利用風積沙做地基填筑料的試驗研究和實踐

李英海, 劉芙榮

(中水北方勘測設計研究有限責任公司,天津　300222)

0　引言

在中國分布有眾多沙漠和沙地,其組成物質為風積沙。以往沙漠地區一直為工程建設禁區,資料和經驗不多,對風積沙工程性質和工程應用的試驗研究成果也非常稀少。近年來,在沙漠地區完成了諸多工程建設項目,包括沙漠公路、輸水渠道、水工建筑物等,針對風積沙工程性質、工程應用等方面內容進行了大量的試驗和研究,也取得了許多珍貴資料和寶貴經驗。盡管如此,風積沙作為地基填筑材料,其工程性質和工程應用的研究總體來講尚處于初期階段,還沒有形成規范性的標準和規定。隨著中國在沙漠地區工程建設的進一步推進,研究和探索風積沙的技術問題,對提高工程質量、節約投資具有十分重要的現實意義。

本文以黃河某水利樞紐工程所處烏蘭布和沙漠風積沙試驗成果為主,結合其它工程實踐案例,對中國沙漠地區的風積沙的化學性質、物理性質、力學性質、滲透性、擊實和壓實特征、施工工藝、質量控制標準等幾方面內容進行了簡要匯集,以此為將來對風積沙地區的工程建設的試驗研究、施工和檢測起到一定的參考作用。

1　物理化學性質

1.1　化學成分

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

表1　烏蘭布和沙漠中黃河某水利樞紐工程區的風積沙化學成分組成

表2　塔克拉瑪干沙漠某沙漠公路肖塘—塔中段風積沙化學成分組成

表3　騰格里沙漠某調水工程區風積沙的化學成分組成

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積沙顆分試驗結果見表5;毛烏素沙地風積沙顆粒組成見表6[4]。其它一些沙漠地區工程的風積沙顆粒組成也基本如此。由此可以看出:風積沙主要由細砂粒組(粒徑大致在0.25～0.075 mm之間)組成,其質量百分比在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《土的工程分類標準》(GB/T 50145—2007),不能同時滿足不均勻系數Cu≥5和曲率系數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、沙丘表層等局部區域的風積沙,其顆粒組成偏細,少部分屬含細粒土砂(SF)。

表4　烏蘭布和沙漠黃河某水利工程區風積沙顆分試驗成果

表5　塔克拉瑪干沙漠輪臺—民豐沙漠公路區風積沙的顆粒組成

表6　毛烏素沙地風積沙顆分結果

1.3　天然狀態下基本物理力學性質

通過對中國沙漠地區風積沙的一些工程試驗和研究成果的匯總,可以看出風積沙天然狀態下基本物理力學性質指標有如下特征:

(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,反映出風積沙顆粒的礦物組成較為穩定。

(4)天然狀態下相對密度值變化,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積沙都是比較疏松土體不同,埋深比較大的風積沙土體密實程度是比較高的。

(5)風積沙天然休止角離散性不大;一般來講,風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)烏蘭布和沙漠地區的黃河某水利工程區風積沙的壓縮模量Es在7.6～44.2 MPa之間,離散性比較高;在常規試驗(天然靜荷載)條件下,屬低壓縮性土。

1.4　風積沙“濕陷性”

騰格里沙漠的某調水工程中風積沙研究結果表明,細砂不具濕陷性,而極細砂濕陷系數在0.018 2～0.055 3之間,具輕微—中等濕陷性[5]。

目前國內對濕陷性的研究主要針對黃土和黃土狀土,而對風積沙的“濕陷性”研究,無論是濕陷性概念的使用、還是濕陷程度等內容,都幾乎屬于空白,尚存在不同意見。從濕陷原理分析,風積沙這種“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境或條件,土層一直處于欠壓密狀態。與黃土和黃土狀土層不同,風積沙“濕陷性”與土體的物質化學成分的改變無關。

2　地球物理特性

根據烏蘭布和沙漠地區的黃河某水利工程的物探測試結果,風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　水文地質性質

烏蘭布和沙漠地區的黃河某水利工程區坑槽內進行的原位試坑注水試驗成果見表7、表8。騰格里沙漠地區某輸水工程風積沙滲透系數為1×10-2～2×10-2cm/s。結合其它沙漠地區一些工程的風積沙試驗結果可以看出,天然狀態下風積沙滲透系數在i×10-3～i×10-2cm/s之間,屬中等—強透水層。

