浅析南疆盆地风积砂工程地质特点,地质工程论文

浅析南疆盆地风积砂工程地质特点,地质工程论文南疆盆地即天山以南，昆仑山系以北的广袤地区，主要为塔里木盆地。行政区划包括巴州、克州、阿克苏地区、喀什地区以及和田地区等五地州。南疆盆地主要地貌为风积荒漠，零星分布有河流冲洪积绿洲，主要沿盆地边缘展布。南疆盆地属于典型内陆暖温带，地处高纬度地区，年日照时间达2500~3500h.年平均气温10~13℃，日平均大于10℃的年累积气温4000℃以上，年平原无霜期200~220d.南疆盆地降水稀少，降水分布规律是：盆地边缘多于盆地中心，迎风坡多于背风坡，天山南坡20~400mm,昆仑山北坡200~300mm.塔里木盆地西及北缘50~70mm,东及南缘20~50mm,中心不到20mm.盆地边缘平均风速为2.1m/s,多年平均8级以上的大风30d,最大风速18m/s,霎时最大风速可达25m/s.盆地中部沙漠区盛行偏东风，年均浮尘天气达200多天。南疆盆地三面环山，水流由盆地边缘向中部会聚，最终汇入罗布泊。由于气候和人工开采利用等原因，现今基本无水流汇入罗布泊。南疆盆地地层主要为第四纪全新世风积层和冲洪积层。华而不实冲洪积层面积狭小，约占盆地5.0%,呈点状分布于河床和河流两岸，绿洲就发展于此。风积层面积占盆地面积的95.0%,广袤的沙漠均为风积层，其外表被风积砂覆盖。风积砂即主要在风的作用下，滚动漂浮迁移等沉积构成的砂层。主要分布于沙漠、戈壁。其粒径组为0.075~0.250mm的粉细砂，含量在90%.粒径组大于0.250mm的含量非常少，不到1.0%;粒径组小于0.075mm的含量少于9.0%[1-3].风积砂由于粒径小于0.075mm的粉粒和粘粒含量很少，使得其外表活性很低，松懈、无聚合性，具有明显的非塑性，成型困难，而且成型后的稳定性能也较差[4-5].风积砂属于非亲水性土，砂颗粒外表对水的物理吸附作用很小，天然状态下的吸水率很小，几乎在0%附近。本文根据在南疆五地州的实际工作经历体验，结合前人工作成果，对南疆盆地风积砂基本工程地质特性进行分析和总结。2物理性质2.1粒度及矿物成分风积砂的外形和颗粒大小与矿物成分有关，大部分呈棱角状和磨圆状，分选程度差。粒径大于0.25mm的几乎全是石英，粒径在0.250~0.075mm的以石英、长石、云母为主，其次还分布有少量辉石、角闪石、方解石等，其外形基本完好，保持有原生矿物的晶体构造特征。粒径小于0.075mm的则含有黏土矿物等。风积砂粒度成分以细颗粒0.250~0.075mm为主，极细颗粒0.075~0.050mm次之，粗颗粒0.50~0.25mm较少，大于0.50mm和小于0.05mm的颗粒非常少。反映风积砂均匀程度指标不均匀系数Cu一般为1.5~3.8,曲率系数Cc多在1.0~2.5,中值粒径d50为0.1~0.2mm,属于级配不良粉细砂或粉土质砂。个别地区受地质条件和地理环境的影响，其矿物成分和粒径组成稍显不同，总体呈由山脚向盆地中部逐步变细。2.2颗粒组成风积砂的相对质量密度一般为2.68~2.70,主要与石英、长石、云母、辉石、角闪石、方解石等矿物成分有关。天然密度为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。据现场试验，风积砂丘天然含水率小于1.0%,天然密度为1.4g/cm3.接近绿洲区，含水率和天然密度逐步增大，含水率最高可达10%,天然密度到达1.8g/cm3.2.3密实程度微观密实程度指标孔隙比e在0.4~1.0,孔隙率n为0.4~0.8.密实程度随厚度〔埋深〕增大有所提高。宏观密实程度指标相对密实度Dr,地表的Dr值大多小于0.33,密实度分类属于松懈；3.0m下面，密实度有所提高，其Dr值可达0.50,密实度分类属于中等密实；5.0m下面Dr值可大于0.67,密实度分类属于中等密实-密实。3力学性质风积砂的力学性质包括压缩变形性、抗剪〔剪断〕性、地基承载力、击实性质，其力学性质总体表现不好。3.1压缩变形风积砂属单粒松懈构造，颗粒之间基本无粘结，其压缩性取决于颗粒级配、颗粒形态、原始孔隙比和相对密度等。在外力作用下压缩变形速度很快，变形大部分属于永久变形，弹性变形部分很小，即通常压力作用下风积砂的压缩变形是颗粒移动和构造变形的结果。