塔克拉玛干沙漠腹地风积沙力学特性试验研究①

□□ 刘学军,白若宁,许志涵

(1.新疆大学 建筑工程学院,新疆 乌鲁木齐 830046;2.新疆建筑科学研究院(有限责任公司),新疆 乌鲁木齐 830002)

引言

新疆塔克拉玛干沙漠内部建筑材料远距离运输十分困难且成本高昂。在沙漠腹地石油钻井施工现场选取了不同区域的风积沙进行物理力学试验,探究其作为地基土的物理力学特性。金昌宁等[1-2]利用多组快速剪切试验探究塔克拉玛干沙漠风积沙的剪切变形特性得知,压实度在很大程度上会影响试样的剪切变形曲线,剪切试样呈不饱和状态时,抗剪强度最大时的剪应变在0.8%～1.6%范围内出现最大值;若试样呈饱和状态,则剪应变范围会相应的增大,增大曲线上不呈现峰值的可能性。杨玉春等[3]将乌兰布和沙漠的风积沙作为研究对象,通过室内试验、现场试验和碾压试验相结合的方法,研究该风积沙的物理化学特性、力学特性、静、动三轴特性、渗透特性、击实特性和压实特性得知,风积沙主要为细粒沙,颗粒粒径分布集中,级配不良;风积沙击实曲线为双峰值型,无论在最佳含水量还是干燥条件下,都能获得最大干密度;以最适用的碾压组合方式进行碾压后,得出风积沙可作为坝壳填筑料。郑木莲等[4-5]对塔克拉玛干、古尔班通古特、腾格里沙漠的风积沙包括成分构成、微观形态、表面性质、粒度分布、孔隙性及抗剪强度等方面进行研究得知,三个沙漠风积沙的材料性质有着一定程度的不同;通过大量剪切试验得出,风积沙样内摩擦角φ受含水率影响发生变化的程度较小,当内摩擦角处于32°～42°这个范围时,受干密度的影响较大。

1 风积沙物理特性

为研究塔克拉玛干沙漠腹地风积沙的物理特性,选取沙漠腹地某钻井井场的风积沙,制备试样进行含水率测定、组成成分分析和颗粒粒径分析试验。

1.1 风积沙的天然含水率

风积沙的天然含水率在每年1月时可达到最高,7月和8月时含水量最低。以烘干法测定风积沙试样的天然含水率,根据GB/T 50123—2019《土工试验方法标准》要求,试验进行两次平行测定,分别称取两组100 g试样,置于烘箱内在105～110 ℃烘干6 h至恒重,称取干沙质量计算含水率,试验结果见表1。

表1 风积沙天然含水量试验结果

根据表1可知,沙漠腹地不同深度的风积沙含水率不同,自然状态下表层的含水率只有0.55%,含水率极小;当深度达到1 m时,含水率测定值为1.59%,可见风积沙的含水量随着采样深度的不同而变动。

1.2 风积沙的矿物成分

对所取风积沙样的矿物组成进行测试,结果如图1所示。可以看出,该风积沙主要矿物成分为石英、岩屑和长石等,其中石英含量高达39%,除此之外,还含有磁铁矿和绿泥石等矿物成分。

图1 矿物成分

1.3 风积沙的粒径分析

塔克拉玛干沙漠的风积沙大部分为古河流冲积物,均以深厚、疏松的沙质沉积物为主。粒径分布是用来评价风积沙级配的指标,为进一步研究该沙样的粒径分布,进行风积沙的颗粒分析试验。根据JTG 3430—2020《公路土工试验规程》,在干燥、疏松的砂样中,用四分法取样,称量200 g,将筛网从上至下按孔径大小的顺序套好,加上底盘。风积沙颗粒较细,故选用细筛,孔径分别为2 mm、1 mm、0.5 mm、0.25 mm、0.15 mm和0.075 mm,将试样倒至筛网内,摇筛5 min后,分别称量各筛网上剩余颗粒质量,结果见表2。

表2 风积沙颗粒分析结果

从表2看出,该试样的颗粒粒径全部<1 mm,粒径范围主要在0.075～0.25 mm之间,占比高达90%以上,粒径>0.5 mm的颗粒含量极少,<0.075 mm的颗粒占比在7%～10%之间,风积沙属于粗粒土中的砂类土,砂土中的细砂。一般用不均匀系数Cu和曲率系数Cc来评价风积沙的级配,当Cu≥5且1≤Cc≤3时,为级配良好。三组风积沙试样的不均匀系数Cu皆<5,则该风积沙粒径分布均匀,级配不良。

