塔克拉玛干沙漠风积沙工程性能试验研究

郑世龙

中铁第四勘察设计院集团有限公司， 武汉 430063

风积沙是沙漠地区在风力作用下形成的粉粒、黏粒含量少的沙物质。采用风积沙作为建筑工程原材料，因地制宜，就地取材，对于推动我国西北沙漠地区基础设施建设发展意义重大。风积沙作为公路路基填料已有较多应用。国外如阿尔及利亚The Sixth Project 沙漠公路采用风积沙作为填料新建路基，运营状态良好。法国、伊拉克等国家在道路修建中较早使用了风积沙作为路基填料［1］。新疆维吾尔自治区省道215 线三岔口—莎车高速公路是第一次大面积以风积沙作为路基填料，其沙漠区段内以风积沙填筑的路基高度甚至超过4 m［2］。阿勒泰—乌鲁木齐高速公路大部分段落在古尔班通古特沙漠区，其中150 km 路基由风积沙干压法施工完成［3］。清伊高速公路（清水河—伊宁）有一段长约453 m 路段为风积沙路基，运营效果表明路基稳定性良好［4］。

随着中国西部大开发，铁路逐渐延伸到西北沙漠地区，但同样面临优质填料短缺的问题。为解决这一问题，本文对风积沙作为铁路路基基床填料的工程性能开展试验，研究成果可为风积沙铁路路基基床的设计和施工提供参考。

1 试验材料

试验所用风积沙（图1）来自新疆塔克拉玛干沙漠南缘某铁路施工现场，取样位置为地表0.1 m 以下。试验水泥为普通硅酸盐P·O 42.5水泥，用水为长沙市自来水。

图1 风积沙

2 试验分析

2.1 颗粒密度和含水率试验

对风积沙样品进行颗粒密度试验、密度和含水率试验，测得风积沙颗粒密度为2.697 g/cm3，天然密度为1.58 g/cm3，天然含水率为0.9%，保水性较差。

采用量筒法、振动锤击法进行风积沙干密度试验，测得风积沙样品最大干密度为1.61 g/cm3，最小干密度为1.40 g/cm3，计算得到最大、最小孔隙比分别为0.92、0.59。风积沙样品为特细沙，处于松散状态。

2.2 颗粒分析试验

采用筛析法和甲种密度计法进行风积沙颗粒分析试验，得到风积沙颗粒级配曲线，见图2。根据TB 10102—2010《铁路工程土工试验规程》要求，测得风积沙粒度分布粒径级配曲线上纵坐标10%（d10）、30%（d30）、60%（d60）所对应的粒径分别为0.09、0.13、0.18 mm，不均匀系数、曲率系数分别为2.0、1.0。由图2可知：在0.075 ～ 0.250 mm 粒径范围内，风积沙颗粒粒径占比最大，接近97%，粉粒和黏粒均较少。风积沙粒径分布较为集中，粒径均匀，但级配不良。根据TB 10001—2016《铁路路基设计规范》分类，属间断级配C3填料。

图2 风积沙颗粒级配曲线

2.3 扫描电镜试验

根据扫描电镜试验可直接观察风积沙微观形态，试验所用仪器为JSM6490LV 扫描电镜仪。先在风积沙样品表面喷涂一层导电膜，以增大风积沙导电性能。烘干冷却后，将涂有导电膜的风积沙样品放在扫描电镜仪上进行观察，见图3。

图3 扫描电镜下的风积沙

由图3（a）可知，风积沙颗粒粒径差别较小，粒径较均匀，通过Digital Micrograph 软件测得风积沙主要粒径在0.075 ～ 0.250 mm，与颗粒分析试验结果一致。此外，风积沙空隙率接近42%，颗粒之间空隙较多，松散程度较高。

