风积沙振动荷载地基加固性能分析方法

李琦 李瑞

风积沙振动荷载地基加固性能分析方法

李琦*李瑞

（榆林职业技术学院，榆林 719000）

风积沙稳定性差、黏聚力低，严重影响基础建筑在风区域建设的安全性与稳定性，因此分析风积沙振动荷载地基加固性能。从塔克拉玛干大沙漠采集天然风积沙样本，调配含水率分别为3.5%与5.5%的A组（A0～A3）和B组（B0～B3）两种风积沙，且两组风积沙的水泥含量分别为0%、2.5%、5.5%、9.5%，最终得到两组不同的水泥固化风积沙地基试件实验样本。利用加载装置对各试件加载振动荷载，统计时间抗振荷载能力以及其他相关性能。结果显示，含水率是3.5%的试件剪切应力更强、黏结性能更高，经水泥固化后孔隙量效果更好；振动荷载实验中，含水率为3.5%、水泥含量5.5%的试件荷载承受能力更优，相同水泥用量的情况下，含水率越高的时间抗振承载力水平越高。

风积沙， 振动荷载， 地基加固， 性能分析， 含水率， 抗振承载力

0 引 言

我国西北地区由于深居内陆，水源稀少，形成大面积沙漠地貌，新疆、青海、陕西等省均分布大量沙漠，据统计，我国沙漠总面积超过79平方公里（不包括戈壁在内），接近全国总面积的8%［1］。风积沙是沙漠中主要组成物质，这类沙体是由于沙漠环境中大风天气频发导致发生沉积的沙层，粒径一般在0.07 5～0.251 mm，作为一种散体材料，风积沙不具备黏聚力，这种沙体仅含有少量的粉黏粒，存在较高的松散性和较低的表面活性，这种沙体较难成形，即使顺利成形也不能具备较强的抗剪切能力。这种沙体亲水性较差，吸水率一般为0，风积沙与水相结合以后会迅速丧失承载力与结构性，不具备良好的水稳性能，风积沙也存在自身特点，比如能够快速压缩、沉降量较小等［2-4］。近年来随着西部开发政策以及“一带一路”政策的实行，西部多个省市的经济建设飞速发展，带动基础建筑行业蓬勃发展，但是对于主要土壤为风积沙的地形地貌很难实现建筑工程的开展，由于风积沙自身较差的黏聚力，导致沙体抗震承载力一级抗拔承载力都较低，为该解决这一问题，在这类沙体土壤上施工时通常采取基础面积扩大或者增加基础埋深的方式增加沙体的承载力，这一解决方式需要大量成本投入，同时还需要耗费大量人力资源［5］；沙漠环境中自然条件较为恶劣，植被稀疏且降水较少，建设在沙漠中的建筑受到风蚀作用影响会出现整个砂层搬移的情况，如果埋深较浅，风积沙的承载力降低，造成地基稳定性受到影响，出现较大安全隐患［6-7］。为解决这一问题，包建强等学者在风积沙的基础上添加高强合成纤维土工格栅［8］，提升风积沙的承载力，起到加固作用，这种方式目前仍在研究阶段，还需要深入实验研究才能推广使用；杭美艳等学者将激发剂添加在风积沙之中，增加风积沙的活化性能和抗压强度［9］，但是这种方法目前只能为风积沙工程提供理论知识，实际实验经验较少，仍旧需要进一步研究。

日常生活中常见的水泥材料是建筑行业中使用最为广泛的材料。在建筑施工时，水泥材料具有强固结、低污染的特点，在地基加固中使用能够合理提升地基的承载力，在风积沙中掺入水泥［10］，能够使松散的风积沙转变为具有一定刚性的混合材料，显著提升风积沙的承载力，保证地基形成一个整体结构，在沙漠环境中抵御风蚀作用，保证建筑工程的安全性同时解决地表沙层的搬移问题。

振动荷载是指能使结构或构件产生不可忽略的加速度而且正反向交替周期性的荷载，本文主要研究风积沙振动荷载地基加固性能分析方法，以水泥作为加固材料，在振动荷载下开展实验，验证经过加固后风积沙的相关性能变化。

1 试验准备

1.1　风积沙样品准备

本文实验所使用的风积沙颗粒级配为20～40目，最大干密度为1.8～2.0 g/cm3，最小干密度为最大干密度的98%，采集于我国的塔克拉玛干大沙漠，该沙漠是世界第二流动沙漠，常年气候干燥，年蒸发量超过2 600 mm，但是年降水量低于100 mm，全年多风沙，因此风积沙广布，由于该沙漠面积广大，涉及城市众多，受到风积沙等土体自然条件影响，较难开展基础建筑以及电力设施的建造［11］。

