红黏土改良风积沙基础物理力学性能试验研究

吴景芳

（甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，兰州 730000）

1 工程概况

民勤县污水处理厂—苏武沙漠戈壁农业示范园供水工程，地处甘肃省民勤县腾格里沙漠边缘，该工程是为充分利用中水资源，对苏武沙漠戈壁农业示范园绿化、灌溉而新建的供水工程。从民勤县污水处理厂引水，管线输水到苏武沙漠戈壁农业示范园区，拟建管线长度为29.825 km，在沙漠沙雕创作园附近拟建景观蓄水池。

拟建的蓄水池场地天然地基为风积沙，风积沙开挖边坡稳定性差、地基承载力低、压缩变形大。工程区沿线可作为填筑料源的细粒土奇缺，管线沿途的粉质黏土位于地表以下，开挖弃料较多，可利用率低，运至蓄水池场地用于填筑池底、池堤成本较高。

在水利水电工程中，充分合理利用原材料，就地取材，不但能节约成本、降低工程造价，而且还能起到保护环境的作用。风积沙是沙子在风力作用下搬运、积淀的沙层，多见于沙漠、戈壁。由于风积沙粉粒和黏粒含量很少，表面活性很低，松散、无黏聚性和亲水性，水份保持时间短，成型困难，具有明显的非塑性。因此，将风积沙作为一般土填筑料使用时，其物理力学性质达不到质量技术指标的要求。但是，若将黏土按照一定比例掺加到风积沙中，增加材料的黏粒含量，提高可塑性和防渗性，其技术指标不仅能满足一般土填筑料使用，而且能够满足一般土防渗料使用[1，2]。为寻求工程建设中的填筑料和防渗料，借鉴红崖山水库加高扩建工程施工经验，建议采用苏武山红黏土料与蓄水池场地的风积沙进行掺配使用。

通过试验论证天然风积沙与苏武山红黏土掺配的合适比例，在满足各项质量技术指标要求前提下，对景观蓄水池风积沙地基进行人工改良，并作为填筑料和防渗料使用。使两种材料有机地结合在一起，发挥其优点，消除材料的不利因素，能达到工程建设材料的要求和降低工程成本的目的。

2 试验材料和方法

①试验用风积沙：在拟建蓄水池场地，由钻孔和探坑不同深度处取具代表性试样4 组；②红黏土：苏武山料场随机取样2组。颗粒分析见表1。

取4组风积沙（编号：风积沙1、风积沙2、风积沙3、风积沙4）和风积沙的混合物（编号：风积沙混），将2组红黏土（编号为：黏土1和黏土2）和红黏土的混合物（编号：黏土混），分别按照质量比5%、10%、15%、20%、30%、50%掺配到风积沙中（编号：配1、配2、配3、配4、配5、配6），分别进行颗粒分析试验、击实试验、界限含水率（过0.5 mm 的分析筛）、固结试验、渗透试验、有机质含量和易溶盐含量试验。

表1 颗粒分析

3 试验结果与分析

3.1 颗粒分析改良结果

掺配风积沙颗粒分析试验结果见图1。

从颗粒分析试验成果可看出：苏武山红黏土不含砂粒，粉粒和黏粒含量分别占到57%和43%；风积沙砂粒含量占到88%，没有黏粒含量；随着红黏土掺配比例从5%增加到50%，改良后风积沙的黏粒含量相应地从4%增加到27%，土定名也由砂土变为中壤土、重壤土。

根据《水利水电工程天然建筑材料勘察规程》（SL251-2015）中技术指标的要求[3]，红黏土改良风积沙的掺配比例为15%、20%、30%、50%时颗粒分布均匀，黏粒含量能达到一般土填筑料技术指标的要求；掺配比为20%、30%、50%时，黏粒含量能达到一般土防渗料技术指标的要求。

