陕西榆林地区风积沙工程特性试验研究

刘光秀， 李玉根， 郑 文， 马小莉， 徐德衡

（1.榆林学院建筑工程学院，陕西榆林 719000； 2.榆林市特殊土力学与工程重点实验室，陕西榆林 719000；3.西安科技大学建筑与土木工程学院，西安 710054）

我国是一个沙漠面积约占国土面积8.43%的多沙漠国家，面积约为80.89万km2，其主要分布在新疆、青海、甘肃、宁夏、内蒙古及陕西北部等省市［1-2］. 榆林市位于陕西省最北部，地处榆林境内长城以北的毛乌素沙漠是中国的十二大沙漠之一，有着丰富的石油、天然气、煤等自然资源［3］. 近年来，随着西部大开发的不断深入，在“十三五”期间，榆林周边沙漠地区油气田开发、公路交通基础设施、工民建筑等工程建设将会得到进一步发展［4］，沙漠与工程建设的结合也将会越来越紧密，然而沙漠地区除了拥有丰富的风积沙外，其他建筑材料十分匮乏. 因此，在大量的沙漠工程建设过程中，采用风积沙作为路基填料、地基土体、基础回填等工程材料是岩土工程界面临的新选择、新课题［5-10］.

风积沙，一种风积成因的砂类土属第四纪风积物，是在干旱、半干旱沙漠气候环境下形成的一种特殊地质材料，一般具有颗粒细、级配不良、结构松散、无黏性、抗剪强度低等特点［11-14］. 但实践表明［15-17］，经压实后的风积沙具有较高的压缩模量，压缩快、压缩变形小、工后沉降小及徐变小的特点. 榆林地区北部处在毛乌素沙漠南缘，为典型的风积沙地貌，地表覆盖着大量风积沙，主要以细砂、粉砂为主，厚度为1～30 m不等［18-19］. 为此，本文依托实体工程对榆林周边地表风积沙颗粒级配、微结构及化学成分、压实特性、压缩特性等物理化学、力学指标进行综合试验研究，以期详细了解该地区风积沙材料的工程特性，为风积沙地层工程建设提供一定借鉴和参考.

1 风积沙的物理化学性质

1.1 风积沙的天然密度和含水量

通过对该地区风积沙的天然密度与天然含水量进行取样测试，结果表明：风积沙的平均最小干密度为1.38～1.42 g/cm3，平均最大干密度为1.68～1.70 g/cm3，用比重瓶法测得风积沙土粒相对密度为2.63～2.66；地下水埋藏较深，沙层含水量小，通常表层25 cm为含水量小于0.6%的干沙层，40 cm以下沙层常年保持2.0%～4.5%的稳定含水量，平均天然含水量为3.2%～3.7%左右.

1.2 风积沙的孔隙性与相对密度

经取样测试分析，该地区风积沙孔隙比为0.56～0.90，孔隙率为0.36～0.47，相对密度为0.15～0.48，按砂土的密实度划分，天然风积沙一般处于松散、稍密状态，局部为中密状态，相对密度随沙层的埋深增加而增大，一般沙层4～6 m以下处于稍密状态，如表1，某工程地基土层特征描述.

表1 某工程地基土层特征描述Tab.1 Description of foundation soil layer characteristics of a project

1.3 风积沙的颗粒组成、颗粒的形态特征及化学成分

对选取的6种试样进行颗粒筛分试验，并通过场发射扫描电子显微镜对风积沙试样的颗粒组成形貌、化学成分进行测试分析. 筛分结果见表2，颗粒级配曲线见图1. 表2、图1试验结果表明：榆林地区地表风积沙土颗粒较均匀，以粒径0.25～0.075 mm的细砂粒为主，约占总质量的60%～70%，粒径0.5～0.25 mm的中砂粒次之，约占20%～30%，粒径小于0.075 mm的粉粒、黏粒含量较少，不足5%，大于0.5 mm的粗砂粒含量极少，不均匀系数Cu=2.0～3.0＜5，曲率系数Cc=1.0，属于级配不良的细砂，局部区域为中砂. 同时由图2可知，用电子显微镜观测风积沙试样的颗粒级配组成与颗粒筛分试验结论相吻合.

