紅黏土改良風(fēng)積沙基礎(chǔ)物理力學(xué)性能試驗(yàn)研究

吳景芳

（甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，蘭州 730000）

1 工程概況

民勤縣污水處理廠—蘇武沙漠戈壁農(nóng)業(yè)示范園供水工程，地處甘肅省民勤縣騰格里沙漠邊緣，該工程是為充分利用中水資源，對(duì)蘇武沙漠戈壁農(nóng)業(yè)示范園綠化、灌溉而新建的供水工程。從民勤縣污水處理廠引水，管線輸水到蘇武沙漠戈壁農(nóng)業(yè)示范園區(qū)，擬建管線長(zhǎng)度為29.825 km，在沙漠沙雕創(chuàng)作園附近擬建景觀蓄水池。

擬建的蓄水池場(chǎng)地天然地基為風(fēng)積沙，風(fēng)積沙開(kāi)挖邊坡穩(wěn)定性差、地基承載力低、壓縮變形大。工程區(qū)沿線可作為填筑料源的細(xì)粒土奇缺，管線沿途的粉質(zhì)黏土位于地表以下，開(kāi)挖棄料較多，可利用率低，運(yùn)至蓄水池場(chǎng)地用于填筑池底、池堤成本較高。

在水利水電工程中，充分合理利用原材料，就地取材，不但能節(jié)約成本、降低工程造價(jià)，而且還能起到保護(hù)環(huán)境的作用。風(fēng)積沙是沙子在風(fēng)力作用下搬運(yùn)、積淀的沙層，多見(jiàn)于沙漠、戈壁。由于風(fēng)積沙粉粒和黏粒含量很少，表面活性很低，松散、無(wú)黏聚性和親水性，水份保持時(shí)間短，成型困難，具有明顯的非塑性。因此，將風(fēng)積沙作為一般土填筑料使用時(shí)，其物理力學(xué)性質(zhì)達(dá)不到質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)的要求。但是，若將黏土按照一定比例摻加到風(fēng)積沙中，增加材料的黏粒含量，提高可塑性和防滲性，其技術(shù)指標(biāo)不僅能滿足一般土填筑料使用，而且能夠滿足一般土防滲料使用[1，2]。為尋求工程建設(shè)中的填筑料和防滲料，借鑒紅崖山水庫(kù)加高擴(kuò)建工程施工經(jīng)驗(yàn)，建議采用蘇武山紅黏土料與蓄水池場(chǎng)地的風(fēng)積沙進(jìn)行摻配使用。

通過(guò)試驗(yàn)論證天然風(fēng)積沙與蘇武山紅黏土摻配的合適比例，在滿足各項(xiàng)質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)要求前提下，對(duì)景觀蓄水池風(fēng)積沙地基進(jìn)行人工改良，并作為填筑料和防滲料使用。使兩種材料有機(jī)地結(jié)合在一起，發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)，消除材料的不利因素，能達(dá)到工程建設(shè)材料的要求和降低工程成本的目的。

2 試驗(yàn)材料和方法

①試驗(yàn)用風(fēng)積沙：在擬建蓄水池場(chǎng)地，由鉆孔和探坑不同深度處取具代表性試樣4 組；②紅黏土：蘇武山料場(chǎng)隨機(jī)取樣2組。顆粒分析見(jiàn)表1。

取4組風(fēng)積沙（編號(hào)：風(fēng)積沙1、風(fēng)積沙2、風(fēng)積沙3、風(fēng)積沙4）和風(fēng)積沙的混合物（編號(hào)：風(fēng)積沙混），將2組紅黏土（編號(hào)為：黏土1和黏土2）和紅黏土的混合物（編號(hào)：黏土混），分別按照質(zhì)量比5%、10%、15%、20%、30%、50%摻配到風(fēng)積沙中（編號(hào)：配1、配2、配3、配4、配5、配6），分別進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)、界限含水率（過(guò)0.5 mm 的分析篩）、固結(jié)試驗(yàn)、滲透試驗(yàn)、有機(jī)質(zhì)含量和易溶鹽含量試驗(yàn)。

表1 顆粒分析

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 顆粒分析改良結(jié)果

摻配風(fēng)積沙顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

從顆粒分析試驗(yàn)成果可看出：蘇武山紅黏土不含砂粒，粉粒和黏粒含量分別占到57%和43%；風(fēng)積沙砂粒含量占到88%，沒(méi)有黏粒含量；隨著紅黏土摻配比例從5%增加到50%，改良后風(fēng)積沙的黏粒含量相應(yīng)地從4%增加到27%，土定名也由砂土變?yōu)橹腥劳痢⒅厝劳痢?/p>

根據(jù)《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》（SL251-2015）中技術(shù)指標(biāo)的要求[3]，紅黏土改良風(fēng)積沙的摻配比例為15%、20%、30%、50%時(shí)顆粒分布均勻，黏粒含量能達(dá)到一般土填筑料技術(shù)指標(biāo)的要求；摻配比為20%、30%、50%時(shí)，黏粒含量能達(dá)到一般土防滲料技術(shù)指標(biāo)的要求。

