劉光秀, 李玉根, 鄭 文, 馬小莉, 徐德衡
(1.榆林學(xué)院建筑工程學(xué)院,陜西榆林 719000; 2.榆林市特殊土力學(xué)與工程重點實驗室,陜西榆林 719000;3.西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院,西安 710054)
我國是一個沙漠面積約占國土面積8.43%的多沙漠國家,面積約為80.89萬km2,其主要分布在新疆、青海、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古及陜西北部等省市[1-2]. 榆林市位于陜西省最北部,地處榆林境內(nèi)長城以北的毛烏素沙漠是中國的十二大沙漠之一,有著豐富的石油、天然氣、煤等自然資源[3]. 近年來,隨著西部大開發(fā)的不斷深入,在“十三五”期間,榆林周邊沙漠地區(qū)油氣田開發(fā)、公路交通基礎(chǔ)設(shè)施、工民建筑等工程建設(shè)將會得到進一步發(fā)展[4],沙漠與工程建設(shè)的結(jié)合也將會越來越緊密,然而沙漠地區(qū)除了擁有豐富的風(fēng)積沙外,其他建筑材料十分匱乏. 因此,在大量的沙漠工程建設(shè)過程中,采用風(fēng)積沙作為路基填料、地基土體、基礎(chǔ)回填等工程材料是巖土工程界面臨的新選擇、新課題[5-10].
風(fēng)積沙,一種風(fēng)積成因的砂類土屬第四紀風(fēng)積物,是在干旱、半干旱沙漠氣候環(huán)境下形成的一種特殊地質(zhì)材料,一般具有顆粒細、級配不良、結(jié)構(gòu)松散、無黏性、抗剪強度低等特點[11-14]. 但實踐表明[15-17],經(jīng)壓實后的風(fēng)積沙具有較高的壓縮模量,壓縮快、壓縮變形小、工后沉降小及徐變小的特點. 榆林地區(qū)北部處在毛烏素沙漠南緣,為典型的風(fēng)積沙地貌,地表覆蓋著大量風(fēng)積沙,主要以細砂、粉砂為主,厚度為1~30 m不等[18-19]. 為此,本文依托實體工程對榆林周邊地表風(fēng)積沙顆粒級配、微結(jié)構(gòu)及化學(xué)成分、壓實特性、壓縮特性等物理化學(xué)、力學(xué)指標進行綜合試驗研究,以期詳細了解該地區(qū)風(fēng)積沙材料的工程特性,為風(fēng)積沙地層工程建設(shè)提供一定借鑒和參考.
通過對該地區(qū)風(fēng)積沙的天然密度與天然含水量進行取樣測試,結(jié)果表明:風(fēng)積沙的平均最小干密度為1.38~1.42 g/cm3,平均最大干密度為1.68~1.70 g/cm3,用比重瓶法測得風(fēng)積沙土粒相對密度為2.63~2.66;地下水埋藏較深,沙層含水量小,通常表層25 cm為含水量小于0.6%的干沙層,40 cm以下沙層常年保持2.0%~4.5%的穩(wěn)定含水量,平均天然含水量為3.2%~3.7%左右.
經(jīng)取樣測試分析,該地區(qū)風(fēng)積沙孔隙比為0.56~0.90,孔隙率為0.36~0.47,相對密度為0.15~0.48,按砂土的密實度劃分,天然風(fēng)積沙一般處于松散、稍密狀態(tài),局部為中密狀態(tài),相對密度隨沙層的埋深增加而增大,一般沙層4~6 m以下處于稍密狀態(tài),如表1,某工程地基土層特征描述.
表1 某工程地基土層特征描述Tab.1 Description of foundation soil layer characteristics of a project
對選取的6種試樣進行顆粒篩分試驗,并通過場發(fā)射掃描電子顯微鏡對風(fēng)積沙試樣的顆粒組成形貌、化學(xué)成分進行測試分析. 篩分結(jié)果見表2,顆粒級配曲線見圖1. 表2、圖1試驗結(jié)果表明:榆林地區(qū)地表風(fēng)積沙土顆粒較均勻,以粒徑0.25~0.075 mm的細砂粒為主,約占總質(zhì)量的60%~70%,粒徑0.5~0.25 mm的中砂粒次之,約占20%~30%,粒徑小于0.075 mm的粉粒、黏粒含量較少,不足5%,大于0.5 mm的粗砂粒含量極少,不均勻系數(shù)Cu=2.0~3.0<5,曲率系數(shù)Cc=1.0,屬于級配不良的細砂,局部區(qū)域為中砂. 同時由圖2可知,用電子顯微鏡觀測風(fēng)積沙試樣的顆粒級配組成與顆粒篩分試驗結(jié)論相吻合.