图1 颗分曲线

3.2 最大干密度试验结果

风积沙属于无黏性土[4]，其最大干密度应采取振动锤击法进行试验；红黏土属于黏性土，采用击实试验方法。经试验发现，风积沙采用击实试验获得的最大干密度略低于振动锤击法的最大干密度。考虑到便于风积沙中掺配红黏土、风积沙混合样和黏土混合样综合分析比对，故采用轻型击实试验方法对不同材料进行试验，获取其最大干密度和最优含水率。

试验成果见表2，击实曲线见图2。

表2 击实试验成果表

图2 击实曲线

从图2 可看出：风积沙混合样击实曲线为“倒S”，曲线较平缓，干密度随含水率的变化不明显，呈小幅波动，说明含水率对干密度影响较小；红黏土混合样击实曲线呈下凹型抛物线，曲线较陡，干密度随含水率的变化明显，呈大幅波动，含水率变化对干密度影响敏感；红黏土改良风积沙的掺量从5%增加到20%时，最优含水率从11.6%增大到13.5%，最大干密度从1.81g/cm3增大到1.91g/cm3。曲线类型也逐渐从较缓的“倒S”转变为较陡的下凹型曲线。说明红黏土掺量在这个范围内，含水率变化对干密度影响逐渐变得敏感；掺量在20%～50%之间时，最优含水率从13.5%增大到16.8%，最大干密度从1.91 g/cm3降低到1.89 g/cm3。说明红黏土掺量在这个范围内，最优含水率增大，最大干密度降低。

3.3 界限含水率、渗透、固结、有机质含量、易溶盐含量试验结果

界限含水率试验土样过孔径0.5 mm的筛，采用液塑限联合测定法；渗透试验采用变水头渗透试验法[5，6]；固结试验采用标准固结试验，选取100～200 kPa范围的压缩系数a1-2来衡量其压缩性。压缩系数a1-2＜0.1 MPa-1为低压缩性土，压缩系数0.1 MPa-1＜a1-2＜0.5 MPa-1为中压缩性土，压缩系数a1-2＞0.5 MPa-1为高压缩性土；有机质含量试验采用重铬酸钾滴定、易溶盐总量测定使用烘干法，试验成果见表3。

表3 物理力学性质和化学性质试验成果表

由表3可看出：风积沙混合样无塑性，红黏土液限48、塑限24、塑性指数24。随着红黏土掺量增加，塑性指数由无塑性增加到11.10。掺配比例为15%、20%、30%、50%时塑性指数达到一般土填筑料技术指标的要求，掺配比例为20%、30%、50%时，塑性指数达到一般土防渗料技术指标的要求。

风积沙渗透系数为6×10-4cm/s，红黏土渗透系数为3×10-8cm/s。随着红黏土掺配比例的增加渗透系数变小，掺配比例为10%、15%、20%、30%、50%时可达到一般土填筑料和一般土防渗料技术指标的要求。

风积沙饱和后压缩系数a1-2为0.08 MPa-1，低压缩性土；红黏土饱和后压缩系数a1-2为0.31 MPa-1，中压缩性土；红黏土掺配比例为10%、15%、20%、30%、50%时，均属于中、低压缩性土。

有机质含量试验值均小于2%，易溶盐含量试验值均小于3%，达到《水利水电工程天然建筑材料勘察规程》（SL251-2015）中一般土填筑料和一般土防渗料技术指标中的要求。

技术评价指标对比表见表4。

表4 红黏土改良风积沙技术评价指标对比表

4 结语

通过掺配红黏土改良风积沙的物理力学性能试验比对研究，证明随着掺配红黏土比例的增大，黏粒含量增加，液塑限和塑性指数也逐步增大，增加了可塑性。最优含水率和最大干密度增大，增加了压实性能。渗透系数逐渐减小，改良了风积沙的非亲水性，增加了防渗性能。

从改良效果和掺配红黏土成本等方面综合考虑，改良风积沙掺红黏土比例作为一般土填筑料使用时选用15%，作为一般土防渗料使用时选用20%，可使其各项性能达到相对最佳水平。加大红黏土掺量也能满足其质量技术指标的要求，但成本增加较多，不建议使用。