将完成采样的风积沙样本运回实验室，通过查阅以往研究获知，该区域的风积沙含水率较低，平均不超过4%，为方便后续试验开展同时不破坏风积沙的原有性质，重塑风积沙时将风积沙调整为含水率分别为3.5%与5.5%的两种实验样品。使用X衍射仪等仪器分析风积沙的矿物质组成［11-12］，在风积沙中，主要成分为石英，占总体含量的77%，方解石与长石的含量一致约占总量的7%，其他矿物质的含量较低，此处不做分析。

1.2　水泥加固风积沙地基制备

本文所使用的加固材料为普通硅酸盐水泥，按照风积沙不同含水率以及水泥在总混合物中的含量配比混合，加入量均以质量计，制作不同水泥加固风积沙地基原料，再将原料混匀后放置室温状态下陈化24小时，使混合料成型，成型压力为35 MPa，将成型后的试样放于干燥箱以100 ℃的温度干燥4小时，并使其自然冷却至室温，最后将其放置于高温炉按设定温度进行烧结，再度冷却至室温，即可得到实验用水泥加固风积沙地基，待试件完全成形之后再开展后续实验。使用的高温炉如图1所示，其原料配比情况见表1，其中A组风积沙含水率为3.5%，B组风积沙含水率为5.5%。由于不同含水率的风积沙的密实度差异较小，因此在此忽略不计。

图1　高温炉

表1　 原料配比

1.3　振动加载试验

振动加载装置由千斤顶、钢梁、反力墩等装置共同组成［13-14］。振动荷载加载与卸载时采用应力控制方法，振动加载值逐级递增，每次加载值成比例高于上次加载值，至试件出现破坏方可停止，每级加载时间约为20 min，如果加载过程中发生荷载降低，可以马上补载［15］。测量试件位移时使用位移传感器，该传感器的精度与量程分别为0.01 mm与55 mm。在地基左右两侧布置位移传感器。

1.4　分析步骤

（1） 直剪实验：在100 kPa垂直压力条件下，对各地基时间开展直剪实验，得到各地基试件随着剪切位移变化下剪切压力变化情况。根据以上实验获得各地基试件最大剪切应力情况，依据剪切强度计算公式获得各地基时间的黏聚力值以及内摩擦角值：

（2） 微观分析实验：使用扫描电子显微镜观察各地基试件微观内部结构变化。

（3） 对于地基时间顶部位移在不同级别振动荷载下的变化量做出记录，利用位移传感器收集数据，根据记录结果绘制变化曲线，统计各试件的变化结果。

（4） 抗振承载能力分析：地基的承载能力指的是在发生地基基础实现之前所能够承受住的极限荷载，这一参数是各类工程施工计划中最为重要的参数之一。通常情况下，当地基接近极限荷载时会出现贯通状态的裂缝，此时契机失去原有效果。该研究中的抗振承载力选取上文研究获得的极限荷载，由此开展实验得到各地基试件的抗振承载力结果。

（5） 振动荷载下地基试件的破坏情况分析：向各试件施加极限荷载，直到试件出现崩坏，观察各个时间发生的破坏形态。

2 结果分析

2.1　直剪实验

不考虑未使用水泥加固的对照组，只研究加固后各地基试件在100 kPa压力条件下，试件直剪实验结果见图2。从图2中能够看出，风积沙含水率较低的A组试件中，剪切位移升高，各时间的剪切应力显示出现小幅度上升，接近一个较大值后在小幅度缓慢变化，整体变化较小。而风积沙含水率较高的B组，当剪切位移增加，各试件明显出现一个增大趋势，其中B2与B3试件应力增大较高，之后迅速下降，这种情况说明B2与B3试件在实验过程中出现明显的脆性破坏。

图2　直剪实验结果

根据式（1）计算各试件的内摩擦角以及黏聚力等剪切强度相关指标，数值结果汇总于表2。从表2中能够看出，两种风积沙含水率情况下，随着水泥含量的增加，各地基试件的黏聚力与空白对照组相比呈现出明显升高，说明在风积沙中添加不同配比的水泥能够一定程度上提升风积沙的固化效果。当风积沙含水量为3.5%的情况下，A组地基试件的黏聚力值出现先升高后降低的变化规律，A2试件的黏聚力出现最大值，A组各试件的内摩擦角值变化并没有呈现规律性变化，A3试件的内摩擦角数值最小。风积沙含水率为5.5%B组试件内摩擦角值与黏聚力值都出现稳定上升趋势，而且A组与B组两组数值对比来看，B组黏聚力数值明显高于A组，也就是说含水率稍高的风积沙能够具备更加良好的黏结性能。

