循環荷載作用下花崗巖殘積土累積變形與濕化特性試驗研究

周德泉，譚煥杰，徐一鳴，周毅，孫義

(1. 長沙理工大學 巖土與隧道工程系，湖南 長沙，410004；2. 廣東省長大公路工程有限公司，廣東 廣州，510620)

花崗巖殘積土是花崗巖經風化而殘留在原地的殘留物，其孔徑分布、顆粒組成和礦物成分變化大[1]，在較理想的風化環境條件下，經過長期的風化作用后，可形成一種較理想的垂向風化剖面，從上至下分別為殘積黏性土、殘積砂質黏性土、殘積砂礫質土3層，構成所謂的3層結構，可以粗砂粒(粒徑＞0.5 mm)質量分數為15%和35%作為界限[2]，其主要特點是云母質量分數高，結構松散，黏結力小，地區差異性明顯。香港九龍[3]的花崗巖殘積土石英質量分數變化范圍小，長石和黏土礦物變化幅度大，屬于礫石土、砂礫土、含礫土、細砂土或者亞砂土；東南沿海地區[4]花崗巖殘積土各項指標的變異性差別較大，所統計的指標中其變異系數平均值小于0.3的有5項(含水量(質量分數)、重度、孔隙比、塑性指數、內摩擦角)；大于0.3的有4項(液性指數、黏聚力、標貫擊數、壓縮系數)，其中重度的變異性很小；湖南臨長(臨湘—長沙)高速公路[5-6]、瀏醴(瀏陽—醴陵)高速公路[7]和大瀏(大圍山—瀏陽)高速公路[8]的花崗巖殘積土屬于砂類土。作為路基填料，其路用性能倍受人們關注[5-10]，通常加入適量水泥[11]或者石灰[12-13]進行改良，直接作為填料填筑路基的情況較少，對其壓實工藝和機理研究更少。湖南瀏醴(瀏陽—醴陵)高速公路[7]根據現場試驗研究不同攤鋪厚度、不同碾壓次數下的路基壓實效果，認為花崗巖殘積土可直接作為高速公路下路堤(93區)路基填料，在填料含水率控制在最優含水率±2%、攤鋪厚度30 cm、采用光輪靜壓1遍+強振3遍+靜壓1遍壓實，效果最佳；湖南大瀏(大圍山—瀏陽)高速公路[8]認為壓實5遍可以達到93%的壓實度。但是，土體在多遍壓實(相當于多次壓縮-回彈)過程中的沉降具有明顯時間效應，工地現場測試條件較差，測試精度難以保證。廣東省云浮至羅定高速公路西段分布大量的花崗巖殘積土，路塹開挖棄碴量大，若能直接填筑路基，則可以節約投資，保護環境。從該高速公路第4標段K64+440～K64+580取得花崗巖殘積土樣，進行礦物成分分析、室內土工實驗，通過室內壓縮試驗和模型槽載荷試驗對比，研究其累積變形與濕化規律，以便為現場壓實質量控制提供試驗依據。

1 花崗巖殘積土的工程性質

1.1 礦物成分與物理力學性質

進行X線衍射試驗分析花崗巖殘積土樣品的礦物成分，結果見圖1。從圖1可見：樣品中石英質量分數為37%，白云母-伊利石為35%，高嶺石約占27%，另外還有少量綠泥石。云母浸水后多處于游移狀態，易于剝分，使路基產生松弛效應；黏土礦物含量較高，降低路基水穩性。

圖1 花崗巖殘積土樣品X線衍射圖譜Fig. 1 X-ray diffraction patterns of samples

依據現行規范對原樣依次進行了顆粒分析，過 2 mm篩后進行液塑限聯合測定，過5 mm篩后進行擊實和直剪等實驗，結果見表1和表2。從表1和表2可見：2 mm篩和0.075 mm篩通過率分別為35.96%和1.64%，該土屬于細粒土質礫(礫類土)，滲透性強；不均勻系數Cu為1.38，曲率系數 Cc為39.07，顆粒級配不良，不利于壓實；最大干密度(ρdm)為1.78 g/cm-3，最優含水率(wo)為 17.9%，液限(wL)為 44.01%，該土屬于低液限土。土樣內摩擦角(φq)較大，黏聚力(cq)小，表明土體結構松散，砂土特征明顯。

