李英海, 劉芙榮

(中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司,天津　300222)

0　引言

在中國分布有眾多沙漠和沙地,其組成物質(zhì)為風(fēng)積沙。以往沙漠地區(qū)一直為工程建設(shè)禁區(qū),資料和經(jīng)驗不多,對風(fēng)積沙工程性質(zhì)和工程應(yīng)用的試驗研究成果也非常稀少。近年來,在沙漠地區(qū)完成了諸多工程建設(shè)項目,包括沙漠公路、輸水渠道、水工建筑物等,針對風(fēng)積沙工程性質(zhì)、工程應(yīng)用等方面內(nèi)容進(jìn)行了大量的試驗和研究,也取得了許多珍貴資料和寶貴經(jīng)驗。盡管如此,風(fēng)積沙作為地基填筑材料,其工程性質(zhì)和工程應(yīng)用的研究總體來講尚處于初期階段,還沒有形成規(guī)范性的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定。隨著中國在沙漠地區(qū)工程建設(shè)的進(jìn)一步推進(jìn),研究和探索風(fēng)積沙的技術(shù)問題,對提高工程質(zhì)量、節(jié)約投資具有十分重要的現(xiàn)實意義。

本文以黃河某水利樞紐工程所處烏蘭布和沙漠風(fēng)積沙試驗成果為主,結(jié)合其它工程實踐案例,對中國沙漠地區(qū)的風(fēng)積沙的化學(xué)性質(zhì)、物理性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)、滲透性、擊實和壓實特征、施工工藝、質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)等幾方面內(nèi)容進(jìn)行了簡要匯集,以此為將來對風(fēng)積沙地區(qū)的工程建設(shè)的試驗研究、施工和檢測起到一定的參考作用。

1　物理化學(xué)性質(zhì)

1.1　化學(xué)成分

烏蘭布和沙漠中黃河某水利工程區(qū)風(fēng)積沙化學(xué)分析試驗成果見表1[1];塔克拉瑪干沙漠某沙漠公路工程區(qū)風(fēng)積沙化學(xué)成分見表2[2];騰格里沙漠某調(diào)水工程區(qū)風(fēng)積沙化學(xué)成分見表3[3];其它一些沙漠地區(qū)工程的風(fēng)積沙化學(xué)成分分析結(jié)果也基本相近。由此可見,風(fēng)積沙化學(xué)成分總體上以SiO2為主,其次為Al2O3,其它礦物成分有Fe2O3、CaO、MgO、TiO2;風(fēng)積沙基本屬非鹽漬土,有機(jī)質(zhì)含量很低。

表1　烏蘭布和沙漠中黃河某水利樞紐工程區(qū)的風(fēng)積沙化學(xué)成分組成

表2　塔克拉瑪干沙漠某沙漠公路肖塘—塔中段風(fēng)積沙化學(xué)成分組成

表3　騰格里沙漠某調(diào)水工程區(qū)風(fēng)積沙的化學(xué)成分組成

1.2　顆粒組成和分類

黃河某水利工程所在的烏蘭布和沙漠風(fēng)積沙顆分成果見表4;輪臺—民豐沙漠公路所在的塔克拉瑪干沙漠風(fēng)積沙顆分試驗結(jié)果見表5;毛烏素沙地風(fēng)積沙顆粒組成見表6[4]。其它一些沙漠地區(qū)工程的風(fēng)積沙顆粒組成也基本如此。由此可以看出:風(fēng)積沙主要由細(xì)砂粒組(粒徑大致在0.25～0.075 mm之間)組成,其質(zhì)量百分比在90%左右,顆粒均勻,粒徑分布比較集中,顆粒級配曲線比較陡。按照《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50145—2007),不能同時滿足不均勻系數(shù)Cu≥5和曲率系數(shù)Cc=1～3的條件,屬于級配不良砂SP。但需要說明,在沙丘間低洼地帶、沙丘表層等局部區(qū)域的風(fēng)積沙,其顆粒組成偏細(xì),少部分屬含細(xì)粒土砂(SF)。