表2　 抗剪强度指标

2.2　固化后风积沙试件微观变化

通过扫描电子显微镜获得水泥固化后，各试件的内部为放大100倍后的微观情况（图3）。分析图3可知，未经过加固处理的风积沙在显微镜下呈现出松散状态颗粒，各组试件中加入不同含量的水泥，使得地基试件中的风积沙出现整体性变化，说明使用水泥加固风积沙能够提升风积沙的黏聚力，经过加固，能够整体提升风积沙的承载力。风积沙中的含水率以及水泥含量的不同固化后的地基时间孔隙量也各不相同；A组试件含水率较低，少量添加水泥时，地基试件的孔隙量较大［图3（b）］，但是在图3（c）和图3（d）中能够看出，随着水泥含量的增加，试件的孔隙量逐渐降低。含水率较高的B组中，地基试件的孔隙量也是由大减小，两种含水率的试件相比，B组的孔隙量更小。

图3　各试件固化后微观结构

根据研究经验，水泥中存在扩散水层和吸附水层，如果存在数量足够多的固相粒子，就会受到分子力影响形成凝聚空间结构网。假如水的含量已经确定，水泥含量较少会使得风积沙的比例大于凝聚空间结构所占据的比例，降低时间的黏聚强度；假如水量固定但是水泥含量过高，就会影响水泥表面出现吸附水层，降低黏聚力，导致试件的内部结构较为松散。所以需要确定一个适当的水泥-风积沙-水的比例，才能使得试件形成凝聚正态。从图3的分析结果可以看出，含水率较小的A组中，A3试件的配比状态是最佳组合状态，这种固化试件具有更高的黏聚力。

2.3　荷载位移变化特征

分别记录两组不同风积沙含水量下的地基时间随着振动荷载级别增加而出现的位移变化，结果见图4。从图4中能够看出，各地基试件的位移都随着振动荷载的增加出现缓慢上升，初始阶段各时间的变化趋势一致，随着荷载逐渐接近峰值，位移突然增高，荷载回跌，此时试件发生完全崩坏，各个试件的极限荷载各不相同，空白对照组几乎在加载初期就发生崩坏，A2和B3试件能够承受的极限荷载最高，其中以A2的荷载承受能力更优。

图4　荷载-位移变化曲线

2.4　振动荷载能力分析

根据上文获得的极限荷载，得到抗振承载力结果，使用不同含量水泥固化风积沙前后试件的抗振承载力之间存在差异，固化前后抗振承载力比值记作，经过计算及统计，各组试件抗振承载力变化情况见表3。从表3能够直观看出，无论哪种含水率的风积沙，在使用不同含量水泥进行固化以后，地基试件的抗振承载力出现明显上升。含水率较低的地基试件A组中，在加入水泥固化后抗振承载力最高约比空白组提高6倍；含水率较高的B组地基试件使用不同含量的二水泥固化后抗振承载力最高约比空白组提高10倍。由此可以看出，相同水泥用量的情况下，含水率越高的时间抗振承载力水平越高。

表3　 抗振承载力结果

2.5　破坏情况分析

地基试件在受到极限荷载后会发生崩坏，不同水泥含量以及不同含水率试件在遭受极限荷载以后崩坏形态不同，各试件的变化情况放大100倍后的图像如图5所示。从图5中能够看出，两组未使用水泥固化的空白对照组的风积沙在遭受极限荷载时出现环形裂缝，崩坏地很厉害，几乎完全破碎。A组试件在受到极限荷载时，含水泥较少时，所能承受的极限荷载也较小，所以该试件发生崩坏时只出现一条径向裂缝，试件中水泥含量越多，所能承受的极限荷载也越高，崩坏深度也越深，最终在径向裂缝中产生深达底的贯通裂缝，整个地基完全崩坏，失去地基基础的效能。同理，B组试件起初只出现微小径向裂缝，当水泥含量最高时，试件产生贯通裂缝，整个地基失去稳定性。通常情况下土体出现径向裂缝是受到土体周围张力破坏而形成的，出现环向裂缝则是受到剪切破坏形成的。从图5中能够看出，无论何种含水率的试件，在受到极限荷载时均未出现环形裂缝，且多为贯穿裂缝，由此可以看出，使用水泥加固后的风积沙没有出现环向裂缝，不会受到剪切破坏，仅会受到土体张力影响，所以实际使用过程中安全系数更高。

