新疆古尔班通古特沙漠土力学性质研究

俞长隆

(新疆水利水电勘测设计研究院检测试验研究中心，新疆 昌吉 831100)

1 概述

古尔班通古特沙漠地处新疆北部，北纬44°15′～46°50′，东经84°50′～91°20′，沙漠内部绝大部分为固定和半固定沙丘，其面积占整个沙漠面积的97%，沙丘自身具有一定黏结强度，是防止沙漠流动的主要作用力[1]。古尔班通古特沙漠夏季极端高温可达40℃以上，冬季极端低温可达零下40℃以下，1 a中有5个月平均气温在0℃左右，平均日温差15℃左右[2]。沙漠土在工程上按土的统一分类法可属极细砂和粉质砂[3]，目前,对其力学性质系统研究尚显不足[4]。孙彪等[5]对塔克拉玛干沙漠土的成因及工程特性进行了分析，为工程的前期估算提供了依据；姚正毅等[6]对塔克拉玛干沙漠土的力学性质进行了研究，获得了沙漠土的力学参数；崔广琴等[7]通过冻融循环试验对粉质沙土的压缩变形进行了研究，得到粉质沙土的影响因素；周鹏等[8]对新疆坎儿井沙土进行了冻融试验研究，为坎儿井的修复提供数据。本文通过对新疆古尔班通古特沙漠土实地采样，进行压缩试验、剪切试验和冻融循环试验，对其力学性质进行了研究，获得了沙漠土的基本力学参数和冻融特性，为沙漠土的流动性治理提供数据支撑。

2 试验材料与试验方案

2.1 试验材料

沙漠土取至于古尔班通古特沙漠边缘地带，为保证取样点的随机性，每间隔5 km取2组沙漠土样，共取6组沙漠土。通过对取回的沙漠土进行颗分、比重、含水率、密度试验，得到了沙漠土的基本物理力学性能指标。6组沙漠土的颗分试验结果见表1，沙漠土的物理性能指标见表2。

表1 不同取样点沙漠土的颗分结果

表2 沙漠土的物理性能指标

由于沙漠土为无胶结强度的散粒体，本次采用环刀法测其密度，通过试验测得6个点湿密度，结合含水率计算干密度，其中3个取样点的干密度分别为1.62 g/cm3、1.59 g/cm3、1.57 g/cm3。通过颗分试验得到不均匀系数Cu均小于5，曲率系数均在1～3之间，判定沙漠土为级配不良土。为保证试验的准确性，减少试验误差，本次试验以3个取样点的干密度来进行重塑土样。

2.2 试验方案

试验均参考《土工试验方法标准》(GBT 50123—1999)，重塑试样的干密度分别为1.62 g/cm3、1.59 g/cm3、1.57 g/cm3，含水率均为10%。将碾散的风干沙漠土均匀加水配制含水率为10%，充分拌匀装入塑料袋内备用。重塑土采用击实成型，根据容器容积和要求干密度计算所需质量的湿土，倒入击样器内击实到所需密度，成型完成将重塑土样用密封薄膜包裹，防止水份蒸发流失。按规范要求对重塑土样进行固结试验、剪切试验，考虑沙漠土所处的温度环境，冻结温度为-40℃，融化温度为40℃，对重塑土样分别进行0次、3次、7次、12次冻融循环试验，1次冻融循环时间为24 h，将达到循环数的重塑土样按要求制备后进行无侧限看压强度试验。

3 实验过程与结果分析

3.1 固结试验

按试验要求将土样用环刀制成直径为61.8 mm，高度为20 mm的试样，测定含水率，每组成型2个试样，进行固结试验。对沙漠土施加压力为25 kPa、50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa，每级压力施加时间为24 h，待试样高度稳定后施加下一级压力，根据所得试验结果绘制e～p曲线(见图1)，得到各组压缩系数与压缩模量(见表3)。

