准噶尔盆地白砂岩工程特性试验研究

席福来(新疆水利水电勘测设计研究院试验研究所,新疆昌吉831100)

准噶尔盆地白砂岩工程特性试验研究

席福来
(新疆水利水电勘测设计研究院试验研究所,新疆昌吉831100)

针对白砂岩能否用于水渠渠底的填充料问题,进行了试验研究。白砂岩的性状是介于硬土与软岩之间,被扰动后呈松散状。通过试验证实:细沙、中细砂经压实后,均有较好的压实性,不产生膨胀,属弱冻胀,极微透水,低压缩性,较高的抗剪强度,这些特性指标均能满足工程要求。这种材料已用于工程中,经过4年的通水运行,工程状况良好。

白砂岩;填充料;准噶尔盆地

该工程位于准噶尔盆地北部边缘,工程建筑物主要有渠道、交叉建筑物和倒虹吸。地形自北向南为河谷型阶地,冲洪积平原及低山丘陵不同地貌单元,出露的地层为第三系和第四纪,主要为第三系渐新统乌伦古河组(E2-3W),岩性为灰白色中粗砂岩、桔红色泥质砂岩及砂质泥岩,统称为白砂岩。

白砂岩的性状介于硬土与软岩之间,天然状态下含水量较少,强风化层土质松散,弱风化时稍有胶结。采用石腊封存经搬运,开封时己变成松散体砂,该细颗粒遇水后呈乳白色有腻滑感。本次试验主要研究85.7 km白砂岩渠线能否做为渠基的换填料为工程使用,进行了物理力学性试验研究工作。

1 白砂岩的颗粒粒径组成及物理性质

为了解沿渠线白砂岩的颗粒变化及不同性质,共取50组样品进行颗粒分析及物理性试验,通过大量的试验研究,白砂岩主要分为粗砂、中粗砂、中细砂、细砂4种类型。颗粒粒经变化范围见图1。物理性指标见表1。

图1 白砂岩颗粒径变化范围图Fig.1 Particle diameter variation range of white-sand rock

表1 白砂岩物理性基本性质表Table 1 The basic physics's characters of the white-sand rock

2 白砂岩压实性

对粗砂、中粗砂、中细砂、细砂不同性状白砂岩分别采用轻型及重型(轻型25击、35击、重型56击)3种不同击实功能,确定扰动土在一定量击实功能下干密度随含水率变化的关系曲线,以求得土的最大干密度和最优含水率,了解土的压实性,为工程设计和现场施工碾压提供土的压实性指标。从试验指标看:轻型击实下的最优含水率为11.6%～12.4%,最大干密度为1.81～1.88 g/cm3,粗砂、中粗砂的压实性略低于中细砂、细砂。

重型击实下的最优含水率为8.2%～9.8%,最大干密度为1.94～2.06 g/cm3,中细砂的击实干密度略高于粗砂、中粗砂的干密度。对轻型、重型2种功能下比较,在轻型击实功能的最优含水下,含水率降低3%,采用重型击实,增大击实功能时,干密度可提高10%左右。说明该砂土在较低的含水率下,严格控制含水率为9.0%～12%范围采用重型碾压机械,均有较好的压实性。

图2 白砂岩不同击实功能下pd-w关系曲线Fig.2 pd-w curves of the white-sand rock under diffferent compactions

3 白砂岩表面平板振动压实性

根据室内击实试验成果,采用重型击实试验,严格控制最优含水量,最大干密度可达2.06 g/cm3,说明在平面渠底换填时采用重型碾压工具有较好压实性。但作为1∶2.5渠边坡需达到这样效果可能会受到一定制约,在室内进行摸拟试验,控制含水率在9.0%～12.0%范围内,将试样放入直径500 mm、高220 mm的容器内,底部垫上钢板,采用无垂直压力ZF5型附着式砼外部表面平板振动设备进行压实,振动时间为60～80 s,压实后的干密度可达1.81～1.84 g/cm3,与轻型击实仪干密度相比较,基本接近0.97的压实度,参见压实效果比较见表2。建议选用ZF20或ZF22大振动力的振动器用于现场压实,可能会收到较好的压实效果。振动器主要技术指标见表3。

表2 白砂岩表面平板震动压实效果比较试验表Table 2 Comparison of compaction effects of the white-sand rock with plate vibration

表3 平板震动器主要技术指标Table 3 Main technology indexes of plate vibrators

4 白砂岩的抗剪强度及渗透性

抗剪强度试样采用应变式直剪仪,试验方法为最优含水状态下,密度控制分别为1.65,1.80,1.96 g/cm3下进行快剪,抗剪强度随干密度增大而摩擦角增大,总的变化在31.0°～39.0°范围。渗透性采用南55型渗透仪,控制不同干密度,在重型、轻型2种击实功下的最大干密度乘以0.97、相应压实度下,求出渗透系数K值,见表4。

