塔克拉瑪干沙漠風積沙工程性能試驗研究

鄭世龍

中鐵第四勘察設計院集團有限公司， 武漢 430063

風積沙是沙漠地區在風力作用下形成的粉粒、黏粒含量少的沙物質。采用風積沙作為建筑工程原材料，因地制宜，就地取材，對于推動我國西北沙漠地區基礎設施建設發展意義重大。風積沙作為公路路基填料已有較多應用。國外如阿爾及利亞The Sixth Project 沙漠公路采用風積沙作為填料新建路基，運營狀態良好。法國、伊拉克等國家在道路修建中較早使用了風積沙作為路基填料［1］。新疆維吾爾自治區省道215 線三岔口—莎車高速公路是第一次大面積以風積沙作為路基填料，其沙漠區段內以風積沙填筑的路基高度甚至超過4 m［2］。阿勒泰—烏魯木齊高速公路大部分段落在古爾班通古特沙漠區，其中150 km 路基由風積沙干壓法施工完成［3］。清伊高速公路（清水河—伊寧）有一段長約453 m 路段為風積沙路基，運營效果表明路基穩定性良好［4］。

隨著中國西部大開發，鐵路逐漸延伸到西北沙漠地區，但同樣面臨優質填料短缺的問題。為解決這一問題，本文對風積沙作為鐵路路基基床填料的工程性能開展試驗，研究成果可為風積沙鐵路路基基床的設計和施工提供參考。

1 試驗材料

試驗所用風積沙（圖1）來自新疆塔克拉瑪干沙漠南緣某鐵路施工現場，取樣位置為地表0.1 m 以下。試驗水泥為普通硅酸鹽P·O 42.5水泥，用水為長沙市自來水。

圖1 風積沙

2 試驗分析

2.1 顆粒密度和含水率試驗

對風積沙樣品進行顆粒密度試驗、密度和含水率試驗，測得風積沙顆粒密度為2.697 g/cm3，天然密度為1.58 g/cm3，天然含水率為0.9%，保水性較差。

采用量筒法、振動錘擊法進行風積沙干密度試驗，測得風積沙樣品最大干密度為1.61 g/cm3，最小干密度為1.40 g/cm3，計算得到最大、最小孔隙比分別為0.92、0.59。風積沙樣品為特細沙，處于松散狀態。

2.2 顆粒分析試驗

采用篩析法和甲種密度計法進行風積沙顆粒分析試驗，得到風積沙顆粒級配曲線，見圖2。根據TB 10102—2010《鐵路工程土工試驗規程》要求，測得風積沙粒度分布粒徑級配曲線上縱坐標10%（d10）、30%（d30）、60%（d60）所對應的粒徑分別為0.09、0.13、0.18 mm，不均勻系數、曲率系數分別為2.0、1.0。由圖2可知：在0.075 ～ 0.250 mm 粒徑范圍內，風積沙顆粒粒徑占比最大，接近97%，粉粒和黏粒均較少。風積沙粒徑分布較為集中，粒徑均勻，但級配不良。根據TB 10001—2016《鐵路路基設計規范》分類，屬間斷級配C3填料。

圖2 風積沙顆粒級配曲線

2.3 掃描電鏡試驗

根據掃描電鏡試驗可直接觀察風積沙微觀形態，試驗所用儀器為JSM6490LV 掃描電鏡儀。先在風積沙樣品表面噴涂一層導電膜，以增大風積沙導電性能。烘干冷卻后，將涂有導電膜的風積沙樣品放在掃描電鏡儀上進行觀察，見圖3。

圖3 掃描電鏡下的風積沙

由圖3（a）可知，風積沙顆粒粒徑差別較小，粒徑較均勻，通過Digital Micrograph 軟件測得風積沙主要粒徑在0.075 ～ 0.250 mm，與顆粒分析試驗結果一致。此外，風積沙空隙率接近42%，顆粒之間空隙較多，松散程度較高。

