南疆盆地風(fēng)積砂工程地質(zhì)特性淺析

楊軍田，王小軍

（新疆兵團(tuán)勘測設(shè)計(jì)院（集團(tuán)）有限責(zé)任公司石河子分公司，新疆石河子832000）

南疆盆地風(fēng)積砂工程地質(zhì)特性淺析

楊軍田，王小軍

（新疆兵團(tuán)勘測設(shè)計(jì)院（集團(tuán)）有限責(zé)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(shí)際工作實(shí)踐，詳細(xì)分析和總結(jié)了南疆盆地風(fēng)積砂基本工程地質(zhì)特性，建議在南疆盆地的工程項(xiàng)目中要充分考慮當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)積砂的地質(zhì)特性，揚(yáng)長避短，確保工程質(zhì)量。

南疆盆地；風(fēng)積砂；工程性質(zhì)

1 概述

南疆盆地即天山以南，昆侖山系以北的廣袤地區(qū)，主要為塔里木盆地。行政區(qū)劃包括巴州、克州、阿克蘇地區(qū)、喀什地區(qū)以及和田地區(qū)等五地州。南疆盆地主要地貌為風(fēng)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(nèi)陸暖溫帶，地處高緯度地區(qū)，年日照時(shí)間達(dá)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(guī)律是：盆地邊緣多于盆地中心，迎風(fēng)坡多于背風(fēng)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(fēng)速為2.1m/s，多年平均8級(jí)以上的大風(fēng)30 d，最大風(fēng)速18m/s，瞬間最大風(fēng)速可達(dá)25m/s。盆地中部沙漠區(qū)盛行偏東風(fēng)，年均浮塵天氣達(dá)200多天。

南疆盆地三面環(huán)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(xiàn)今基本無水流匯入羅布泊。

南疆盆地地層主要為第四紀(jì)全新世風(fēng)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(diǎn)狀分布于河床和河流兩岸，綠洲就發(fā)展于此。風(fēng)積層面積占盆地面積的95.0%，廣袤的沙漠均為風(fēng)積層，其表面被風(fēng)積砂覆蓋。

風(fēng)積砂即主要在風(fēng)的作用下，滾動(dòng)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(xì)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(fēng)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(wěn)定性能也較差[4-5]。

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

本文根據(jù)在南疆五地州的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合前人工作成果，對(duì)南疆盆地風(fēng)積砂基本工程地質(zhì)特性進(jìn)行分析和總結(jié)。

2 物理性質(zhì)

2.1 粒度及礦物成分

風(fēng)積砂的外形和顆粒大小與礦物成分有關(guān)，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(jié)構(gòu)特征。粒徑小于0.075mm的則含有黏土礦物等。

風(fēng)積砂粒度成分以細(xì)顆粒0.250～0.075mm為主，極細(xì)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(fēng)積砂均勻程度指標(biāo)不均勻系數(shù)Cu一般為1.5～3.8，曲率系數(shù)Cc多在1.0～2.5，中值粒徑d50為0.1～0.2mm，屬于級(jí)配不良粉細(xì)砂或粉土質(zhì)砂。個(gè)別地區(qū)受地質(zhì)條件和地理環(huán)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(xì)。

2.2 顆粒組成

風(fēng)積砂的相對(duì)質(zhì)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(guān)。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(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)，風(fēng)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(qū)，含水率和天然密度逐漸增大，含水率最高可達(dá)10%，天然密度達(dá)到1.8 g/cm3。

2.3 密實(shí)程度

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

宏觀密實(shí)程度指標(biāo)相對(duì)密實(shí)度Dr，地表的Dr值大多小于0.33，密實(shí)度分類屬于松散；3.0m以下，密實(shí)度有所提高，其Dr值可達(dá)0.50，密實(shí)度分類屬于中等密實(shí)；5.0m以下Dr值可大于0.67，密實(shí)度分類屬于中等密實(shí)-密實(shí)。

3 力學(xué)性質(zhì)

風(fēng)積砂的力學(xué)性質(zhì)包括壓縮變形性、抗剪（剪斷）性、地基承載力、擊實(shí)性質(zhì)，其力學(xué)性質(zhì)總體表現(xiàn)不好。

3.1 壓縮變形

風(fēng)積砂屬單粒松散結(jié)構(gòu)，顆粒之間基本無粘結(jié)，其壓縮性取決于顆粒級(jí)配、顆粒形態(tài)、原始孔隙比和相對(duì)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(fēng)積砂的壓縮變形是顆粒移動(dòng)和結(jié)構(gòu)變形的結(jié)果。

處于疏松狀態(tài)的風(fēng)積砂采用機(jī)械很容易達(dá)到密實(shí)狀態(tài)，風(fēng)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(jù)工程相關(guān)試驗(yàn)，地表表層風(fēng)積砂的壓縮系數(shù)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(qiáng)。隨著厚度（埋深）壓縮系數(shù)逐漸變小，逐漸變?yōu)橹械葔嚎s和低壓縮性土，壓縮系數(shù)a1～2在0.1～0.5MPa-1，變形性逐漸轉(zhuǎn)小。

