利用风积沙做地基填筑料的试验研究和实践

李英海, 刘芙荣

(中水北方勘测设计研究有限责任公司,天津　300222)

0　引言

在中国分布有众多沙漠和沙地,其组成物质为风积沙。以往沙漠地区一直为工程建设禁区,资料和经验不多,对风积沙工程性质和工程应用的试验研究成果也非常稀少。近年来,在沙漠地区完成了诸多工程建设项目,包括沙漠公路、输水渠道、水工建筑物等,针对风积沙工程性质、工程应用等方面内容进行了大量的试验和研究,也取得了许多珍贵资料和宝贵经验。尽管如此,风积沙作为地基填筑材料,其工程性质和工程应用的研究总体来讲尚处于初期阶段,还没有形成规范性的标准和规定。随着中国在沙漠地区工程建设的进一步推进,研究和探索风积沙的技术问题,对提高工程质量、节约投资具有十分重要的现实意义。

本文以黄河某水利枢纽工程所处乌兰布和沙漠风积沙试验成果为主,结合其它工程实践案例,对中国沙漠地区的风积沙的化学性质、物理性质、力学性质、渗透性、击实和压实特征、施工工艺、质量控制标准等几方面内容进行了简要汇集,以此为将来对风积沙地区的工程建设的试验研究、施工和检测起到一定的参考作用。

1　物理化学性质

1.1　化学成分

乌兰布和沙漠中黄河某水利工程区风积沙化学分析试验成果见表1[1];塔克拉玛干沙漠某沙漠公路工程区风积沙化学成分见表2[2];腾格里沙漠某调水工程区风积沙化学成分见表3[3];其它一些沙漠地区工程的风积沙化学成分分析结果也基本相近。由此可见,风积沙化学成分总体上以SiO2为主,其次为Al2O3,其它矿物成分有Fe2O3、CaO、MgO、TiO2;风积沙基本属非盐渍土,有机质含量很低。

表1　乌兰布和沙漠中黄河某水利枢纽工程区的风积沙化学成分组成

表2　塔克拉玛干沙漠某沙漠公路肖塘—塔中段风积沙化学成分组成

表3　腾格里沙漠某调水工程区风积沙的化学成分组成

1.2　颗粒组成和分类

黄河某水利工程所在的乌兰布和沙漠风积沙颗分成果见表4;轮台—民丰沙漠公路所在的塔克拉玛干沙漠风积沙颗分试验结果见表5;毛乌素沙地风积沙颗粒组成见表6[4]。其它一些沙漠地区工程的风积沙颗粒组成也基本如此。由此可以看出:风积沙主要由细砂粒组(粒径大致在0.25～0.075 mm之间)组成,其质量百分比在90%左右,颗粒均匀,粒径分布比较集中,颗粒级配曲线比较陡。按照《土的工程分类标准》(GB/T 50145—2007),不能同时满足不均匀系数Cu≥5和曲率系数Cc=1～3的条件,属于级配不良砂SP。但需要说明,在沙丘间低洼地带、沙丘表层等局部区域的风积沙,其颗粒组成偏细,少部分属含细粒土砂(SF)。

表4　乌兰布和沙漠黄河某水利工程区风积沙颗分试验成果

表5　塔克拉玛干沙漠轮台—民丰沙漠公路区风积沙的颗粒组成

表6　毛乌素沙地风积沙颗分结果

1.3　天然状态下基本物理力学性质

通过对中国沙漠地区风积沙的一些工程试验和研究成果的汇总,可以看出风积沙天然状态下基本物理力学性质指标有如下特征:

(1)天然含水率值离散性小,普遍<5%;且随深度增加,天然含水率有逐渐增高趋势,即下部的含水率要高于上部。

(2)天然湿密度和干密度值离散性很大,沙丘不同部位的天然密度值相差很大,且具有随深度增加,天然湿密度和干密度值逐渐增大的特点。

(3)土粒比重在2.64～2.70之间,离散性比较小,反映出风积沙颗粒的矿物组成较为稳定。

(4)天然状态下相对密度值变化,密实度从松散到密实状,反映出密实程度变化比较大,并且具有随深度增加,相对密度值有逐渐增大的特征。与一般理解的沙漠风积沙都是比较疏松土体不同,埋深比较大的风积沙土体密实程度是比较高的。

