尼日爾風積砂土濕陷性試驗研究與評價

劉　彬， 張庚成， 李榮先

(1.中國海洋大學(xué)，山東 青島 266100； 2.中國石油工程建設(shè)公司華東環(huán)境巖土工程分公司，山東 青島 266071)

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尼日爾風積砂土濕陷性試驗研究與評價

劉彬1，2， 張庚成2， 李榮先2

(1.中國海洋大學(xué)，山東 青島 266100； 2.中國石油工程建設(shè)公司華東環(huán)境巖土工程分公司，山東 青島 266071)

摘要：依托撒哈拉沙漠南緣某煉廠巖土工程勘察，采用現(xiàn)場浸水載荷試驗和標準貫入試驗、室內(nèi)常規(guī)土工試驗和易溶鹽測試，研究風積砂土的濕陷性。針對試驗中浸水判穩(wěn)標準的選取、載荷板寬度換算、有效浸潤深度的影響等展開討論，給出了風積砂土濕陷性的評價方法。試驗結(jié)果及分析表明：非鹽漬的風積砂土由于其特殊的組成和沉積條件具有濕陷性；載荷試驗中加壓至200 kPa浸水觀測10～12 h，沉降達到穩(wěn)定；判斷濕陷性時，需注意圓形載荷板直徑與方形載荷板寬度的區(qū)別和換算；浸潤深度顯著影響判別結(jié)果，給出了浸潤深度未達到1.5倍載荷板寬時的濕陷性判別方法。

關(guān)鍵詞：風積砂土; 濕陷性; 浸水載荷試驗; 等效寬度; 二次判別

引用格式：劉彬， 張庚成， 李榮先. 尼日爾風積砂土濕陷性試驗研究與評價[J].中國海洋大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2016, 46(7): 99-104.

LIU Bin, ZHANG Geng-Cheng, LI Rong-Xian.Experimental study and evaluation on collapsibility of wind-blown sand in Niger[J].Periodical of Ocean University of China, 2016, 46(7): 99-104.

土的濕陷性是場地勘察的重要內(nèi)容，其中黃土的濕陷性及其評價已有了較多研究，并形成了相應(yīng)的規(guī)范[1-2]。除黃土外，碎石土[3]和砂土，特別是風積砂土[4-5]亦可能具有濕陷性，但風積砂土濕陷性的相關(guān)研究較少。風積砂土在中國及世界范圍內(nèi)多有分布，公路、鐵路以及其他相關(guān)的工程設(shè)施往往會修建在沙漠邊緣的風積砂土地基之上。因此，研究風積砂土的濕陷性試驗和評價有重要的理論和實際意義。

本文即基于尼日爾某煉廠的巖土工程勘察，對撒哈拉南緣典型風積砂土場地的濕陷性展開試驗研究，并著重討論了浸水載荷試驗判穩(wěn)標準、載荷板形狀和浸潤深度等對風積砂土濕陷性的影響。

1　工程地質(zhì)概況及尼日爾風積砂土的物理化學(xué)性質(zhì)

現(xiàn)場鉆孔取得代表性原狀樣，進行室內(nèi)基本土工試驗，測得土的物理力學(xué)性質(zhì)指標如表1所示，砂土的顆粒分析數(shù)據(jù)如表2所示，砂土的粒徑級配累計曲線如圖1所示?？梢钥闯鲲L積砂土孔隙性較大，含水率非常低，砂土顆粒較為均勻。測試得到的易溶鹽情況見表3，風積砂土易溶鹽總量遠小于0.3%，為非鹽漬土，不需要考慮其溶陷性。

