巴基斯坦塔爾沙漠風(fēng)積砂土濕陷性特征

姚晨輝，夏玉云，吳學(xué)林，劉 藝，陳鐵飛，門青波

(1.機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710043 ；2.陜西省特殊巖土性質(zhì)與處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710043)

1 研究背景

“濕陷性”是指在一定壓力下受水浸濕后，土體結(jié)構(gòu)迅速破壞，并產(chǎn)生顯著附加沉陷的性能。其變形在時(shí)間上具有突變性，在空間上具有不均勻性，變形過程具有不可逆性，對(duì)工程建設(shè)具有嚴(yán)重的危害。工程界對(duì)于“濕陷性”的研究對(duì)象主要為“黃土”，在其本構(gòu)關(guān)系[1]、濕陷性機(jī)理[2-5]、濕陷性黃土試驗(yàn)及評(píng)價(jià)方法[6-7]、基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)與濕陷性的相關(guān)關(guān)系[8-10]、濕陷性黃土地基處理方面，已取得豐富的研究成果[11]。

除了黃土，粗粒土、碎石土和砂土，特別是風(fēng)積砂土亦可能具有濕陷性[12-13]，但風(fēng)積砂土濕陷性的相關(guān)研究較少。濕陷性砂土在我國主要分布在西北部，分布范圍有限，相關(guān)研究成果也較少。曾正中等[14]對(duì)我國騰格里沙漠南緣風(fēng)積粉細(xì)砂土濕陷性進(jìn)行研究,揭示了粉細(xì)砂的濕陷性。隨著我國“一帶一路”倡議實(shí)施，國外工程建設(shè)也遇到濕陷性砂土，如安哥拉羅安達(dá)市KK新城建設(shè)中遇到的“濕陷性紅砂土”[15]、尼日爾某煉廠建設(shè)中的“濕陷性風(fēng)積砂土”等[16]。

塔爾煤田位于塔爾沙漠腹地，是我國實(shí)施“一帶一路”倡議、推進(jìn)中巴經(jīng)濟(jì)走廊建設(shè)的優(yōu)先發(fā)展項(xiàng)目之一。工程建設(shè)區(qū)遇到的地基土為風(fēng)積砂土，其具有特殊的工程性質(zhì)，即遇水強(qiáng)度降低，并產(chǎn)生顯著的濕陷變形，直接影響廠區(qū)建設(shè)以及后期運(yùn)行中建筑物的安全穩(wěn)定。因此，正確認(rèn)識(shí)并評(píng)價(jià)風(fēng)積砂土的濕陷性，對(duì)在風(fēng)積砂土地區(qū)中的工程建設(shè)具有重要的指導(dǎo)意義和應(yīng)用價(jià)值。

圖1 試驗(yàn)場(chǎng)地典型地質(zhì)剖面圖

本文結(jié)合筆者承擔(dān)的塔爾沙漠風(fēng)積砂土濕陷性研究課題，在前期勘察資料的基礎(chǔ)上，采用現(xiàn)場(chǎng)浸水載荷試驗(yàn)、室內(nèi)常規(guī)土工試驗(yàn)和易溶鹽試驗(yàn)，對(duì)塔爾沙漠風(fēng)積砂土的濕陷性特征進(jìn)行分析研究。

2 試驗(yàn)概況

2.1 試驗(yàn)場(chǎng)地地質(zhì)概況

試驗(yàn)場(chǎng)地地形較為平緩，略有起伏，在鉆探深度范圍內(nèi)，整個(gè)廠區(qū)地層巖性為第四系風(fēng)積土(Qeol)，地層巖性單一，均為粉細(xì)砂。圖1為試驗(yàn)場(chǎng)地內(nèi)某一工程地質(zhì)剖面圖，土層按密實(shí)程度分為4個(gè)亞層。粉細(xì)砂①：灰黃色，干燥-稍濕，松散-稍密，層厚0.60～1.90 m；粉細(xì)砂②：灰黃色，稍濕，中密，層厚1.60～5.70 m，局部見姜結(jié)石，粒徑2～5 cm，個(gè)別可達(dá)8 cm；粉細(xì)砂③：灰白-灰黃色，稍濕，密實(shí)，層厚16.70～21.40 m，可見多量姜結(jié)石，巖芯局部呈塊狀；粉細(xì)砂④：灰黃色，稍濕，密實(shí)，大部分呈膠結(jié)狀態(tài)，該層未揭穿，最大鉆探深度50.00 m。前期地質(zhì)勘探結(jié)果表明①、②層土具有濕陷性。