表1 土樣基本物理力學指標Table 1 Basic physical mechanical indexes of samples

表2 不同含水率(w)下土樣的剪切強度指標Table 2 Shearing strength indexes of samples under different water contents (w)

1.2 側限壓縮試驗條件下累積變形與濕化特性

為研究側限條件下單位體積虛鋪土體承受不同荷載作用下的壓縮、回彈變形規律，承受相同荷載作用下重復加載次數與沉降量的關系，以及承受一定荷載作用下遇水濕化后的沉降變形規律，使用三聯固結儀對花崗巖殘積土進行側限壓縮與濕化試驗。

將土樣過2 mm篩分成4組，額定最大荷載分別為50，100，200和400 kPa；用漏斗將土樣(天然含水率)自然疏松地鋪到經過標定后的固結儀中并振動，使各組土樣具有相同的孔隙比；模擬機械靜壓工序，將荷載1次加至最大荷載，以加荷5 min后的讀數作為該級荷載下的變形穩定值，然后逐級卸荷，每級卸荷5min后的讀數作為穩定值；對卸除至最小荷載后的土樣再次加至最大荷載，重復壓縮共5次；最后一次加載至最大荷載后，分別向固結盒內注入30 mL水，12 h后記錄濕化變形量，逐級卸載至0 kPa。

1.2.1 不同壓力下5次壓縮-回彈曲線特征

4種壓力下5次壓縮-回彈曲線如圖2所示(e為孔隙比，p為荷載，下同)。從圖2可見：首次壓縮曲線均比較陡峻，2～5次壓縮曲線均接近平行、平緩，說明不同壓力下第1次壓縮量最大；所有回彈曲線均呈下凹型、較平緩，卸載產生的彈性變形恢復較晚；不同壓力下5次壓縮-回彈曲線呈現出相似的形態；2～5次壓縮-回彈的總變形和永久變形均較??；第i+1次壓縮-回彈曲線均位于第i次曲線下方，線性相似，說明加載產生的變形包括彈性變形和永久變形。

1.2.2 不同壓力下永久變形隨加載次數的變化

在不同荷載下，土樣卸荷完畢后的永久變形量(與土樣高度成反比)對比結果如圖3所示。從圖3可見：土樣高度隨荷載的增大而減??；隨著加載次數的增加，土樣高度減小的幅度不大。這說明額定最大荷載對永久變形量的影響較大。

1.2.3 壓實度隨荷載的變化

實驗結束后測得土樣壓實度及其隨額定荷載的變化規律，見圖4。從圖4可見：壓實度隨荷載增大而增大；當荷載小于200 kPa時，增長率較大；當荷載大于200 kPa時，增長率較小。說明土樣壓縮后所產生的塑性變形絕大部分由額定最大荷載決定。

圖2 固結儀中的土樣在不同荷載下5次壓縮回彈e-p曲線Fig. 2 Five times compression and rebound e-p curves of samples under different loads in consolidometer

圖3 土樣高度與加載次數的關系Fig. 3 Relationship between height of samples and loading frequency

1.2.4 不同壓力下的濕化規律

4種壓力下的5次壓縮-回彈與濕化e-p曲線如圖5所示。由圖5可知：土樣經過5次壓縮，除首次壓縮造成孔隙比大幅減小外，其余4次循環后的壓縮量均很??；而當土樣遇水濕化后，孔隙比再次出現較大幅度減小，且濕化后的回彈規律與未濕化的回彈規律相似。這是由于土體受荷后豎向壓力傳遞是通過一系列和最大主應力方向大致平行的傳力路徑來實現的[9]，位于這些路徑上土顆粒接觸點和接觸面上的應力之和決定最大主應力的大小和方向。在加載過程中，土樣中的孔隙隨空氣和微量水分的排出而減??；隨著荷載和壓縮遍數的增加，土顆粒逐漸被壓碎，進一步造成孔隙比減小。加水后，土樣中云母和黏土礦物等顆粒成分遇水軟化，使土顆粒間接觸點、面間發生破壞，削弱了顆粒間的咬合作用，并在水的潤滑下重新排列，導致濕化土的孔隙比急劇減小。