表3 重塑沙漠土压缩试验结果

图1 孔隙比e与压力p关系曲线示意

在干密度和含水率给定的条件下，沙漠土的压缩系数和压缩模量基本不变。含水率均为10%，干密度为1.62 g/cm3时，沙漠土的压缩系数是0.03 MPa-1，压缩模量为71 MPa；干密度为1.59 g/cm3时，压缩系数是0.02 MPa-1，压缩模量为75 MPa；干密度为1.57 g/cm3时，压缩系数是0.01 MPa-1，压缩模量为79 MPa。3个取样点的平均压缩系数0.02 MPa-1，压缩模量75 MPa。

3.2 抗剪强度

将重塑沙漠土样用环刀制成直径为61.8 mm、高度为20 mm的圆土柱，测定其含水率，每组成型4个试样。将试样装入四联电动直剪仪，分别施加100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa的压力，以0.8 mm/min的剪切速度进行快剪试验，记录最大剪应力，抗剪强度试验结果(见表4)。以抗剪强度为纵坐标，垂直压力为横坐标绘制抗剪强度与垂直压力关系曲线，得到粘聚力与内摩擦角变化(见表5)。

表4 重塑沙漠土抗剪强度试验结果

表5 重塑沙漠土抗剪强度指标

从表5中可以得到，沙漠土的粘聚力和内摩擦角变化不大，在干密度为1.62 g/cm3，含水率为10%时，沙漠土的粘聚力为6.7 kPa，内摩擦角为33°；在干密度为1.59 g/cm3，含水率为10%时，沙漠土的粘聚力为6.5 kPa，内摩擦角为34°；在干密度为1.57 g/cm3，含水率为10%时，沙漠土的粘聚力为6.3 kPa，内摩擦角为35°。3个取样点的平均粘聚力为粘6.5 kPa，内摩擦角为34°。

3.3 冻融循环后无侧限抗压强度

将达到冻融循环次数的重塑沙漠土样用切土器制成直径为40 mm、高度为80 mm的圆土柱，测定其含水率，每组成型3个土柱。试样两端抹一薄层凡士林防止水分蒸发，试样与加压板刚好接触将测力计读数调整为0，轴向应变速率宜为每分钟应变2%，应变进行25%后停止试验。冻融循环次数与无侧限抗压强度关系曲线见图2。

图2 冻融循环次数与无侧限抗压强度关系曲线示意

从图2中可以得出，冻融循环对沙漠土的强度影响较大。这是由于在整个冻融循环过程中，土柱内部的水分不断体积变化，导致土颗粒产生了涨缩变形，极大的改变了其力学性质。7次冻融对沙漠土的破坏较明显，其强度值只有初始强度的87%。随着冻融次数的增加，沙漠土的强度值也急剧降低，12次冻融循环后只有初始强度的65%。在含水率不变的情况下，干密度越大的沙漠土，相同的冻融次数下无侧限抗压强度值越大，这是由于干密度大，土体内部的结构较完整，冻融对其影响相对较小。

4 结语

1)对沙漠土的物理性能分析，得到沙漠土的比重为2.64，3个取样点的干密度分别为1.62 g/cm3、1.59 g/cm3、1.57 g/cm3，经颗分判定沙漠土为级配不良土。

2)通过对重塑沙漠土进行固结试验，在干密度和含水率给定的条件下，沙漠土的压缩系数和压缩模量基本不变。3个取样点的平均压缩系数为0.02 MPa-1，压缩模量为75 MPa。

3)对重塑沙漠土进行剪切试验，沙漠土的粘聚力和内摩擦角变化不大，3个取样点的平均粘聚力为粘为6.5 kPa，内摩擦角为34°。

4)冻融循环对沙漠土的强度影响较大。7次冻融对沙漠土的破坏较明显，其强度值只有初始强度的87%，12次冻融循环后只有初始强度的65%。在含水率不变的情况下，干密度越大的沙漠土，相同的冻融次数下无侧限抗压强度值越大。