新建鐵路甘庫(kù)線風(fēng)積砂的地質(zhì)特征

王 龍

(鐵三院錦州鐵道勘察設(shè)計(jì)院有限公司,遼寧錦州 121000)

1 工程概況

新建鐵路甘庫(kù)線位于內(nèi)蒙古通遼市境內(nèi)的科左后旗西南部地區(qū)和庫(kù)倫旗東南部地區(qū),起點(diǎn)為科左后旗政府所在地甘旗卡鎮(zhèn),終點(diǎn)為庫(kù)倫旗政府所在地庫(kù)倫鎮(zhèn),線路全長(zhǎng)61.193km。其中起點(diǎn)至養(yǎng)畜牧河間線路穿越中國(guó)四大沙地之首的科爾沁沙地,經(jīng)過(guò)沙地總長(zhǎng)為49.728km,占線路全長(zhǎng)的81.27%,主要地貌形式為固定沙丘、半固定沙丘,局部夾有流動(dòng)沙丘。因此,對(duì)風(fēng)積砂的工程地質(zhì)勘察為全線地質(zhì)勘察的重點(diǎn),并可為今后同類工程的勘察積累寶貴的基礎(chǔ)資料。

2 風(fēng)積砂的物質(zhì)組成

2.1 風(fēng)積砂的礦物成分

一般風(fēng)積砂的主要礦物成分為不易磨碎的礦物,如石英、晧石、石榴石、藍(lán)晶石矽線石、赤鐵礦等,而方解石、石膏、普通角閃石、輝石、長(zhǎng)石、綠簾石等易磨碎的礦物含量較少;原地風(fēng)積砂重礦物含量較多,異地風(fēng)積砂重礦物含量相對(duì)較少。本地區(qū)風(fēng)積砂形成的主要原因?yàn)橥獠康貐^(qū)的松散碎屑物經(jīng)風(fēng)搬運(yùn)和堆積所導(dǎo)致。經(jīng)試驗(yàn)證實(shí)本地區(qū)風(fēng)積砂的主要礦物為石英、長(zhǎng)石及云母等輕礦物,約占全部礦物成分90%以上;重礦物含量較少,但種類較多,其中又以角閃石、綠簾石為主,約占重礦物成分的70%以上。砂粒的形態(tài)為渾圓狀,為單質(zhì)礦物顆粒。其顆粒大小與礦物成分有關(guān),粒徑大于0.25mm的幾乎全為石英礦物,粒徑為0.075～0.25mm的以長(zhǎng)石、云母為主,石英礦物含量較少。

2.2 風(fēng)積砂的化學(xué)成分

風(fēng)積砂的化學(xué)成分主要為二氧化硅(SiO2),其次為氧化鈣(CaO)、三氧化二鋁(Al2O3)、三氧化二鐵(Fe2O3)。其中二氧化硅(SiO2)含量大于80%,最高可達(dá)90%;氧化鈣(CaO)含量約為5%～10%;三氧化二鋁(Al2O3)含量約為2%～5%;三氧化二鐵(Fe2O3)含量約為1%～3%,易溶鹽含量為0.06%～0.25%,幾乎不含有黏土礦物。

2.3 風(fēng)積砂的顆粒級(jí)配情況

依據(jù)《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB1002.5—2005),本地區(qū)風(fēng)積砂為細(xì)砂,其顆粒成分主要以細(xì)砂粒為主(0.075mm＜d≤0.25mm),其次為中砂粒(0.25mm ＜d≤0.5mm),粉粒(0.005mm ＜d≤0.075mm)及粗砂粒(0.50mm ＜d≤2.00mm)含量較少(見(jiàn)表1)。風(fēng)積砂的不均勻系數(shù)Cu為1.97～3.01,曲率系數(shù) Cc為0.97～1.01,屬于級(jí)配不良(見(jiàn)表2)。

表1 風(fēng)積砂的粒徑組成

表2 風(fēng)積砂的不均勻系數(shù)及曲率系數(shù)

3 風(fēng)積砂的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

3.1 物理性質(zhì)

