浅析南疆盆地风积砂工程地质特点

　　1 概述

　　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 2 500 ~ 3 500 h.年平均气温 10 ~13 ℃， 日 平均大于 10 ℃的 年累积气温 4 000 ℃以上，年平原无霜期 200 ~ 220 d.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~ 400 mm,昆仑山北坡 200 ~ 300 mm.塔里木盆地西及北缘 50 ~ 70 mm,东及南缘 20 ~ 50 mm,中心不到20 mm.盆地边缘平均风速为 2.1 m/s,多年平均 8 级以上的大风 30 d,最大风速 18 m/s,瞬间最大风速可达25 m/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汇聚，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。其中冲洪积层面积狭小，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，其表面被风积砂覆盖。

　　风积砂即主要在风的作用下， 滚动漂浮迁移等沉积形成的砂层。 主要分布于沙漠、戈壁。 其粒径组为 0.075 ~ 0.250 mm 的粉细砂，含量在 90%. 粒径组大于 0.250 mm 的含量非常少，不到 1.0%;粒径组小于 0.075 mm 的含量少于 9.0%[1-3].风积砂由于粒径小于 0.075 mm 的粉粒和粘粒含量很少，使得其表面活性很低，松散、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， 砂颗粒表面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0.25 mm 的几乎全是石英，粒径在 0.250 ~ 0.075 mm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结构特征。粒径小于 0.075 mm 的则含有黏土矿物等。

　　风积砂粒度成分以细颗粒 0.250 ~ 0.075 mm 为主，极细颗粒 0.075 ~ 0.050 mm 次之，粗颗粒 0.50 ~0.25 mm 较少，大于 0.50 mm 和小于 0.05 mm 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 ~ 0.2 mm, 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渐变细。

　　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 ~ 1.80 g/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渐增大，含水率最高可达 10%,天然密度达到 1.8 g/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,密实度分类属于松散；3.0 m 以下，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；5.0 m 以下 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散结构，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结构变形的结果。

　　处于疏松状态的风积砂采用机械很容易达到密实状态，风积砂地基上的建筑物沉降一般很小，且在施工过程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 0.5 MPa-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）压缩系数逐渐变小，逐渐变为中等压缩和低压缩性土，压缩系数 a1 ~ 2在 0.1 ~ 0.5 MPa-1,变形性逐渐转小。

　　3.2 抗剪（剪断）风积砂的抗剪（剪断）反应风积砂抵抗剪切破坏的能力，主要指标为粘聚力 C 和内摩擦角 ψ，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 1.0 kPa,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，甚至可以忽略不计。

　　内摩擦角 ψ 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 ψ 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验可知， 南疆盆地风积砂承载力值 fa 一般为 50 ~ 120 kPa, 变形模量 Eo 多在 5.0 ~15.0 MPa.

　　3.4 击实特性天然状态下的风积砂基本为松散状态， 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 1.8 g/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 渗透及渗透变形南疆盆地风积砂天然状态下的渗透系数为 n ×10-3cm/s,击实后水力学特性得到很大改善，渗透系数将为 n × 10-4cm/s,或者更小。风积砂岩性主要为粉土质砂，属于无粘性土。在水力作用下的渗透变形类型主要为流土型。 临界水力比降依据下式确定[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，将不发生渗透变形。

　　4.2 湿陷及湿陷性在 200 kPa 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， 即判定该土为湿陷性土[4]. 对于风积砂是否为湿陷性土，及其湿陷机理的研究基本还在摸索阶段， 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，并结合当前研究成果，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 1.6 g/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 0.5 g/kg,即 0.05‰，小于 0.3%,判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1.0 mmol/kg,镁盐含量（Mg42+）大多为 0.2 mmol/kg,氯盐（Cl-）含量约 2.0 mmol/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，可以得出以下结论，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，风积砂属于单一结构，级配不良，具有松散结构，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，表现为颗粒间交错镶嵌与咬合作用。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，渗透系数较大，击实（压实）后，渗透性能改善，渗透系数变小。存在流土型渗透变形，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。

　　参考文献
　　
　　[1]建筑地基基础设计规范（GB 50007-2011）[M].北京：中国建筑工业出版社，2011.
　　[2]游 富 洋。风 积 砂 地 基 承载 力 的 确 定[J].煤 炭 工 程 2012（8）：43-45.
　　[3] 水 利水 电 工 程 地 质 勘 察 规 范 （GB 50487-2008）[M].北 京 :中国建筑工业出版社，2009.
　　[4]工 程 地 质 手 册 （第 四 版 ）[M].北 京 :中 国 建 筑 工 业出 版 社 ,2009.
　　[5]曾正中。腾格里沙漠南缘风积砂土湿陷性研究[J].甘肃科学学报 2000,12（6）：63-68.
　　[6] 岩土工程勘察规范 （GB 50021-2011）（2009 年 版 ）[M].北京：中国建筑工业出版社，2009.