沙漠地区公路路基压实标准及方法研究

交通部西部交通建设科技项目
合同编号：2001 318 793 08
沙漠地区公路路基压实标准及方法研究
总报告简本
西安公路研究所
2004年4月
课题名称：沙漠地区公路路基压实标准及方法研究承担单位：西安公路研究所
参加单位：陕西省公路局
榆靖高速公路建设管理处
重庆交通学院
长安大学
协作单位：内蒙古交通设计研究院
新疆交通科学研究院
1 项目研究的背景和意义
目前国内外尚无较为完整的沙漠地区公路设计、施工、检测、试验、养护等规程、规范，现修筑的沙漠公路仅是参考和借鉴现行公路规范、规程，不能满足沙漠地区高等级公路的需要，工程质量难以保证。

由于风积沙颗粒较细、无粘性、含水量小、保水性差同时又具有水稳性好、沉降均匀，受不利季节影响小等特点，且分布广泛、储量丰富、取材方便。

风积沙形成环境、气候条件、颗粒组成、矿物成份以及工程特性等均有较大差异。

沙漠地区公路路基几乎全部只能采用风积沙作为路基填料，但因风积沙颗粒松散无粘性，其压实一直是施工中的难题，因而风积沙的压实技术成为修筑沙漠公路的关键所在，特别是风积沙路基压实标准的确定。

按照目前施工规范和评定标准的规定，采用重型标准击实法确定的最大干密度值衡量压实效果很容易满足要求，它直接影响到风积沙路基真正的压实效果，因而采取何种仪器和方法确定风积沙的最大干密度值且与工地施工情况有效结合、相适应是解决沙漠地区公路关键技术问题之一。

另一方面，一般粘土路基要求且只能在最佳含水量状态下压实得到较大密度，但沙漠地区一般干旱少雨，水源缺乏，且在风积沙路基上洒水机械难以行走，无法对风积沙填料进行洒水，且采用何种机械拌和又无法得到解决。

因此，研究风积沙路基在天然含水量状态下的施工工艺、压实机械、压实度检测方法和仪器是非常有必要的，也是非常迫切的。

《沙漠地区公路路基压实标准及方法研究》课题是2001年交通部西部交通建设科技项目“沙漠地区筑路成套技术研究”的一个子课题，它的立项研究对沙漠地区公路设计、施工、试验等所遇到技术问题的解决具有重大意义，也为沙漠地区筑路技术水平的提高起到重要的促进作用。

国外用风积沙直接作为路基填料的道路基本没有，因而用风积沙作为路基填料的研究也基本没有，偏重于路面结构及其稳定技术的研究。

我国九十
年代初，首次在新疆塔克拉玛干沙漠中成功地修筑了一条长达300余公里的沙漠三级公路，并开展了较为全面的沙漠公路修筑技术研究，对风积沙材料进行了物理性能、化学性能及力学性能的研究。

陕西、内蒙结合修建二级公路、三级公路也开展了一系列沙漠公路修建技术课题的研究，这些成果为沙漠地区公路修建起到了指导作用，这些成果和研究主要依托二级公路，但已有研究成果涉及到路基压实标准及检测方法等内容较少，实践表明按照现行规程规范存在许多不足，主要有风积沙最大干密度的确定方法、压实标准、检测方法等均不能满足施工技术要求。

该项目于2001年8月立项， 2003年12月完成项目合同规定的研究内容。

2004年3月由交通部西部项目管理中心主持在榆林对该课题进行了验收和鉴定。

2.研究的主要内容及思路
此课题针对沙漠地区路基设计、施工、试验等方面存在的不足，解决工程实际当中的具体问题，也为完善和编制沙漠地区公路路基施工、试验、验收等标准、规范作一些基础研究工作，依据合同与研究大纲的要求，主要研究以下内容：
(1)风积沙静力、动力压实特性及压实机理的研究
(2)不同压实标准情况下“沙基强度--变形特性”及风积沙路基设计参数的研究
(3)不同级配风积沙最大干密度确定方法的研究
(4)确定风积沙最大干密度试验仪器和方法
(5)不同等级公路及不同填土高度路基压实标准的制定
本课题通过对西部地区具有代表性风积沙的调查和现有沙漠公路路基情况的调查、试验测定，经室内外不同试验方法的比较和验证，提出不同级配风积沙最大干密度的确定方法、试验仪器和试验方法。

