巴基斯坦塔爾沙漠風積砂土濕陷性特征

姚晨輝，夏玉云，吳學林，劉 藝，陳鐵飛，門青波

(1.機械工業勘察設計研究院有限公司，西安 710043 ；2.陜西省特殊巖土性質與處理重點實驗室，西安 710043)

1 研究背景

“濕陷性”是指在一定壓力下受水浸濕后，土體結構迅速破壞，并產生顯著附加沉陷的性能。其變形在時間上具有突變性，在空間上具有不均勻性，變形過程具有不可逆性，對工程建設具有嚴重的危害。工程界對于“濕陷性”的研究對象主要為“黃土”，在其本構關系[1]、濕陷性機理[2-5]、濕陷性黃土試驗及評價方法[6-7]、基本物理力學性質指標與濕陷性的相關關系[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，特別是風積砂土亦可能具有濕陷性[12-13]，但風積砂土濕陷性的相關研究較少。濕陷性砂土在我國主要分布在西北部，分布范圍有限，相關研究成果也較少。曾正中等[14]對我國騰格里沙漠南緣風積粉細砂土濕陷性進行研究,揭示了粉細砂的濕陷性。隨著我國“一帶一路”倡議實施，國外工程建設也遇到濕陷性砂土，如安哥拉羅安達市KK新城建設中遇到的“濕陷性紅砂土”[15]、尼日爾某煉廠建設中的“濕陷性風積砂土”等[16]。

塔爾煤田位于塔爾沙漠腹地，是我國實施“一帶一路”倡議、推進中巴經濟走廊建設的優先發展項目之一。工程建設區遇到的地基土為風積砂土，其具有特殊的工程性質，即遇水強度降低，并產生顯著的濕陷變形，直接影響廠區建設以及后期運行中建筑物的安全穩定。因此，正確認識并評價風積砂土的濕陷性，對在風積砂土地區中的工程建設具有重要的指導意義和應用價值。

圖1 試驗場地典型地質剖面圖

本文結合筆者承擔的塔爾沙漠風積砂土濕陷性研究課題，在前期勘察資料的基礎上，采用現場浸水載荷試驗、室內常規土工試驗和易溶鹽試驗，對塔爾沙漠風積砂土的濕陷性特征進行分析研究。

2 試驗概況

2.1 試驗場地地質概況

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

2.2 試驗方法

采用室內常規土工試驗和易溶鹽試驗、現場浸水載荷試驗等，對該地區風積砂土的濕陷性特征進行研究。

3 試驗結果分析

3.1 顆粒分析試驗

土體的顆粒組成特征與其來源、搬運、沉積環境和堆積后的成土過程有著密切聯系，圖2為試驗獲得的風積砂土顆粒分析累計曲線。

圖2 風積砂土顆粒分析累計曲線

從圖2可以看出，塔爾沙漠風積砂土顆粒組成大多集中在粒徑0.25～0.075 mm，平均占78.64%，屬于粉細砂，不均勻系數平均值為2.85，曲率系數平均值為1.35。顆粒組成較單一，以細粒為主，分選性好，級配不良，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，顆粒間多點與點接觸，或者顆粒間通過黏粒、易溶鹽組成的膠結物而聯結在一起，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。

3.2 易溶鹽試驗

塔爾沙漠屬于干旱半干旱氣候，降雨少，蒸發量大，為土體中可溶鹽的富集創造了良好的條件，鹽類具有較強的膠結作用。表1為試驗測定的風積砂土中易溶鹽分布特征。

由表1可知，易溶鹽總量遠小于0.3%，試驗風積砂土為非鹽漬土，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 風積砂土易溶鹽含量

3.3 室內濕陷性試驗

采用雙線法進行風積砂土室內濕陷性試驗，測定了風積砂土的含水率、天然密度、干密度、孔隙比、壓縮模量以及濕陷性系數等物理指標，試驗結果見表2。

表2 風積砂土室內濕陷性試驗成果

從試驗數據可以看出試驗場地風積砂土含水率較低，介于1.5%～4.5%，平均僅達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；濕陷性系數介于0.009～0.067，平均值0.039，按照《濕陷性黃土地區建筑規范》(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

試驗場地進行3組浸水載荷試驗，采用慢速維持荷載法，分8級等量加載，每級加載增量為1/8最大加載量，最大加載量為200 kPa。試驗承壓板為圓形鋼板，壓板面積為0.5 m2，試驗點距現地面下0.5 m(圖3)。浸水載荷試驗結果見表3，荷載-沉降曲線見圖4。

圖3 現場浸水平板載荷試驗

表3 浸水平板載荷試驗結果

圖4 浸水載荷試驗p-s曲線

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

從浸水載荷試驗p-s曲線可以看出，未浸水前砂土在各級壓力下的變形相對較小。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填充粒間孔隙，處于孔隙填充擠密階段，土體結構未破壞；荷載在125～200 kPa之間，砂土結構連接破壞，顆粒間相互移動，孔隙進一步減??；浸水后土體間膠結減弱甚至消除，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構變化示意圖