3.2 抗剪（剪斷）

風(fēng)積砂的抗剪（剪斷）反應(yīng)風(fēng)積砂抵抗剪切破壞的能力，主要指標(biāo)為粘聚力C和內(nèi)摩擦角Ψ，該指標(biāo)值一般較小，反映風(fēng)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(xì)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(jì)。

內(nèi)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(tài)、礦物成分、密實(shí)程度和剪切速率控制，內(nèi)摩擦角Ψ一般為20°左右。

3.3 承載力

風(fēng)積砂的承載力一般較小，尤其是地表承載力值較小，不經(jīng)過處理不宜直接修建建筑物。但隨著埋深和密實(shí)度增大，承載力有所提高[2]。根據(jù)在南疆五地州和前人工程經(jīng)驗(yàn)可知，南疆盆地風(fēng)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(shí)特性

天然狀態(tài)下的風(fēng)積砂基本為松散狀態(tài)，工程性能很差，承載力低，回彈模量小，變形性大。但對(duì)風(fēng)積砂擊實(shí)后其工程特性顯著提高，并能獲得最大干密度和最優(yōu)含水量，該指標(biāo)可用于指導(dǎo)現(xiàn)場壓實(shí)作業(yè)和檢驗(yàn)現(xiàn)場壓實(shí)作業(yè)質(zhì)量。

風(fēng)積砂的用輕型擊實(shí)試驗(yàn)法確定的最大干密度為1.8 g/cm3左右，幾乎是天然狀態(tài)下的1.5倍，最優(yōu)含水量約為10%。

4 水力性質(zhì)

4.1 滲透及滲透變形

南疆盆地風(fēng)積砂天然狀態(tài)下的滲透系數(shù)為n× 10-3cm/s，擊實(shí)后水力學(xué)特性得到很大改善，滲透系數(shù)將為n×10-4cm/s，或者更小。

風(fēng)積砂巖性主要為粉土質(zhì)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(jù)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(jì)算結(jié)果應(yīng)根據(jù)工程重要性，除以1.5～2.0的安全系數(shù)。當(dāng)實(shí)際值小于計(jì)算結(jié)果值時(shí)，將不發(fā)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(yàn)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(duì)于風(fēng)積砂是否為濕陷性土，及其濕陷機(jī)理的研究基本還在摸索階段，很多技術(shù)正在不斷完善中。本文對(duì)南疆盆地工程項(xiàng)目進(jìn)行了分析總結(jié)，并結(jié)合當(dāng)前研究成果，總結(jié)如下[5]：

南疆盆地風(fēng)積粉土質(zhì)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(xì)顆粒含量有關(guān)，且粉粒粘粒含量越多，濕陷性越強(qiáng)。風(fēng)積砂的濕陷性與土的干密度有關(guān)，干密度越大，濕陷性越弱，當(dāng)干密度大于1.6 g/cm3時(shí)，濕陷性基本不存在。

5 化學(xué)性質(zhì)

5.1 脹縮性

南疆盆地中風(fēng)積砂天然狀態(tài)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(fēng)積砂為非鹽漬巖土[6]。

5.2 腐蝕性

南疆盆地中風(fēng)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(duì)天然建筑材料不具有腐蝕性。

6 結(jié)論

通過以上分析總結(jié)，可以得出以下結(jié)論，南疆盆地風(fēng)積砂工程地質(zhì)性質(zhì)表現(xiàn)為：（1）少雨多風(fēng)干旱環(huán)境下，風(fēng)積砂屬于單一結(jié)構(gòu)，級(jí)配不良，具有松散結(jié)構(gòu)，基本無可塑性，屬于高壓縮性土。（2）抗剪（剪斷）強(qiáng)度低，粘聚力小，內(nèi)摩擦角不大，表現(xiàn)為顆粒間交錯(cuò)鑲嵌與咬合作用。風(fēng)積砂承載力不大，但壓縮變形快。具有較好的擊實(shí)性，擊實(shí)（壓實(shí)）后物理力學(xué)性質(zhì)顯著提高。（3）風(fēng)積砂屬于非親水性土，具中等透水性土，滲透系數(shù)較大，擊實(shí)（壓實(shí)）后，滲透性能改善，滲透系數(shù)變小。存在流土型滲透變形，具有見水濕陷的性質(zhì)。（4）南疆盆地風(fēng)積砂天然狀態(tài)下基本不具有鹽脹性，為非鹽漬巖土，對(duì)天然建筑材料不具有腐蝕性。建議在南疆盆地工程項(xiàng)目中充分結(jié)合風(fēng)積砂的以上工程地質(zhì)特性，揚(yáng)長避短，確保工程質(zhì)量，提高經(jīng)濟(jì)效益。

[1]建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50007-2011）[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[2]游富洋.風(fēng)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(zhì)勘察規(guī)范（GB 50487-2008）[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

[4]工程地質(zhì)手冊(cè)（第四版）[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

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

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

2015—11—20