表2 风积沙颗粒组成Tab.2 Composition of aeolian sand particles

图1 风积沙颗粒级配曲线Fig.1 Grading curve of aeolian sand

图2 风积沙颗粒组成形貌图Fig.2 Morphology diagram of aeolian sand particle composition

磨圆度是风积沙颗粒形态的重要特征，也是鉴定风积物的标准之一. 试样沙经筛分后选取粒径0.25～0.5 mm、0.15～0.25 mm、0.075～0.15 mm、＜0.075 mm 的粒组在电子显微镜下进行观测，结果见图3～图6.可见，风积沙的颗粒组合结构形态随着粒组粒径的减小颗粒的磨圆度变差，0.25～0.5 mm、0.15～0.25 mm粒组的颗粒形态以次棱角状为主；0.075～0.15 mm、＜0.075 mm的粒组以棱角状为主，圆和滚圆颗粒少，与文献［15］中甘肃省河西走廊东部风积沙试样粒组颗粒形态观测结论相似. 究其原因，这与风积沙的形成方式有密切关系，研究表明［20-24］，沙粒在风力作用下的移动方式分为蠕移、跃移、悬移三种基本运动形式，当粒径为0.5～1 mm 时，沙粒运动形式以蠕移为主；当粒径为0.1～0.5 mm时，沙粒运动形式以跃移为主；当粒径小于0.1 mm时，沙粒运动形式以悬移为主. 显然，跃移动方式使得沙粒不断与地床面产生冲击碰撞与摩擦，同时造成和带动沙粒之间的碰撞摩擦，从而使得沙粒整体磨蚀程度较高，但细观表面上凹凸起伏、撞击痕迹明显，如图3、图4所示；而悬移动方式使得颗粒间的碰撞摩擦力较小，细颗粒表面的磨蚀没有粗沙粒明显，凸起的尖锐棱角较多，表面形态复杂，如图5、图6所示.

图3 风积沙0.25～0.5 mm粒组形貌图Fig.3 Morphology diagram of 0.25～0.5 mm aeolian sand grain group

图4 风积沙0.15～0.25 mm粒组形貌图Fig.4 Morphology diagram of 0.15～0.25 mm aeolian sand grain group

图5 风积沙0.075～0.15 mm粒组形貌图Fig.5 Morphology diagram of 0.075～0.15 mm aeolian sand grain group

图6 风积沙＜0.07 5mm粒组形貌图Fig.6 Morphology diagram of ＜0.75 mm aeolian sand grain group

由表3、图7可知，该地区风积沙的化学成分中，SiO2含量最高，占比62.8%，其次为Al2O3和Fe2O3，约占比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 风积沙主要化学成分Tab.3 Main chemical composition of aeolian sand

图7 风积沙矿物元素谱系图Fig.7 Pedigree diagram of aeolian sand mineral elements

2 风积沙的压实性

2.1 风积沙的击实特性

自然状态下的风积沙多为松散状态，工程性能差，承载力低. 压缩后，其强度提高，回弹模量增大. 对风积沙进行击实试验，可获得其最大干密度和最优含水量，用于指导现场施工和检验压实作业的质量. 本试验根据《土工试验方法标准》GB/T 50123—2019［25］，对沙样4 采用重型击实，分5层击实，每层击56次，落锤高457 mm，进行两组平行试验，试验结果见图8. 试验表明，两组平行试验结果基本接近，击实试验曲线形状呈先凹后凸形的驼峰型曲线，击实曲线出现2 个主要峰值. 当处于干燥状态（含水量为0）时，干密度出现第一个峰值，此时干密度为1.684 g/cm3；随着含水量的增加，沙样的干密度值呈先减小后增大再减小的趋势，在含水量为4%时降到最低，对应的干密度值为1.638 g/cm3；当含水量为12%时干密度达到第2个峰值，最大干密度为1.690 g/cm3；此后，随着含水量的增加，沙样的干密度值减小. 可见，沙样当处于干燥状态（含水量为0）和含水量为12%情况下均可被压实，与一般黏性土的击实曲线有显著差别.

图8 风积沙击实曲线Fig.8 Compaction curve of aeolian sand

研究分析认为［26-27］，击实过程中，干燥状态的沙粒黏结力为零，在冲击振动波的作用下颗粒产生相对移动、嵌挤作用并趋于密实. 随后，少量的水分在沙粒表面形成了一层很薄的水膜，产生强烈的表面张力（即假黏聚力），导致颗粒间的黏滞性增强，影响沙层的移动密实. 含水量的增加又迫使水膜增厚，沙粒间引力被减弱，自由水的润滑作用使沙粒较容易地移动，干密度有了大幅提高. 最后，过多的自由水导致沙粒在击实过程中出现液化现象，部分击实功被吸收，使沙的干密度降低.

2.2 风积沙的振动压实特性

本试验根据《榆靖沙漠高速公路路基施工技术规程》［28］，对沙样4 分别进行干振（含水量0）和饱水（含水量100%）振动试验. 试验台振幅为0.3～0.6 mm，振动频率48 Hz，试样沙的干密度与振动时间关系结果见图9.

