不大,表明该砂具有很好的水稳定性和施工适宜性, 工程建设发展有限公司.2007. [2]JTJ 051—93,公路土工试验规程[s]. 且c不为零,有利于路基边坡稳定性; [3]JTJ 058—2000,公路工程集料试验规程[S]. ⑤长江I;3细砂的回弹模量和CBR值均较高, [4]JTG F80/1—2—2004,公路工程质量检验评定标准[s]. 证明此砂强度较高,水稳定性良好。 [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 总之应用其作为路基填料,能够很好的保证道 程,2003,28(4):27—31. (上接第97页) 控制点高程的误差在规定允许范围时(平胜大桥基 架设时的垂度的目标值应该为基准条件下的垂 准索股中跨跨中允许误差为±4 mm,边跨跨中的允 度加上修正项,由于温度、跨度、塔高各自的变化区 许误差为±8 mm,上下游基准索股高差为10 mm), 间较小,其组合变化可用各自变化叠加相加来表 调整结束。 示…,则基准索股架设的主跨、边跨垂度目标值分 ④基准索股调整结束后,连续观察3个晚上, 别为: 若控制点的高程与目标高程的误差不变或者可以视 fm=fo+0.016 8( 一 )一3.37( 一 。)一 为不变时,则基准索股的架设工作完成。基准索股 1.65(C—C。) 架设完成后,进行一般索股的架设,并且在主缆索股 /.m=fo+0.019 9(T一 )一5.60( 一 。)一 架设的过程中经常对基准索股进行监测。 3.65(C—C。) 平胜大桥4根基准索股的架设完成后的跨中高 式中:厶为垂度目标值;fo为基准条件下的垂度; 程误差(与目标值之差)一般在5 mm以内,上下游 为索股的基准温度;L。为基准跨长;C。为基准 4根主缆的基准索股主跨跨中高程相差一般在 高差。 10 mm以内,架设效果良好。 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 4 结论 锚头,调整无应力长度,需要调整的长度用下式表 本文结合佛山平胜大桥基准索股架设的施工控 示: 制,详细论述了自锚式悬索桥基准索股架设过程中 AS=0.267Af=0.267(厶一 )(主跨) 的确定初始状态的关键因素和方法、理论的基准丝 AS=0.155Af=0.155(厶一 )(边跨) 股线形的修正方法和计算流程、基准索股架设实施 式中: 为实测垂度。 过程中的控制方法,可供广大施工监控和设计施工 3.3基准索股架设的实施 人员参考使用。 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 [参考文献] 拉人锚管。将主索鞍、散索套中心的标志点与基准 [1]薛光雄,沈锐利,先正权.悬索桥基准丝股线形的确定与测控 索股标志点对准)将索股架设就位。 [J].桥梁建设,2004,(4):4—6. [2]钟继卫,高建学,王戒躁.大跨度悬索桥基准索股施工控制 ②午夜温度稳定(温度稳定的条件:长度方向 [J].世界桥梁.2006,(2):41—43. 索股的温差△ ≤2℃,横截面索股的温差△ ≤ [3] 唐茂林.大跨度悬索桥空间几何非线性分析与软件开发[D]. 1℃)后,测量各跨跨径、塔高和基准索股温度,并现 成都:西南交通大学,2003. 场快速计算目标垂度和丝股调整量,然后对基准索 [4] 孙玉平,沈锐利.张拉锚跨丝股法架设悬索桥及其施工控制 [J].重庆交通学院学报,2006,25(6):12—16. 股进行张拉或放松调整。 [5]鲜正洪,李建斌,黄增财.海沧大桥悬索桥施工控制测量[J]. ③调整后观察基准索股各控制点的高程,如各 中南公路工程,2004,29(3):119—122.
因篇幅问题不能全部显示,请点此查看更多更全内容