表4　烏蘭布和沙漠黃河某水利工程區(qū)風(fēng)積沙顆分試驗成果

表5　塔克拉瑪干沙漠輪臺—民豐沙漠公路區(qū)風(fēng)積沙的顆粒組成

表6　毛烏素沙地風(fēng)積沙顆分結(jié)果

1.3　天然狀態(tài)下基本物理力學(xué)性質(zhì)

通過對中國沙漠地區(qū)風(fēng)積沙的一些工程試驗和研究成果的匯總,可以看出風(fēng)積沙天然狀態(tài)下基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)有如下特征:

(1)天然含水率值離散性小,普遍<5%;且隨深度增加,天然含水率有逐漸增高趨勢,即下部的含水率要高于上部。

(2)天然濕密度和干密度值離散性很大,沙丘不同部位的天然密度值相差很大,且具有隨深度增加,天然濕密度和干密度值逐漸增大的特點。

(3)土粒比重在2.64～2.70之間,離散性比較小,反映出風(fēng)積沙顆粒的礦物組成較為穩(wěn)定。

(4)天然狀態(tài)下相對密度值變化,密實度從松散到密實狀,反映出密實程度變化比較大,并且具有隨深度增加,相對密度值有逐漸增大的特征。與一般理解的沙漠風(fēng)積沙都是比較疏松土體不同,埋深比較大的風(fēng)積沙土體密實程度是比較高的。

(5)風(fēng)積沙天然休止角離散性不大;一般來講,風(fēng)積沙水上天然休止角在32°～35°之間,水下天然休止角在26°～30°之間。

(6)烏蘭布和沙漠地區(qū)的黃河某水利工程區(qū)風(fēng)積沙的壓縮模量Es在7.6～44.2 MPa之間,離散性比較高;在常規(guī)試驗(天然靜荷載)條件下,屬低壓縮性土。

1.4　風(fēng)積沙“濕陷性”

騰格里沙漠的某調(diào)水工程中風(fēng)積沙研究結(jié)果表明,細(xì)砂不具濕陷性,而極細(xì)砂濕陷系數(shù)在0.018 2～0.055 3之間,具輕微—中等濕陷性[5]。

目前國內(nèi)對濕陷性的研究主要針對黃土和黃土狀土,而對風(fēng)積沙的“濕陷性”研究,無論是濕陷性概念的使用、還是濕陷程度等內(nèi)容,都幾乎屬于空白,尚存在不同意見。從濕陷原理分析,風(fēng)積沙這種“濕陷性”是在氣候干燥條件下,表層形成的沉積物缺乏壓密環(huán)境或條件,土層一直處于欠壓密狀態(tài)。與黃土和黃土狀土層不同,風(fēng)積沙“濕陷性”與土體的物質(zhì)化學(xué)成分的改變無關(guān)。

2　地球物理特性

根據(jù)烏蘭布和沙漠地區(qū)的黃河某水利工程的物探測試結(jié)果,風(fēng)積沙瑞雷波速度值一般在140～210 m/s,多為180 m/s左右;地震折射波法縱波速度一般在340～400 m/s之間。高密度電法所測風(fēng)積沙電阻率值變化比較大,電阻率值ρ在1 000～5 000 Ω·m之間;實測剪切波波速值在104～387 m/s之間。

3　水文地質(zhì)性質(zhì)

烏蘭布和沙漠地區(qū)的黃河某水利工程區(qū)坑槽內(nèi)進(jìn)行的原位試坑注水試驗成果見表7、表8。騰格里沙漠地區(qū)某輸水工程風(fēng)積沙滲透系數(shù)為1×10-2～2×10-2cm/s。結(jié)合其它沙漠地區(qū)一些工程的風(fēng)積沙試驗結(jié)果可以看出,天然狀態(tài)下風(fēng)積沙滲透系數(shù)在i×10-3～i×10-2cm/s之間,屬中等—強(qiáng)透水層。

表7　烏蘭布和沙漠黃河某水利工程風(fēng)積沙原位注水試驗成果表(開挖深度1～2 m)

表8　烏蘭布和沙漠黃河某水利工程風(fēng)積沙原位注水試驗成果表(開挖深度10 m)

