新疆古爾班通古特沙漠土力學性質研究

俞長隆

(新疆水利水電勘測設計研究院檢測試驗研究中心，新疆 昌吉 831100)

1 概述

古爾班通古特沙漠地處新疆北部，北緯44°15′～46°50′，東經84°50′～91°20′，沙漠內部絕大部分為固定和半固定沙丘，其面積占整個沙漠面積的97%，沙丘自身具有一定黏結強度，是防止沙漠流動的主要作用力[1]。古爾班通古特沙漠夏季極端高溫可達40℃以上，冬季極端低溫可達零下40℃以下，1 a中有5個月平均氣溫在0℃左右，平均日溫差15℃左右[2]。沙漠土在工程上按土的統一分類法可屬極細砂和粉質砂[3]，目前,對其力學性質系統研究尚顯不足[4]。孫彪等[5]對塔克拉瑪干沙漠土的成因及工程特性進行了分析，為工程的前期估算提供了依據；姚正毅等[6]對塔克拉瑪干沙漠土的力學性質進行了研究，獲得了沙漠土的力學參數；崔廣琴等[7]通過凍融循環試驗對粉質沙土的壓縮變形進行了研究，得到粉質沙土的影響因素；周鵬等[8]對新疆坎兒井沙土進行了凍融試驗研究，為坎兒井的修復提供數據。本文通過對新疆古爾班通古特沙漠土實地采樣，進行壓縮試驗、剪切試驗和凍融循環試驗，對其力學性質進行了研究，獲得了沙漠土的基本力學參數和凍融特性，為沙漠土的流動性治理提供數據支撐。

2 試驗材料與試驗方案

2.1 試驗材料

沙漠土取至于古爾班通古特沙漠邊緣地帶，為保證取樣點的隨機性，每間隔5 km取2組沙漠土樣，共取6組沙漠土。通過對取回的沙漠土進行顆分、比重、含水率、密度試驗，得到了沙漠土的基本物理力學性能指標。6組沙漠土的顆分試驗結果見表1，沙漠土的物理性能指標見表2。

表1 不同取樣點沙漠土的顆分結果

表2 沙漠土的物理性能指標

由于沙漠土為無膠結強度的散粒體，本次采用環刀法測其密度，通過試驗測得6個點濕密度，結合含水率計算干密度，其中3個取樣點的干密度分別為1.62 g/cm3、1.59 g/cm3、1.57 g/cm3。通過顆分試驗得到不均勻系數Cu均小于5，曲率系數均在1～3之間，判定沙漠土為級配不良土。為保證試驗的準確性，減少試驗誤差，本次試驗以3個取樣點的干密度來進行重塑土樣。

2.2 試驗方案

試驗均參考《土工試驗方法標準》(GBT 50123—1999)，重塑試樣的干密度分別為1.62 g/cm3、1.59 g/cm3、1.57 g/cm3，含水率均為10%。將碾散的風干沙漠土均勻加水配制含水率為10%，充分拌勻裝入塑料袋內備用。重塑土采用擊實成型，根據容器容積和要求干密度計算所需質量的濕土，倒入擊樣器內擊實到所需密度，成型完成將重塑土樣用密封薄膜包裹，防止水份蒸發流失。按規范要求對重塑土樣進行固結試驗、剪切試驗，考慮沙漠土所處的溫度環境，凍結溫度為-40℃，融化溫度為40℃，對重塑土樣分別進行0次、3次、7次、12次凍融循環試驗，1次凍融循環時間為24 h，將達到循環數的重塑土樣按要求制備后進行無側限看壓強度試驗。

3 實驗過程與結果分析

3.1 固結試驗

按試驗要求將土樣用環刀制成直徑為61.8 mm，高度為20 mm的試樣，測定含水率，每組成型2個試樣，進行固結試驗。對沙漠土施加壓力為25 kPa、50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa，每級壓力施加時間為24 h，待試樣高度穩定后施加下一級壓力，根據所得試驗結果繪制e～p曲線(見圖1)，得到各組壓縮系數與壓縮模量(見表3)。

