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淺析南疆盆地風積砂工程地質(zhì)的特點
查字典地理網(wǎng) 來源|2016-05-24 發(fā)表|教學分類:地理論文

地理學習

學習方法

1、概述

南疆盆地即天山以南,昆侖山系以北的廣袤地區(qū),主要為塔里木盆地。行政區(qū)劃包括巴州、克州、阿克蘇地區(qū)、喀什地區(qū)以及和田地區(qū)等五地州。南疆盆地主要地貌為風積荒漠,零星分布有河流沖洪積綠洲,主要沿盆地邊緣展布。

南疆盆地屬于典型內(nèi)陸暖溫帶,地處高緯度地區(qū),年日照時間達2500~3500h.年平均氣溫10~13℃,日平均大于10℃的年累積氣溫4000℃以上,年平原無霜期200~220d.南疆盆地降水稀少,降水分布規(guī)律是:盆地邊緣多于盆地中心,迎風坡多于背風坡,天山南坡20~400mm,昆侖山北坡200~300mm.塔里木盆地西及北緣50~70mm,東及南緣20~50mm,中心不到20mm.盆地邊緣平均風速為2.1m/s,多年平均8級以上的大風30d,最大風速18m/s,瞬間最大風速可達25m/s.盆地中部沙漠區(qū)盛行偏東風,年均浮塵天氣達200多天。

南疆盆地三面環(huán)山,水流由盆地邊緣向中部匯聚,最終匯入羅布泊。由于氣候和人工開采利用等原因,現(xiàn)今基本無水流匯入羅布泊。

南疆盆地地層主要為第四紀全新世風積層和沖洪積層。其中沖洪積層面積狹小,約占盆地5.0%,呈點狀分布于河床和河流兩岸,綠洲就發(fā)展于此。

風積層面積占盆地面積的95.0%,廣袤的沙漠均為風積層,其表面被風積砂覆蓋。

風積砂即主要在風的作用下,滾動漂浮遷移等沉積形成的砂層。主要分布于沙漠、戈壁。其粒徑組為0.075~0.250mm的粉細砂,含量在90%.粒徑組大于0.250mm的含量非常少,不到1.0%;粒徑組小于0.075mm的含量少于9.0%[1-3].風積砂由于粒徑小于0.075mm的粉粒和粘粒含量很少,使得其表面活性很低,松散、無聚合性,具有明顯的非塑性,成型困難,而且成型后的穩(wěn)定性能也較差[4-5].風積砂屬于非親水性土,砂顆粒表面對水的物理吸附作用很小,天然狀態(tài)下的吸水率很小,幾乎在0%附近。

本文根據(jù)在南疆五地州的實際工作經(jīng)驗,結合前人工作成果,對南疆盆地風積砂基本工程地質(zhì)特性進行分析和總結。

2、物理性質(zhì)

2.1 粒度及礦物成分風積砂的外形和顆粒大小與礦物成分有關,大部分呈棱角狀和磨圓狀,分選程度差。粒徑大于0.25mm的幾乎全是石英,粒徑在0.250~0.075mm的以石英、長石、云母為主,其次還分布有少量輝石、角閃石、方解石等,其外形基本完好,保持有原生礦物的晶體結構特征。粒徑小于0.075mm的則含有黏土礦物等。

風積砂粒度成分以細顆粒0.250~0.075mm為主,極細顆粒0.075~0.050mm次之,粗顆粒0.50~0.25mm較少,大于0.50mm和小于0.05mm的顆粒非常少。

反映風積砂均勻程度指標不均勻系數(shù)Cu一般為1.5~3.8,曲率系數(shù)Cc多在1.0~2.5,中值粒徑d50為0.1~0.2mm,屬于級配不良粉細砂或粉土質(zhì)砂。個別地區(qū)受地質(zhì)條件和地理環(huán)境的影響,其礦物成分和粒徑組成稍顯不同,總體呈由山腳向盆地中部逐漸變細。

2.2 顆粒組成風積砂的相對質(zhì)量密度一般為2.68~2.70,主要與石英、長石、云母、輝石、角閃石、方解石等礦物成分有關。天然密度為1.40~1.80g/cm3,天然含水率在0.0%~10.0%,含水率越小天然密度也越小。據(jù)現(xiàn)場試驗,風積砂丘天然含水率小于1.0%,天然密度為1.4g/cm3.接近綠洲區(qū),含水率和天然密度逐漸增大,含水率最高可達10%,天然密度達到1.8g/cm3.

2.3 密實程度微觀密實程度指標孔隙比e在0.4~1.0,孔隙率n為0.4~0.8.密實程度隨厚度(埋深)增大有所提高。

宏觀密實程度指標相對密實度Dr,地表的Dr值大多小于0.33,密實度分類屬于松散;3.0m以下,密實度有所提高,其Dr值可達0.50,密實度分類屬于中等密實;5.0m以下Dr值可大于0.67,密實度分類屬于中等密實-密實。

3、力學性質(zhì)

風積砂的力學性質(zhì)包括壓縮變形性、抗剪(剪斷)性、地基承載力、擊實性質(zhì),其力學性質(zhì)總體表現(xiàn)不好。

3.1 壓縮變形風積砂屬單粒松散結構,顆粒之間基本無粘結,其壓縮性取決于顆粒級配、顆粒形態(tài)、原始孔隙比和相對密度等。在外力作用下壓縮變形速度很快,變形大部分屬于永久變形,彈性變形部分很小,即通常壓力作用下風積砂的壓縮變形是顆粒移動和結構變形的結果。

