塔克拉瑪干沙漠腹地風(fēng)積沙力學(xué)特性試驗(yàn)研究①

□□ 劉學(xué)軍,白若寧,許志涵

(1.新疆大學(xué) 建筑工程學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830046;2.新疆建筑科學(xué)研究院(有限責(zé)任公司),新疆 烏魯木齊 830002)

引言

新疆塔克拉瑪干沙漠內(nèi)部建筑材料遠(yuǎn)距離運(yùn)輸十分困難且成本高昂。在沙漠腹地石油鉆井施工現(xiàn)場(chǎng)選取了不同區(qū)域的風(fēng)積沙進(jìn)行物理力學(xué)試驗(yàn),探究其作為地基土的物理力學(xué)特性。金昌寧等[1-2]利用多組快速剪切試驗(yàn)探究塔克拉瑪干沙漠風(fēng)積沙的剪切變形特性得知,壓實(shí)度在很大程度上會(huì)影響試樣的剪切變形曲線,剪切試樣呈不飽和狀態(tài)時(shí),抗剪強(qiáng)度最大時(shí)的剪應(yīng)變?cè)?.8%～1.6%范圍內(nèi)出現(xiàn)最大值;若試樣呈飽和狀態(tài),則剪應(yīng)變范圍會(huì)相應(yīng)的增大,增大曲線上不呈現(xiàn)峰值的可能性。楊玉春等[3]將烏蘭布和沙漠的風(fēng)積沙作為研究對(duì)象,通過室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和碾壓試驗(yàn)相結(jié)合的方法,研究該風(fēng)積沙的物理化學(xué)特性、力學(xué)特性、靜、動(dòng)三軸特性、滲透特性、擊實(shí)特性和壓實(shí)特性得知,風(fēng)積沙主要為細(xì)粒沙,顆粒粒徑分布集中,級(jí)配不良;風(fēng)積沙擊實(shí)曲線為雙峰值型,無論在最佳含水量還是干燥條件下,都能獲得最大干密度;以最適用的碾壓組合方式進(jìn)行碾壓后,得出風(fēng)積沙可作為壩殼填筑料。鄭木蓮等[4-5]對(duì)塔克拉瑪干、古爾班通古特、騰格里沙漠的風(fēng)積沙包括成分構(gòu)成、微觀形態(tài)、表面性質(zhì)、粒度分布、孔隙性及抗剪強(qiáng)度等方面進(jìn)行研究得知,三個(gè)沙漠風(fēng)積沙的材料性質(zhì)有著一定程度的不同;通過大量剪切試驗(yàn)得出,風(fēng)積沙樣內(nèi)摩擦角φ受含水率影響發(fā)生變化的程度較小,當(dāng)內(nèi)摩擦角處于32°～42°這個(gè)范圍時(shí),受干密度的影響較大。

1 風(fēng)積沙物理特性

為研究塔克拉瑪干沙漠腹地風(fēng)積沙的物理特性,選取沙漠腹地某鉆井井場(chǎng)的風(fēng)積沙,制備試樣進(jìn)行含水率測(cè)定、組成成分分析和顆粒粒徑分析試驗(yàn)。

1.1 風(fēng)積沙的天然含水率

風(fēng)積沙的天然含水率在每年1月時(shí)可達(dá)到最高,7月和8月時(shí)含水量最低。以烘干法測(cè)定風(fēng)積沙試樣的天然含水率,根據(jù)GB/T 50123—2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》要求,試驗(yàn)進(jìn)行兩次平行測(cè)定,分別稱取兩組100 g試樣,置于烘箱內(nèi)在105～110 ℃烘干6 h至恒重,稱取干沙質(zhì)量計(jì)算含水率,試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 風(fēng)積沙天然含水量試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表1可知,沙漠腹地不同深度的風(fēng)積沙含水率不同,自然狀態(tài)下表層的含水率只有0.55%,含水率極小;當(dāng)深度達(dá)到1 m時(shí),含水率測(cè)定值為1.59%,可見風(fēng)積沙的含水量隨著采樣深度的不同而變動(dòng)。

1.2 風(fēng)積沙的礦物成分

對(duì)所取風(fēng)積沙樣的礦物組成進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果如圖1所示。可以看出,該風(fēng)積沙主要礦物成分為石英、巖屑和長(zhǎng)石等,其中石英含量高達(dá)39%,除此之外,還含有磁鐵礦和綠泥石等礦物成分。