由图3（b）可知，风积沙颗粒表面无棱角或棱角较为圆滑，不适合直接用作建筑材料，这与徐德富［5］对甘肃省河西走廊风积沙颗粒形态研究结论存在较大差异。风积沙在风力作用下移动方式主要有蠕移、跃移和悬移三种［6-10］，当风积沙粒径在0.075 ～ 0.250 mm时，以跃移为主，且跃移过程中持续与地面或颗粒之间发生碰撞、摩擦，造成颗粒表面磨损程度较高，因此表面无棱角或棱角较为圆滑。

2.4 能谱分析试验

能谱分析仪是微区成分分析的主要手段之一，通过能谱分析试验，分析风积沙化学元素成分。试验所用仪器为JSM7610F 光电子能谱仪，主要技术参数及测得的风积沙主要化学元素及含量见表1和表2。

表1 能谱仪主要技术参数

表2 风积沙主要化学元素及含量

由表2 可知：O 和Si为主要元素，两者共占比超过81%；其次为Al、Ca、K、Na，占比接近15%。

2.5 X射线衍射分析试验

通过开展风积沙XRD 试验，分析风积沙的物相组成。试验所用仪器为SmarLab9 智能X 射线衍射仪，主要技术参数见表3。

表3 衍射仪主要技术参数

风积沙的X 射线衍射光谱（X‑Ray Diffraction Spectroscopy，XRD）见图4。可见，出现较强的SiO2衍射峰（衍射角2θ= 26.6°，最高），表明风积沙内部SiO2占比最高，其次为Al2O3衍射峰（2θ= 21.2°）和CaO 衍射峰（2θ= 50.7°）。风积沙主要由SiO2、Al2O3、CaO 等物相组成，主要为SiO2晶体，优势晶面为（101）。

图4 风积沙XRD衍射图谱

风积沙主要成分为SiO2，含量达74%，其余成分包括Al2O3、CaO、MgO 等。高纯石英砂中SiO2含量在99.5%和99.9%之间，风积沙中SiO2含量低于高纯石英砂。

2.6 击实试验

风积沙最优含水率及最大干密度是风积沙路基填料压实性能的重要指标，可通过重型击实Z3试验测定，落锤质量4.5 kg。总共击实3层，每层分别击实94次。技术参数见表4。

表4 标准击实试验主要技术参数

风积沙击实试验流程为：①称取5份烘干风积沙，每份质量约为5.5 kg，按照8%、11%、14%、16%、18%预定含水率将其与水搅拌均匀后装袋焖料24 h；②将不同含水率风积沙分3 层分别倒入击实筒内，平整表面，进行击实；③拆下钢护筒，取出击实后的风积沙试件，用刮刀修平试件顶部和底部，称取击实筒和风积沙试件总质量；④用推土器将试件从试筒内推出，再由上至下从试件中心取1/4 试件直径的土柱，装入金属碗中测定含水率。

水泥掺量对风积沙干密度及含水率的影响见图5。可知：当水泥掺量为0 时，风积沙击实曲线呈明显单峰形；随着含水率增大，风积沙干密度先增大后减小，最优含水率为12.5%，最大干密度为1.61 g/cm3。这与赵莹莹等［11］研究结果亦存在较大差异，赵莹莹等认为风积沙击实曲线为双峰形，存在两个峰值干密度。风积沙在干燥和最优含水率下易被压实，具有干压和湿压双重特性。

图5 水泥掺量对风积沙干密度及含水率影响

干燥状态下风积沙黏聚力基本为0，在外荷载作用下，沙颗粒发生相对移动，沙颗粒之间相互嵌合，风积沙逐渐变得密实。当掺入少量水时，风积沙颗粒表面会形成一层水薄膜，其间引力降低［12-13］；随着含水率继续提高，颗粒之间水膜厚度增大，引力降低幅度增大。此外，由于水的润滑作用，颗粒之间更易发生相对移动，因此风积沙干密度逐步提高，但含水率超过一定值后，过多的水分会使风积沙发生液化现象，部分外荷载作用击实功被吸收，风积沙干密度出现下降。

