南疆盆地風積砂工程地質特性淺析

楊軍田，王小軍

（新疆兵團勘測設計院（集團）有限責任公司石河子分公司，新疆石河子832000）

南疆盆地風積砂工程地質特性淺析

楊軍田，王小軍

（新疆兵團勘測設計院（集團）有限責任公司石河子分公司，新疆石河子832000）

本文通過在南疆五地州的實際工作實踐，詳細分析和總結了南疆盆地風積砂基本工程地質特性，建議在南疆盆地的工程項目中要充分考慮當地的風積砂的地質特性，揚長避短，確保工程質量。

南疆盆地；風積砂；工程性質

1 概述

南疆盆地即天山以南，昆侖山系以北的廣袤地區，主要為塔里木盆地。行政區劃包括巴州、克州、阿克蘇地區、喀什地區以及和田地區等五地州。南疆盆地主要地貌為風積荒漠，零星分布有河流沖洪積綠洲，主要沿盆地邊緣展布。

南疆盆地屬于典型內陸暖溫帶，地處高緯度地區，年日照時間達2 500～3 500 h。年平均氣溫10～13℃，日平均大于10℃的年累積氣溫4 000℃以上，年平原無霜期200～220 d。

南疆盆地降水稀少，降水分布規律是：盆地邊緣多于盆地中心，迎風坡多于背風坡，天山南坡20～400mm，昆侖山北坡200～300mm。塔里木盆地西及北緣50～70mm，東及南緣20～50mm，中心不到20mm。

盆地邊緣平均風速為2.1m/s，多年平均8級以上的大風30 d，最大風速18m/s，瞬間最大風速可達25m/s。盆地中部沙漠區盛行偏東風，年均浮塵天氣達200多天。

南疆盆地三面環山，水流由盆地邊緣向中部匯聚，最終匯入羅布泊。由于氣候和人工開采利用等原因，現今基本無水流匯入羅布泊。

南疆盆地地層主要為第四紀全新世風積層和沖洪積層。其中沖洪積層面積狹小，約占盆地5.0%，呈點狀分布于河床和河流兩岸，綠洲就發展于此。風積層面積占盆地面積的95.0%，廣袤的沙漠均為風積層，其表面被風積砂覆蓋。

風積砂即主要在風的作用下，滾動漂浮遷移等沉積形成的砂層。主要分布于沙漠、戈壁。其粒徑組為0.075～0.250mm的粉細砂，含量在90%。粒徑組大于0.250mm的含量非常少，不到1.0%；粒徑組小于0.075mm的含量少于9.0%[1-3]。

風積砂由于粒徑小于0.075mm的粉粒和粘粒含量很少，使得其表面活性很低，松散、無聚合性，具有明顯的非塑性，成型困難，而且成型后的穩定性能也較差[4-5]。

風積砂屬于非親水性土，砂顆粒表面對水的物理吸附作用很小，天然狀態下的吸水率很小，幾乎在0%附近。

本文根據在南疆五地州的實際工作經驗，結合前人工作成果，對南疆盆地風積砂基本工程地質特性進行分析和總結。

2 物理性質

2.1 粒度及礦物成分

風積砂的外形和顆粒大小與礦物成分有關，大部分呈棱角狀和磨圓狀，分選程度差。粒徑大于0.25mm的幾乎全是石英，粒徑在0.250～0.075mm的以石英、長石、云母為主，其次還分布有少量輝石、角閃石、方解石等，其外形基本完好，保持有原生礦物的晶體結構特征。粒徑小于0.075mm的則含有黏土礦物等。

風積砂粒度成分以細顆粒0.250～0.075mm為主，極細顆粒0.075～0.050mm次之，粗顆粒0.50～0.25mm較少，大于0.50mm和小于0.05mm的顆粒非常少。

反映風積砂均勻程度指標不均勻系數Cu一般為1.5～3.8，曲率系數Cc多在1.0～2.5，中值粒徑d50為0.1～0.2mm，屬于級配不良粉細砂或粉土質砂。個別地區受地質條件和地理環境的影響，其礦物成分和粒徑組成稍顯不同，總體呈由山腳向盆地中部逐漸變細。

2.2 顆粒組成

風積砂的相對質量密度一般為2.68～2.70，主要與石英、長石、云母、輝石、角閃石、方解石等礦物成分有關。天然密度為1.40～1.80 g/cm3，天然含水率在0.0%～10.0%，含水率越小天然密度也越小。據現場試驗，風積砂丘天然含水率小于1.0%，天然密度為1.4 g/cm3。接近綠洲區，含水率和天然密度逐漸增大，含水率最高可達10%，天然密度達到1.8 g/cm3。

2.3 密實程度

微觀密實程度指標孔隙比e在0.4～1.0，孔隙率n為0.4～0.8。密實程度隨厚度（埋深）增大有所提高。

宏觀密實程度指標相對密實度Dr，地表的Dr值大多小于0.33，密實度分類屬于松散；3.0m以下，密實度有所提高，其Dr值可達0.50，密實度分類屬于中等密實；5.0m以下Dr值可大于0.67，密實度分類屬于中等密實-密實。

3 力學性質

風積砂的力學性質包括壓縮變形性、抗剪（剪斷）性、地基承載力、擊實性質，其力學性質總體表現不好。

3.1 壓縮變形

風積砂屬單粒松散結構，顆粒之間基本無粘結，其壓縮性取決于顆粒級配、顆粒形態、原始孔隙比和相對密度等。在外力作用下壓縮變形速度很快，變形大部分屬于永久變形，彈性變形部分很小，即通常壓力作用下風積砂的壓縮變形是顆粒移動和結構變形的結果。