表2 風(fēng)積沙顆粒組成Tab.2 Composition of aeolian sand particles
圖1 風(fēng)積沙顆粒級配曲線Fig.1 Grading curve of aeolian sand
圖2 風(fēng)積沙顆粒組成形貌圖Fig.2 Morphology diagram of aeolian sand particle composition
磨圓度是風(fēng)積沙顆粒形態(tài)的重要特征,也是鑒定風(fēng)積物的標準之一. 試樣沙經(jīng)篩分后選取粒徑0.25~0.5 mm、0.15~0.25 mm、0.075~0.15 mm、<0.075 mm 的粒組在電子顯微鏡下進行觀測,結(jié)果見圖3~圖6.可見,風(fēng)積沙的顆粒組合結(jié)構(gòu)形態(tài)隨著粒組粒徑的減小顆粒的磨圓度變差,0.25~0.5 mm、0.15~0.25 mm粒組的顆粒形態(tài)以次棱角狀為主;0.075~0.15 mm、<0.075 mm的粒組以棱角狀為主,圓和滾圓顆粒少,與文獻[15]中甘肅省河西走廊東部風(fēng)積沙試樣粒組顆粒形態(tài)觀測結(jié)論相似. 究其原因,這與風(fēng)積沙的形成方式有密切關(guān)系,研究表明[20-24],沙粒在風(fēng)力作用下的移動方式分為蠕移、躍移、懸移三種基本運動形式,當(dāng)粒徑為0.5~1 mm 時,沙粒運動形式以蠕移為主;當(dāng)粒徑為0.1~0.5 mm時,沙粒運動形式以躍移為主;當(dāng)粒徑小于0.1 mm時,沙粒運動形式以懸移為主. 顯然,躍移動方式使得沙粒不斷與地床面產(chǎn)生沖擊碰撞與摩擦,同時造成和帶動沙粒之間的碰撞摩擦,從而使得沙粒整體磨蝕程度較高,但細觀表面上凹凸起伏、撞擊痕跡明顯,如圖3、圖4所示;而懸移動方式使得顆粒間的碰撞摩擦力較小,細顆粒表面的磨蝕沒有粗沙粒明顯,凸起的尖銳棱角較多,表面形態(tài)復(fù)雜,如圖5、圖6所示.
圖3 風(fēng)積沙0.25~0.5 mm粒組形貌圖Fig.3 Morphology diagram of 0.25~0.5 mm aeolian sand grain group
圖4 風(fēng)積沙0.15~0.25 mm粒組形貌圖Fig.4 Morphology diagram of 0.15~0.25 mm aeolian sand grain group
圖5 風(fēng)積沙0.075~0.15 mm粒組形貌圖Fig.5 Morphology diagram of 0.075~0.15 mm aeolian sand grain group
圖6 風(fēng)積沙<0.07 5mm粒組形貌圖Fig.6 Morphology diagram of <0.75 mm aeolian sand grain group
由表3、圖7可知,該地區(qū)風(fēng)積沙的化學(xué)成分中,SiO2含量最高,占比62.8%,其次為Al2O3和Fe2O3,約占比13.0%~10.0%,而MgO、CaO、K2O和Na2O的含量在3.0%~1.0%左右,其他成分很少.