但是，風積砂土濕陷是一個較為復(fù)雜的物理化學(xué)過程，受多種因素的制約和影響，與其本身的物質(zhì)成分、成因和結(jié)構(gòu)有關(guān)，該地區(qū)風積砂在天然狀態(tài)下具有一定的粘聚力(局部區(qū)域砂土粘粒含量8%左右)，干旱、降雨少，蒸發(fā)量大及滲流作用使砂土中流殘留一定量的易溶鹽(見表3)，膠結(jié)作用使其具有較高的強度和較低的壓縮性，浸水以后，易溶鹽迅速溶解，膠結(jié)作用消除使土粒容易發(fā)生位移，從而產(chǎn)生變形；同時顆粒周圍的薄膜水由于浸入而增厚，浸入顆粒之間，起到了潤滑作用。另外，風成砂土形成時間短，由于風力作用，顆粒較均勻，分選性較好， 顆粒間的孔隙較大，這也是造成濕陷的一個原因[6-9]。津德爾煉廠風積砂土具備濕陷性的形成條件和基本特征，需進一步試驗對其濕陷性進行評價。

圖1　各測點砂土顆粒分析累計曲線

2　浸水載荷試驗

結(jié)合項目巖土工程勘察的需要，在淺地表上下兩層砂土地層中，擬勘察場地范圍內(nèi)均勻布置6個浸水載荷試驗點，人工開挖試坑至目的層。試驗裝置如圖2所示，尺寸為3.2m×3.2m×1.5m的測試點3個(①層細砂)，3.2m×3.2m×2.0m的測試點3個(②層細砂)。為保持試坑中土的天然濕度和原始結(jié)構(gòu)，在承壓板周圍預(yù)留20～30cm厚的保護層。承壓板與土層接觸處墊0.5～1.0cm厚的凈砂，其粒徑為0.25～0.50mm，以保證承壓板水平并與土均勻接觸。按照規(guī)范[2]要求，施加200kPa的荷載沉降穩(wěn)定后，向試坑內(nèi)(承壓板附近)注水，始終保持200kPa荷載直至沉降穩(wěn)定。試驗過程中，觀測注水量和注水時間及其沉降量，試驗結(jié)束后開挖查看承壓板下水的滲透深度。

表1　風積砂土基本參數(shù)

Note：①Parameters；②Water content；③Gravity；④Void ratio；⑤Porosity；⑥D(zhuǎn)ensity；⑦Dry density；⑧Max dry density；⑨Optimum water content；⑩Layer fine sand.

表2　各測點砂土顆粒分析數(shù)據(jù)匯總表

表3　易溶鹽成果表

圖2　浸水載荷試驗

規(guī)范[2]未提及浸水載荷試驗的判穩(wěn)標準，目前的判穩(wěn)標準有3種：(1)濕陷性黃土單、雙線法為連續(xù)2 h內(nèi)，每小時下沉量小于0.1mm，該測試目的為判定濕陷起始壓力；(2)濕陷性黃土自重濕陷量的試坑浸水試驗為最后5d平均濕陷量小于1mm/d，停止浸水繼續(xù)觀測不小于10d，該測試為測底自重濕陷量，故浸水時間和觀測時間較長；(3)鹽漬土的溶陷性載荷試驗為穩(wěn)荷浸水后觀測5～12 d，該測試為浸潤深度(非載荷板作用深度)范圍內(nèi)土層的平均溶陷系數(shù)，鹽漬土的滲透性較大，浸水觀測時間較長。綜合考慮各判穩(wěn)方法的試驗對象和試驗?zāi)康模疚牟捎玫谝环N判穩(wěn)方法，亦即載荷試驗慢速法，連續(xù)2 h沉降不超過0.1 mm/h。根據(jù)本次6個試驗點的試驗結(jié)果，加壓至200 kPa并浸水觀測10～12 h，沉降已達到穩(wěn)定(見圖3)。

為了便于比較和驗證浸水對濕陷性砂土強度及變形的影響，同時在各個試驗點試坑內(nèi)及其附近風積砂土土層進行標準貫入試驗，結(jié)果詳見表4。

表4　浸水前后標準貫入試驗對比

Note：①Items;②Number；③No.① layer fine sand；④No.② layer fine sand；⑤Measured value；⑥Modification value；⑦Before the flooding；⑧After the flooding