2.2 試驗(yàn)方法

采用室內(nèi)常規(guī)土工試驗(yàn)和易溶鹽試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)浸水載荷試驗(yàn)等，對(duì)該地區(qū)風(fēng)積砂土的濕陷性特征進(jìn)行研究。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 顆粒分析試驗(yàn)

土體的顆粒組成特征與其來源、搬運(yùn)、沉積環(huán)境和堆積后的成土過程有著密切聯(lián)系，圖2為試驗(yàn)獲得的風(fēng)積砂土顆粒分析累計(jì)曲線。

圖2 風(fēng)積砂土顆粒分析累計(jì)曲線

從圖2可以看出，塔爾沙漠風(fēng)積砂土顆粒組成大多集中在粒徑0.25～0.075 mm，平均占78.64%，屬于粉細(xì)砂，不均勻系數(shù)平均值為2.85，曲率系數(shù)平均值為1.35。顆粒組成較單一，以細(xì)粒為主，分選性好，級(jí)配不良，黏粒含量平均僅占0.7%。顆粒在干旱的氣候條件下堆積，骨架顆粒間的干摩擦力阻礙顆粒緊密排列，顆粒間多點(diǎn)與點(diǎn)接觸，或者顆粒間通過黏粒、易溶鹽組成的膠結(jié)物而聯(lián)結(jié)在一起，而造成大量的架空孔隙，為土體的濕陷變形提供空間條件基礎(chǔ)。

3.2 易溶鹽試驗(yàn)

塔爾沙漠屬于干旱半干旱氣候，降雨少，蒸發(fā)量大，為土體中可溶鹽的富集創(chuàng)造了良好的條件，鹽類具有較強(qiáng)的膠結(jié)作用。表1為試驗(yàn)測(cè)定的風(fēng)積砂土中易溶鹽分布特征。

由表1可知，易溶鹽總量遠(yuǎn)小于0.3%，試驗(yàn)風(fēng)積砂土為非鹽漬土，土中易溶鹽主要以硫酸鹽和碳酸氫鹽的形式存在，其他鹽類分布不均勻，含量較低，易溶鹽含量一般隨深度增加而增加。

表1 風(fēng)積砂土易溶鹽含量

3.3 室內(nèi)濕陷性試驗(yàn)

采用雙線法進(jìn)行風(fēng)積砂土室內(nèi)濕陷性試驗(yàn)，測(cè)定了風(fēng)積砂土的含水率、天然密度、干密度、孔隙比、壓縮模量以及濕陷性系數(shù)等物理指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 風(fēng)積砂土室內(nèi)濕陷性試驗(yàn)成果

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出試驗(yàn)場(chǎng)地風(fēng)積砂土含水率較低，介于1.5%～4.5%，平均僅達(dá)2.5%；孔隙性較大，孔隙比介于0.662～0.820，平均值0.747；干密度介于1.46～1.59 g/cm3，平均值1.52 g/cm3；濕陷性系數(shù)介于0.009～0.067，平均值0.039，按照《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》(GB 50025—2018)[17]中濕陷性程度判定，土體的濕陷性程度屬于輕微-中等。

3.4 浸水載荷試驗(yàn)

試驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行3組浸水載荷試驗(yàn)，采用慢速維持荷載法，分8級(jí)等量加載，每級(jí)加載增量為1/8最大加載量，最大加載量為200 kPa。試驗(yàn)承壓板為圓形鋼板，壓板面積為0.5 m2，試驗(yàn)點(diǎn)距現(xiàn)地面下0.5 m(圖3)。浸水載荷試驗(yàn)結(jié)果見表3，荷載-沉降曲線見圖4。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)浸水平板載荷試驗(yàn)

表3 浸水平板載荷試驗(yàn)結(jié)果

圖4 浸水載荷試驗(yàn)p-s曲線

按照《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021—2017)[18]6.1.2條規(guī)定，在200 kPa 壓力下浸水載荷試驗(yàn)的附加沉降與承壓板寬度之比≥0.023的土體，應(yīng)判定為濕陷性土。

從浸水載荷試驗(yàn)p-s曲線可以看出，未浸水前砂土在各級(jí)壓力下的變形相對(duì)較小。荷載在125 kPa前曲線呈直線，沉降平均不到1 mm，在壓力下小顆粒移動(dòng)填充粒間孔隙，處于孔隙填充擠密階段，土體結(jié)構(gòu)未破壞；荷載在125～200 kPa之間，砂土結(jié)構(gòu)連接破壞，顆粒間相互移動(dòng)，孔隙進(jìn)一步減小；浸水后土體間膠結(jié)減弱甚至消除，沉降量瞬間增大，平均增大69.1 mm(圖5)。