表3 風(fēng)積沙主要化學(xué)成分Tab.3 Main chemical composition of aeolian sand
圖7 風(fēng)積沙礦物元素譜系圖Fig.7 Pedigree diagram of aeolian sand mineral elements
自然狀態(tài)下的風(fēng)積沙多為松散狀態(tài),工程性能差,承載力低. 壓縮后,其強度提高,回彈模量增大. 對風(fēng)積沙進行擊實試驗,可獲得其最大干密度和最優(yōu)含水量,用于指導(dǎo)現(xiàn)場施工和檢驗壓實作業(yè)的質(zhì)量. 本試驗根據(jù)《土工試驗方法標準》GB/T 50123—2019[25],對沙樣4 采用重型擊實,分5層擊實,每層擊56次,落錘高457 mm,進行兩組平行試驗,試驗結(jié)果見圖8. 試驗表明,兩組平行試驗結(jié)果基本接近,擊實試驗曲線形狀呈先凹后凸形的駝峰型曲線,擊實曲線出現(xiàn)2 個主要峰值. 當(dāng)處于干燥狀態(tài)(含水量為0)時,干密度出現(xiàn)第一個峰值,此時干密度為1.684 g/cm3;隨著含水量的增加,沙樣的干密度值呈先減小后增大再減小的趨勢,在含水量為4%時降到最低,對應(yīng)的干密度值為1.638 g/cm3;當(dāng)含水量為12%時干密度達到第2個峰值,最大干密度為1.690 g/cm3;此后,隨著含水量的增加,沙樣的干密度值減小. 可見,沙樣當(dāng)處于干燥狀態(tài)(含水量為0)和含水量為12%情況下均可被壓實,與一般黏性土的擊實曲線有顯著差別.
圖8 風(fēng)積沙擊實曲線Fig.8 Compaction curve of aeolian sand
研究分析認為[26-27],擊實過程中,干燥狀態(tài)的沙粒黏結(jié)力為零,在沖擊振動波的作用下顆粒產(chǎn)生相對移動、嵌擠作用并趨于密實. 隨后,少量的水分在沙粒表面形成了一層很薄的水膜,產(chǎn)生強烈的表面張力(即假黏聚力),導(dǎo)致顆粒間的黏滯性增強,影響沙層的移動密實. 含水量的增加又迫使水膜增厚,沙粒間引力被減弱,自由水的潤滑作用使沙粒較容易地移動,干密度有了大幅提高. 最后,過多的自由水導(dǎo)致沙粒在擊實過程中出現(xiàn)液化現(xiàn)象,部分擊實功被吸收,使沙的干密度降低.
本試驗根據(jù)《榆靖沙漠高速公路路基施工技術(shù)規(guī)程》[28],對沙樣4 分別進行干振(含水量0)和飽水(含水量100%)振動試驗. 試驗臺振幅為0.3~0.6 mm,振動頻率48 Hz,試樣沙的干密度與振動時間關(guān)系結(jié)果見圖9.
由圖9 可知,在一定振動條件下,風(fēng)積沙的最大干密度值具有最佳振動時間,沙顆粒隨著振動時間的延長出現(xiàn)先振實、然后振松、再振實的循環(huán)現(xiàn)象. 原因在于振動過程中,松散沙粒中較小顆粒在重力、碰撞力和振動力的作用下,移動到較大顆粒之間的孔隙中,重新排列組合趨于最佳排列狀態(tài),達到最大干密度. 如果再持續(xù)增加振動時間,則已趨于密實的沙粒之間的最佳排列狀態(tài)由于進一步的振動作用反而遭到破壞,使得干密度下降,因此振動壓實時間并非越長越好[29-30]. 本試驗中,當(dāng)振動時間為6 min時,飽水振測得最大干密度為1.705 g/cm3;干燥振動條件下,測得最大干密度為1.694 g/cm3. 結(jié)合重型擊實試驗結(jié)果可知,按不同的試驗方法測得最大干密度是有差異的,該沙試樣重型擊實測得最大干密度最小,飽水振法測得最大干密度最大. 前述已表明,榆林地區(qū)風(fēng)積沙地表在40 cm以下沙層常年保持2.0%~4.5%的穩(wěn)定含水量,若在此含水量狀態(tài)下直接進行壓實效果相對較差,建議優(yōu)先選擇飽水條件下進行壓實,效果最好.
圖9 干密度與振動時間關(guān)系Fig.9 Relationship between dry density and vibration time
土體壓縮會導(dǎo)致建筑物地基的下沉,從而直接影響上部建筑物的使用條件和安全. 為了解榆林地區(qū)毛烏素沙漠風(fēng)積沙的壓縮特性,對干燥狀態(tài)下沙樣4進行不同初始干密度的壓縮試驗,各級壓力下壓縮指標關(guān)系曲線見圖10、圖11,圖11中的壓力p用對數(shù)lgp表示.
