席福來(新疆水利水電勘測設計研究院試驗研究所,新疆昌吉831100)

準噶爾盆地白砂巖工程特性試驗研究

席福來
(新疆水利水電勘測設計研究院試驗研究所,新疆昌吉831100)

針對白砂巖能否用于水渠渠底的填充料問題,進行了試驗研究。白砂巖的性狀是介于硬土與軟巖之間,被擾動后呈松散狀。通過試驗證實:細沙、中細砂經(jīng)壓實后,均有較好的壓實性,不產(chǎn)生膨脹,屬弱凍脹,極微透水,低壓縮性,較高的抗剪強度,這些特性指標均能滿足工程要求。這種材料已用于工程中,經(jīng)過4年的通水運行,工程狀況良好。

白砂巖;填充料;準噶爾盆地

該工程位于準噶爾盆地北部邊緣,工程建筑物主要有渠道、交叉建筑物和倒虹吸。地形自北向南為河谷型階地,沖洪積平原及低山丘陵不同地貌單元,出露的地層為第三系和第四紀,主要為第三系漸新統(tǒng)烏倫古河組(E2-3W),巖性為灰白色中粗砂巖、桔紅色泥質(zhì)砂巖及砂質(zhì)泥巖,統(tǒng)稱為白砂巖。

白砂巖的性狀介于硬土與軟巖之間,天然狀態(tài)下含水量較少,強風化層土質(zhì)松散,弱風化時稍有膠結(jié)。采用石臘封存經(jīng)搬運,開封時己變成松散體砂,該細顆粒遇水后呈乳白色有膩滑感。本次試驗主要研究85.7 km白砂巖渠線能否做為渠基的換填料為工程使用,進行了物理力學性試驗研究工作。

1 白砂巖的顆粒粒徑組成及物理性質(zhì)

為了解沿渠線白砂巖的顆粒變化及不同性質(zhì),共取50組樣品進行顆粒分析及物理性試驗,通過大量的試驗研究,白砂巖主要分為粗砂、中粗砂、中細砂、細砂4種類型。顆粒粒經(jīng)變化范圍見圖1。物理性指標見表1。

圖1 白砂巖顆粒徑變化范圍圖Fig.1 Particle diameter variation range of white-sand rock

表1 白砂巖物理性基本性質(zhì)表Table 1 The basic physics's characters of the white-sand rock

2 白砂巖壓實性

對粗砂、中粗砂、中細砂、細砂不同性狀白砂巖分別采用輕型及重型(輕型25擊、35擊、重型56擊)3種不同擊實功能,確定擾動土在一定量擊實功能下干密度隨含水率變化的關系曲線,以求得土的最大干密度和最優(yōu)含水率,了解土的壓實性,為工程設計和現(xiàn)場施工碾壓提供土的壓實性指標。從試驗指標看:輕型擊實下的最優(yōu)含水率為11.6%～12.4%,最大干密度為1.81～1.88 g/cm3,粗砂、中粗砂的壓實性略低于中細砂、細砂。

重型擊實下的最優(yōu)含水率為8.2%～9.8%,最大干密度為1.94～2.06 g/cm3,中細砂的擊實干密度略高于粗砂、中粗砂的干密度。對輕型、重型2種功能下比較,在輕型擊實功能的最優(yōu)含水下,含水率降低3%,采用重型擊實,增大擊實功能時,干密度可提高10%左右。說明該砂土在較低的含水率下,嚴格控制含水率為9.0%～12%范圍采用重型碾壓機械,均有較好的壓實性。

圖2 白砂巖不同擊實功能下pd-w關系曲線Fig.2 pd-w curves of the white-sand rock under diffferent compactions

3 白砂巖表面平板振動壓實性

根據(jù)室內(nèi)擊實試驗成果,采用重型擊實試驗,嚴格控制最優(yōu)含水量,最大干密度可達2.06 g/cm3,說明在平面渠底換填時采用重型碾壓工具有較好壓實性。但作為1∶2.5渠邊坡需達到這樣效果可能會受到一定制約,在室內(nèi)進行摸擬試驗,控制含水率在9.0%～12.0%范圍內(nèi),將試樣放入直徑500 mm、高220 mm的容器內(nèi),底部墊上鋼板,采用無垂直壓力ZF5型附著式砼外部表面平板振動設備進行壓實,振動時間為60～80 s,壓實后的干密度可達1.81～1.84 g/cm3,與輕型擊實儀干密度相比較,基本接近0.97的壓實度,參見壓實效果比較見表2。建議選用ZF20或ZF22大振動力的振動器用于現(xiàn)場壓實,可能會收到較好的壓實效果。振動器主要技術(shù)指標見表3。

表2 白砂巖表面平板震動壓實效果比較試驗表Table 2 Comparison of compaction effects of the white-sand rock with plate vibration

表3 平板震動器主要技術(shù)指標Table 3 Main technology indexes of plate vibrators

4 白砂巖的抗剪強度及滲透性

抗剪強度試樣采用應變式直剪儀,試驗方法為最優(yōu)含水狀態(tài)下,密度控制分別為1.65,1.80,1.96 g/cm3下進行快剪,抗剪強度隨干密度增大而摩擦角增大,總的變化在31.0°～39.0°范圍。滲透性采用南55型滲透儀,控制不同干密度,在重型、輕型2種擊實功下的最大干密度乘以0.97、相應壓實度下,求出滲透系數(shù)K值,見表4。