由图9 可知，在一定振动条件下，风积沙的最大干密度值具有最佳振动时间，沙颗粒随着振动时间的延长出现先振实、然后振松、再振实的循环现象. 原因在于振动过程中，松散沙粒中较小颗粒在重力、碰撞力和振动力的作用下，移动到较大颗粒之间的孔隙中，重新排列组合趋于最佳排列状态，达到最大干密度. 如果再持续增加振动时间，则已趋于密实的沙粒之间的最佳排列状态由于进一步的振动作用反而遭到破坏，使得干密度下降，因此振动压实时间并非越长越好［29-30］. 本试验中，当振动时间为6 min时，饱水振测得最大干密度为1.705 g/cm3；干燥振动条件下，测得最大干密度为1.694 g/cm3. 结合重型击实试验结果可知，按不同的试验方法测得最大干密度是有差异的，该沙试样重型击实测得最大干密度最小，饱水振法测得最大干密度最大. 前述已表明，榆林地区风积沙地表在40 cm以下沙层常年保持2.0%～4.5%的稳定含水量，若在此含水量状态下直接进行压实效果相对较差，建议优先选择饱水条件下进行压实，效果最好.

图9 干密度与振动时间关系Fig.9 Relationship between dry density and vibration time

3 风积沙的压缩特性

土体压缩会导致建筑物地基的下沉，从而直接影响上部建筑物的使用条件和安全. 为了解榆林地区毛乌素沙漠风积沙的压缩特性，对干燥状态下沙样4进行不同初始干密度的压缩试验，各级压力下压缩指标关系曲线见图10、图11，图11中的压力p用对数lgp表示.

由图10、图11可知，随着作用压力p的增加，土样的压缩系数α值减小、压缩模量Es值增加，压缩系数曲线由陡变缓、压缩模量曲线由缓变陡，说明土样在初期压力下孔隙比减小较快，压缩性较大，达到一定密实度后，压缩性变小. 同时可以看出，在同一级压力范围内，风积沙的干密度越大，压缩系数越小，压缩模量越大，且当作用压力大于100 kPa后，这3种干密度的压缩系数均小于0.1 MPa-1，压缩模量大于等于20 MPa，说明风积沙在较小压力下易于压实，属于低压缩性土.

图10 压缩系数α与压力p关系曲线Fig.10 Curve of compression coefficient α and pressure p

图11 压缩模量Es与压力lg p关系曲线Fig.11 Curve of compression modulus Es and pressure lg p

4 风积沙的内摩擦角

对沙样4 按照文献［25］中无黏性土的快剪试验进行直剪试验. 本试验制备了5 种含水量状态下（0%、2%、4%、8%、12%）及相应6种不同干密度试样，每组试样做3 次相同条件下直剪试验，结果取其平均值，对数据进行统计和对比. 通过不同含水量、不同干密度风积沙的直接剪切试验，揭示风积沙内摩擦角与干密度、含水量的关系，试验结果见图12、图13.

图12 内摩擦角与干密度关系曲线Fig.12 Curves of relationship between internal friction angle and dry density

图12、图13试验结果表明，风积沙的强度指标内摩擦角与干密度大小和含水量有直接关系，在同一含水量下，内摩擦角随着干密度的增加而增加；在同一干密度下，内摩擦角随着含水量的增加有所降低，但含水量的变化对风积沙的内摩擦角的影响较小. 本试验中，测得风积沙在干燥状态下的内摩擦角为28.6°～36.5°；含水量为4%时，内摩擦角为27.8°～33.5°；含水量为12%时，内摩擦角为27.1°～34.8°.

图13 内摩擦角与含水量关系曲线Fig.13 Curves of relationship between internal friction angle and water content

5 结论

通过对陕西榆林地区境内毛乌素沙漠南缘地表风积沙进行颗粒级配、微结构及化学成分、压实特性、压缩特性等物理化学、力学指标的综合试验研究分析，得出以下主要结论：

1）榆林地区地表风积沙土颗粒较均匀，粒径主要分布在0.25～0.075 mm之间，粉粒、黏粒含量较少，不均匀系数Cu=2.0～3.0＜5，曲率系数Cc=1.0，多属于级配不良的细砂. 风积沙的颗粒组合结构形态随着粒组粒径的减小颗粒的磨圆度变差，0.15～0.5 mm粒组的颗粒形态以次棱角状为主，小于0.15 mm的粒组以棱角状为主，圆和滚圆颗粒少.

2）该地区风积沙的化学成分中，SiO2含量最高，占比62.8%，其次为Al2O3和Fe2O3，约占13.0%～10.0%，而MgO、CaO、K2O和Na2O的含量均在3.0%～1.0%之间，其他成分很少.

3）风积沙的击实试验曲线形状呈先凹后凸形的驼峰型曲线，当处于干燥状态和含水量为12%情况下均可被压实. 在一定振动条件下，风积沙的最大干密度值具有最佳振动时间，沙颗粒随着振动时间的延长出现先振实、然后振松、再振实的循环现象.

4）风积沙压缩系数小于0.1 MPa-1，压缩模量≥20 MPa，属于低压缩性土.

5）风积沙的内摩擦角值与干密度大小和含水量有直接关系，在同一含水量下，风积沙的内摩擦角值随着干密度的增加而增加；在同一干密度下，内摩擦角随值着含水量的增加有所降低，但影响较小.