表3 重塑沙漠土壓縮試驗結果

圖1 孔隙比e與壓力p關系曲線示意

在干密度和含水率給定的條件下，沙漠土的壓縮系數和壓縮模量基本不變。含水率均為10%，干密度為1.62 g/cm3時，沙漠土的壓縮系數是0.03 MPa-1，壓縮模量為71 MPa；干密度為1.59 g/cm3時，壓縮系數是0.02 MPa-1，壓縮模量為75 MPa；干密度為1.57 g/cm3時，壓縮系數是0.01 MPa-1，壓縮模量為79 MPa。3個取樣點的平均壓縮系數0.02 MPa-1，壓縮模量75 MPa。

3.2 抗剪強度

將重塑沙漠土樣用環刀制成直徑為61.8 mm、高度為20 mm的圓土柱，測定其含水率，每組成型4個試樣。將試樣裝入四聯電動直剪儀，分別施加100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa的壓力，以0.8 mm/min的剪切速度進行快剪試驗，記錄最大剪應力，抗剪強度試驗結果(見表4)。以抗剪強度為縱坐標，垂直壓力為橫坐標繪制抗剪強度與垂直壓力關系曲線，得到粘聚力與內摩擦角變化(見表5)。

表4 重塑沙漠土抗剪強度試驗結果

表5 重塑沙漠土抗剪強度指標

從表5中可以得到，沙漠土的粘聚力和內摩擦角變化不大，在干密度為1.62 g/cm3，含水率為10%時，沙漠土的粘聚力為6.7 kPa，內摩擦角為33°；在干密度為1.59 g/cm3，含水率為10%時，沙漠土的粘聚力為6.5 kPa，內摩擦角為34°；在干密度為1.57 g/cm3，含水率為10%時，沙漠土的粘聚力為6.3 kPa，內摩擦角為35°。3個取樣點的平均粘聚力為粘6.5 kPa，內摩擦角為34°。

3.3 凍融循環后無側限抗壓強度

將達到凍融循環次數的重塑沙漠土樣用切土器制成直徑為40 mm、高度為80 mm的圓土柱，測定其含水率，每組成型3個土柱。試樣兩端抹一薄層凡士林防止水分蒸發，試樣與加壓板剛好接觸將測力計讀數調整為0，軸向應變速率宜為每分鐘應變2%，應變進行25%后停止試驗。凍融循環次數與無側限抗壓強度關系曲線見圖2。

圖2 凍融循環次數與無側限抗壓強度關系曲線示意

從圖2中可以得出，凍融循環對沙漠土的強度影響較大。這是由于在整個凍融循環過程中，土柱內部的水分不斷體積變化，導致土顆粒產生了漲縮變形，極大的改變了其力學性質。7次凍融對沙漠土的破壞較明顯，其強度值只有初始強度的87%。隨著凍融次數的增加，沙漠土的強度值也急劇降低，12次凍融循環后只有初始強度的65%。在含水率不變的情況下，干密度越大的沙漠土，相同的凍融次數下無側限抗壓強度值越大，這是由于干密度大，土體內部的結構較完整，凍融對其影響相對較小。

4 結語

1)對沙漠土的物理性能分析，得到沙漠土的比重為2.64，3個取樣點的干密度分別為1.62 g/cm3、1.59 g/cm3、1.57 g/cm3，經顆分判定沙漠土為級配不良土。

2)通過對重塑沙漠土進行固結試驗，在干密度和含水率給定的條件下，沙漠土的壓縮系數和壓縮模量基本不變。3個取樣點的平均壓縮系數為0.02 MPa-1，壓縮模量為75 MPa。

3)對重塑沙漠土進行剪切試驗，沙漠土的粘聚力和內摩擦角變化不大，3個取樣點的平均粘聚力為粘為6.5 kPa，內摩擦角為34°。

4)凍融循環對沙漠土的強度影響較大。7次凍融對沙漠土的破壞較明顯，其強度值只有初始強度的87%，12次凍融循環后只有初始強度的65%。在含水率不變的情況下，干密度越大的沙漠土，相同的凍融次數下無側限抗壓強度值越大。