圖5 砂土在浸水載荷作用下微觀結(jié)構(gòu)變化示意圖

4 風(fēng)積砂土濕陷性影響因素分析

風(fēng)積砂土濕陷是一個(gè)復(fù)雜的物理、化學(xué)過程，受多種因素的制約和影響，包括內(nèi)部因素和外部因素2類。內(nèi)部因素主要為土體本身的物質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)特征，外部因素則是水的侵入和外部荷載作用等。

4.1 顆粒組成特征

風(fēng)積砂土的顆粒組成以粒徑>0.075 mm的細(xì)粒含量為主，平均占78.6%，主要起著骨架顆粒的作用。由于該地區(qū)風(fēng)積砂土在干旱的氣候條件下堆積，骨架顆粒間的干摩擦力阻礙顆粒緊密排列，而造成大量的架空孔隙。黏粒(粒徑d≤0.005 mm)含量很少,平均不到1%，主要起膠結(jié)作用。這些都為風(fēng)積砂土的濕陷變形提供了基礎(chǔ)，圖6為黏粒含量與濕陷性系數(shù)的關(guān)系。

圖6 黏粒含量與濕陷性系數(shù)的關(guān)系

從圖6可以看出在濕陷性風(fēng)積砂土中，黏粒組(<0.005 mm)含量的多少是影響濕陷性強(qiáng)弱的主要因素，隨著黏粒含量的增多，濕陷性逐漸增強(qiáng)。

4.2 易溶鹽

土的化學(xué)成分中，與濕陷性關(guān)系密切的是易溶鹽，圖7為易溶鹽含量與濕陷性系數(shù)的關(guān)系。

圖7 易溶鹽含量與濕陷性系數(shù)的關(guān)系

從圖7可以看出，隨易溶鹽含量增多，濕陷性增大。這是因?yàn)辂}類有著較強(qiáng)的凝聚作用，膠結(jié)作用使砂土具有較高的強(qiáng)度和較低的壓縮性，在浸水作用下，黏粒周圍薄膜水增厚，黏土礦物自身產(chǎn)生膨脹，易溶鹽迅速溶解，膠結(jié)物的膠結(jié)強(qiáng)度降低甚至消除。在上部荷載作用下，骨架顆粒易于發(fā)生移動(dòng)，土中孔隙劇烈減少，引起砂土的濕陷變形。

4.3 水的作用

該地區(qū)干旱少雨，淺表部的砂土顆粒間多為鹽類或黏粒膠結(jié)，土體的濕陷性隨含水率的變化而變化，風(fēng)積砂土遇水后，有效法向應(yīng)力因孔隙水壓力增加而減?。挥捎谒臐櫥饔?，顆粒間的摩擦力相應(yīng)地降低；非抗水的黏粒膠結(jié)物由于水膜楔入而距離拉大，連結(jié)強(qiáng)度變??；水的溶解作用使土體中起膠結(jié)作用的易溶鹽迅速溶解，膠結(jié)強(qiáng)度降低甚至消除。因此，水是土體產(chǎn)生濕陷變形關(guān)鍵性的因素。

4.4 外部荷載

在外部荷載作用時(shí)，由于風(fēng)荷載作用，淺表層土體一般處于欠壓密狀態(tài)，在水的作用下骨架顆粒間的非抗水膠結(jié)物本身就發(fā)生了軟化，連結(jié)強(qiáng)度減弱，在應(yīng)力集中的情況下，加劇了顆粒之間的移動(dòng)，當(dāng)殘留的連結(jié)強(qiáng)度抵抗不了使顆粒移動(dòng)的外力時(shí)，顆粒間接觸處發(fā)生斷裂，砂土的粒狀架空結(jié)構(gòu)體系崩潰，使得土體產(chǎn)生濕陷變形。

5 濕陷性與物理指標(biāo)的相關(guān)性分析

風(fēng)積砂土的濕陷性特征是多種因素共同導(dǎo)致的結(jié)果，可通過其基本物理指標(biāo)反映?；谇捌诳辈煲约氨敬卧囼?yàn)獲得的數(shù)據(jù)成果，分析風(fēng)積砂土含水率、孔隙比、干密度等物理指標(biāo)與濕陷性的關(guān)系。