处于疏松状态的风积砂采用机械很容易到达密实状态，风积砂地基上的建筑物沉降一般很小，且在施工经过中就完成大部分变形，地基沉降基本完成[1].根据工程相关试验，地表表层风积砂的压缩系数a1~2大多大于0.5MPa-1,压缩模量Es基本小于5MPa,属于高压缩性土，变形性很强。随着厚度〔埋深〕压缩系数逐步变小，逐步变为中等压缩和低压缩性土，压缩系数a1~2在0.1~0.5MPa-1,变形性逐步转小。3.2抗剪〔剪断〕风积砂的抗剪〔剪断〕反响风积砂抵抗剪切毁坏的能力，主要指标为粘聚力C和内摩擦角，该指标值一般较小，反映风积砂抗剪〔剪断〕的能力弱。粘聚力C值很小，约1.0kPa,由于其细小颗粒含量极少，且主要是由砂粒间咬合剪胀引起的，甚至能够忽略不计。内摩擦角一般不大，由含有的粗颗粒所致。其值受颗粒组成、颗粒型态、矿物成分、密实程度和剪切速率控制，内摩擦角一般为20左右。3.3承载力风积砂的承载力一般较小，尤其是地表承载力值较小，不经过处理不宜直接修建建筑物。但随着埋深和密实度增大，承载力有所提高[2].根据在南疆五地州和前人工程经历体验可知，南疆盆地风积砂承载力值fa一般为50~120kPa,变形模量Eo多在5.0~15.0MPa.3.4击实特性天然状态下的风积砂基本为松懈状态，工程性能很差，承载力低，回弹模量小，变形性大。但对风积砂击实后其工程特性显着提高，并能获得最大干密度和最优含水量，该指标可用于指导现场压实作业和检验现场压实作业质量。风积砂的用轻型击实试验法确定的最大干密度为1.8g/cm3左右，几乎是天然状态下的1.5倍，最优含水量约为10%.4水力性质4.1浸透及浸透变形南疆盆地风积砂天然状态下的浸透系数为n10-3cm/s,击实后水力学特性得到很大改善，浸透系数将为n10-4cm/s,或者更小。风积砂岩性主要为粉土质砂，属于无粘性土。在水力作用下的浸透变形类型主要为流土型。临界水力比降根据下式确定[3].Jcr=〔Gs-1〕〔1-n〕〔1〕〔1〕式中，Jcr为土的临界水力比降,Gs为土的颗粒比重，n为土的孔隙率。上式计算结果应根据工程重要性，除以1.5~2.0的安全系数。当实际值小于计算结果值时，将不发生浸透变形。4.2湿陷及湿陷性在200kPa压力下浸水载荷试验的附加湿陷量和承压板宽度之比等于或大于0.023的土，即断定该土为湿陷性土[4].对于风积砂能否为湿陷性土，及其湿陷机理的研究基本还在探索阶段，很多技术正在不断完善中。本文对南疆盆地工程项目进行了分析总结，并结合当下研究成果，总结如下[5]:南疆盆地风积粉土质砂具有湿陷性，该土属于轻-中等湿陷性土。其湿陷性与土中细颗粒含量有关，且粉粒粘粒含量越多，湿陷性越强。风积砂的湿陷性与土的干密度有关，干密度越大，湿陷性越弱，当干密度大于1.6g/cm3时，湿陷性基本不存在。5化学性质5.1胀缩性南疆盆地中风积砂天然状态下的硫酸钠含量约为0.05%,小于1%,基本不具有盐胀性。pH值为9.0左右，易溶盐含量为0.5g/kg,即0.05，小于0.3%,断定风积砂为非盐渍岩土[6].5.2腐蚀性南疆盆地中风积砂硫酸盐含量〔SO42-〕一般小于1.0mmol/kg,镁盐含量〔Mg42+〕大多为0.2mmol/kg,氯盐〔Cl-〕含量约2.0mmol/kg,对天然建筑材料不具有腐蚀性。6结论通过以上分析总结，能够得出下面结论，南疆盆地风积砂工程地质性质表现为：〔1〕少雨多风干旱环境下，风积砂属于单一构造，级配不良，具有松懈构造，基本无可塑性，属于高压缩性土。〔2〕抗剪〔剪断〕强度低，粘聚力小，内摩擦角不大，表现为颗粒间交织镶嵌与咬合作用。风积砂承载力不大，但压缩变形快。具有较好的击实性，击实〔压实〕后物理力学性质显着提高。〔3〕风积砂属于非亲水性土，具中等透水性土，浸透系数较大，击实〔压实〕后，浸透性能改善，浸透系数变小。存在流土型浸透变形，具有见水湿陷的性质。〔4〕南疆盆地风积砂天然状态下基本不具有盐胀性，为非盐渍岩土，对天然建筑材料不具有腐蚀性。建议在南疆盆地工程项目中充分结合风积砂的以上工程地质特性，扬长避短，确保工程质量，提高经济效益。以下为参考文献[1]建筑地基基础设计规范〔GB50007-2018〕[M].北京：中国建筑工业出版社，2018.[2]游富洋。风积砂地基承载力的确定[J].煤炭工程2020〔8〕：43-45.[3]水利水电工程地质勘察规范〔GB504