圖1 礦物成分

1.3 風(fēng)積沙的粒徑分析

塔克拉瑪干沙漠的風(fēng)積沙大部分為古河流沖積物,均以深厚、疏松的沙質(zhì)沉積物為主。粒徑分布是用來評(píng)價(jià)風(fēng)積沙級(jí)配的指標(biāo),為進(jìn)一步研究該沙樣的粒徑分布,進(jìn)行風(fēng)積沙的顆粒分析試驗(yàn)。根據(jù)JTG 3430—2020《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》,在干燥、疏松的砂樣中,用四分法取樣,稱量200 g,將篩網(wǎng)從上至下按孔徑大小的順序套好,加上底盤。風(fēng)積沙顆粒較細(xì),故選用細(xì)篩,孔徑分別為2 mm、1 mm、0.5 mm、0.25 mm、0.15 mm和0.075 mm,將試樣倒至篩網(wǎng)內(nèi),搖篩5 min后,分別稱量各篩網(wǎng)上剩余顆粒質(zhì)量,結(jié)果見表2。

表2 風(fēng)積沙顆粒分析結(jié)果

從表2看出,該試樣的顆粒粒徑全部<1 mm,粒徑范圍主要在0.075～0.25 mm之間,占比高達(dá)90%以上,粒徑>0.5 mm的顆粒含量極少,<0.075 mm的顆粒占比在7%～10%之間,風(fēng)積沙屬于粗粒土中的砂類土,砂土中的細(xì)砂。一般用不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc來評(píng)價(jià)風(fēng)積沙的級(jí)配,當(dāng)Cu≥5且1≤Cc≤3時(shí),為級(jí)配良好。三組風(fēng)積沙試樣的不均勻系數(shù)Cu皆<5,則該風(fēng)積沙粒徑分布均勻,級(jí)配不良。

2 風(fēng)積沙的力學(xué)特性

2.1 風(fēng)積沙擊實(shí)特性

自然狀態(tài)下,風(fēng)積沙處于松散狀態(tài),密實(shí)度較低。風(fēng)積沙地基不易壓實(shí)并且施工工藝也較為復(fù)雜,壓實(shí)度對(duì)地基的強(qiáng)度和穩(wěn)定性至關(guān)重要。一般通過擊實(shí)使得風(fēng)積沙顆粒在干燥狀態(tài)和外力沖擊的作用下重新排列,減小顆粒之間的孔隙,提高密實(shí)度,達(dá)到工程所需的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

根據(jù)GB/T 50123對(duì)風(fēng)積沙進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)重型擊實(shí)試驗(yàn)。采用干法制備試樣,將天然風(fēng)積沙烘干后過5 mm篩,拌合均勻,制備12種不同含水率的試樣,分別為0、2%、4%、,6%、8%、10%、12%、14%、16%、18%、20%和22%,攪拌均勻,裝入黑色塑料袋中燜料24 h備用。

試樣制備好后,每個(gè)試樣分三層擊實(shí),每層98擊。擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)束后,測(cè)定試樣含水率并計(jì)算干密度,最后根據(jù)擊實(shí)曲線確定最優(yōu)含水率和最大干密度。擊實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果見表3,根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制的擊實(shí)曲線如圖2所示。

表3 風(fēng)積沙標(biāo)準(zhǔn)重型擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果(大擊實(shí)筒三層填料)

一般情況下,風(fēng)積沙結(jié)構(gòu)松散,是由固體沙顆粒、水和氣體所組成的三相體系。風(fēng)積沙的壓實(shí)是力通過振動(dòng)波的形式傳遞,使得風(fēng)積沙顆粒產(chǎn)生移動(dòng)、擠壓、密實(shí)、排出水分和空氣,縮小孔隙,提高干密度。從圖2可看出,當(dāng)風(fēng)積沙的含水率為0.19%時(shí),干密度較大,可達(dá)到1.65 g·cm-3;隨著含水率逐漸增加,干密度逐漸縮小,在含水率為6.43%時(shí),干密度達(dá)到曲線上的最小值1.53 g·cm-3;在繼續(xù)增加含水率從6.43%到19.63%,干密度隨含水率的增加而增加,直至達(dá)到曲線上的另一個(gè)峰值,此時(shí)干密度達(dá)1.65 g·cm-3,為最大干密度,對(duì)應(yīng)的含水率19.63%為最佳含水率;含水率在19.63%～21.78%之間時(shí),干密度又隨含水率的增加而減少。風(fēng)積沙干密度隨含水率的變化出現(xiàn)兩個(gè)峰值,擊實(shí)曲線表現(xiàn)為“倒S”型,由此可說明風(fēng)積沙在干燥時(shí)和達(dá)到最佳含水率19.63%時(shí),都可被壓實(shí)。