4 風積砂土濕陷性影響因素分析

風積砂土濕陷是一個復雜的物理、化學過程，受多種因素的制約和影響，包括內部因素和外部因素2類。內部因素主要為土體本身的物質成分和結構特征，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

風積砂土的顆粒組成以粒徑>0.075 mm的細粒含量為主，平均占78.6%，主要起著骨架顆粒的作用。由于該地區風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%，主要起膠結作用。這些都為風積砂土的濕陷變形提供了基礎，圖6為黏粒含量與濕陷性系數的關系。

圖6 黏粒含量與濕陷性系數的關系

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

4.2 易溶鹽

土的化學成分中，與濕陷性關系密切的是易溶鹽，圖7為易溶鹽含量與濕陷性系數的關系。

圖7 易溶鹽含量與濕陷性系數的關系

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

4.3 水的作用

該地區干旱少雨，淺表部的砂土顆粒間多為鹽類或黏粒膠結，土體的濕陷性隨含水率的變化而變化，風積砂土遇水后，有效法向應力因孔隙水壓力增加而減??；由于水的潤滑作用，顆粒間的摩擦力相應地降低；非抗水的黏粒膠結物由于水膜楔入而距離拉大，連結強度變??；水的溶解作用使土體中起膠結作用的易溶鹽迅速溶解，膠結強度降低甚至消除。因此，水是土體產生濕陷變形關鍵性的因素。

4.4 外部荷載

在外部荷載作用時，由于風荷載作用，淺表層土體一般處于欠壓密狀態，在水的作用下骨架顆粒間的非抗水膠結物本身就發生了軟化，連結強度減弱，在應力集中的情況下，加劇了顆粒之間的移動，當殘留的連結強度抵抗不了使顆粒移動的外力時，顆粒間接觸處發生斷裂，砂土的粒狀架空結構體系崩潰，使得土體產生濕陷變形。

5 濕陷性與物理指標的相關性分析

風積砂土的濕陷性特征是多種因素共同導致的結果，可通過其基本物理指標反映?；谇捌诳辈煲约氨敬卧囼灚@得的數據成果，分析風積砂土含水率、孔隙比、干密度等物理指標與濕陷性的關系。

5.1 含水率與濕陷性的關系

該場地風積砂土含水率普遍較低，圖8為風積砂土含水率與濕陷性系數之間的關系。

圖8 含水率與濕陷性系數的關系

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

5.2 孔隙比與濕陷性的關系

土體中存在的孔隙為濕陷性提供空間條件，圖9為風積砂土孔隙比與濕陷性系數之間的關系。

圖9 孔隙比與濕陷性系數的關系

從圖9可以看出，風積砂土的孔隙比多分布在0.54～0.85，風積砂土的濕陷性與其孔隙比之間呈正相關關系。當孔隙比<0.65時，砂土的濕陷性系數均在0.015以下；當孔隙比>0.80時，砂土的濕陷性系數均基本在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積砂土出現濕陷性的濕陷起始孔隙比。

5.3 干密度與濕陷性的關系

砂土的密實程度控制其濕陷性大小，而干密度是衡量土體密實程度的指標之一。圖10為風積砂土干密度與濕陷性系數之間的關系。

圖10 干密度與濕陷性系數的關系

從圖10可以看出，隨著干密度的增加，風積砂土的濕陷性系數直線減小，即風積砂土濕陷性與干密度之間基本呈線性負相關關系。對風積砂土而言，當干密度<1.50 g/cm3時，風積砂土的濕陷性表現較為突出；當干密度>1.60 g/cm3時，風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積砂土是否存在濕陷性的界限干密度。

6 結 論

本文基于大量的試驗成果，對巴基斯坦塔爾沙漠風積砂的濕陷性特征進行研究，主要得到以下結論：

(1)該地區風積砂土的顆粒組成較單一，以細粒為主，平均占78.6%，黏粒含量平均僅占0.7%，分選性好，級配不良。顆粒間多點與點接觸，或者顆粒間不是直接接觸，而是通過黏粒、易溶鹽組成的膠結物而聯結在一起，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。

(2)該地區風積砂土的孔隙較大，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)該地區風積砂土濕陷性系數與含水率之間離散性較強，無明顯的相關關系；濕陷性系數與孔隙比呈正相關變化，當孔隙比<0.65時，濕陷性系數均在0.015以下；濕陷性系數與干密度之間基本呈線性負相關關系，當干密度<1.50 g/cm3時，風積砂土的濕陷性表現較為突出；當干密度>1.60 g/cm3時，風積砂土基本不具有濕陷性。