2 风积沙的力学特性

2.1 风积沙击实特性

自然状态下,风积沙处于松散状态,密实度较低。风积沙地基不易压实并且施工工艺也较为复杂,压实度对地基的强度和稳定性至关重要。一般通过击实使得风积沙颗粒在干燥状态和外力冲击的作用下重新排列,减小颗粒之间的孔隙,提高密实度,达到工程所需的强度和稳定性。

根据GB/T 50123对风积沙进行标准重型击实试验。采用干法制备试样,将天然风积沙烘干后过5 mm筛,拌合均匀,制备12种不同含水率的试样,分别为0、2%、4%、,6%、8%、10%、12%、14%、16%、18%、20%和22%,搅拌均匀,装入黑色塑料袋中焖料24 h备用。

试样制备好后,每个试样分三层击实,每层98击。击实试验结束后,测定试样含水率并计算干密度,最后根据击实曲线确定最优含水率和最大干密度。击实试验数据结果见表3,根据击实试验数据绘制的击实曲线如图2所示。

表3 风积沙标准重型击实试验结果(大击实筒三层填料)

一般情况下,风积沙结构松散,是由固体沙颗粒、水和气体所组成的三相体系。风积沙的压实是力通过振动波的形式传递,使得风积沙颗粒产生移动、挤压、密实、排出水分和空气,缩小孔隙,提高干密度。从图2可看出,当风积沙的含水率为0.19%时,干密度较大,可达到1.65 g·cm-3;随着含水率逐渐增加,干密度逐渐缩小,在含水率为6.43%时,干密度达到曲线上的最小值1.53 g·cm-3;在继续增加含水率从6.43%到19.63%,干密度随含水率的增加而增加,直至达到曲线上的另一个峰值,此时干密度达1.65 g·cm-3,为最大干密度,对应的含水率19.63%为最佳含水率;含水率在19.63%～21.78%之间时,干密度又随含水率的增加而减少。风积沙干密度随含水率的变化出现两个峰值,击实曲线表现为“倒S”型,由此可说明风积沙在干燥时和达到最佳含水率19.63%时,都可被压实。

风积沙在含水率趋近于0,干燥的状态下,粘聚力几乎为0。在击实过程中,颗粒会产生自震减小内摩擦力,重新排列,彼此挤紧,逐渐压实,因而风积沙在干燥时,出现干密度的峰值;当风积沙中含有一定的水分时,风积沙的干密度逐渐减小是因为风积沙颗粒表面形成了一层结合水膜,产生了表面张力,阻碍沙粒间的移动,影响密实;当含水率继续增大时,沙粒间的水膜厚度逐渐增大,润滑作用逐渐增大,风积沙的内摩擦力减小,颗粒间的相对移动更加容易;当含水率继续增大至最佳含水率时,风积沙中存在着一定量的自由水,在击实的作用下,自由水沿着孔隙移动,带动风积沙颗粒产生位移,空气逐渐被排出,干密度不断增长至最大值;继续增加水量超过最佳含水率时,自由水过多,其体积不可压缩还无法迅速排出,击实过程中会出现表层液化和飞溅的现象,部分击实功被转化为孔隙水压力,使得风积沙的干密度有所减小。

通过以上的分析可知,含水率对风积沙的压实效果影响较大。在工程施工中,如现场水量充足,可以选择湿压实的方法,以最佳含水率和最大干密度作为控制指标,如果现场水资源紧缺,则可选择干压法节省用水量[6-7]。

2.2 风积沙剪切特性

风积沙地基的整体稳定性好,沉降量小,在沙漠腹地修建地基时,充分利用沙漠中丰富的风积沙资源,最大可能地减少外运材料的运输量,可达到缩减成本和节能减排的目的,风积沙作为地基土其强度特性和地基承载力有着直接关系,为探究风积沙的强度参数,进行不同含水率和不同干密度下风积沙的直接剪切试验。制备7种含水率下的试样以及干砂状态下3种不同干密度的风积沙试样,在室内用等应变直剪仪对其进行剪切,所取的试验压力为四级垂直压力,即50 kPa、100 kPa、150 kPa和200 kPa。相同条件下每组试样做三次直剪试验,取平均值进行对比分析,通过控制含水率和干密度对风积沙试样进行直接剪切试验,得出风积沙不同含水率和不同干密度状态下风积沙的强度特性,以及含水率和干密度对风积沙强度指标粘聚力和内摩擦角的影响。

