巴基斯坦塔尔沙漠风积砂土湿陷性特征

姚晨辉，夏玉云，吴学林，刘 艺，陈铁飞，门青波

(1.机械工业勘察设计研究院有限公司，西安 710043 ；2.陕西省特殊岩土性质与处理重点实验室，西安 710043)

1 研究背景

“湿陷性”是指在一定压力下受水浸湿后，土体结构迅速破坏，并产生显著附加沉陷的性能。其变形在时间上具有突变性，在空间上具有不均匀性，变形过程具有不可逆性，对工程建设具有严重的危害。工程界对于“湿陷性”的研究对象主要为“黄土”，在其本构关系[1]、湿陷性机理[2-5]、湿陷性黄土试验及评价方法[6-7]、基本物理力学性质指标与湿陷性的相关关系[8-10]、湿陷性黄土地基处理方面，已取得丰富的研究成果[11]。

除了黄土，粗粒土、碎石土和砂土，特别是风积砂土亦可能具有湿陷性[12-13]，但风积砂土湿陷性的相关研究较少。湿陷性砂土在我国主要分布在西北部，分布范围有限，相关研究成果也较少。曾正中等[14]对我国腾格里沙漠南缘风积粉细砂土湿陷性进行研究,揭示了粉细砂的湿陷性。随着我国“一带一路”倡议实施，国外工程建设也遇到湿陷性砂土，如安哥拉罗安达市KK新城建设中遇到的“湿陷性红砂土”[15]、尼日尔某炼厂建设中的“湿陷性风积砂土”等[16]。

塔尔煤田位于塔尔沙漠腹地，是我国实施“一带一路”倡议、推进中巴经济走廊建设的优先发展项目之一。工程建设区遇到的地基土为风积砂土，其具有特殊的工程性质，即遇水强度降低，并产生显著的湿陷变形，直接影响厂区建设以及后期运行中建筑物的安全稳定。因此，正确认识并评价风积砂土的湿陷性，对在风积砂土地区中的工程建设具有重要的指导意义和应用价值。

图1 试验场地典型地质剖面图

本文结合笔者承担的塔尔沙漠风积砂土湿陷性研究课题，在前期勘察资料的基础上，采用现场浸水载荷试验、室内常规土工试验和易溶盐试验，对塔尔沙漠风积砂土的湿陷性特征进行分析研究。

2 试验概况

2.1 试验场地地质概况

试验场地地形较为平缓，略有起伏，在钻探深度范围内，整个厂区地层岩性为第四系风积土(Qeol)，地层岩性单一，均为粉细砂。图1为试验场地内某一工程地质剖面图，土层按密实程度分为4个亚层。粉细砂①：灰黄色，干燥-稍湿，松散-稍密，层厚0.60～1.90 m；粉细砂②：灰黄色，稍湿，中密，层厚1.60～5.70 m，局部见姜结石，粒径2～5 cm，个别可达8 cm；粉细砂③：灰白-灰黄色，稍湿，密实，层厚16.70～21.40 m，可见多量姜结石，岩芯局部呈块状；粉细砂④：灰黄色，稍湿，密实，大部分呈胶结状态，该层未揭穿，最大钻探深度50.00 m。前期地质勘探结果表明①、②层土具有湿陷性。

2.2 试验方法

采用室内常规土工试验和易溶盐试验、现场浸水载荷试验等，对该地区风积砂土的湿陷性特征进行研究。

3 试验结果分析

3.1 颗粒分析试验

土体的颗粒组成特征与其来源、搬运、沉积环境和堆积后的成土过程有着密切联系，图2为试验获得的风积砂土颗粒分析累计曲线。

图2 风积砂土颗粒分析累计曲线

从图2可以看出，塔尔沙漠风积砂土颗粒组成大多集中在粒径0.25～0.075 mm，平均占78.64%，属于粉细砂，不均匀系数平均值为2.85，曲率系数平均值为1.35。颗粒组成较单一，以细粒为主，分选性好，级配不良，黏粒含量平均仅占0.7%。颗粒在干旱的气候条件下堆积，骨架颗粒间的干摩擦力阻碍颗粒紧密排列，颗粒间多点与点接触，或者颗粒间通过黏粒、易溶盐组成的胶结物而联结在一起，而造成大量的架空孔隙，为土体的湿陷变形提供空间条件基础。