圖3　浸水載荷試驗s-t曲線

3　試驗結(jié)果與分析

本次試驗采用的是圓形承壓板，面積為0.5 m2，直徑為d=80 cm，在計算承載力或壓縮模量時承壓板直徑與寬度可以互相替換，但在濕陷性判別時，規(guī)范[2]沒有說明直徑與寬度是否可以替換，也沒有規(guī)定載荷板寬度與直徑的換算關(guān)系，由于載荷板寬度(b)是濕陷性評價非常重要的影響因素，為了準確得到圓形承壓板的等效寬度，通過規(guī)范濕陷程度分類表中的判別界限與濕陷性土的標準界限(ΔFs/b≥0.023)分析計算出等效寬度。

表5　濕陷程度分類[2]

Note：①Shight；②Medium；③Strong

根據(jù)表5，當承壓板面積為0.5 m2時，附加濕陷量為1.6 cm是輕微沉降的最小界限，可以理解為此時ΔFs/b=0.023，求得b=70 cm(如載荷板為正方形，面積約為0.5m2，可以證明此表中載荷板為正方形，b為載荷板的寬度)，b/d=0.87；同樣當承壓板面積為0.25 m2時，直徑d=56.4cm，附加濕陷量為1.1cm，此時ΔFs/b=0.023，求得b=47.8cm，b/d=0.85。得出根據(jù)載荷板面積不同0.25～0.5m2，圓形載荷板的寬度與直徑的換算關(guān)系為b=0.85～0.87d。同時也驗證規(guī)范濕陷程度分類中承壓板為正方形。

測試結(jié)束后，按照ΔFs/b≥0.023或表5進行判別，在200kPa 壓力下的浸水附加濕陷量大于16.0mm的試驗土層即為濕陷性土。初步按規(guī)范判別結(jié)果見表6，僅1個測試點(測點3)有輕微濕陷，其余測點均為非濕陷點，場地范圍內(nèi)①層細砂為非濕陷～輕微濕陷，②層細砂為非濕陷，明顯與現(xiàn)場實際情況不符。

在試驗儀器拆除后，通過開挖浸水載荷試驗坑表明：大部分有效滲透深度(z，明顯浸潤深度)沒有超過1.5b=1.05m，不難理解浸水濕陷應(yīng)該只發(fā)生在有效滲透深度內(nèi)，這樣利用ΔFs/b≥0.023或者表5作為濕陷性判定界限會產(chǎn)生較大誤差。

鑒于風積砂土的特殊性，通過對類似試驗的大量分析發(fā)現(xiàn)：對于z小于1.5b的試驗點，采用類似黃土濕陷性評價標準[10]進行判別，假定濕陷系數(shù)ΔFs/z≥0.015作為濕陷性判定界限，通過對上述數(shù)據(jù)進行判別可得，3～6號試驗點ΔFs/z>0.015，可判為濕陷性土，其中3～5試驗點處的砂土為輕微濕陷，6號試驗點砂土為中等濕陷。由此可見，采用以單位附加濕陷量作為評價標準的方法更加符合實際。但由于實際ΔFs不足1.6 cm，未達到表5中輕微濕陷的下限值，所以，無法依據(jù)規(guī)范[2]對其進行濕陷程度劃分。

鑒于規(guī)范中ΔFs考慮的是z=1.5b影響深度范圍的附加沉降量，為了方便使用規(guī)范[2]中建議的方法進行土的濕陷程度分類，對于本次試驗中有效滲透深度不足1.5b的測試點，可采用線性插值法確定z=1.5b時的等效附加濕陷量ΔFs′，進行二次判別。判別結(jié)果為：3號測試點ΔFs′為18.5 mm，為輕微濕陷，4號測試點ΔFs′為21.0 mm，為輕微濕陷，5號測試點ΔFs′為17.25 mm，為輕微濕陷，6號測試點ΔFs′為33.31mm，為中等濕陷。場地范圍內(nèi)①層細砂為非濕陷～輕微濕陷，②層細砂為輕微濕陷～中等濕陷，與場地實際情況大致相同。

