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.

1 風(fēng)積沙的物理化學(xué)性質(zhì)

1.1 風(fēng)積沙的天然密度和含水量

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.

1.2 風(fēng)積沙的孔隙性與相對密度

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

1.3 風(fēng)積沙的顆粒組成、顆粒的形態(tài)特征及化學(xué)成分

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

2 風(fēng)積沙的壓實性

2.1 風(fēng)積沙的擊實特性

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.

2.2 風(fēng)積沙的振動壓實特性

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

3 風(fēng)積沙的壓縮特性

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

4 風(fēng)積沙的內(nèi)摩擦角

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

5 結(jié)論

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.