處于疏松狀態的風積砂采用機械很容易達到密實狀態，風積砂地基上的建筑物沉降一般很小，且在施工過程中就完成大部分變形，地基沉降基本完成[1]。

根據工程相關試驗，地表表層風積砂的壓縮系數a1～2大多大于0.5MPa-1，壓縮模量Es基本小于5 MPa，屬于高壓縮性土，變形性很強。隨著厚度（埋深）壓縮系數逐漸變小，逐漸變為中等壓縮和低壓縮性土，壓縮系數a1～2在0.1～0.5MPa-1，變形性逐漸轉小。

3.2 抗剪（剪斷）

風積砂的抗剪（剪斷）反應風積砂抵抗剪切破壞的能力，主要指標為粘聚力C和內摩擦角Ψ，該指標值一般較小，反映風積砂抗剪（剪斷）的能力弱。

粘聚力C值很小，約1.0 kPa，由于其細小顆粒含量極少，且主要是由砂粒間咬合剪脹引起的，甚至可以忽略不計。

內摩擦角Ψ一般不大，由含有的粗顆粒所致。其值受顆粒組成、顆粒型態、礦物成分、密實程度和剪切速率控制，內摩擦角Ψ一般為20°左右。

3.3 承載力

風積砂的承載力一般較小，尤其是地表承載力值較小，不經過處理不宜直接修建建筑物。但隨著埋深和密實度增大，承載力有所提高[2]。根據在南疆五地州和前人工程經驗可知，南疆盆地風積砂承載力值fa一般為50～120 kPa，變形模量Eo多在5.0～15.0MPa。

3.4 擊實特性

天然狀態下的風積砂基本為松散狀態，工程性能很差，承載力低，回彈模量小，變形性大。但對風積砂擊實后其工程特性顯著提高，并能獲得最大干密度和最優含水量，該指標可用于指導現場壓實作業和檢驗現場壓實作業質量。

風積砂的用輕型擊實試驗法確定的最大干密度為1.8 g/cm3左右，幾乎是天然狀態下的1.5倍，最優含水量約為10%。

4 水力性質

4.1 滲透及滲透變形

南疆盆地風積砂天然狀態下的滲透系數為n× 10-3cm/s，擊實后水力學特性得到很大改善，滲透系數將為n×10-4cm/s，或者更小。

風積砂巖性主要為粉土質砂，屬于無粘性土。在水力作用下的滲透變形類型主要為流土型。臨界水力比降依據下式確定[3]。

（1）式中，Jcr為土的臨界水力比降，Gs為土的顆粒比重，n為土的孔隙率。上式計算結果應根據工程重要性，除以1.5～2.0的安全系數。當實際值小于計算結果值時，將不發生滲透變形。

4.2 濕陷及濕陷性

在200 kPa壓力下浸水載荷試驗的附加濕陷量和承壓板寬度之比等于或大于0.023的土，即判定該土為濕陷性土[4]。對于風積砂是否為濕陷性土，及其濕陷機理的研究基本還在摸索階段，很多技術正在不斷完善中。本文對南疆盆地工程項目進行了分析總結，并結合當前研究成果，總結如下[5]：

南疆盆地風積粉土質砂具有濕陷性，該土屬于輕-中等濕陷性土。其濕陷性與土中細顆粒含量有關，且粉粒粘粒含量越多，濕陷性越強。風積砂的濕陷性與土的干密度有關，干密度越大，濕陷性越弱，當干密度大于1.6 g/cm3時，濕陷性基本不存在。

5 化學性質

5.1 脹縮性

南疆盆地中風積砂天然狀態下的硫酸鈉含量約為0.05%，小于1%，基本不具有鹽脹性。pH值為9.0左右，易溶鹽含量為0.5 g/kg，即0.05‰，小于0.3%，判定風積砂為非鹽漬巖土[6]。

5.2 腐蝕性

南疆盆地中風積砂硫酸鹽含量（SO42-）一般小于1.0mmol/kg，鎂鹽含量（Mg42+）大多為0.2mmol/kg，氯鹽（Cl-）含量約2.0mmol/kg，對天然建筑材料不具有腐蝕性。

6 結論

通過以上分析總結，可以得出以下結論，南疆盆地風積砂工程地質性質表現為：（1）少雨多風干旱環境下，風積砂屬于單一結構，級配不良，具有松散結構，基本無可塑性，屬于高壓縮性土。（2）抗剪（剪斷）強度低，粘聚力小，內摩擦角不大，表現為顆粒間交錯鑲嵌與咬合作用。風積砂承載力不大，但壓縮變形快。具有較好的擊實性，擊實（壓實）后物理力學性質顯著提高。（3）風積砂屬于非親水性土，具中等透水性土，滲透系數較大，擊實（壓實）后，滲透性能改善，滲透系數變小。存在流土型滲透變形，具有見水濕陷的性質。（4）南疆盆地風積砂天然狀態下基本不具有鹽脹性，為非鹽漬巖土，對天然建筑材料不具有腐蝕性。建議在南疆盆地工程項目中充分結合風積砂的以上工程地質特性，揚長避短，確保工程質量，提高經濟效益。

[1]建筑地基基礎設計規范（GB 50007-2011）[M].北京：中國建筑工業出版社，2011.

[2]游富洋.風積砂地基承載力的確定[J].煤炭工程2012（8）：43-45.

[3]水利水電工程地質勘察規范（GB 50487-2008）[M].北京：中國建筑工業出版社，2009.

[4]工程地質手冊（第四版）[M].北京：中國建筑工業出版社，2009.

[5]曾正中.騰格里沙漠南緣風積砂土濕陷性研究[J].甘肅科學學報2000，12（6）：63-68.

[6]巖土工程勘察規范（GB 50021-2011）（2009年版）[M].北京：中國建筑工業出版社，2009.

2015—11—20