新疆古爾班通古特沙漠土力學性質(zhì)研究

俞長隆

(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院檢測試驗研究中心，新疆 昌吉 831100)

1 概述

古爾班通古特沙漠地處新疆北部，北緯44°15′～46°50′，東經(jīng)84°50′～91°20′，沙漠內(nèi)部絕大部分為固定和半固定沙丘，其面積占整個沙漠面積的97%，沙丘自身具有一定黏結(jié)強度，是防止沙漠流動的主要作用力[1]。古爾班通古特沙漠夏季極端高溫可達40℃以上，冬季極端低溫可達零下40℃以下，1 a中有5個月平均氣溫在0℃左右，平均日溫差15℃左右[2]。沙漠土在工程上按土的統(tǒng)一分類法可屬極細砂和粉質(zhì)砂[3]，目前,對其力學性質(zhì)系統(tǒng)研究尚顯不足[4]。孫彪等[5]對塔克拉瑪干沙漠土的成因及工程特性進行了分析，為工程的前期估算提供了依據(jù)；姚正毅等[6]對塔克拉瑪干沙漠土的力學性質(zhì)進行了研究，獲得了沙漠土的力學參數(shù)；崔廣琴等[7]通過凍融循環(huán)試驗對粉質(zhì)沙土的壓縮變形進行了研究，得到粉質(zhì)沙土的影響因素；周鵬等[8]對新疆坎兒井沙土進行了凍融試驗研究，為坎兒井的修復(fù)提供數(shù)據(jù)。本文通過對新疆古爾班通古特沙漠土實地采樣，進行壓縮試驗、剪切試驗和凍融循環(huán)試驗，對其力學性質(zhì)進行了研究，獲得了沙漠土的基本力學參數(shù)和凍融特性，為沙漠土的流動性治理提供數(shù)據(jù)支撐。

2 試驗材料與試驗方案

2.1 試驗材料

沙漠土取至于古爾班通古特沙漠邊緣地帶，為保證取樣點的隨機性，每間隔5 km取2組沙漠土樣，共取6組沙漠土。通過對取回的沙漠土進行顆分、比重、含水率、密度試驗，得到了沙漠土的基本物理力學性能指標。6組沙漠土的顆分試驗結(jié)果見表1，沙漠土的物理性能指標見表2。

表1 不同取樣點沙漠土的顆分結(jié)果

表2 沙漠土的物理性能指標

由于沙漠土為無膠結(jié)強度的散粒體，本次采用環(huán)刀法測其密度，通過試驗測得6個點濕密度，結(jié)合含水率計算干密度，其中3個取樣點的干密度分別為1.62 g/cm3、1.59 g/cm3、1.57 g/cm3。通過顆分試驗得到不均勻系數(shù)Cu均小于5，曲率系數(shù)均在1～3之間，判定沙漠土為級配不良土。為保證試驗的準確性，減少試驗誤差，本次試驗以3個取樣點的干密度來進行重塑土樣。

2.2 試驗方案

試驗均參考《土工試驗方法標準》(GBT 50123—1999)，重塑試樣的干密度分別為1.62 g/cm3、1.59 g/cm3、1.57 g/cm3，含水率均為10%。將碾散的風干沙漠土均勻加水配制含水率為10%，充分拌勻裝入塑料袋內(nèi)備用。重塑土采用擊實成型，根據(jù)容器容積和要求干密度計算所需質(zhì)量的濕土，倒入擊樣器內(nèi)擊實到所需密度，成型完成將重塑土樣用密封薄膜包裹，防止水份蒸發(fā)流失。按規(guī)范要求對重塑土樣進行固結(jié)試驗、剪切試驗，考慮沙漠土所處的溫度環(huán)境，凍結(jié)溫度為-40℃，融化溫度為40℃，對重塑土樣分別進行0次、3次、7次、12次凍融循環(huán)試驗，1次凍融循環(huán)時間為24 h，將達到循環(huán)數(shù)的重塑土樣按要求制備后進行無側(cè)限看壓強度試驗。

3 實驗過程與結(jié)果分析

3.1 固結(jié)試驗

按試驗要求將土樣用環(huán)刀制成直徑為61.8 mm，高度為20 mm的試樣，測定含水率，每組成型2個試樣，進行固結(jié)試驗。對沙漠土施加壓力為25 kPa、50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa，每級壓力施加時間為24 h，待試樣高度穩(wěn)定后施加下一級壓力，根據(jù)所得試驗結(jié)果繪制e～p曲線(見圖1)，得到各組壓縮系數(shù)與壓縮模量(見表3)。