3.2 易溶盐试验

塔尔沙漠属于干旱半干旱气候，降雨少，蒸发量大，为土体中可溶盐的富集创造了良好的条件，盐类具有较强的胶结作用。表1为试验测定的风积砂土中易溶盐分布特征。

由表1可知，易溶盐总量远小于0.3%，试验风积砂土为非盐渍土，土中易溶盐主要以硫酸盐和碳酸氢盐的形式存在，其他盐类分布不均匀，含量较低，易溶盐含量一般随深度增加而增加。

表1 风积砂土易溶盐含量

3.3 室内湿陷性试验

采用双线法进行风积砂土室内湿陷性试验，测定了风积砂土的含水率、天然密度、干密度、孔隙比、压缩模量以及湿陷性系数等物理指标，试验结果见表2。

表2 风积砂土室内湿陷性试验成果

从试验数据可以看出试验场地风积砂土含水率较低，介于1.5%～4.5%，平均仅达2.5%；孔隙性较大，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；湿陷性系数介于0.009～0.067，平均值0.039，按照《湿陷性黄土地区建筑规范》(GB 50025—2018)[17]中湿陷性程度判定，土体的湿陷性程度属于轻微-中等。

3.4 浸水载荷试验

试验场地进行3组浸水载荷试验，采用慢速维持荷载法，分8级等量加载，每级加载增量为1/8最大加载量，最大加载量为200 kPa。试验承压板为圆形钢板，压板面积为0.5 m2，试验点距现地面下0.5 m(图3)。浸水载荷试验结果见表3，荷载-沉降曲线见图4。

图3 现场浸水平板载荷试验

表3 浸水平板载荷试验结果

图4 浸水载荷试验p-s曲线

按照《岩土工程勘察规范》(GB 50021—2017)[18]6.1.2条规定，在200 kPa 压力下浸水载荷试验的附加沉降与承压板宽度之比≥0.023的土体，应判定为湿陷性土。

从浸水载荷试验p-s曲线可以看出，未浸水前砂土在各级压力下的变形相对较小。荷载在125 kPa前曲线呈直线，沉降平均不到1 mm，在压力下小颗粒移动填充粒间孔隙，处于孔隙填充挤密阶段，土体结构未破坏；荷载在125～200 kPa之间，砂土结构连接破坏，颗粒间相互移动，孔隙进一步减小；浸水后土体间胶结减弱甚至消除，沉降量瞬间增大，平均增大69.1 mm(图5)。

图5 砂土在浸水载荷作用下微观结构变化示意图

4 风积砂土湿陷性影响因素分析

风积砂土湿陷是一个复杂的物理、化学过程，受多种因素的制约和影响，包括内部因素和外部因素2类。内部因素主要为土体本身的物质成分和结构特征，外部因素则是水的侵入和外部荷载作用等。

4.1 颗粒组成特征

风积砂土的颗粒组成以粒径>0.075 mm的细粒含量为主，平均占78.6%，主要起着骨架颗粒的作用。由于该地区风积砂土在干旱的气候条件下堆积，骨架颗粒间的干摩擦力阻碍颗粒紧密排列，而造成大量的架空孔隙。黏粒(粒径d≤0.005 mm)含量很少,平均不到1%，主要起胶结作用。这些都为风积砂土的湿陷变形提供了基础，图6为黏粒含量与湿陷性系数的关系。

图6 黏粒含量与湿陷性系数的关系

从图6可以看出在湿陷性风积砂土中，黏粒组(<0.005 mm)含量的多少是影响湿陷性强弱的主要因素，随着黏粒含量的增多，湿陷性逐渐增强。

4.2 易溶盐

土的化学成分中，与湿陷性关系密切的是易溶盐，图7为易溶盐含量与湿陷性系数的关系。

图7 易溶盐含量与湿陷性系数的关系

从图7可以看出，随易溶盐含量增多，湿陷性增大。这是因为盐类有着较强的凝聚作用，胶结作用使砂土具有较高的强度和较低的压缩性，在浸水作用下，黏粒周围薄膜水增厚，黏土矿物自身产生膨胀，易溶盐迅速溶解，胶结物的胶结强度降低甚至消除。在上部荷载作用下，骨架颗粒易于发生移动，土中孔隙剧烈减少，引起砂土的湿陷变形。