图5　试件崩坏情况

3 结 论

研究风积沙振动荷载地基加固性能分析方法，按照不同风积沙含水率以及不同水泥含量制备地基试件，经过实验证明，风积沙的含水率直接影响试件的抗振承载力，含水率是3.5%的试件剪切应力更强、黏结性能更高，经水泥固化后孔隙量效果更好；振动荷载实验中，含水率为3.5%水泥含量5.5%的试件荷载承受能力更优。而且水泥加固风积沙以后能够提升风积沙的抗振性能，从试件破碎图片来看，未使用水泥加固的试件受到震动荷载后破碎严重，而随着水泥含量的增加改善风积晒的内部结构与力学性能，既提升风积沙的黏聚力又提升风积沙的抗振承载力，通过本文研究可以更好地改变风积沙的性能，提升风积沙的承载力，但是由于在研究过程中风积沙含水率划分过少，在接下来还需要对更多不同含水率进行分析，以更好地发挥风积沙的作用。

［1］徐玉波，张飞阳，崔强，等.水泥加固风积沙地基杆塔基础抗拔性能模型试验［J］.人民长江，2020，51（4）：208-212.

Xu Yubo，Zhang Feiyang，Cui Qiang，et al.Model test on uplift performance of tower foundation on cement reinforced aeolian sand foundation［J］.People's Yangtze River，2020，51（4）：208-212.（in Chinese）

［2］崔强，张飞阳，徐玉波，等.水泥固化作用对风积沙地基抗拔基础承载性能影响试验［J］.工程科学与技术，2019，51（6）：90-100.

Cui Qiang，Zhang Feiyang，Xu Yubo，et al.Test on influence of cement solidification on uplift bearing performance of aeolian sand foundation［J］.Engineering Science and Technology，2019，51（6）：90-100.（in Chinese）

［3］丁士君，李洋，单强，等.土工材料力学性能对风积沙复合地基抗拔加固效果的影响［J］.科学技术与工程，2019，19（5）：247-252.

Ding Shijun，Li Yang，Shan Qiang，et al.Influence of mechanical properties of geotechnical materials on uplift reinforcement effect of aeolian sand composite foundation［J］.Science，Technology and Engineering，2019，19（5）：247-252.（in Chinese）

［4］许亚军，夏多田，程建军，等.硅粉对沙漠风积沙水泥基材料性能的影响［J］.非金属矿，2020，43（3）：40-43.

Xu Yajun，Xia Duotian，Cheng Jianjun，et al.Effect of silica fume on properties of desert aeolian sand cement-based materials［J］.Non Metallic Minerals，2020，43（3）：40-43.（in Chinese）

［5］程远，韩杰，朱合华，等.振杆密实法加固粉土地基效果试验［J］.中国公路学报，2019，32（3）：63-70.

Cheng Yuan，Han Jie，Zhu Hehua，et al.Effect test of strengthening silty soil foundation by vibrating rod compaction method［J］.Chinese Journal of Highway，2019，32（3）：63-70.（in Chinese）

［6］张宏，闫晓辉，王中翰，等.压实风积沙土层盐分迁移规律研究［J］.岩土工程学报，2019，41（4）：741-747.

Zhang Hong，Yan Xiaohui，Wang Zhonghan，et al.Study on salt migration law of compacted aeolian sandy soil layer［J］.Journal of Geotechnical Engineering，2019，41（4）：741-747.（in Chinese）

［7］董伟，肖阳，苏英.玄武岩纤维风积沙混凝土力学性能研究［J］.硅酸盐通报，2019，38（7）：2016-2020，2027.

Dong Wei，Xiao Yang，Su Ying.Study on mechanical properties of basalt fiber aeolian sand concrete［J］.Silicate bulletin，2019，38（7）：2016-2020，2027.（in Chinese）

［8］包建强，邢永明，刘霖.土工格栅层式加筋风积沙的动力性状［J］.工业建筑，2019，49（11）：77-81，107.

Bao Jianqiang，Xing Yongming，Liu Lin.Dynamic behavior of geogrid layer reinforced aeolian sand［J］.Industrial Architecture，2019，49（11）：77-81，107.（in Chinese）

［9］杭美艳，马刚，吕学涛.激发剂对风积沙微粉强度的影响［J］.长江科学院院报，2020，37（1）：156-160.