綜上所述：若按照規(guī)范進行初次判別，場地范圍內(nèi)①層細砂為非濕陷～輕微濕陷，②層細砂為非濕陷；而驗證有效滲透深度后的二次判別和濕陷程度分類與初判結(jié)果有很大差異，濕陷程度劃分跨越等級，甚至由非濕陷變?yōu)橹械葷裣荩斠姳?。由此可見，對于有效滲透深度小于1.5b的測試點，二次判別更能切實的反映風積砂土的濕陷程度，提高判別的準確性。

表6　試驗結(jié)果與濕陷性判別分析

Note：①Points；②Layers；③Submurged pressure；④Additional collapse amount；⑤Standard boundary；⑥Judgement based on standard；⑦Effective penetration depth；⑧Additional settlement unit；⑨Effective Additional collapse amount；⑩Judgement again

標準貫入試驗的測試結(jié)果如表6所示，浸水前后標準貫入擊數(shù)有較為顯著的變化，對于第②層的影響尤為明顯，驗證了該場地風積砂土濕陷性的存在，證明了初次判別的差異性以及二次判別的必要性。

4　結(jié)語

本文對撒哈拉沙漠南緣典型風積砂土濕陷性進行試驗和評價，得到的結(jié)論如下：

非鹽漬性風積砂土由于其特殊的物質(zhì)組成和特殊的沉積環(huán)境，同樣可能具有濕陷性，有必要進行場地濕陷性評價。風積砂土浸水載荷試驗可采用慢速法標準進行判穩(wěn)，本場地200 kPa荷載下浸水觀測10 ～12 h沉降可達到穩(wěn)定。濕陷性判別時，需注意載荷板形狀的影響，如采用0.25～0.5 m2圓形載荷板進行試驗，需按照b=0.85～0.87d換算為方形載荷板等效寬度；浸潤深度小于1.5b時，應(yīng)將總濕陷量修正為單位附加濕陷量或者等效附加濕陷量，進行二次判別。綜合判斷，本場地風積砂土具有輕微至中等的濕陷性。

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National Standard Compilation Group of the People′s Republic of China. GB50025—2004 Code of Building Construction in Collapsible Loess Regions [S]. Beijing: China Building Industry Press, 2004.

責任編輯龐旻

收稿日期：2015-10-13；

修訂日期：2015-11-10

作者簡介：劉彬(1981-)，男，碩士，注冊巖土工程師，主要從事鹽漬土、濕陷性土研究以及巖土工程勘察、設(shè)計等相關(guān)工作。E-mail:liubinmaowang@163.com

中圖法分類號：TU443

文獻標志碼：A

文章編號：1672-5174(2016)07-099-06

DOI:10.16441/j.cnkil.hdxb.20150350

Experimental Study and Evaluation on Collapsibility of Wind-Blown Sand in Niger

LIU Bin1,2, ZHANG Geng-Cheng2, LI Rong-Xian2

(1. Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2. East China Environmental & Geotechnical Engineering Branch,China Petroleum Engineering & Construction Corporation, Qingdao 266071, China)

Abstract:The collapsible of wind-blown sand were studied via in-situ soaking plate load tests, standard penetration tests, laboratory geotechnical tests and soluble salt tests in the geotechnical investigation of a refinery plant located in the south edge of the Sahara Desert. The evaluation method of wind-blown sand were proposed based on the discussions of the selection of stability criterion of soaking plate load tests, the conversion of the load plate widths and the effective infiltration depth. Results and analysis indicate that the non-salinization wind-blown sand may be collapsible due to its special composition and special depositional condition. The settlement achieves stable after 12 hour under the loading of 200 kPa. Attention should be paid to the difference and conversion between the diameter of round plate and the width of rectangle plate, and the relevant reduction formula is also provided. As the reason of the infiltration depth obviously affects the evaluation of collapsibility, a new evaluation method is proposed in the article when the infiltration depth is less than 1.5 times the width of load plate.

Key words:wind-blown sand; collapsibility; soaking plate load test; equivalent width; judgment again