在对不同级配风积
沙工程特性研究的基础上，分析其压实机理。

依托实体工程，通过现场压实试验和室内大型试槽模拟试验，总结出不同压实标准条件下路基强度--变形特性，推荐出合理的风积沙路基设计参数，对不同等级沙漠公路典型路段进行检测试验和调查，通过试验路的观测和理论分析，验证压实标准的科学性和合理性。

其总体目标是提出风积沙最大干密度的确定方法、试验仪器和试验方法，推荐出沙漠路基压实标准和路基设计参数，研究成果将填补沙漠路基施工、设计、试验等多方面的空白，为制定沙漠地区路基压实标准、现场检测试验规程和方法等技术标准提供科学依据。

3.依托工程
为了使研究成果更加符合实际，便于推广应用，解决沙漠地区利用风积沙作为路基填料的一系列技术问题，课题选定陕西境内榆靖沙漠高速公路、陕蒙界半幅沙漠高速公路、靖边至王圈梁沙漠高速公路及内蒙古伊克昭盟敖达线(二级公路)、新疆G315线若羌～且末段沙漠公路（三级公路）作为依托工程进行试验验证。

4.研究成果及创新点
课题组充分利用各参加单位的技术优势，明确任务，落实责任。

在咨询知名专家、学者的基础上，制定了详细并具有可操作性的实施方案，在交通部西部交通建设科技项目管理中心的指导下，陕西省交通厅的直接管理和领导下，按照合同规定的研究项目、研究内容和研究进度计划，有步骤的开展研究工作。

取得的主要研究成果如下：
(1)首次系统地研究了风积沙静力、动力压实特性
在静力特性研究中，以CBR、回弹模量、压缩、剪切等四种力学试验为基础，着重分析了不同含水量情况下风积沙的力学性质，得出了不同密度情
况下风积沙作为路基材料的荷载-变形的变化规律。

动力压实特性研究中，以振动压实作为主要研究内容，对振动压实时风积沙密度与振幅、频率、含水量、振动时间等影响因素进行了全面、深入的试验研究。

推荐出了采用振动台加速度、振动时间、表面单位压力作为技术指标的振动试验方法以确定风积沙最大干密度值的新思路。

(2)首次提出了不同级配风积沙最大干密度的确定方法
在试验研究的基础上，首次提出了以风积沙细集料含量(小于0.074mm 以下颗粒含量)为标准，选择最大干密度试验方法的新观点，突破了以前规范对于无粘结性材料运用一种单一方法的思路，具有一定的创新性，建议若风积沙材料小于0.074mm以下细集料含量大于23%时采用重型标准击实法确定最大干密度值，含量小于23%时采用振动法确定最大干密度值的方法。

(3)首次确定了不同级配风积沙最大干密度的试验方法和仪器
通过对不同试验方法研究结论的比较，结合工地现场不同压实机械、压实厚度情况下所测风积沙的干密度值，总结出了采用振动法确定风积沙最大干密度的试验方法和仪器，并对试验仪器的参数提出了明确技术指标，特别是具有创新性地提出以振动台加速度作为指标选择振动台的新观点，所推荐的试验方法具有操作简单，与工地施工工艺、施工机械压实效果相匹配的优点。

(4)深入研究了风积沙在不同压实标准情况下“沙基强度—变形特性”
以CBR、回弹模量等试验为基础，分析了风积沙强度指标的变化规律，总结出风积沙的“沙基强度－变形特性”。

(5)首次系统地研究了风积沙压实机理
在理论计算的基础上，分析、比较了不同压实方法的压实效果，利用振动学原理，重点研究了风积沙振动压实过程中双驼峰的形成机理及加速度对压实效果的影响，并结合静力、动力压实特性的研究结论，首次较系统地分析了风积沙压实机理，为沙漠路基稳定性、干压实理论等提供了理论依据。