圖4 壓實度與荷載的關系Fig. 4 Relationship between compactness and load

圖5 固結儀中的土樣在不同荷載下5次壓縮回彈與濕化e-p曲線Fig. 5 Five times compression-rebound and humidification e-p curves under different loads in consolidometer

將試樣在負荷不變條件下因濕化而產生的沉降定義為濕化量。在圖5基礎上得圖6。濕化試驗完成之后，測量各試樣的含水率，其變化規律見圖7。從圖6和圖7可見：濕化量和含水率增量與荷載的關系曲線出現了微峰，整體上表現為額定荷載越大，濕化量和含水率增量越小。因為額定荷載越大，土體孔隙比和滲透性越小，壓實度越高。50 kPa時濕化量和含水率增量與100 kPa時的相比略小，可能是實驗誤差所致。

圖6 濕化量與荷載關系的曲線Fig. 6 Relationship between wetting deformation and load

圖7 濕化量與含水率增量關系的曲線Fig. 7 Relationship between wetting deformation and increment of water content

1.3 平板載荷試驗條件下累積變形與濕化特性

獲得側限壓縮試驗條件下累積變形與濕化特性后，在模型槽內給花崗巖殘積土填土重復加載、卸載，通過平板載荷試驗模擬工地現場壓實過程，探究土體沉降量與不同額定荷載及重復壓卸循環次數之間的關系。試驗方案如下。

(1) 準備工作。清理模型槽(尺寸見圖8)，攤鋪試驗土體(厚度為30 cm)，標定壓力傳感器，設置荷載平臺(配重約 8×104N)。

圖8 模型槽平面布置圖Fig. 8 Layout of model groove

(2) 安裝數據收集系統。測點處放置直徑為 300 mm的承壓板、千斤頂、壓力傳感器，其間隙由實際情況加減鋼板墊塊進行調節；在承壓板左右兩側對稱設置2個大量程百分表，并與承壓板保持垂直。

(3) 讀取數據。對測點土體進行分級加載卸載(額定荷載分別為50，100，300和400 kPa)共5個循環，第6次進行超載加、卸壓。

(4) 加水濕化。取出承壓板，在測點中心加入1 L水，12 h后完成1次加、卸載循環。

1.3.1 不同壓力下土體重復壓縮-回彈曲線特征

4種壓力下花崗巖殘積土6次壓縮-回彈曲線如圖9所示。其中：圖 9(a)，(c)，(e)和(g)所示分別表示4種壓力下進行5次等壓循環和1次超壓循環曲線。為了詳細了解5次循環曲線特征，作出5次等壓循環和1 次超壓曲線(局部放大)，見圖 9(b)，(d)，(f)和(h)。從圖9可以看出：土體壓縮曲線均呈上凸型，這與戈壁填料和空隙巖體[14]壓縮曲線呈上凸型、下凹型和直線型不同，土體經首次壓縮之后出現了明顯沉降；回彈曲線均呈下凹型，這與戈壁填料回彈曲線相同；在卸載初期，彈性變形很小，一般到最后1～2級荷載才產生明顯的彈性變形，卸載完畢時無法回到加載前的水平；第i+1次壓縮回彈曲線均位于第i次曲線下方，線性相似，這說明花崗巖殘積土填土為非理想彈性體，荷載作用下發生的變形由彈性變形和塑性變形2部分組成；同樣壓縮回彈5遍，額定荷載越大，造成土體沉降就越大；當第6次循環最大荷載超過前5次最大額定荷載時，加壓曲線將回歸到第1次壓縮曲線的延伸，即具有記憶效應，并且引起較大沉降。說明實際土體碾壓過程中，采用輕、重機具組合碾壓，能使土體的壓實程度明顯提高。

圖9 不同荷載下6次壓縮-回彈曲線Fig. 9 Multiple compression-rebound curves of six times under different loads

表3 不同荷載下土樣的累計總變形、累計永久變形、單次總變形、單次永久變形Table 3 Accumulative and single total and permanent deformation under different loads