處于疏松狀態(tài)的風積砂采用機械很容易達到密實狀態(tài),風積砂地基上的建筑物沉降一般很小,且在施工過程中就完成大部分變形,地基沉降基本完成[1].根據(jù)工程相關試驗,地表表層風積砂的壓縮系數(shù)a1~2大多大于0.5MPa-1,壓縮模量Es基本小于5MPa,屬于高壓縮性土,變形性很強。隨著厚度(埋深)壓縮系數(shù)逐漸變小,逐漸變?yōu)橹械葔嚎s和低壓縮性土,壓縮系數(shù)a1~2在0.1~0.5MPa-1,變形性逐漸轉小。

3.2 抗剪(剪斷)風積砂的抗剪(剪斷)反應風積砂抵抗剪切破壞的能力,主要指標為粘聚力C和內(nèi)摩擦角ψ,該指標值一般較小,反映風積砂抗剪(剪斷)的能力弱。

粘聚力C值很小,約1.0kPa,由于其細小顆粒含量極少,且主要是由砂粒間咬合剪脹引起的,甚至可以忽略不計。

內(nèi)摩擦角ψ一般不大,由含有的粗顆粒所致。

其值受顆粒組成、顆粒型態(tài)、礦物成分、密實程度和剪切速率控制,內(nèi)摩擦角ψ一般為20°左右。

3.3 承載力風積砂的承載力一般較小,尤其是地表承載力值較小,不經(jīng)過處理不宜直接修建建筑物。但隨著埋深和密實度增大,承載力有所提高[2].根據(jù)在南疆五地州和前人工程經(jīng)驗可知,南疆盆地風積砂承載力值fa一般為50~120kPa,變形模量Eo多在5.0~15.0MPa.

3.4 擊實特性天然狀態(tài)下的風積砂基本為松散狀態(tài),工程性能很差,承載力低,回彈模量小,變形性大。但對風積砂擊實后其工程特性顯著提高,并能獲得最大干密度和最優(yōu)含水量,該指標可用于指導現(xiàn)場壓實作業(yè)和檢驗現(xiàn)場壓實作業(yè)質(zhì)量。

風積砂的用輕型擊實試驗法確定的最大干密度為1.8g/cm3左右,幾乎是天然狀態(tài)下的1.5倍,最優(yōu)含水量約為10%.

4、水力性質(zhì)

4.1 滲透及滲透變形南疆盆地風積砂天然狀態(tài)下的滲透系數(shù)為n×10-3cm/s,擊實后水力學特性得到很大改善,滲透系數(shù)將為n×10-4cm/s,或者更小。風積砂巖性主要為粉土質(zhì)砂,屬于無粘性土。在水力作用下的滲透變形類型主要為流土型。臨界水力比降依據(jù)下式確定[3].Jcr=(Gs-1)(1-n)(1)(1)式中,Jcr為土的臨界水力比降,Gs為土的顆粒比重,n為土的孔隙率。上式計算結果應根據(jù)工程重要性,除以1.5~2.0的安全系數(shù)。當實際值小于計算結果值時,將不發(fā)生滲透變形。

4.2 濕陷及濕陷性在200kPa壓力下浸水載荷試驗的附加濕陷量和承壓板寬度之比等于或大于0.023的土,即判定該土為濕陷性土[4].對于風積砂是否為濕陷性土,及其濕陷機理的研究基本還在摸索階段,很多技術正在不斷完善中。本文對南疆盆地工程項目進行了分析總結,并結合當前研究成果,總結如下[5]:南疆盆地風積粉土質(zhì)砂具有濕陷性,該土屬于輕-中等濕陷性土。其濕陷性與土中細顆粒含量有關,且粉粒粘粒含量越多,濕陷性越強。風積砂的濕陷性與土的干密度有關,干密度越大,濕陷性越弱,當干密度大于1.6g/cm3時,濕陷性基本不存在。

5、化學性質(zhì)

5.1 脹縮性南疆盆地中風積砂天然狀態(tài)下的硫酸鈉含量約為0.05%,小于1%,基本不具有鹽脹性。pH值為9.0左右,易溶鹽含量為0.5g/kg,即0.05‰,小于0.3%,判定風積砂為非鹽漬巖土[6].

5.2 腐蝕性南疆盆地中風積砂硫酸鹽含量(SO42-)一般小于1.0mmol/kg,鎂鹽含量(Mg42+)大多為0.2mmol/kg,氯鹽(Cl-)含量約2.0mmol/kg,對天然建筑材料不具有腐蝕性。

6、結論

通過以上分析總結,可以得出以下結論,南疆盆地風積砂工程地質(zhì)性質(zhì)表現(xiàn)為:(1)少雨多風干旱環(huán)境下,風積砂屬于單一結構,級配不良,具有松散結構,基本無可塑性,屬于高壓縮性土。(2)抗剪(剪斷)強度低,粘聚力小,內(nèi)摩擦角不大,表現(xiàn)為顆粒間交錯鑲嵌與咬合作用。風積砂承載力不大,但壓縮變形快。具有較好的擊實性,擊實(壓實)后物理力學性質(zhì)顯著提高。(3)風積砂屬于非親水性土,具中等透水性土,滲透系數(shù)較大,擊實(壓實)后,滲透性能改善,滲透系數(shù)變小。存在流土型滲透變形,具有見水濕陷的性質(zhì)。(4)南疆盆地風積砂天然狀態(tài)下基本不具有鹽脹性,為非鹽漬巖土,對天然建筑材料不具有腐蝕性。建議在南疆盆地工程項目中充分結合風積砂的以上工程地質(zhì)特性,揚長避短,確保工程質(zhì)量,提高經(jīng)濟效益。

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