(6)推荐出较为合理的风积沙路基设计参数
通过室内不同密度、含水量状况下回弹模量的测定，在分析大型试槽不同密度情况下不同尺寸承载板所测回弹模量试验资料的基础上，对实体工程不同季节进行了现场测定，也对旧路稳定典型路段进行了测试、分析，较为全面地总结出风积沙路基回弹模量值的变化规律，推荐出了路基设计参数。

利用研究成果，对榆靖沙漠高速公路路面结构进行了优化，减薄了原路面设计厚度，修筑1km的试验路，经检测达到了设计要求，产生较大的经济效益。

(7)首次提出了不同等级公路风积沙路基的压实标准，同时提出了风积沙路基不同填土高度采用同一压实标准的观点
通过理论分析，阐明了在不增加机械台班的基础上，具有创新性地提出风积沙路基填方路段不分压实度区间的观点，结合最大干密度值的确定仪器和试验方法，经现场试验及实体工程的沉降观测，提出了不同等级公路风积沙路基压实标准，为风积沙路基质量评定标准、施工规范的制定奠定了基础，填补了国内风积沙路基压实无标准可依的空白。

(8)编制了适合沙漠地区公路路基施工的《沙区路基施工技术规程》
在总结实体工程和室内试验研究成果的基础上，与西部交通建设科技项目“沙漠地区公路路基施工及质量控制技术研究”课题组共同编制了陕西省沙漠地区《沙区路基施工技术规程》，经榆靖沙漠高速公路、陕蒙界半幅沙漠高速公路、靖王(GZ35)高速公路沙区路段的应用和验证，成功地指导了三条高速公路沙漠路基的施工，解决了路基施工工艺、机械组合、密度检测仪器和方法、压实标准、最大干密度的确定方法等沙漠路基施工中的技术难题。

这三条公路已建成，经检测工程质量达到设计要求，也未出现任何路基变形等病害。

(9)通过推广应用，取得了巨大的经济效益和社会效益
此项研究成果成功地应用于陕西三条沙漠高速公路的施工中，解决了沙漠地区公路路基填料缺乏问题，利用阶段研究成果，对榆靖沙漠高速公路原
路面结构进行了优化设计，减薄了石灰土底基层厚度，降低了工程造价。

实践证明风积沙作为路基填料是可行的，产生了巨大的经济效益，并为以后的推广应用创造了条件，积累了经验。

同时，此项研究成果在内蒙、新疆等省份也得到推广应用。

随着沙漠地区公路的进一步发展和应用，将产生更大的经济效益。

此项课题的立题研究，具有明确的针对性，研究成果也具有适用性，与工程紧密结合，达到了理论指导实践，实践检验理论、验证理论的作用，以解决工程建设中的具体问题为出发点，在已取得多项研究成果中，所突破的关键技术包括以下几个方面：
(1)首次系统地研究了风积沙静力、动力压实特性和压实机理
经调研和查新，受沙漠地区高速公路建设项目较少的影响，到目前为止，对于利用风积沙填筑路基的静力、动力压实特性研究均较少，本项目利用调幅、调频振动台，重点对不同地区风积沙在不同含水量、振动时间、表面单位压力、频率、振幅、填料层数等条件下风积沙干密度的变化规律进行了深入研究，也建立了压实度与回弹模量、压缩模量等的模型，分析了风积沙的静力、动力压实特性，在此基础上分析了风积沙的压实机理，分析资料详实、深入，具有全面性和系统性。

(2)首次提出了不同级配风积沙最大干密度的确定方法、试验仪器和试验方法，同时提出了最大干密度的确定不存在最佳含水量的观点公路土工试验规程规定细集料最大干密度的确定应按照重型标准击实法试验确定，经工程实践检验证明，风积沙与一般粘土击实曲线不同，它是一个双驼峰曲线，在含水量为0%时可得到较大干密度值，在总结各种不同试验条件下干密度值变化规律的基础上，得到风积沙在干燥状态下经振动可得到最大干密度值，同时明确了振动法和击实法确定风积沙最大干密度值的试验条件，提出了以小于0.074mm颗粒含量来选择风积沙最大干密度值试验方法的指标。