2.2.1不同含水率下风积沙的抗剪强度

不同含水率状态下试样的直接剪切试验结果见表4。同一垂直压力下风积沙抗剪强度与含水率的关系曲线、抗剪强度指标内摩擦角和粘聚力与含水率关系曲线如图3～图5所示。

图3 抗剪强度与含水率关系曲线

表4 不同含水率状态下风积沙直剪试验结果

由表4和图3可知,在同一垂直压力情况下,风积沙含水率为0～8%时,随着含水率的增大,抗剪强度逐渐增大;当含水率>8%时,抗剪强度随着含水率的增加而逐渐减小;但在同一垂直压力下,抗剪强度随着含水率的增减变化幅度≯10 kPa,因而含水率对风积沙抗剪强度影响较小。由图4和图5可知,风积沙的粘聚力与含水率的关系同抗剪强度与含水率的关系相似,当含水率为0～8%时,粘聚力随着含水率的增加由0增长至12.53 kPa;当含水率>8%时,又出现下降趋势;当含水率为12%时,降至9.15 kPa。内摩擦角与粘聚力的变化趋势相反,含水率越大,其内摩擦角越小;当含水率增加时,风积沙固体颗粒之间的粘结力因为结合水的张力作用而增大,随着含水量越来越大,润滑作用越来越强,内摩擦角逐渐减小。

图4 粘聚力与含水率关系曲线

2.2.2不同干密度下风积沙的抗剪强度

控制风积沙含水率为2%,制备四种干密度为1.56 g·cm-3、1.58 g·cm-3、1.60 g·cm-3和1.62 g·cm-3的试样进行直剪试验。根据标准重型击实试验所得出的风积沙样最大干密度为1.65 g·cm-3,四种干密度对应的压实度分别为95%、96%、97%、98%。干密度对风积沙抗剪强度的影响见表5,绘制同一垂直压力下抗剪强度与干密度的关系曲线、抗剪强度内摩擦角及粘聚力与干密度的关系曲线如图6～图8所示。

表5 不同干密度的风积沙直剪试验结果(含水率为2%)

由图6可知,在风积沙含水量为2%时,随着垂直压力的增大,不同干密度的风积沙抗剪强度不断增大;在同一垂直压力下,不同干密度的风积沙随着垂直压力的增大而增大,但增幅较小,在20 kPa之内。由图7和图8可知,风积沙的粘聚力和内摩擦角均随干密度的增加而增加。在含水量一定时,干密度越大,压实度越高,越密实。风积沙的固体颗粒之间的摩擦强度和咬合力度都较大,在此情况下,风积沙的抗剪强度不断增加,强度指标粘聚力与内摩擦角也在增加。

图7 粘聚力与干密度关系曲线

图8 内摩擦角与干密度关系曲线

3 结论

通过对风积沙进行大量室内试验,根据试验数据和结果分析,得出以下结论:

3.1 塔克拉玛干沙漠腹地风积沙表层的含水率为0.55%;据地表深度为1 m时,含水率为1.59%。风积沙的主要矿物成分包括石英、岩屑和长石等,其颗粒粒径的主要分布范围在0.075～0.250 mm之间,占比可达90%,粒径>0.25 mm的颗粒极少。不均匀系数Cu在1.36～1.38之间,曲率系数Cc在0.96～0.97之间,该风积沙粒径分布均匀,级配不良。

3.2 风积沙的击实曲线有两个峰值,呈现为倒“S”曲线,即风积沙在干燥和最佳含水率19.63%时,都能达到最大干密度1.65 g·cm-3。若现场水资源匮乏,推荐用干压法压实。

3.3 不同含水率和干密度的风积沙直剪试验表明,其抗剪强度与垂直压力呈线性关系。含水率<8%时,其抗剪强度随含水率的增加而增加,>8%开始逐渐减小。风积沙粘聚力随含水率变化的趋势与抗剪强度相似,内摩擦角随含水率的增加而减小。控制含水率为2%时,风积沙粘聚力和内摩擦角都随干密度的增加而增大。天然状态风积沙的内摩擦角为32°。