紅黏土改良風積沙基礎物理力學性能試驗研究

吳景芳

（甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，蘭州 730000）

1 工程概況

民勤縣污水處理廠—蘇武沙漠戈壁農業示范園供水工程，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，對蘇武沙漠戈壁農業示范園綠化、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業示范園區，擬建管線長度為29.825 km，在沙漠沙雕創作園附近擬建景觀蓄水池。

擬建的蓄水池場地天然地基為風積沙，風積沙開挖邊坡穩定性差、地基承載力低、壓縮變形大。工程區沿線可作為填筑料源的細粒土奇缺，管線沿途的粉質黏土位于地表以下，開挖棄料較多，可利用率低，運至蓄水池場地用于填筑池底、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，不但能節約成本、降低工程造價，而且還能起到保護環境的作用。風積沙是沙子在風力作用下搬運、積淀的沙層，多見于沙漠、戈壁。由于風積沙粉粒和黏粒含量很少，表面活性很低，松散、無黏聚性和親水性，水份保持時間短，成型困難，具有明顯的非塑性。因此，將風積沙作為一般土填筑料使用時，其物理力學性質達不到質量技術指標的要求。但是，若將黏土按照一定比例摻加到風積沙中，增加材料的黏粒含量，提高可塑性和防滲性，其技術指標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]。為尋求工程建設中的填筑料和防滲料，借鑒紅崖山水庫加高擴建工程施工經驗，建議采用蘇武山紅黏土料與蓄水池場地的風積沙進行摻配使用。

通過試驗論證天然風積沙與蘇武山紅黏土摻配的合適比例，在滿足各項質量技術指標要求前提下，對景觀蓄水池風積沙地基進行人工改良，并作為填筑料和防滲料使用。使兩種材料有機地結合在一起，發揮其優點，消除材料的不利因素，能達到工程建設材料的要求和降低工程成本的目的。

2 試驗材料和方法

①試驗用風積沙：在擬建蓄水池場地，由鉆孔和探坑不同深度處取具代表性試樣4 組；②紅黏土：蘇武山料場隨機取樣2組。顆粒分析見表1。

取4組風積沙（編號：風積沙1、風積沙2、風積沙3、風積沙4）和風積沙的混合物（編號：風積沙混），將2組紅黏土（編號為：黏土1和黏土2）和紅黏土的混合物（編號：黏土混），分別按照質量比5%、10%、15%、20%、30%、50%摻配到風積沙中（編號：配1、配2、配3、配4、配5、配6），分別進行顆粒分析試驗、擊實試驗、界限含水率（過0.5 mm 的分析篩）、固結試驗、滲透試驗、有機質含量和易溶鹽含量試驗。

表1 顆粒分析

3 試驗結果與分析

3.1 顆粒分析改良結果

摻配風積沙顆粒分析試驗結果見圖1。

從顆粒分析試驗成果可看出：蘇武山紅黏土不含砂粒，粉粒和黏粒含量分別占到57%和43%；風積沙砂粒含量占到88%，沒有黏粒含量；隨著紅黏土摻配比例從5%增加到50%，改良后風積沙的黏粒含量相應地從4%增加到27%，土定名也由砂土變為中壤土、重壤土。

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

圖1 顆分曲線

3.2 最大干密度試驗結果

風積沙屬于無黏性土[4]，其最大干密度應采取振動錘擊法進行試驗；紅黏土屬于黏性土，采用擊實試驗方法。經試驗發現，風積沙采用擊實試驗獲得的最大干密度略低于振動錘擊法的最大干密度?？紤]到便于風積沙中摻配紅黏土、風積沙混合樣和黏土混合樣綜合分析比對，故采用輕型擊實試驗方法對不同材料進行試驗，獲取其最大干密度和最優含水率。

試驗成果見表2，擊實曲線見圖2。

表2 擊實試驗成果表

圖2 擊實曲線

從圖2 可看出：風積沙混合樣擊實曲線為“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，說明含水率對干密度影響較小；紅黏土混合樣擊實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，含水率變化對干密度影響敏感；紅黏土改良風積沙的摻量從5%增加到20%時，最優含水率從11.6%增大到13.5%，最大干密度從1.81g/cm3增大到1.91g/cm3。曲線類型也逐漸從較緩的“倒S”轉變為較陡的下凹型曲線。說明紅黏土摻量在這個范圍內，含水率變化對干密度影響逐漸變得敏感；摻量在20%～50%之間時，最優含水率從13.5%增大到16.8%，最大干密度從1.91 g/cm3降低到1.89 g/cm3。說明紅黏土摻量在這個范圍內，最優含水率增大，最大干密度降低。

3.3 界限含水率、滲透、固結、有機質含量、易溶鹽含量試驗結果

界限含水率試驗土樣過孔徑0.5 mm的篩，采用液塑限聯合測定法；滲透試驗采用變水頭滲透試驗法[5，6]；固結試驗采用標準固結試驗，選取100～200 kPa范圍的壓縮系數a1-2來衡量其壓縮性。壓縮系數a1-2＜0.1 MPa-1為低壓縮性土，壓縮系數0.1 MPa-1＜a1-2＜0.5 MPa-1為中壓縮性土，壓縮系數a1-2＞0.5 MPa-1為高壓縮性土；有機質含量試驗采用重鉻酸鉀滴定、易溶鹽總量測定使用烘干法，試驗成果見表3。

表3 物理力學性質和化學性質試驗成果表

由表3可看出：風積沙混合樣無塑性，紅黏土液限48、塑限24、塑性指數24。隨著紅黏土摻量增加，塑性指數由無塑性增加到11.10。摻配比例為15%、20%、30%、50%時塑性指數達到一般土填筑料技術指標的要求，摻配比例為20%、30%、50%時，塑性指數達到一般土防滲料技術指標的要求。

風積沙滲透系數為6×10-4cm/s，紅黏土滲透系數為3×10-8cm/s。隨著紅黏土摻配比例的增加滲透系數變小，摻配比例為10%、15%、20%、30%、50%時可達到一般土填筑料和一般土防滲料技術指標的要求。

風積沙飽和后壓縮系數a1-2為0.08 MPa-1，低壓縮性土；紅黏土飽和后壓縮系數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，均屬于中、低壓縮性土。

有機質含量試驗值均小于2%，易溶鹽含量試驗值均小于3%，達到《水利水電工程天然建筑材料勘察規程》（SL251-2015）中一般土填筑料和一般土防滲料技術指標中的要求。

技術評價指標對比表見表4。

表4 紅黏土改良風積沙技術評價指標對比表

4 結語

通過摻配紅黏土改良風積沙的物理力學性能試驗比對研究，證明隨著摻配紅黏土比例的增大，黏粒含量增加，液塑限和塑性指數也逐步增大，增加了可塑性。最優含水率和最大干密度增大，增加了壓實性能。滲透系數逐漸減小，改良了風積沙的非親水性，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，改良風積沙摻紅黏土比例作為一般土填筑料使用時選用15%，作為一般土防滲料使用時選用20%，可使其各項性能達到相對最佳水平。加大紅黏土摻量也能滿足其質量技術指標的要求，但成本增加較多，不建議使用。