(5)风积沙天然休止角离散性不大;一般来讲,风积沙水上天然休止角在32°～35°之间,水下天然休止角在26°～30°之间。

(6)乌兰布和沙漠地区的黄河某水利工程区风积沙的压缩模量Es在7.6～44.2 MPa之间,离散性比较高;在常规试验(天然静荷载)条件下,属低压缩性土。

1.4　风积沙“湿陷性”

腾格里沙漠的某调水工程中风积沙研究结果表明,细砂不具湿陷性,而极细砂湿陷系数在0.018 2～0.055 3之间,具轻微—中等湿陷性[5]。

目前国内对湿陷性的研究主要针对黄土和黄土状土,而对风积沙的“湿陷性”研究,无论是湿陷性概念的使用、还是湿陷程度等内容,都几乎属于空白,尚存在不同意见。从湿陷原理分析,风积沙这种“湿陷性”是在气候干燥条件下,表层形成的沉积物缺乏压密环境或条件,土层一直处于欠压密状态。与黄土和黄土状土层不同,风积沙“湿陷性”与土体的物质化学成分的改变无关。

2　地球物理特性

根据乌兰布和沙漠地区的黄河某水利工程的物探测试结果,风积沙瑞雷波速度值一般在140～210 m/s,多为180 m/s左右;地震折射波法纵波速度一般在340～400 m/s之间。高密度电法所测风积沙电阻率值变化比较大,电阻率值ρ在1 000～5 000 Ω·m之间;实测剪切波波速值在104～387 m/s之间。

3　水文地质性质

乌兰布和沙漠地区的黄河某水利工程区坑槽内进行的原位试坑注水试验成果见表7、表8。腾格里沙漠地区某输水工程风积沙渗透系数为1×10-2～2×10-2cm/s。结合其它沙漠地区一些工程的风积沙试验结果可以看出,天然状态下风积沙渗透系数在i×10-3～i×10-2cm/s之间,属中等—强透水层。

表7　乌兰布和沙漠黄河某水利工程风积沙原位注水试验成果表(开挖深度1～2 m)

表8　乌兰布和沙漠黄河某水利工程风积沙原位注水试验成果表(开挖深度10 m)

4　击实和压实性能

黄河某水利工程所处乌兰布和沙漠风积沙振动压实试验(不同含水率、相同振动时间)的含水率—干密度关系曲线见图1。新疆交通科研所风积沙试验的含水率—干密度关系曲线见图2。结合其它沙漠地区一些工程的风积沙击实试验结果可以看出:

(1)与粘性土和一般砂类土不同,风积沙击实曲线有“双峰值”,表明在干燥状态和最优含水率状态均可得到一个较大干密度。一般情况下,含水率在3%～4%时,击实干密度最小。

(2)采用标准击实法、振动压实法和振动锤击法试验得出的干密度值相差较大,压实效果从好到差依次为:振动捶击法、振动压实法、重型击实法。即振动能够达到比较好的压实效果。

(3)风积沙在低含水率击实时也能得到较大干密度值的击实特性决定了风积沙采用干压实工艺是可行的。

图1　振动压实方法干密度与含水率关系曲线

图2　新疆交通科研所风积沙击实试验曲线

5　施工工艺及质量控制

5.1　施工工艺

目前针对风积沙的压实工艺,按照压实时含水率多少分为干压法、湿压法(又称水坠法、水撼沙法);按照压实机械大体分为振动压实法、静碾压实法;另外还有添加粗料后碾压的夹层法,以及常规压实法。

5.1.1干压法、湿压法

干压法是指风积沙在不加水的天然含水率状态下或者少洒水的情况下,通过碾压冲击等外力手段,达到风积沙压实效果的过程。在施工中,主要是指干振动压实法,因为干静压压实法对风积沙的压实效果很差,工程中很少采用。此种压实工艺适用于振动压路机在天然含水率状态下分层碾压。当水资源缺乏及填料天然含水率接近零时,采用干法压实可以获得要求的压实度。

湿压法又称水坠法、水撼沙法,指在较干的风积沙里加水到最优含水率或者是在饱水状态下进行压实的过程。湿压法施工一般应保证被压实土料的含水率比最优含水率高1%～2%。湿压法适用于水源较充足的填方路段,以及桥涵的台背处、挡墙后压实等。较常用的压实方法为水坠+振动机械进行碾压。

