淺析南疆盆地風(fēng)積砂工程地質(zhì)特點(diǎn),地質(zhì)工程論文

淺析南疆盆地風(fēng)積砂工程地質(zhì)特點(diǎn),地質(zhì)工程論文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)2500~3500h.年平均氣溫10~13℃，日平均大于10℃的年累積氣溫4000℃以上，年平原無霜期200~220d.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級以上的大風(fēng)30d,最大風(fēng)速18m/s,霎時(shí)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會聚，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。華而不實(shí)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，其外表被風(fēng)積砂覆蓋。風(fēng)積砂即主要在風(fēng)的作用下，滾動(dòng)漂浮遷移等沉積構(gòu)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，使得其外表活性很低，松懈、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，砂顆粒外表對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)歷體驗(yàn)，結(jié)合前人工作成果，對南疆盆地風(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構(gòu)造特征。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步變細(xì)。2.2顆粒組成風(fēng)積砂的相對質(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1.40~1.80g/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1.4g/cm3.接近綠洲區(qū)，含水率和天然密度逐步增大，含水率最高可達(dá)10%,天然密度到達(dá)1.8g/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)度分類屬于松懈；3.0m下面，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下面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)積砂屬單粒松懈構(gòu)造，顆粒之間基本無粘結(jié)，其壓縮性取決于顆粒級配、顆粒形態(tài)、原始孔隙比和相對密度等。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)和構(gòu)造變形的結(jié)果。處于疏松狀態(tài)的風(fēng)積砂采用機(jī)械很容易到達(dá)密實(shí)狀態(tài)，風(fēng)積砂地基上的建筑物沉降一般很小，且在施工經(jīng)過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5MPa,屬于高壓縮性土，變形性很強(qiáng)。隨著厚度〔埋深〕壓縮系數(shù)逐步變小，逐步變?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,變形性逐步轉(zhuǎn)小。3.2抗剪〔剪斷〕風(fēng)積砂的抗剪〔剪斷〕反響風(fēng)積砂抵抗剪切毀壞的能力，主要指標(biāo)為粘聚力C和內(nèi)摩擦角，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1.0kPa,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，甚至能夠忽略不計(jì)。內(nèi)摩擦角一般不大，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)歷體驗(yàn)可知，南疆盆地風(fēng)積砂承載力值fa一般為50~120kPa,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)積砂基本為松懈狀態(tài)，工程性能很差，承載力低，回彈模量小，變形性大。但對風(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1.8g/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浸透及浸透變形南疆盆地風(fēng)積砂天然狀態(tài)下的浸透系數(shù)為n10-3cm/s,擊實(shí)后水力學(xué)特性得到很大改善，浸透系數(shù)將為n10-4cm/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。在水力作用下的浸透變形類型主要為流土型。臨界水力比降根據(jù)下式確定[3].Jcr=〔Gs-1〕〔1-n〕〔1〕〔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)生浸透變形。4.2濕陷及濕陷性在200kPa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，即斷定該土為濕陷性土[4].對于風(fēng)積砂能否為濕陷性土，及其濕陷機(jī)理的研究基本還在探索階段，很多技術(shù)正在不斷完善中。本文對南疆盆地工程項(xiàng)目進(jìn)行了分析總結(jié)，并結(jié)合當(dāng)下研究成果，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1.6g/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0.5g/kg,即0.05，小于0.3%,斷定風(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)，能夠得出下面結(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)積砂屬于單一構(gòu)造，級配不良，具有松懈構(gòu)造，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)為顆粒間交織鑲嵌與咬合作用。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?！?〕風(fēng)積砂屬于非親水性土，具中等透水性土，浸透系數(shù)較大，擊實(shí)〔壓實(shí)〕后，浸透性能改善，浸透系數(shù)變小。存在流土型浸透變形，具有見水濕陷的性質(zhì)?！?〕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。以下為參考文獻(xiàn)[1]建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范〔GB50007-2018〕[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2018.[2]游富洋。風(fēng)積砂地基承載力的確定[J].煤炭工程2020〔8〕：43-45.[3]水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范〔GB504