由圖3（b）可知，風積沙顆粒表面無棱角或棱角較為圓滑，不適合直接用作建筑材料，這與徐德富［5］對甘肅省河西走廊風積沙顆粒形態研究結論存在較大差異。風積沙在風力作用下移動方式主要有蠕移、躍移和懸移三種［6-10］，當風積沙粒徑在0.075 ～ 0.250 mm時，以躍移為主，且躍移過程中持續與地面或顆粒之間發生碰撞、摩擦，造成顆粒表面磨損程度較高，因此表面無棱角或棱角較為圓滑。

2.4 能譜分析試驗

能譜分析儀是微區成分分析的主要手段之一，通過能譜分析試驗，分析風積沙化學元素成分。試驗所用儀器為JSM7610F 光電子能譜儀，主要技術參數及測得的風積沙主要化學元素及含量見表1和表2。

表1 能譜儀主要技術參數

表2 風積沙主要化學元素及含量

由表2 可知：O 和Si為主要元素，兩者共占比超過81%；其次為Al、Ca、K、Na，占比接近15%。

2.5 X射線衍射分析試驗

通過開展風積沙XRD 試驗，分析風積沙的物相組成。試驗所用儀器為SmarLab9 智能X 射線衍射儀，主要技術參數見表3。

表3 衍射儀主要技術參數

風積沙的X 射線衍射光譜（X?Ray Diffraction Spectroscopy，XRD）見圖4。可見，出現較強的SiO2衍射峰（衍射角2θ= 26.6°，最高），表明風積沙內部SiO2占比最高，其次為Al2O3衍射峰（2θ= 21.2°）和CaO 衍射峰（2θ= 50.7°）。風積沙主要由SiO2、Al2O3、CaO 等物相組成，主要為SiO2晶體，優勢晶面為（101）。

圖4 風積沙XRD衍射圖譜

風積沙主要成分為SiO2，含量達74%，其余成分包括Al2O3、CaO、MgO 等。高純石英砂中SiO2含量在99.5%和99.9%之間，風積沙中SiO2含量低于高純石英砂。

2.6 擊實試驗

風積沙最優含水率及最大干密度是風積沙路基填料壓實性能的重要指標，可通過重型擊實Z3試驗測定，落錘質量4.5 kg。總共擊實3層，每層分別擊實94次。技術參數見表4。

表4 標準擊實試驗主要技術參數

風積沙擊實試驗流程為：①稱取5份烘干風積沙，每份質量約為5.5 kg，按照8%、11%、14%、16%、18%預定含水率將其與水攪拌均勻后裝袋燜料24 h；②將不同含水率風積沙分3 層分別倒入擊實筒內，平整表面，進行擊實；③拆下鋼護筒，取出擊實后的風積沙試件，用刮刀修平試件頂部和底部，稱取擊實筒和風積沙試件總質量；④用推土器將試件從試筒內推出，再由上至下從試件中心取1/4 試件直徑的土柱，裝入金屬碗中測定含水率。

水泥摻量對風積沙干密度及含水率的影響見圖5。可知：當水泥摻量為0 時，風積沙擊實曲線呈明顯單峰形；隨著含水率增大，風積沙干密度先增大后減小，最優含水率為12.5%，最大干密度為1.61 g/cm3。這與趙瑩瑩等［11］研究結果亦存在較大差異，趙瑩瑩等認為風積沙擊實曲線為雙峰形，存在兩個峰值干密度。風積沙在干燥和最優含水率下易被壓實，具有干壓和濕壓雙重特性。

圖5 水泥摻量對風積沙干密度及含水率影響

干燥狀態下風積沙黏聚力基本為0，在外荷載作用下，沙顆粒發生相對移動，沙顆粒之間相互嵌合，風積沙逐漸變得密實。當摻入少量水時，風積沙顆粒表面會形成一層水薄膜，其間引力降低［12-13］；隨著含水率繼續提高，顆粒之間水膜厚度增大，引力降低幅度增大。此外，由于水的潤滑作用，顆粒之間更易發生相對移動，因此風積沙干密度逐步提高，但含水率超過一定值后，過多的水分會使風積沙發生液化現象，部分外荷載作用擊實功被吸收，風積沙干密度出現下降。