4　擊實和壓實性能

黃河某水利工程所處烏蘭布和沙漠風(fēng)積沙振動壓實試驗(不同含水率、相同振動時間)的含水率—干密度關(guān)系曲線見圖1。新疆交通科研所風(fēng)積沙試驗的含水率—干密度關(guān)系曲線見圖2。結(jié)合其它沙漠地區(qū)一些工程的風(fēng)積沙擊實試驗結(jié)果可以看出:

(1)與粘性土和一般砂類土不同,風(fēng)積沙擊實曲線有“雙峰值”,表明在干燥狀態(tài)和最優(yōu)含水率狀態(tài)均可得到一個較大干密度。一般情況下,含水率在3%～4%時,擊實干密度最小。

(2)采用標(biāo)準(zhǔn)擊實法、振動壓實法和振動錘擊法試驗得出的干密度值相差較大,壓實效果從好到差依次為:振動捶擊法、振動壓實法、重型擊實法。即振動能夠達(dá)到比較好的壓實效果。

(3)風(fēng)積沙在低含水率擊實時也能得到較大干密度值的擊實特性決定了風(fēng)積沙采用干壓實工藝是可行的。

圖1　振動壓實方法干密度與含水率關(guān)系曲線

圖2　新疆交通科研所風(fēng)積沙擊實試驗曲線

5　施工工藝及質(zhì)量控制

5.1　施工工藝

目前針對風(fēng)積沙的壓實工藝,按照壓實時含水率多少分為干壓法、濕壓法(又稱水墜法、水撼沙法);按照壓實機(jī)械大體分為振動壓實法、靜碾壓實法;另外還有添加粗料后碾壓的夾層法,以及常規(guī)壓實法。

5.1.1干壓法、濕壓法

干壓法是指風(fēng)積沙在不加水的天然含水率狀態(tài)下或者少灑水的情況下,通過碾壓沖擊等外力手段,達(dá)到風(fēng)積沙壓實效果的過程。在施工中,主要是指干振動壓實法,因為干靜壓壓實法對風(fēng)積沙的壓實效果很差,工程中很少采用。此種壓實工藝適用于振動壓路機(jī)在天然含水率狀態(tài)下分層碾壓。當(dāng)水資源缺乏及填料天然含水率接近零時,采用干法壓實可以獲得要求的壓實度。

濕壓法又稱水墜法、水撼沙法,指在較干的風(fēng)積沙里加水到最優(yōu)含水率或者是在飽水狀態(tài)下進(jìn)行壓實的過程。濕壓法施工一般應(yīng)保證被壓實土料的含水率比最優(yōu)含水率高1%～2%。濕壓法適用于水源較充足的填方路段,以及橋涵的臺背處、擋墻后壓實等。較常用的壓實方法為水墜+振動機(jī)械進(jìn)行碾壓。

5.1.2振動壓實法和靜碾壓實法

靜碾壓實法是通過壓路機(jī)的重量對土體進(jìn)行壓實,其產(chǎn)生的作用力主要是重力;而振動壓實法則是壓路機(jī)在一定振動頻率和振幅下對地基土施加重力的同時,還施加了振動力。風(fēng)積沙對振動比較敏感,其工程特性決定了在靜荷載下不易壓實,在動荷載下易壓實。工程實踐證明,風(fēng)積沙采用光面振動碾壓方式是最為可行的施工方法;而靜碾壓實方法在工程施工中則很少使用。

5.1.3夾層法

夾層法為砂礫石(或碎石土)換填施工工藝,大致可分為兩種形式:①換填不翻置:這種夾層法施工工藝的特點是風(fēng)積沙層和碎石土層不混雜,分別進(jìn)行碾壓,并且攤鋪時應(yīng)注意防止風(fēng)積沙和碎石土混夾填筑。②換填加翻置:這種夾層法施工工藝與換填不翻置施工流程相似,只是需要進(jìn)行碎石土層(或砂礫石層)與風(fēng)積沙層充分翻置均勻,之后用振動壓路機(jī)進(jìn)行振動碾壓。

5.1.4常規(guī)壓實法

在沙漠的局部區(qū)域,比如沙丘間低地等區(qū)段,其風(fēng)積沙顆粒組成較細(xì),粘粉粒含量比較高,其工程性質(zhì)與細(xì)粒土類相近或相同。因此,碾壓施工工藝采用常規(guī)的、應(yīng)用于細(xì)粒土的碾壓方法即可達(dá)到壓實效果。