5.1 含水率與濕陷性的關(guān)系

該場(chǎng)地風(fēng)積砂土含水率普遍較低，圖8為風(fēng)積砂土含水率與濕陷性系數(shù)之間的關(guān)系。

圖8 含水率與濕陷性系數(shù)的關(guān)系

從圖8可以看出，風(fēng)積砂土的含水率分布比較集中，多介于1%～3%，其濕陷性系數(shù)與含水率之間離散性較強(qiáng)。受地質(zhì)歷史成因、地形地貌等其它因素的影響，當(dāng)風(fēng)積砂土天然含水率相同時(shí)，濕陷性系數(shù)可能不同，說明其不是唯一的影響因素，但當(dāng)含水率超過4%時(shí)，該場(chǎng)地風(fēng)積砂土基本無濕陷性。

5.2 孔隙比與濕陷性的關(guān)系

土體中存在的孔隙為濕陷性提供空間條件，圖9為風(fēng)積砂土孔隙比與濕陷性系數(shù)之間的關(guān)系。

圖9 孔隙比與濕陷性系數(shù)的關(guān)系

從圖9可以看出，風(fēng)積砂土的孔隙比多分布在0.54～0.85，風(fēng)積砂土的濕陷性與其孔隙比之間呈正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)孔隙比<0.65時(shí)，砂土的濕陷性系數(shù)均在0.015以下；當(dāng)孔隙比>0.80時(shí)，砂土的濕陷性系數(shù)均基本在0.03以上，濕陷性屬于中等。因此，可將孔隙比0.65界定為巴基斯坦塔爾沙漠風(fēng)積砂土出現(xiàn)濕陷性的濕陷起始孔隙比。

5.3 干密度與濕陷性的關(guān)系

砂土的密實(shí)程度控制其濕陷性大小，而干密度是衡量土體密實(shí)程度的指標(biāo)之一。圖10為風(fēng)積砂土干密度與濕陷性系數(shù)之間的關(guān)系。

圖10 干密度與濕陷性系數(shù)的關(guān)系

從圖10可以看出，隨著干密度的增加，風(fēng)積砂土的濕陷性系數(shù)直線減小，即風(fēng)積砂土濕陷性與干密度之間基本呈線性負(fù)相關(guān)關(guān)系。對(duì)風(fēng)積砂土而言，當(dāng)干密度<1.50 g/cm3時(shí)，風(fēng)積砂土的濕陷性表現(xiàn)較為突出；當(dāng)干密度>1.60 g/cm3時(shí)，風(fēng)積砂土基本不具有濕陷性。因此，可將干密度1.60 g/cm3界定為巴基斯坦塔爾沙漠風(fēng)積砂土是否存在濕陷性的界限干密度。

6 結(jié) 論

本文基于大量的試驗(yàn)成果，對(duì)巴基斯坦塔爾沙漠風(fēng)積砂的濕陷性特征進(jìn)行研究，主要得到以下結(jié)論：

(1)該地區(qū)風(fēng)積砂土的顆粒組成較單一，以細(xì)粒為主，平均占78.6%，黏粒含量平均僅占0.7%，分選性好，級(jí)配不良。顆粒間多點(diǎn)與點(diǎn)接觸，或者顆粒間不是直接接觸，而是通過黏粒、易溶鹽組成的膠結(jié)物而聯(lián)結(jié)在一起，而造成大量的架空孔隙，為土體的濕陷變形提供空間條件基礎(chǔ)。

(2)該地區(qū)風(fēng)積砂土的孔隙較大，孔隙比介于0.662～0.820，平均值0.747；干密度介于1.46～1.59 g/cm3，平均值1.52 g/cm3；濕陷性土主要分布在①、②層，濕陷性系數(shù)介于0.009～0.067，平均值為0.039，土體的濕陷性程度屬于輕微-中等。

(3)該地區(qū)風(fēng)積砂土濕陷性系數(shù)與含水率之間離散性較強(qiáng)，無明顯的相關(guān)關(guān)系；濕陷性系數(shù)與孔隙比呈正相關(guān)變化，當(dāng)孔隙比<0.65時(shí)，濕陷性系數(shù)均在0.015以下；濕陷性系數(shù)與干密度之間基本呈線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)干密度<1.50 g/cm3時(shí)，風(fēng)積砂土的濕陷性表現(xiàn)較為突出；當(dāng)干密度>1.60 g/cm3時(shí)，風(fēng)積砂土基本不具有濕陷性。