風(fēng)積沙在含水率趨近于0,干燥的狀態(tài)下,粘聚力幾乎為0。在擊實(shí)過程中,顆粒會(huì)產(chǎn)生自震減小內(nèi)摩擦力,重新排列,彼此擠緊,逐漸壓實(shí),因而風(fēng)積沙在干燥時(shí),出現(xiàn)干密度的峰值;當(dāng)風(fēng)積沙中含有一定的水分時(shí),風(fēng)積沙的干密度逐漸減小是因?yàn)轱L(fēng)積沙顆粒表面形成了一層結(jié)合水膜,產(chǎn)生了表面張力,阻礙沙粒間的移動(dòng),影響密實(shí);當(dāng)含水率繼續(xù)增大時(shí),沙粒間的水膜厚度逐漸增大,潤(rùn)滑作用逐漸增大,風(fēng)積沙的內(nèi)摩擦力減小,顆粒間的相對(duì)移動(dòng)更加容易;當(dāng)含水率繼續(xù)增大至最佳含水率時(shí),風(fēng)積沙中存在著一定量的自由水,在擊實(shí)的作用下,自由水沿著孔隙移動(dòng),帶動(dòng)風(fēng)積沙顆粒產(chǎn)生位移,空氣逐漸被排出,干密度不斷增長(zhǎng)至最大值;繼續(xù)增加水量超過最佳含水率時(shí),自由水過多,其體積不可壓縮還無法迅速排出,擊實(shí)過程中會(huì)出現(xiàn)表層液化和飛濺的現(xiàn)象,部分擊實(shí)功被轉(zhuǎn)化為孔隙水壓力,使得風(fēng)積沙的干密度有所減小。

通過以上的分析可知,含水率對(duì)風(fēng)積沙的壓實(shí)效果影響較大。在工程施工中,如現(xiàn)場(chǎng)水量充足,可以選擇濕壓實(shí)的方法,以最佳含水率和最大干密度作為控制指標(biāo),如果現(xiàn)場(chǎng)水資源緊缺,則可選擇干壓法節(jié)省用水量[6-7]。

2.2 風(fēng)積沙剪切特性

風(fēng)積沙地基的整體穩(wěn)定性好,沉降量小,在沙漠腹地修建地基時(shí),充分利用沙漠中豐富的風(fēng)積沙資源,最大可能地減少外運(yùn)材料的運(yùn)輸量,可達(dá)到縮減成本和節(jié)能減排的目的,風(fēng)積沙作為地基土其強(qiáng)度特性和地基承載力有著直接關(guān)系,為探究風(fēng)積沙的強(qiáng)度參數(shù),進(jìn)行不同含水率和不同干密度下風(fēng)積沙的直接剪切試驗(yàn)。制備7種含水率下的試樣以及干砂狀態(tài)下3種不同干密度的風(fēng)積沙試樣,在室內(nèi)用等應(yīng)變直剪儀對(duì)其進(jìn)行剪切,所取的試驗(yàn)壓力為四級(jí)垂直壓力,即50 kPa、100 kPa、150 kPa和200 kPa。相同條件下每組試樣做三次直剪試驗(yàn),取平均值進(jìn)行對(duì)比分析,通過控制含水率和干密度對(duì)風(fēng)積沙試樣進(jìn)行直接剪切試驗(yàn),得出風(fēng)積沙不同含水率和不同干密度狀態(tài)下風(fēng)積沙的強(qiáng)度特性,以及含水率和干密度對(duì)風(fēng)積沙強(qiáng)度指標(biāo)粘聚力和內(nèi)摩擦角的影響。

2.2.1不同含水率下風(fēng)積沙的抗剪強(qiáng)度

不同含水率狀態(tài)下試樣的直接剪切試驗(yàn)結(jié)果見表4。同一垂直壓力下風(fēng)積沙抗剪強(qiáng)度與含水率的關(guān)系曲線、抗剪強(qiáng)度指標(biāo)內(nèi)摩擦角和粘聚力與含水率關(guān)系曲線如圖3～圖5所示。

