新建鐵路甘庫線風積砂的地質特征

王 龍

(鐵三院錦州鐵道勘察設計院有限公司,遼寧錦州 121000)

1 工程概況

新建鐵路甘庫線位于內蒙古通遼市境內的科左后旗西南部地區和庫倫旗東南部地區,起點為科左后旗政府所在地甘旗卡鎮,終點為庫倫旗政府所在地庫倫鎮,線路全長61.193km。其中起點至養畜牧河間線路穿越中國四大沙地之首的科爾沁沙地,經過沙地總長為49.728km,占線路全長的81.27%,主要地貌形式為固定沙丘、半固定沙丘,局部夾有流動沙丘。因此,對風積砂的工程地質勘察為全線地質勘察的重點,并可為今后同類工程的勘察積累寶貴的基礎資料。

2 風積砂的物質組成

2.1 風積砂的礦物成分

一般風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、藍晶石矽線石、赤鐵礦等,而方解石、石膏、普通角閃石、輝石、長石、綠簾石等易磨碎的礦物含量較少;原地風積砂重礦物含量較多,異地風積砂重礦物含量相對較少。本地區風積砂形成的主要原因為外部地區的松散碎屑物經風搬運和堆積所導致。經試驗證實本地區風積砂的主要礦物為石英、長石及云母等輕礦物,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。砂粒的形態為渾圓狀,為單質礦物顆粒。其顆粒大小與礦物成分有關,粒徑大于0.25mm的幾乎全為石英礦物,粒徑為0.075～0.25mm的以長石、云母為主,石英礦物含量較少。

2.2 風積砂的化學成分

風積砂的化學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 風積砂的顆粒級配情況

依據《鐵路橋涵地基和基礎設計規范》(TB1002.5—2005),本地區風積砂為細砂,其顆粒成分主要以細砂粒為主(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(見表1)。風積砂的不均勻系數Cu為1.97～3.01,曲率系數 Cc為0.97～1.01,屬于級配不良(見表2)。

表1 風積砂的粒徑組成

表2 風積砂的不均勻系數及曲率系數

3 風積砂的物理力學性質指標

3.1 物理性質

風積砂的基本物理性質為天然含水量w=1.4%～3.1%,天然密度 ρ=1.59～1.70g/cm3,比重 Gs=2.52～2.70(見表3);經過計算求得的基本物理性質指標為干密度 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%(見表4)。

表3 試驗所得的風積砂基本物理性質指標統計

表4 經過計算求得的基本物理性質指標統計

由砂土的滲透系數與有效粒徑的經驗關系公式

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

依據標準貫入N63.5原位測試試驗,該地區風積砂平均埋深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;且風積砂的密實程度與其含水量的大小沒有密切關系。

3.2 力學性質

風積砂的黏聚力c(kPa)值與黏性土相比極小,在其他成因的砂類土中相對也低,而內摩擦角 φ(°)則相反。據試驗結果風積砂的黏聚力c=0～9kPa,理論值為0,內摩擦角 φ=32°～39.3°。這主要是由于風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致。

風積砂的壓縮系數比較小,據試驗結果在0.01～0.04MPa-1之間,屬于低壓縮材料。風積砂的壓縮性與礦物成分、顆粒外觀形狀及其松散的結構有關,風積砂的礦物成分主要為石英、長石,顆粒磨圓度較高,幾乎不含有黏土礦物,風積砂在常壓下變形速度很快,切壓實后彈性變形很小。因此,風積砂作為路基比較容易壓實,并且壓實后路基的變形量也比較小。

風積砂的基本承載力隨埋深、密實程度和潮濕程度的不同而發生變化,依據原位測試試驗,風積砂的基本承載力與埋深、密實程度呈正向關系。依據《鐵路工程地質勘察規范》,相同密實狀態下飽和細砂的基本承載力低于稍濕或潮濕狀態下的細砂基本承載力(見表5)。

表5 風積砂的基本承載力 kPa

4 結論

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

[1]常士驃,張蘇民,等.工程地質手冊(第四版)[M].北京:中國建筑工業出版社,2007

[2]TB10012—2007 鐵路工程地質勘察規范[S]

[3]TB10018—2003 鐵路工程地質原位測試規程[S]

[4]TB10027—2001 鐵路工程不良地質勘察規程[S]

[5]TB10102—2004 鐵路工程土工試驗規程[S]