通過以上試驗結(jié)果說明該中細砂及細砂作為防滲材料,只要含水率嚴格控制在9.0%～12.0%范圍內(nèi),使土樣壓實干密度達到1.85 g/cm3以上,該土均有較好的防滲性能。

5 白砂巖土的膨脹性

由于該砂巖中含有細粒顆粒土約占15%左右,對沿渠線的試樣采用自由膨脹率及無荷膨脹率2種試驗方法評價土的膨脹性。

表4 不同壓實度下的滲透系數(shù)成果表Table 4 Permeability coefficient results with different degrees of compaction

采用白砂巖的全料及＜0.075 mm土樣進行試驗,試驗結(jié)果:全料自由膨脹率為29.0%～41%,＜0.075 mm土樣自由膨脹率為45.0%～54.0%,僅表明該砂樣＜0.075 mm樣品中存在膨脹性。

無荷載膨脹率試驗選用白砂巖的全料,在最優(yōu)含水下配制成不同干密度的試樣,使用WZ-2型無荷載膨脹儀進行試驗,膨脹率結(jié)果為1.5%～4.0%范圍,根據(jù)有關規(guī)定“無荷載膨脹率為4.0%～7.0%時為弱膨脹性,＜4.0%為不膨脹性土,”初步判定該白砂巖為不膨脹性土。

圖3 不同干密度、含水率下的凍脹率關系曲線圖Table 3 The frost-heave rate curve under different dry densities, moisture contents

6 白砂巖的凍脹性

由于土體不均勻凍脹變形是寒冷區(qū)工程構(gòu)筑物大量破壞的重要因素之一,因此要求對該工程的白砂巖測試凍結(jié)過程中的凍脹變形量,以便采取相應措施,確保工程構(gòu)筑物的安全可靠。所以對換填料在不同密度、不同含水率下進行凍脹率試驗,并作出凍脹性分級評價。

試樣設備采用內(nèi)徑10 cm的有機玻璃筒,控制高度為5 cm,試樣制好后,將盛有試樣的試驗盒放入低溫恒溫箱內(nèi),從上到下在試樣的1,2,3,4 cm處插入熱敏電阻,以測定試樣凍脹深度。試樣周側(cè)包裹有保溫材料,以保證其凍脹與實際情況相似,從上至下逐漸凍脹。安裝百分表并開啟恒溫箱,將箱內(nèi)溫度調(diào)至1℃后,開始試驗,箱內(nèi)溫度調(diào)節(jié)到-15℃并持續(xù)半小時,讓試樣迅速從頂面凍結(jié),然后將箱內(nèi)溫度調(diào)節(jié)-2℃后以-0.2℃/h速度下降,每隔1 h測其溫度及百分表讀數(shù),試驗持續(xù)72 h穩(wěn)定后結(jié)束試驗,量測試樣高度及凍結(jié)深度。

從以上試驗圖中看出,在同一密度下,凍脹率是隨含水增高而增大,不同密度的同一飽和度,密度小時飽和含水率高,凍脹量隨含水增大而增高。若將回填料施工控制干密度達1.85 g/cm3左右,含水率飽和度達100%時,凍脹率均在2.0%～3.0%范圍。根據(jù)“GB50324-2001凍土工程地質(zhì)勘察規(guī)范”凍脹等級劃分應為弱凍脹性土。

7 初步結(jié)論

(1)白砂巖經(jīng)開挖擾動而成松散砂狀,嚴格控制含水率在9.0%～12%范圍,采用重型碾壓機械,具有更優(yōu)壓實性。

(2)擾動的白砂巖除粗砂、中粗砂以外,細砂、中細砂經(jīng)擊實后均有較好的壓實性,不產(chǎn)生膨脹、屬弱凍脹、極微透水、低壓縮性、抗剪強度較高、均能滿足工程質(zhì)量指標要求。

(3)白砂巖經(jīng)試驗分析可用于渠基填筑料,運用工程實際后,經(jīng)過4年的通水運行,工程狀況良好。

(4)白砂巖在工程中的應用,使得不宜填筑的廢料,變廢為寶,為工程節(jié)約了大量投資,也為類似工程提供了借鑒。

[1]SL237-1999,土工試驗規(guī)程[S].

[2]繆元勛,席福來.戈壁明渠白砂巖工程性質(zhì)試驗報告[R].昌吉:新疆水利水電勘測設計研究院,2003.

[3]劉特洪.工程建設中的膨脹土問題[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1997.

(編輯:周曉雁)

Experimental Study on White-sand Rock Engineering Characteristics

XI Fu-lai
(Test Institute of Xinjiang Water Resources and Hydropower Investigation,Xinjiang Changji 831100,China)

For understanding the properties of the white-sand rock in Zhungaer basin being used as filling materials of channel foundation,a test study was performed.The characteristic of the white-sand rock is between the hard soil and soft rock.It will become loose when this rock is disturbed.The test result shows that,by compaction,fine sands and mid-fine sands of the rock possess the characteristics of non-expansion,weak freeze-expansion,exceedingly light perviousness and high shearing strength.The material was used in some engineering, which has run for 4 years,and the channel is in good order.

white-sand rock;filling material;Zhungaer basin

TV223.1

A

1001-5485(2009)05-0062-03

2008-11-30;

2008-12-16

席福來(1956-),男,河南葉縣人,高級工程師,主要從事巖土力學、巖土工程方面的試驗研究工作,(電話)0994-8326024(電子信箱)xfl5057@sina.com。