通过以上试验结果说明该中细砂及细砂作为防渗材料,只要含水率严格控制在9.0%～12.0%范围内,使土样压实干密度达到1.85 g/cm3以上,该土均有较好的防渗性能。

5 白砂岩土的膨胀性

由于该砂岩中含有细粒颗粒土约占15%左右,对沿渠线的试样采用自由膨胀率及无荷膨胀率2种试验方法评价土的膨胀性。

表4 不同压实度下的渗透系数成果表Table 4 Permeability coefficient results with different degrees of compaction

采用白砂岩的全料及＜0.075 mm土样进行试验,试验结果:全料自由膨胀率为29.0%～41%,＜0.075 mm土样自由膨胀率为45.0%～54.0%,仅表明该砂样＜0.075 mm样品中存在膨胀性。

无荷载膨胀率试验选用白砂岩的全料,在最优含水下配制成不同干密度的试样,使用WZ-2型无荷载膨胀仪进行试验,膨胀率结果为1.5%～4.0%范围,根据有关规定“无荷载膨胀率为4.0%～7.0%时为弱膨胀性,＜4.0%为不膨胀性土,”初步判定该白砂岩为不膨胀性土。

图3 不同干密度、含水率下的冻胀率关系曲线图Table 3 The frost-heave rate curve under different dry densities, moisture contents

6 白砂岩的冻胀性

由于土体不均匀冻胀变形是寒冷区工程构筑物大量破坏的重要因素之一,因此要求对该工程的白砂岩测试冻结过程中的冻胀变形量,以便采取相应措施,确保工程构筑物的安全可靠。所以对换填料在不同密度、不同含水率下进行冻胀率试验,并作出冻胀性分级评价。

试样设备采用内径10 cm的有机玻璃筒,控制高度为5 cm,试样制好后,将盛有试样的试验盒放入低温恒温箱内,从上到下在试样的1,2,3,4 cm处插入热敏电阻,以测定试样冻胀深度。试样周侧包裹有保温材料,以保证其冻胀与实际情况相似,从上至下逐渐冻胀。安装百分表并开启恒温箱,将箱内温度调至1℃后,开始试验,箱内温度调节到-15℃并持续半小时,让试样迅速从顶面冻结,然后将箱内温度调节-2℃后以-0.2℃/h速度下降,每隔1 h测其温度及百分表读数,试验持续72 h稳定后结束试验,量测试样高度及冻结深度。

从以上试验图中看出,在同一密度下,冻胀率是随含水增高而增大,不同密度的同一饱和度,密度小时饱和含水率高,冻胀量随含水增大而增高。若将回填料施工控制干密度达1.85 g/cm3左右,含水率饱和度达100%时,冻胀率均在2.0%～3.0%范围。根据“GB50324-2001冻土工程地质勘察规范”冻胀等级划分应为弱冻胀性土。

7 初步结论

(1)白砂岩经开挖扰动而成松散砂状,严格控制含水率在9.0%～12%范围,采用重型碾压机械,具有更优压实性。

(2)扰动的白砂岩除粗砂、中粗砂以外,细砂、中细砂经击实后均有较好的压实性,不产生膨胀、属弱冻胀、极微透水、低压缩性、抗剪强度较高、均能满足工程质量指标要求。

(3)白砂岩经试验分析可用于渠基填筑料,运用工程实际后,经过4年的通水运行,工程状况良好。

(4)白砂岩在工程中的应用,使得不宜填筑的废料,变废为宝,为工程节约了大量投资,也为类似工程提供了借鉴。

[1]SL237-1999,土工试验规程[S].

[2]缪元勋,席福来.戈壁明渠白砂岩工程性质试验报告[R].昌吉:新疆水利水电勘测设计研究院,2003.

[3]刘特洪.工程建设中的膨胀土问题[M].北京:中国建筑工业出版社,1997.

(编辑:周晓雁)

Experimental Study on White-sand Rock Engineering Characteristics

XI Fu-lai
(Test Institute of Xinjiang Water Resources and Hydropower Investigation,Xinjiang Changji 831100,China)

For understanding the properties of the white-sand rock in Zhungaer basin being used as filling materials of channel foundation,a test study was performed.The characteristic of the white-sand rock is between the hard soil and soft rock.It will become loose when this rock is disturbed.The test result shows that,by compaction,fine sands and mid-fine sands of the rock possess the characteristics of non-expansion,weak freeze-expansion,exceedingly light perviousness and high shearing strength.The material was used in some engineering, which has run for 4 years,and the channel is in good order.

white-sand rock;filling material;Zhungaer basin

TV223.1

A

1001-5485(2009)05-0062-03

2008-11-30;

2008-12-16

席福来(1956-),男,河南叶县人,高级工程师,主要从事岩土力学、岩土工程方面的试验研究工作,(电话)0994-8326024(电子信箱)xfl5057@sina.com。