風(fēng)積砂的基本物理性質(zhì)為天然含水量w=1.4%～3.1%,天然密度 ρ=1.59～1.70g/cm3,比重 Gs=2.52～2.70(見(jiàn)表3);經(jīng)過(guò)計(jì)算求得的基本物理性質(zhì)指標(biāo)為干密度 ρd=1.56～1.68g/cm3,孔隙比e=0.54～0.73,孔隙率 n=35.06～42.20%,飽和度 Sr=6.77～14.37%(見(jiàn)表4)。

表3 試驗(yàn)所得的風(fēng)積砂基本物理性質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

表4 經(jīng)過(guò)計(jì)算求得的基本物理性質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

由砂土的滲透系數(shù)與有效粒徑的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系公式

式中:k為滲透系數(shù);d10為有效粒徑 =0.083～0.088 mm;t為滲透水溫度 =15℃;C為常數(shù),純砂取700,可以求得該地區(qū)風(fēng)積砂的滲透系數(shù) k=5.546～6.234 m/d=6.419 ×10-3～7.215 ×10-3cm/s;與其他地質(zhì)成因細(xì)砂的k值比較,數(shù)值較高。

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)貫入N63.5原位測(cè)試試驗(yàn),該地區(qū)風(fēng)積砂平均埋深0.0～2.0m為松散,平均埋深2.0～4.0m為稍密,平均埋深4.0～6.5m為中密,平均埋深6.5m以下為密實(shí);且風(fēng)積砂的密實(shí)程度與其含水量的大小沒(méi)有密切關(guān)系。

3.2 力學(xué)性質(zhì)

風(fēng)積砂的黏聚力c(kPa)值與黏性土相比極小,在其他成因的砂類土中相對(duì)也低,而內(nèi)摩擦角 φ(°)則相反。據(jù)試驗(yàn)結(jié)果風(fēng)積砂的黏聚力c=0～9kPa,理論值為0,內(nèi)摩擦角 φ=32°～39.3°。這主要是由于風(fēng)積砂中幾乎不含有粉粒、黏粒,且顆粒磨圓度較高使之顆粒間咬合剪脹的效果較差所導(dǎo)致。

風(fēng)積砂的壓縮系數(shù)比較小,據(jù)試驗(yàn)結(jié)果在0.01～0.04MPa-1之間,屬于低壓縮材料。風(fēng)積砂的壓縮性與礦物成分、顆粒外觀形狀及其松散的結(jié)構(gòu)有關(guān),風(fēng)積砂的礦物成分主要為石英、長(zhǎng)石,顆粒磨圓度較高,幾乎不含有黏土礦物,風(fēng)積砂在常壓下變形速度很快,切壓實(shí)后彈性變形很小。因此,風(fēng)積砂作為路基比較容易壓實(shí),并且壓實(shí)后路基的變形量也比較小。

風(fēng)積砂的基本承載力隨埋深、密實(shí)程度和潮濕程度的不同而發(fā)生變化,依據(jù)原位測(cè)試試驗(yàn),風(fēng)積砂的基本承載力與埋深、密實(shí)程度呈正向關(guān)系。依據(jù)《鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》,相同密實(shí)狀態(tài)下飽和細(xì)砂的基本承載力低于稍濕或潮濕狀態(tài)下的細(xì)砂基本承載力(見(jiàn)表5)。

表5 風(fēng)積砂的基本承載力 kPa

4 結(jié)論

通過(guò)上面的分析,可知風(fēng)積砂的工程地質(zhì)特征:礦物成分單一,主要以不易磨碎的輕礦物為主,不同成因的風(fēng)積砂輕重礦物含量差別較大,磨圓度高,不含黏土礦物;級(jí)配不良,含有大孔隙比,透水性強(qiáng),抗剪強(qiáng)度低,雖存在一定的黏聚力,但理論黏聚力為0。內(nèi)摩擦角較大,壓縮系數(shù)小,容易壓實(shí),彈性變形小,其基本承載力與埋深、密實(shí)程度呈正向關(guān)系。

[1]常士驃,張?zhí)K民,等.工程地質(zhì)手冊(cè)(第四版)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2007

[2]TB10012—2007 鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S]

[3]TB10018—2003 鐵路工程地質(zhì)原位測(cè)試規(guī)程[S]

[4]TB10027—2001 鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)程[S]

[5]TB10102—2004 鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程[S]