Hang Meiyan，Ma Gang，Lü Xuetao.Effect of activator on the strength of aeolian sand powder［J］.Journal of the Yangtze River Academy of Sciences，2020，37 （1）：156-160.（in Chinese）

［10］史吏，王慧萍，孙宏磊，等.群桩基础引发饱和地基振动的近似解析解［J］.岩土力学，2019，40（5）：1750-1760.

Shi Li，Wang Huiping，Sun Honglei，et al.Approximate analytical solution of saturated foundation vibration caused by pile group foundation［J］.Geotechnical Mechanics，2019，40（5）：1750-1760.（in Chinese）

［11］邹新军，贺琼，覃玉兰.竖向非均质饱和地基中埋置扭转荷载的动力响应［J］.湖南大学学报（自然科学版），2020，47（3）：11-18.

Zou Xinjun，He Qiong，Qin Yulan.Dynamic response of embedded torsional load in vertical heterogeneous saturated foundation［J］.Journal of Hunan University （Natural Science Edition），2020，47（3）：11-18.（in Chinese）

［12］张鑫磊，陈育民，张喆，等.微生物灌浆加固可液化钙质砂地基的振动台试验研究［J］.岩土工程学报，2020，42（6）：1023-1031.

Zhang Xinlei，Chen Yumin，Zhang Zhe，et al.Shaking table test of microbial grouting to strengthen liquefiable calcareous sand foundation［J］.Journal of Geotechnical Engineering，2020，42（6）：1023-1031.（in Chinese）

［13］刘倩，申向东，董瑞鑫，等.孔隙结构对风积沙混凝土抗压强度影响规律的灰熵分析［J］.农业工程学报，2019，35（10）：108-114.

Liu Qian，Shen Xiangdong，Dong Ruixin，et al.Grey entropy analysis of the influence of pore structure on the compressive strength of aeolian sand concrete［J］.Journal of agricultural engineering，2019，35（10）：108-114.（in Chinese）

［14］阮波，郑世龙，丁茴，等.低温养护条件下水泥改良风积沙无侧限抗压强度试验研究［J］.铁道科学与工程学报，2020，17（10）：2540-2548.

Ruan Bo，Zheng Shilong，Ding Hui，et al.Experimental study on unconfined compressive strength of cement modified aeolian sand under low temperature curing［J］.Journal of Railway Science and engineering，2020，17（10）：2540-2548.（in Chinese）

［15］张铮，彭园，庄潮辉，等.风积沙陡坡高压旋喷注浆加固试验研究［J］.公路，2020，65（11）：56-61.

Zhang Zheng，Peng Yuan，Zhuang Chaohui，et al.Experimental study on high pressure jet grouting reinforcement of aeolian sand steep slope［J］.Highway，2020，65（11）：56-61.（in Chinese）

Analysis Method of Foundation Reinforcement Performance under Vibration Load of Aeolian Sand

LIQi*LIRui

（Yulin Vocational And Technical College， Yulin 719000， China）

The aeolian sand has poor stability and low cohesion， which seriously affects the safety and stability of the foundation construction in the wind area. Therefore， the reinforcement performance of the foundation under the vibration load of aeolian sand is analyzed. Natural aeolian sand samples were collected from the Taklimakan desert， and two kinds of aeolian sand samples were mixed with water content of 3.5% and 5.5%， Group A （A0-A3） and Group B （B0-B3） respectively and the cement contents of the aeolian sand in the two groups were 0%，2.5%，5.5% and 9.5%，respectively.Finally，two groups of different cement solidified aeolian sand foundation test samples were obtained. The loading device was used to introduce the vibration load on each specimen， and the time anti-vibration load capacity and other related properties were analyzed. The results show that the specimen with 3.5% water content has stronger shear stress， higher bonding property and better pore quantity effect after cement curing. In the vibration load test， the load bearing capacity of the specimens with 3.5% water content and 5.5% cement content is better. Under the same cement dosage， the higher the water content is， the higher the time vibration bearing capacity.

Aeolian sand， Vibration load， Foundation reinforcement， Performance analysis， The moisture content， Vibration bearing capacity

2021-08-25

中文作者简介:榆林市2019年科技计划项目（2019-113-10）

联系作者：李 琦（1982-），男，陕西绥德人，硕士，副教授，主要研究方向为建筑工程施工、黄土、砂土边坡稳定性。E-mail：liqi8518@126.com