表3 重塑沙漠土壓縮試驗結(jié)果

圖1 孔隙比e與壓力p關(guān)系曲線示意

在干密度和含水率給定的條件下，沙漠土的壓縮系數(shù)和壓縮模量基本不變。含水率均為10%，干密度為1.62 g/cm3時，沙漠土的壓縮系數(shù)是0.03 MPa-1，壓縮模量為71 MPa；干密度為1.59 g/cm3時，壓縮系數(shù)是0.02 MPa-1，壓縮模量為75 MPa；干密度為1.57 g/cm3時，壓縮系數(shù)是0.01 MPa-1，壓縮模量為79 MPa。3個取樣點的平均壓縮系數(shù)0.02 MPa-1，壓縮模量75 MPa。

3.2 抗剪強度

將重塑沙漠土樣用環(huán)刀制成直徑為61.8 mm、高度為20 mm的圓土柱，測定其含水率，每組成型4個試樣。將試樣裝入四聯(lián)電動直剪儀，分別施加100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa的壓力，以0.8 mm/min的剪切速度進行快剪試驗，記錄最大剪應(yīng)力，抗剪強度試驗結(jié)果(見表4)。以抗剪強度為縱坐標，垂直壓力為橫坐標繪制抗剪強度與垂直壓力關(guān)系曲線，得到粘聚力與內(nèi)摩擦角變化(見表5)。

表4 重塑沙漠土抗剪強度試驗結(jié)果

表5 重塑沙漠土抗剪強度指標

從表5中可以得到，沙漠土的粘聚力和內(nèi)摩擦角變化不大，在干密度為1.62 g/cm3，含水率為10%時，沙漠土的粘聚力為6.7 kPa，內(nèi)摩擦角為33°；在干密度為1.59 g/cm3，含水率為10%時，沙漠土的粘聚力為6.5 kPa，內(nèi)摩擦角為34°；在干密度為1.57 g/cm3，含水率為10%時，沙漠土的粘聚力為6.3 kPa，內(nèi)摩擦角為35°。3個取樣點的平均粘聚力為粘6.5 kPa，內(nèi)摩擦角為34°。

3.3 凍融循環(huán)后無側(cè)限抗壓強度

將達到凍融循環(huán)次數(shù)的重塑沙漠土樣用切土器制成直徑為40 mm、高度為80 mm的圓土柱，測定其含水率，每組成型3個土柱。試樣兩端抹一薄層凡士林防止水分蒸發(fā)，試樣與加壓板剛好接觸將測力計讀數(shù)調(diào)整為0，軸向應(yīng)變速率宜為每分鐘應(yīng)變2%，應(yīng)變進行25%后停止試驗。凍融循環(huán)次數(shù)與無側(cè)限抗壓強度關(guān)系曲線見圖2。

圖2 凍融循環(huán)次數(shù)與無側(cè)限抗壓強度關(guān)系曲線示意

從圖2中可以得出，凍融循環(huán)對沙漠土的強度影響較大。這是由于在整個凍融循環(huán)過程中，土柱內(nèi)部的水分不斷體積變化，導(dǎo)致土顆粒產(chǎn)生了漲縮變形，極大的改變了其力學性質(zhì)。7次凍融對沙漠土的破壞較明顯，其強度值只有初始強度的87%。隨著凍融次數(shù)的增加，沙漠土的強度值也急劇降低，12次凍融循環(huán)后只有初始強度的65%。在含水率不變的情況下，干密度越大的沙漠土，相同的凍融次數(shù)下無側(cè)限抗壓強度值越大，這是由于干密度大，土體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)較完整，凍融對其影響相對較小。

4 結(jié)語

1)對沙漠土的物理性能分析，得到沙漠土的比重為2.64，3個取樣點的干密度分別為1.62 g/cm3、1.59 g/cm3、1.57 g/cm3，經(jīng)顆分判定沙漠土為級配不良土。

2)通過對重塑沙漠土進行固結(jié)試驗，在干密度和含水率給定的條件下，沙漠土的壓縮系數(shù)和壓縮模量基本不變。3個取樣點的平均壓縮系數(shù)為0.02 MPa-1，壓縮模量為75 MPa。

3)對重塑沙漠土進行剪切試驗，沙漠土的粘聚力和內(nèi)摩擦角變化不大，3個取樣點的平均粘聚力為粘為6.5 kPa，內(nèi)摩擦角為34°。

4)凍融循環(huán)對沙漠土的強度影響較大。7次凍融對沙漠土的破壞較明顯，其強度值只有初始強度的87%，12次凍融循環(huán)后只有初始強度的65%。在含水率不變的情況下，干密度越大的沙漠土，相同的凍融次數(shù)下無側(cè)限抗壓強度值越大。