4.3 水的作用

该地区干旱少雨，浅表部的砂土颗粒间多为盐类或黏粒胶结，土体的湿陷性随含水率的变化而变化，风积砂土遇水后，有效法向应力因孔隙水压力增加而减小；由于水的润滑作用，颗粒间的摩擦力相应地降低；非抗水的黏粒胶结物由于水膜楔入而距离拉大，连结强度变小；水的溶解作用使土体中起胶结作用的易溶盐迅速溶解，胶结强度降低甚至消除。因此，水是土体产生湿陷变形关键性的因素。

4.4 外部荷载

在外部荷载作用时，由于风荷载作用，浅表层土体一般处于欠压密状态，在水的作用下骨架颗粒间的非抗水胶结物本身就发生了软化，连结强度减弱，在应力集中的情况下，加剧了颗粒之间的移动，当残留的连结强度抵抗不了使颗粒移动的外力时，颗粒间接触处发生断裂，砂土的粒状架空结构体系崩溃，使得土体产生湿陷变形。

5 湿陷性与物理指标的相关性分析

风积砂土的湿陷性特征是多种因素共同导致的结果，可通过其基本物理指标反映。基于前期勘察以及本次试验获得的数据成果，分析风积砂土含水率、孔隙比、干密度等物理指标与湿陷性的关系。

5.1 含水率与湿陷性的关系

该场地风积砂土含水率普遍较低，图8为风积砂土含水率与湿陷性系数之间的关系。

图8 含水率与湿陷性系数的关系

从图8可以看出，风积砂土的含水率分布比较集中，多介于1%～3%，其湿陷性系数与含水率之间离散性较强。受地质历史成因、地形地貌等其它因素的影响，当风积砂土天然含水率相同时，湿陷性系数可能不同，说明其不是唯一的影响因素，但当含水率超过4%时，该场地风积砂土基本无湿陷性。

5.2 孔隙比与湿陷性的关系

土体中存在的孔隙为湿陷性提供空间条件，图9为风积砂土孔隙比与湿陷性系数之间的关系。

图9 孔隙比与湿陷性系数的关系

从图9可以看出，风积砂土的孔隙比多分布在0.54～0.85，风积砂土的湿陷性与其孔隙比之间呈正相关关系。当孔隙比<0.65时，砂土的湿陷性系数均在0.015以下；当孔隙比>0.80时，砂土的湿陷性系数均基本在0.03以上，湿陷性属于中等。因此，可将孔隙比0.65界定为巴基斯坦塔尔沙漠风积砂土出现湿陷性的湿陷起始孔隙比。

5.3 干密度与湿陷性的关系

砂土的密实程度控制其湿陷性大小，而干密度是衡量土体密实程度的指标之一。图10为风积砂土干密度与湿陷性系数之间的关系。

图10 干密度与湿陷性系数的关系

从图10可以看出，随着干密度的增加，风积砂土的湿陷性系数直线减小，即风积砂土湿陷性与干密度之间基本呈线性负相关关系。对风积砂土而言，当干密度<1.50 g/cm3时，风积砂土的湿陷性表现较为突出；当干密度>1.60 g/cm3时，风积砂土基本不具有湿陷性。因此，可将干密度1.60 g/cm3界定为巴基斯坦塔尔沙漠风积砂土是否存在湿陷性的界限干密度。

6 结 论

本文基于大量的试验成果，对巴基斯坦塔尔沙漠风积砂的湿陷性特征进行研究，主要得到以下结论：

(1)该地区风积砂土的颗粒组成较单一，以细粒为主，平均占78.6%，黏粒含量平均仅占0.7%，分选性好，级配不良。颗粒间多点与点接触，或者颗粒间不是直接接触，而是通过黏粒、易溶盐组成的胶结物而联结在一起，而造成大量的架空孔隙，为土体的湿陷变形提供空间条件基础。

(2)该地区风积砂土的孔隙较大，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；湿陷性土主要分布在①、②层，湿陷性系数介于0.009～0.067，平均值为0.039，土体的湿陷性程度属于轻微-中等。

(3)该地区风积砂土湿陷性系数与含水率之间离散性较强，无明显的相关关系；湿陷性系数与孔隙比呈正相关变化，当孔隙比<0.65时，湿陷性系数均在0.015以下；湿陷性系数与干密度之间基本呈线性负相关关系，当干密度<1.50 g/cm3时，风积砂土的湿陷性表现较为突出；当干密度>1.60 g/cm3时，风积砂土基本不具有湿陷性。