當風積沙含水率較低時，擊實后風積沙易被振起，顆粒之間更為疏松，疏松程度甚至隨著擊實次數增多而增大。當風積沙含水率接近12.5%時，每次擊實后雖有部分風積沙仍出現鼓起疏松現象，但風積沙緊密程度隨著擊實次數增多而增大。當風積沙含水率較高時，風積沙表面液化，錘擊時風積沙向外四處飛濺，甚至部分風積沙會黏附在擊錘上，浪費了大量擊實功，隨著擊實次數增大，擊實筒頂部和底部有大量水從試件中滲出，如圖6所示。

圖6 風積沙試件中滲出水分

在風積沙中摻入水泥時，其最大干密度和最優含水率會發生變化，見圖7。可知，當水泥摻量從0 增大到4%時，最大干密度從1.61 g/cm3增大到1.76 g/cm3，增長幅度為0.16 g/cm3，最優含水率從12.5%增大到13.5%，增長幅度為1.0%。隨著水泥摻量的增大，水泥混合風積沙的最大干密度和最優含水率逐步增大，但實際增長幅度較小。整體而言，水泥的摻入能致密化風積沙內部結構，有效提高風積沙的物體力學性能。

圖7 不同水泥摻量下風積沙最大干密度和最優含水率

水泥顆粒比風積沙顆粒細，當風積沙中空隙被水泥填充時，會形成致密結構，增大了最大干密度；同時，水泥相對密度（3.1）大于風積沙相對密度（2.7），因此在風積沙中摻入水泥會使最大干密度增大。水泥混合風積沙最優含水率增加也主要是因為水泥的吸水性，水在風積沙顆粒間充當潤滑劑，降低風積沙顆粒間的摩擦力，提高壓實性能，過少的水分會使得壓實困難，因此隨著水泥摻量的增加，水泥混合風積沙最優含水率會增大。

由于風積沙不吸水，且水泥含量遠低于風積沙，因此即使水泥摻量增大到11%，但最優含水率和最大干密度實際增長幅度都較小。

2.7 直接剪切試驗

風積沙在干燥狀態下黏聚力（c）為0，內摩擦角（φ）為27.4°，抗剪能力較差。風積沙力學特性直接影響著風積沙工程的強度及穩定性，通過風積沙直接剪切試驗得到風積沙抗剪強度參數，見圖8。可知：風積沙在一定含水率狀態下黏聚力不為0，具有較低的數值，這是因為風積沙比表面積較小，缺乏表面活動性，吸水性較弱，顆粒之間咬合剪脹而形成的結構力和毛細作用產生的吸力使得風積沙在一定含水率狀態下表現出一定的假黏聚力［11］。

圖8 風積沙抗剪強度曲線

風積沙在沙漠地區分布廣泛，作為鐵路路基基床重要的填料來源，其物理力學性質較差，不滿足鐵路路基基床填料要求［14］，不能直接用于鐵路路基基床的填筑，應對風積沙進行改良處理［15］，可往風積沙中摻入水泥以優化其物理力學性質［16-18］。

3 結論

1）風積沙主要元素為O 和Si，兩者總占比超過81%；風積沙主要由SiO2、Al2O3和CaO 等物相組成，主要為SiO2晶體，優勢晶面為（101）。

2）風積沙主要粒徑為0.075～0.250 mm，占比達到97%，風積沙粒徑均勻，級配不良；風積沙顆粒松散，空隙率接近42%，顆粒表面無棱角或棱角較為圓滑。

3）風積沙擊實曲線呈明顯單峰形，最大干密度和最優含水率分別為1.61 g/cm3、12.5%，水泥混合風積沙最大干密度和最優含水率均隨著水泥摻量的增大而增大。

4）風積沙理論黏聚力和內摩擦角分別為0 和27.4°，但風積沙在一定含水率狀態下表現出一定的假黏聚力。

5）風積沙不可直接用作鐵路路基基床填料，應對風積沙進行改良處理，可往風積沙中摻入水泥以優化其物理力學性質。