振动试验表明，风积沙在干燥时是可以压实的，另一方面，利用击
实法确定的最大干密度值是在最佳含水量情况下得到的，沙漠地区由于干旱少雨，缺少水源，加之沙漠路基上洒水车无法行走，洒水碾压很难实现，最佳含水量不能指导公路路基施工，因而，风积沙作为路基填料在天然含水量条件下施工是比较合理、最为经济的。

经室内力学试验研究，在依托工程验证基础上，课题组首次提出风积沙作为路基填料其最大干密度的确定不存在最佳含水量，实体工程证明在天然含水量情况下压实是能够保证施工质量的，路基也是稳定的。

(3)首次提出了不同等级沙漠公路路基压实标准
到目前为止，国内外尚无较为合理的并与最大干密度确定方法、试验仪器和试验方法相配套的压实标准。

通过课题的研究，经实体工程的推广应用，课题组所提出的路基压实标准是科学、合理的，也能够指导和控制路基施工质量。

提出高速公路(一级公路)压实度采用94%、二级公路和其他公路压实度采用93%的控制标准，这是与采用振动法确定的最大干密度值相配套的压实标准，与现行路基施工规范、公路工程质量检验评定标准规定的压实标准相比，要求有所提高，这样，有利于保障路基的稳定性，减少路基和路面病害。

(4)首次提出了风积沙路基不同填土高度采用同一压实度标准的观点
在理论分析的基础上，充分利用了风积沙的工程特性，通过沉降计算，并结合沙漠地区风积沙作为路基填料的施工工艺，在经济可行性分析的基础上，首次提出风积沙路基压实标准不分压实度区间的观点，经依托工程的验证，此标准是可行的，既能保证路基施工质量，也未增加施工难度和工程造价，建成后的路基经过检测质量符合要求。

与现行规范规定相比，压实标准提高幅度较大，一方面，这是基于路基下部所受到的自重应力随着填土高度的增加应力增大，行车荷载产生的应力随着深度的增加有减少趋势，引起路基变形的主要因素为路基的自重应力，理论分析认为，压实度越大，工后沉降量越小，因而，路堤下部密度应
有所提高；另一方面，原规范中建议的压实标准是对应于采用重型标准击实法所确定的最大干密度值来衡量的，研究成果表明采用振动法确定风积沙干密度值较为合理，且此值较击实法所得干密度值大，因而，压实标准提高较大，这也与公路施工机械不断发展相协调。

（5）首次提出了风积沙最大干密度的确定不存在最佳含水量的新观点根据风积沙压实曲线双峰值的特性，使得按常规采用在最佳含水量附近进行路基压实的施工工艺对于沙漠地区干旱少雨、风积沙含水量低、保水差等特殊工程性质而言是不经济甚至是不可行的。

最大干密度的确定的含水量为0%时的峰值作为标准干密度指导施工较为科学。

5 成果应用情况及效益分析
依据课题阶段研究成果编制的陕西沙漠公路《沙区路基施工技术规程(试行)》，指导了陕西境内三条沙漠高速公路的建设，路基、路面工程建成后经检测均满足设计要求。

课题提出的风积沙路基设计参数，对榆靖沙漠高速公路路面结构进行了优化设计，减薄底基层石灰土厚度20厘米，并修筑了1公里试验路，未出现任何病害。

利用课题研究成果减薄了榆靖沙漠高速公路路面厚度，如全线推广将减少工程费用6050.0万元。

间接经济效益表现在将风积沙作为路基填料而代替了常规粘土填筑路基所节约的工程费用。

依据有关规定和办法计算应用在榆靖、陕蒙两条公路上所产生的效益累计为28118.6万元。

6 推广应用前景
随着西部开发步伐的加快和投资规模的增加，西部地区将成为国内经济发展的重点，按照国家西部大开发的远景规划和西部各省(区)沙漠地区公路发展规划，在今后二十年内将修筑数千公里的沙漠公路，为西部大开
发创造良好的交通环境。

课题研究成果填补了国内甚至于国际沙漠公路建设在这一领域的空白，具有广阔的应用前景。

从目前和长远来看，随着课题研究成果的广泛应用，产生的经济效益和社会效益将是十分显著的。