圖1 顆分曲線

3.2 最大干密度試驗(yàn)結(jié)果

風(fēng)積沙屬于無(wú)黏性土[4]，其最大干密度應(yīng)采取振動(dòng)錘擊法進(jìn)行試驗(yàn)；紅黏土屬于黏性土，采用擊實(shí)試驗(yàn)方法。經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，風(fēng)積沙采用擊實(shí)試驗(yàn)獲得的最大干密度略低于振動(dòng)錘擊法的最大干密度。考慮到便于風(fēng)積沙中摻配紅黏土、風(fēng)積沙混合樣和黏土混合樣綜合分析比對(duì)，故采用輕型擊實(shí)試驗(yàn)方法對(duì)不同材料進(jìn)行試驗(yàn)，獲取其最大干密度和最優(yōu)含水率。

試驗(yàn)成果見(jiàn)表2，擊實(shí)曲線見(jiàn)圖2。

表2 擊實(shí)試驗(yàn)成果表

圖2 擊實(shí)曲線

從圖2 可看出：風(fēng)積沙混合樣擊實(shí)曲線為“倒S”，曲線較平緩，干密度隨含水率的變化不明顯，呈小幅波動(dòng)，說(shuō)明含水率對(duì)干密度影響較小；紅黏土混合樣擊實(shí)曲線呈下凹型拋物線，曲線較陡，干密度隨含水率的變化明顯，呈大幅波動(dòng)，含水率變化對(duì)干密度影響敏感；紅黏土改良風(fēng)積沙的摻量從5%增加到20%時(shí)，最優(yōu)含水率從11.6%增大到13.5%，最大干密度從1.81g/cm3增大到1.91g/cm3。曲線類(lèi)型也逐漸從較緩的“倒S”轉(zhuǎn)變?yōu)檩^陡的下凹型曲線。說(shuō)明紅黏土摻量在這個(gè)范圍內(nèi)，含水率變化對(duì)干密度影響逐漸變得敏感；摻量在20%～50%之間時(shí)，最優(yōu)含水率從13.5%增大到16.8%，最大干密度從1.91 g/cm3降低到1.89 g/cm3。說(shuō)明紅黏土摻量在這個(gè)范圍內(nèi)，最優(yōu)含水率增大，最大干密度降低。

3.3 界限含水率、滲透、固結(jié)、有機(jī)質(zhì)含量、易溶鹽含量試驗(yàn)結(jié)果

界限含水率試驗(yàn)土樣過(guò)孔徑0.5 mm的篩，采用液塑限聯(lián)合測(cè)定法；滲透試驗(yàn)采用變水頭滲透試驗(yàn)法[5，6]；固結(jié)試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)，選取100～200 kPa范圍的壓縮系數(shù)a1-2來(lái)衡量其壓縮性。壓縮系數(shù)a1-2＜0.1 MPa-1為低壓縮性土，壓縮系數(shù)0.1 MPa-1＜a1-2＜0.5 MPa-1為中壓縮性土，壓縮系數(shù)a1-2＞0.5 MPa-1為高壓縮性土；有機(jī)質(zhì)含量試驗(yàn)采用重鉻酸鉀滴定、易溶鹽總量測(cè)定使用烘干法，試驗(yàn)成果見(jiàn)表3。

表3 物理力學(xué)性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)成果表

由表3可看出：風(fēng)積沙混合樣無(wú)塑性，紅黏土液限48、塑限24、塑性指數(shù)24。隨著紅黏土摻量增加，塑性指數(shù)由無(wú)塑性增加到11.10。摻配比例為15%、20%、30%、50%時(shí)塑性指數(shù)達(dá)到一般土填筑料技術(shù)指標(biāo)的要求，摻配比例為20%、30%、50%時(shí)，塑性指數(shù)達(dá)到一般土防滲料技術(shù)指標(biāo)的要求。

風(fēng)積沙滲透系數(shù)為6×10-4cm/s，紅黏土滲透系數(shù)為3×10-8cm/s。隨著紅黏土摻配比例的增加滲透系數(shù)變小，摻配比例為10%、15%、20%、30%、50%時(shí)可達(dá)到一般土填筑料和一般土防滲料技術(shù)指標(biāo)的要求。

風(fēng)積沙飽和后壓縮系數(shù)a1-2為0.08 MPa-1，低壓縮性土；紅黏土飽和后壓縮系數(shù)a1-2為0.31 MPa-1，中壓縮性土；紅黏土摻配比例為10%、15%、20%、30%、50%時(shí)，均屬于中、低壓縮性土。

有機(jī)質(zhì)含量試驗(yàn)值均小于2%，易溶鹽含量試驗(yàn)值均小于3%，達(dá)到《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》（SL251-2015）中一般土填筑料和一般土防滲料技術(shù)指標(biāo)中的要求。

技術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比表見(jiàn)表4。

表4 紅黏土改良風(fēng)積沙技術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比表

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)摻配紅黏土改良風(fēng)積沙的物理力學(xué)性能試驗(yàn)比對(duì)研究，證明隨著摻配紅黏土比例的增大，黏粒含量增加，液塑限和塑性指數(shù)也逐步增大，增加了可塑性。最優(yōu)含水率和最大干密度增大，增加了壓實(shí)性能。滲透系數(shù)逐漸減小，改良了風(fēng)積沙的非親水性，增加了防滲性能。

從改良效果和摻配紅黏土成本等方面綜合考慮，改良風(fēng)積沙摻紅黏土比例作為一般土填筑料使用時(shí)選用15%，作為一般土防滲料使用時(shí)選用20%，可使其各項(xiàng)性能達(dá)到相對(duì)最佳水平。加大紅黏土摻量也能滿足其質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)的要求，但成本增加較多，不建議使用。