圖3 抗剪強(qiáng)度與含水率關(guān)系曲線

表4 不同含水率狀態(tài)下風(fēng)積沙直剪試驗(yàn)結(jié)果

由表4和圖3可知,在同一垂直壓力情況下,風(fēng)積沙含水率為0～8%時(shí),隨著含水率的增大,抗剪強(qiáng)度逐漸增大;當(dāng)含水率>8%時(shí),抗剪強(qiáng)度隨著含水率的增加而逐漸減小;但在同一垂直壓力下,抗剪強(qiáng)度隨著含水率的增減變化幅度≯10 kPa,因而含水率對(duì)風(fēng)積沙抗剪強(qiáng)度影響較小。由圖4和圖5可知,風(fēng)積沙的粘聚力與含水率的關(guān)系同抗剪強(qiáng)度與含水率的關(guān)系相似,當(dāng)含水率為0～8%時(shí),粘聚力隨著含水率的增加由0增長(zhǎng)至12.53 kPa;當(dāng)含水率>8%時(shí),又出現(xiàn)下降趨勢(shì);當(dāng)含水率為12%時(shí),降至9.15 kPa。內(nèi)摩擦角與粘聚力的變化趨勢(shì)相反,含水率越大,其內(nèi)摩擦角越小;當(dāng)含水率增加時(shí),風(fēng)積沙固體顆粒之間的粘結(jié)力因?yàn)榻Y(jié)合水的張力作用而增大,隨著含水量越來越大,潤(rùn)滑作用越來越強(qiáng),內(nèi)摩擦角逐漸減小。

圖4 粘聚力與含水率關(guān)系曲線

2.2.2不同干密度下風(fēng)積沙的抗剪強(qiáng)度

控制風(fēng)積沙含水率為2%,制備四種干密度為1.56 g·cm-3、1.58 g·cm-3、1.60 g·cm-3和1.62 g·cm-3的試樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)重型擊實(shí)試驗(yàn)所得出的風(fēng)積沙樣最大干密度為1.65 g·cm-3,四種干密度對(duì)應(yīng)的壓實(shí)度分別為95%、96%、97%、98%。干密度對(duì)風(fēng)積沙抗剪強(qiáng)度的影響見表5,繪制同一垂直壓力下抗剪強(qiáng)度與干密度的關(guān)系曲線、抗剪強(qiáng)度內(nèi)摩擦角及粘聚力與干密度的關(guān)系曲線如圖6～圖8所示。

表5 不同干密度的風(fēng)積沙直剪試驗(yàn)結(jié)果(含水率為2%)

由圖6可知,在風(fēng)積沙含水量為2%時(shí),隨著垂直壓力的增大,不同干密度的風(fēng)積沙抗剪強(qiáng)度不斷增大;在同一垂直壓力下,不同干密度的風(fēng)積沙隨著垂直壓力的增大而增大,但增幅較小,在20 kPa之內(nèi)。由圖7和圖8可知,風(fēng)積沙的粘聚力和內(nèi)摩擦角均隨干密度的增加而增加。在含水量一定時(shí),干密度越大,壓實(shí)度越高,越密實(shí)。風(fēng)積沙的固體顆粒之間的摩擦強(qiáng)度和咬合力度都較大,在此情況下,風(fēng)積沙的抗剪強(qiáng)度不斷增加,強(qiáng)度指標(biāo)粘聚力與內(nèi)摩擦角也在增加。

圖7 粘聚力與干密度關(guān)系曲線

圖8 內(nèi)摩擦角與干密度關(guān)系曲線

3 結(jié)論

通過對(duì)風(fēng)積沙進(jìn)行大量室內(nèi)試驗(yàn),根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果分析,得出以下結(jié)論:

3.1 塔克拉瑪干沙漠腹地風(fēng)積沙表層的含水率為0.55%;據(jù)地表深度為1 m時(shí),含水率為1.59%。風(fēng)積沙的主要礦物成分包括石英、巖屑和長(zhǎng)石等,其顆粒粒徑的主要分布范圍在0.075～0.250 mm之間,占比可達(dá)90%,粒徑>0.25 mm的顆粒極少。不均勻系數(shù)Cu在1.36～1.38之間,曲率系數(shù)Cc在0.96～0.97之間,該風(fēng)積沙粒徑分布均勻,級(jí)配不良。

3.2 風(fēng)積沙的擊實(shí)曲線有兩個(gè)峰值,呈現(xiàn)為倒“S”曲線,即風(fēng)積沙在干燥和最佳含水率19.63%時(shí),都能達(dá)到最大干密度1.65 g·cm-3。若現(xiàn)場(chǎng)水資源匱乏,推薦用干壓法壓實(shí)。

3.3 不同含水率和干密度的風(fēng)積沙直剪試驗(yàn)表明,其抗剪強(qiáng)度與垂直壓力呈線性關(guān)系。含水率<8%時(shí),其抗剪強(qiáng)度隨含水率的增加而增加,>8%開始逐漸減小。風(fēng)積沙粘聚力隨含水率變化的趨勢(shì)與抗剪強(qiáng)度相似,內(nèi)摩擦角隨含水率的增加而減小?？刂坪蕿?%時(shí),風(fēng)積沙粘聚力和內(nèi)摩擦角都隨干密度的增加而增大。天然狀態(tài)風(fēng)積沙的內(nèi)摩擦角為32°。