由圖10、圖11可知,隨著作用壓力p的增加,土樣的壓縮系數(shù)α值減小、壓縮模量Es值增加,壓縮系數(shù)曲線由陡變緩、壓縮模量曲線由緩變陡,說明土樣在初期壓力下孔隙比減小較快,壓縮性較大,達到一定密實度后,壓縮性變小. 同時可以看出,在同一級壓力范圍內(nèi),風(fēng)積沙的干密度越大,壓縮系數(shù)越小,壓縮模量越大,且當(dāng)作用壓力大于100 kPa后,這3種干密度的壓縮系數(shù)均小于0.1 MPa-1,壓縮模量大于等于20 MPa,說明風(fēng)積沙在較小壓力下易于壓實,屬于低壓縮性土.
圖10 壓縮系數(shù)α與壓力p關(guān)系曲線Fig.10 Curve of compression coefficient α and pressure p
圖11 壓縮模量Es與壓力lg p關(guān)系曲線Fig.11 Curve of compression modulus Es and pressure lg p
對沙樣4 按照文獻[25]中無黏性土的快剪試驗進行直剪試驗. 本試驗制備了5 種含水量狀態(tài)下(0%、2%、4%、8%、12%)及相應(yīng)6種不同干密度試樣,每組試樣做3 次相同條件下直剪試驗,結(jié)果取其平均值,對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和對比. 通過不同含水量、不同干密度風(fēng)積沙的直接剪切試驗,揭示風(fēng)積沙內(nèi)摩擦角與干密度、含水量的關(guān)系,試驗結(jié)果見圖12、圖13.
圖12 內(nèi)摩擦角與干密度關(guān)系曲線Fig.12 Curves of relationship between internal friction angle and dry density
圖12、圖13試驗結(jié)果表明,風(fēng)積沙的強度指標內(nèi)摩擦角與干密度大小和含水量有直接關(guān)系,在同一含水量下,內(nèi)摩擦角隨著干密度的增加而增加;在同一干密度下,內(nèi)摩擦角隨著含水量的增加有所降低,但含水量的變化對風(fēng)積沙的內(nèi)摩擦角的影響較小. 本試驗中,測得風(fēng)積沙在干燥狀態(tài)下的內(nèi)摩擦角為28.6°~36.5°;含水量為4%時,內(nèi)摩擦角為27.8°~33.5°;含水量為12%時,內(nèi)摩擦角為27.1°~34.8°.
圖13 內(nèi)摩擦角與含水量關(guān)系曲線Fig.13 Curves of relationship between internal friction angle and water content
通過對陜西榆林地區(qū)境內(nèi)毛烏素沙漠南緣地表風(fēng)積沙進行顆粒級配、微結(jié)構(gòu)及化學(xué)成分、壓實特性、壓縮特性等物理化學(xué)、力學(xué)指標的綜合試驗研究分析,得出以下主要結(jié)論:
1)榆林地區(qū)地表風(fēng)積沙土顆粒較均勻,粒徑主要分布在0.25~0.075 mm之間,粉粒、黏粒含量較少,不均勻系數(shù)Cu=2.0~3.0<5,曲率系數(shù)Cc=1.0,多屬于級配不良的細砂. 風(fēng)積沙的顆粒組合結(jié)構(gòu)形態(tài)隨著粒組粒徑的減小顆粒的磨圓度變差,0.15~0.5 mm粒組的顆粒形態(tài)以次棱角狀為主,小于0.15 mm的粒組以棱角狀為主,圓和滾圓顆粒少.
2)該地區(qū)風(fēng)積沙的化學(xué)成分中,SiO2含量最高,占比62.8%,其次為Al2O3和Fe2O3,約占13.0%~10.0%,而MgO、CaO、K2O和Na2O的含量均在3.0%~1.0%之間,其他成分很少.
3)風(fēng)積沙的擊實試驗曲線形狀呈先凹后凸形的駝峰型曲線,當(dāng)處于干燥狀態(tài)和含水量為12%情況下均可被壓實. 在一定振動條件下,風(fēng)積沙的最大干密度值具有最佳振動時間,沙顆粒隨著振動時間的延長出現(xiàn)先振實、然后振松、再振實的循環(huán)現(xiàn)象.
4)風(fēng)積沙壓縮系數(shù)小于0.1 MPa-1,壓縮模量≥20 MPa,屬于低壓縮性土.
5)風(fēng)積沙的內(nèi)摩擦角值與干密度大小和含水量有直接關(guān)系,在同一含水量下,風(fēng)積沙的內(nèi)摩擦角值隨著干密度的增加而增加;在同一干密度下,內(nèi)摩擦角隨值著含水量的增加有所降低,但影響較小.