表7　烏蘭布和沙漠黃河某水利工程風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—干密度關系曲線見圖1。新疆交通科研所風積沙試驗的含水率—干密度關系曲線見圖2。結合其它沙漠地區一些工程的風積沙擊實試驗結果可以看出:

(1)與粘性土和一般砂類土不同,風積沙擊實曲線有“雙峰值”,表明在干燥狀態和最優含水率狀態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)采用標準擊實法、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。即振動能夠達到比較好的壓實效果。

(3)風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系曲線

圖2　新疆交通科研所風積沙擊實試驗曲線

5　施工工藝及質量控制

5.1　施工工藝

目前針對風積沙的壓實工藝,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,以及常規壓實法。

5.1.1干壓法、濕壓法

干壓法是指風積沙在不加水的天然含水率狀態下或者少灑水的情況下,通過碾壓沖擊等外力手段,達到風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在天然含水率狀態下分層碾壓。當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,指在較干的風積沙里加水到最優含水率或者是在飽水狀態下進行壓實的過程。濕壓法施工一般應保證被壓實土料的含水率比最優含水率高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+振動機械進行碾壓。

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的重量對土體進行壓實,其產生的作用力主要是重力;而振動壓實法則是壓路機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積沙層和碎石土層不混雜,分別進行碾壓,并且攤鋪時應注意防止風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,只是需要進行碎石土層(或砂礫石層)與風積沙層充分翻置均勻,之后用振動壓路機進行振動碾壓。

5.1.4常規壓實法

在沙漠的局部區域,比如沙丘間低地等區段,其風積沙顆粒組成較細,粘粉粒含量比較高,其工程性質與細粒土類相近或相同。因此,碾壓施工工藝采用常規的、應用于細粒土的碾壓方法即可達到壓實效果。

5.2　相對密度和壓實度指標對比

中國主要相關規范對無粘性土料的碾壓控制標準指標要求不同,水利行業多采用相對密度控制,公路行業多采用壓實度控制;兩種控制方式均可以滿足實際需要。針對風積沙,其控制標準采用相對密度還是壓實度是一個重要的技術問題。

在《土工試驗規程》(SL237—1999)條文說明中:美國水道試驗站(WSE)建議,細粒土(<0.075 mm)含量超過5%時,應分別進行標準擊實試驗和相對密度試驗,當擊實試驗所得的最大干密度的85%比相對密度85%時的相應干密度大時,則用擊實試驗。美國墾務局規定,如細粒土(<0.075 mm)超過12%時分別作相對密度和標準擊實試驗,當70%的相對密度時的相應干密度小于擊實最大干密度的95%,則應用擊實試驗,否則采用相對密度控制。由此可以看出,在《土工試驗規程》(SL 237—1999)條文說明中有關美國材料試驗學會、美國水道試驗站和美國墾務局的規定方法也存在差異。

根據土工試驗規程的要求,應對風積沙土料進行顆分試驗;當細粒土含量達到一定量時,再進行相對密度試驗和擊實試驗,兩種結果進行對比后確定。

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相比較,采用相對密度作為控制指標偏于安全,同時既能滿足工程施工要求,又可以滿足設計要求,因此沙漠某大型輸水工程確定采用相對密度進行質量控制[6]。

6　結語

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

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

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

(4)風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;天然狀態下屬中等—強透水層。

(5)風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;在常規試驗(天然靜荷載)條件下,屬低壓縮性土。

(6)風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;以及常規壓實法。

(8)風積沙碾壓控制標準采用相對密度還是壓實度是一個重要的技術問題,需要進行對比后確定。

參考文獻：

[1]中水北方勘測設計研究有限責任公司.風積沙作為土石壩壩殼填筑料的研究(2009kj-04)[R].天津:中水北方勘測設計研究有限責任公司,2013.

[2]陳忠達,張登良.塔克拉瑪干風積沙工程特性[J].西安公路交通大學學報,2001,21(3):1-4.

[3]徐德富.沙漠地區風積沙地基的工程特性[J].水利水電技術,2004,35(9):43-46.

[4]李志勇,曹源文,梁乃興,等.風積沙的壓實機理[J].中國公路學報,2006,19(5):6-11.

[5]單福聰.民勤調水工程風積沙工程地質特性研究[J].甘肅水利水電技術,2007,43(2):108-123.

[6]張立德.沙漠明渠工程設計施工關鍵技術研究與實踐[M].北京:中國水利水電出版社,2006.