5.2　相對密度和壓實度指標(biāo)對比

中國主要相關(guān)規(guī)范對無粘性土料的碾壓控制標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)要求不同,水利行業(yè)多采用相對密度控制,公路行業(yè)多采用壓實度控制;兩種控制方式均可以滿足實際需要。針對風(fēng)積沙,其控制標(biāo)準(zhǔn)采用相對密度還是壓實度是一個重要的技術(shù)問題。

在《土工試驗規(guī)程》(SL237—1999)條文說明中:美國水道試驗站(WSE)建議,細(xì)粒土(<0.075 mm)含量超過5%時,應(yīng)分別進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)擊實試驗和相對密度試驗,當(dāng)擊實試驗所得的最大干密度的85%比相對密度85%時的相應(yīng)干密度大時,則用擊實試驗。美國墾務(wù)局規(guī)定,如細(xì)粒土(<0.075 mm)超過12%時分別作相對密度和標(biāo)準(zhǔn)擊實試驗,當(dāng)70%的相對密度時的相應(yīng)干密度小于擊實最大干密度的95%,則應(yīng)用擊實試驗,否則采用相對密度控制。由此可以看出,在《土工試驗規(guī)程》(SL 237—1999)條文說明中有關(guān)美國材料試驗學(xué)會、美國水道試驗站和美國墾務(wù)局的規(guī)定方法也存在差異。

根據(jù)土工試驗規(guī)程的要求,應(yīng)對風(fēng)積沙土料進(jìn)行顆分試驗;當(dāng)細(xì)粒土含量達(dá)到一定量時,再進(jìn)行相對密度試驗和擊實試驗,兩種結(jié)果進(jìn)行對比后確定。

從沙漠某大型輸水工程的施工碾壓試驗情況分析,與按壓實度控制指標(biāo)相比較,采用相對密度作為控制指標(biāo)偏于安全,同時既能滿足工程施工要求,又可以滿足設(shè)計要求,因此沙漠某大型輸水工程確定采用相對密度進(jìn)行質(zhì)量控制[6]。

6　結(jié)語

(1)風(fēng)積沙化學(xué)成分以SiO2為主,其次為Al2O3,其它礦物成分含量則很低;風(fēng)積沙中易溶鹽較低,屬于非鹽漬土。

(2)風(fēng)積沙顆粒組成主要以細(xì)砂粒為主,顆粒均勻,粒徑分布比較集中,級配曲線較陡,應(yīng)屬砂類土中級配不良砂SP。在局部區(qū)域的風(fēng)積沙,其顆粒組成偏細(xì),少部分屬含細(xì)粒土砂(SF)。

(3)在風(fēng)積沙堆積厚度較大的沙丘和沙梁區(qū)域,表層呈松散—稍密狀態(tài),下部一般能達(dá)到中密—密實狀,埋深比較大的風(fēng)積沙土體密實程度是比較高的。

(4)風(fēng)積沙的天然濕密度和干密度值離散性很大;天然含水率值離散性小,普遍<5%;土粒比重在2.64～2.70之間,離散性比較小;天然狀態(tài)下屬中等—強(qiáng)透水層。

(5)風(fēng)積沙天然休止角離散性不大,水上天然休止角在32°～35°之間,水下天然休止角在26°～30°之間;在常規(guī)試驗(天然靜荷載)條件下,屬低壓縮性土。

(6)風(fēng)積沙擊實曲線與粘性土和一般砂類土不同,具有“雙峰值”,即在最小含水率和最優(yōu)含水率條件下均可得到一個相對較大的干密度(最大干密度)。

(7)目前針對風(fēng)積沙壓實工藝,按照含水率多少分為干壓法、濕壓法;按照壓實機(jī)械大體分為振動壓實法、靜碾壓實法;另外還有添加粗料后碾壓的夾層法;以及常規(guī)壓實法。

(8)風(fēng)積沙碾壓控制標(biāo)準(zhǔn)采用相對密度還是壓實度是一個重要的技術(shù)問題,需要進(jìn)行對比后確定。

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