当风积沙含水率较低时，击实后风积沙易被振起，颗粒之间更为疏松，疏松程度甚至随着击实次数增多而增大。当风积沙含水率接近12.5%时，每次击实后虽有部分风积沙仍出现鼓起疏松现象，但风积沙紧密程度随着击实次数增多而增大。当风积沙含水率较高时，风积沙表面液化，锤击时风积沙向外四处飞溅，甚至部分风积沙会黏附在击锤上，浪费了大量击实功，随着击实次数增大，击实筒顶部和底部有大量水从试件中渗出，如图6所示。

图6 风积沙试件中渗出水分

在风积沙中掺入水泥时，其最大干密度和最优含水率会发生变化，见图7。可知，当水泥掺量从0 增大到4%时，最大干密度从1.61 g/cm3增大到1.76 g/cm3，增长幅度为0.16 g/cm3，最优含水率从12.5%增大到13.5%，增长幅度为1.0%。随着水泥掺量的增大，水泥混合风积沙的最大干密度和最优含水率逐步增大，但实际增长幅度较小。整体而言，水泥的掺入能致密化风积沙内部结构，有效提高风积沙的物体力学性能。

图7 不同水泥掺量下风积沙最大干密度和最优含水率

水泥颗粒比风积沙颗粒细，当风积沙中空隙被水泥填充时，会形成致密结构，增大了最大干密度；同时，水泥相对密度（3.1）大于风积沙相对密度（2.7），因此在风积沙中掺入水泥会使最大干密度增大。水泥混合风积沙最优含水率增加也主要是因为水泥的吸水性，水在风积沙颗粒间充当润滑剂，降低风积沙颗粒间的摩擦力，提高压实性能，过少的水分会使得压实困难，因此随着水泥掺量的增加，水泥混合风积沙最优含水率会增大。

由于风积沙不吸水，且水泥含量远低于风积沙，因此即使水泥掺量增大到11%，但最优含水率和最大干密度实际增长幅度都较小。

2.7 直接剪切试验

风积沙在干燥状态下黏聚力（c）为0，内摩擦角（φ）为27.4°，抗剪能力较差。风积沙力学特性直接影响着风积沙工程的强度及稳定性，通过风积沙直接剪切试验得到风积沙抗剪强度参数，见图8。可知：风积沙在一定含水率状态下黏聚力不为0，具有较低的数值，这是因为风积沙比表面积较小，缺乏表面活动性，吸水性较弱，颗粒之间咬合剪胀而形成的结构力和毛细作用产生的吸力使得风积沙在一定含水率状态下表现出一定的假黏聚力［11］。

图8 风积沙抗剪强度曲线

风积沙在沙漠地区分布广泛，作为铁路路基基床重要的填料来源，其物理力学性质较差，不满足铁路路基基床填料要求［14］，不能直接用于铁路路基基床的填筑，应对风积沙进行改良处理［15］，可往风积沙中掺入水泥以优化其物理力学性质［16-18］。

3 结论

1）风积沙主要元素为O 和Si，两者总占比超过81%；风积沙主要由SiO2、Al2O3和CaO 等物相组成，主要为SiO2晶体，优势晶面为（101）。

2）风积沙主要粒径为0.075～0.250 mm，占比达到97%，风积沙粒径均匀，级配不良；风积沙颗粒松散，空隙率接近42%，颗粒表面无棱角或棱角较为圆滑。

3）风积沙击实曲线呈明显单峰形，最大干密度和最优含水率分别为1.61 g/cm3、12.5%，水泥混合风积沙最大干密度和最优含水率均随着水泥掺量的增大而增大。

4）风积沙理论黏聚力和内摩擦角分别为0 和27.4°，但风积沙在一定含水率状态下表现出一定的假黏聚力。

5）风积沙不可直接用作铁路路基基床填料，应对风积沙进行改良处理，可往风积沙中掺入水泥以优化其物理力学性质。