5.1.2振动压实法和静碾压实法

静碾压实法是通过压路机的重量对土体进行压实,其产生的作用力主要是重力;而振动压实法则是压路机在一定振动频率和振幅下对地基土施加重力的同时,还施加了振动力。风积沙对振动比较敏感,其工程特性决定了在静荷载下不易压实,在动荷载下易压实。工程实践证明,风积沙采用光面振动碾压方式是最为可行的施工方法;而静碾压实方法在工程施工中则很少使用。

5.1.3夹层法

夹层法为砂砾石(或碎石土)换填施工工艺,大致可分为两种形式:①换填不翻置:这种夹层法施工工艺的特点是风积沙层和碎石土层不混杂,分别进行碾压,并且摊铺时应注意防止风积沙和碎石土混夹填筑。②换填加翻置:这种夹层法施工工艺与换填不翻置施工流程相似,只是需要进行碎石土层(或砂砾石层)与风积沙层充分翻置均匀,之后用振动压路机进行振动碾压。

5.1.4常规压实法

在沙漠的局部区域,比如沙丘间低地等区段,其风积沙颗粒组成较细,粘粉粒含量比较高,其工程性质与细粒土类相近或相同。因此,碾压施工工艺采用常规的、应用于细粒土的碾压方法即可达到压实效果。

5.2　相对密度和压实度指标对比

中国主要相关规范对无粘性土料的碾压控制标准指标要求不同,水利行业多采用相对密度控制,公路行业多采用压实度控制;两种控制方式均可以满足实际需要。针对风积沙,其控制标准采用相对密度还是压实度是一个重要的技术问题。

在《土工试验规程》(SL237—1999)条文说明中:美国水道试验站(WSE)建议,细粒土(<0.075 mm)含量超过5%时,应分别进行标准击实试验和相对密度试验,当击实试验所得的最大干密度的85%比相对密度85%时的相应干密度大时,则用击实试验。美国垦务局规定,如细粒土(<0.075 mm)超过12%时分别作相对密度和标准击实试验,当70%的相对密度时的相应干密度小于击实最大干密度的95%,则应用击实试验,否则采用相对密度控制。由此可以看出,在《土工试验规程》(SL 237—1999)条文说明中有关美国材料试验学会、美国水道试验站和美国垦务局的规定方法也存在差异。

根据土工试验规程的要求,应对风积沙土料进行颗分试验;当细粒土含量达到一定量时,再进行相对密度试验和击实试验,两种结果进行对比后确定。

从沙漠某大型输水工程的施工碾压试验情况分析,与按压实度控制指标相比较,采用相对密度作为控制指标偏于安全,同时既能满足工程施工要求,又可以满足设计要求,因此沙漠某大型输水工程确定采用相对密度进行质量控制[6]。

6　结语

(1)风积沙化学成分以SiO2为主,其次为Al2O3,其它矿物成分含量则很低;风积沙中易溶盐较低,属于非盐渍土。

(2)风积沙颗粒组成主要以细砂粒为主,颗粒均匀,粒径分布比较集中,级配曲线较陡,应属砂类土中级配不良砂SP。在局部区域的风积沙,其颗粒组成偏细,少部分属含细粒土砂(SF)。

(3)在风积沙堆积厚度较大的沙丘和沙梁区域,表层呈松散—稍密状态,下部一般能达到中密—密实状,埋深比较大的风积沙土体密实程度是比较高的。

(4)风积沙的天然湿密度和干密度值离散性很大;天然含水率值离散性小,普遍<5%;土粒比重在2.64～2.70之间,离散性比较小;天然状态下属中等—强透水层。

(5)风积沙天然休止角离散性不大,水上天然休止角在32°～35°之间,水下天然休止角在26°～30°之间;在常规试验(天然静荷载)条件下,属低压缩性土。

(6)风积沙击实曲线与粘性土和一般砂类土不同,具有“双峰值”,即在最小含水率和最优含水率条件下均可得到一个相对较大的干密度(最大干密度)。

(7)目前针对风积沙压实工艺,按照含水率多少分为干压法、湿压法;按照压实机械大体分为振动压实法、静碾压实法;另外还有添加粗料后碾压的夹层法;以及常规压实法。

(8)风积沙碾压控制标准采用相对密度还是压实度是一个重要的技术问题,需要进行对比后确定。

参考文献：

[1]中水北方勘测设计研究有限责任公司.风积沙作为土石坝坝壳填筑料的研究(2009kj-04)[R].天津:中水北方勘测设计研究有限责任公司,2013.

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[4]李志勇,曹源文,梁乃兴,等.风积沙的压实机理[J].中国公路学报,2006,19(5):6-11.

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