1.3.2 不同壓力下變形隨加載次數的變化

定義最大荷載作用下的沉降量為總變形，卸載至0 kPa時的沉降量為永久變形，總變形大于永久變形，則某次加卸載循環就有某次總變形和某次永久變形，累積加卸載循環就有累積總變形和累積永久變形，試驗結果見表3。土體某次總變形變化見圖10。從圖10可見：無論荷載大小，第1次加載造成的總變形和永久變形均最大，之后便隨次數增加，某次總變形和永久變形均有所減小，但減小幅度不明顯，線型接近直線，變形量最大不超過 5 mm；荷載越大，某次總變形和永久變形也越大，其曲線越靠下。此特性與土樣在側限條件下的試驗結果類似，說明土體壓縮后所產生的某次永久變形絕大部分由額定最大荷載決定，并且第1次壓縮量最大。

圖10 土體某次變形變化曲線Fig. 10 Deformation – time curves

圖11所示為4種荷載作用下累積變形與壓縮遍數規律。從圖11可見：各級荷載作用下，累積總變形均位于累積永久變形的下方，累積變形均隨遍數的增加而增加，且荷載越大，累積變形斜率越大，即下降速度越快。說明在實際土體碾壓過程中，采用輕型機械連續碾壓效果不明顯，重型機械連續碾壓效果較好。

圖11 土體累計變形-壓縮遍數曲線Fig. 11 Relationship between accumulative deformation and loading frequency

1.3.3 不同壓力下殘余變形比變化

為了考察土體中永久變形占總變形的比例，定義殘余變形比為：

式中：η為殘余變形比；s0為荷載退零后的殘余沉降值(mm)；s為最大荷載下的沉降值(mm)。

累積殘余變形比與壓縮遍數關系曲線見圖12。從圖12可見：隨著壓縮遍數的增加，累積殘余變形比呈整體增大趨勢，且額定荷載越大，累積殘余變形比越大。這說明土體經過多次壓縮回彈之后，累積塑性變形由急劇減小逐漸發展成緩慢減小，最終趨于平穩。單次殘余變形比與壓縮遍數關系曲線見圖13。從圖13可見：額定荷載大的單次殘余變形比較大，且單次塑性變形隨遍數的增加分2階段變化，其中，第1階段從第1遍壓縮回彈結束至第2遍壓縮回彈結束為急劇減小階段，此時土體被迅速壓實；第2階段從第2遍結束開始至最終結束為平穩發展階段，土體變形主要由彈性變形主導。這說明現場壓實過程中，單靠增加壓實遍數來增加壓實效果是有限的。綜合圖 9～13可知：現場壓實效果主要靠提供較大荷載的高能量壓路機實現。

圖12 土體累計殘余變形比與壓實遍數的關系Fig. 12 Relationship between accumulative residual deformation rate and loading frequency

圖13 土體單次殘余變形比與壓實遍數的關系Fig. 13 Relationship between single residual deformation rate and loading frequency

1.3.4 不同壓力下濕化土的壓縮回彈規律

濕化后的壓縮-回彈曲線如圖 14所示。從圖 14可見：濕化土的壓縮曲線呈下凹型，與未濕化土的壓縮曲線呈上凸型不同；最大荷載大，濕化土的壓縮沉降小。曲線方程可設為 p=f(s)，則 dp/ds(剛度)和變形模量隨著p的增大而增大，d2p/ds2＞0，曲線呈下凹型。這說明6次加、卸載循環后，土顆粒形狀和接觸點、面破壞，加水后在孔隙中形成自由水，土顆粒重新潤滑排列，白云母、伊利石、高嶺石與H+和OH-發生電化學反應，再受壓時，孔隙中自由水先輕松排出，故低壓階段壓縮曲線較陡，繼續加壓時，粒間引力較大，結合水的排出非常困難，故壓縮曲線較平緩。

圖14 濕化土的壓縮-回彈曲線Fig. 14 Compression-rebound curves of wetted samples

2 結論

(1) 該花崗巖殘積土中白云母-伊利石質量分數約占35%，高嶺石約占27%，屬于細粒土質礫，級配不良。

(2) 花崗巖殘積土填土的壓縮曲線呈上凸型，回彈曲線呈下凹型；第i+1次壓縮-回彈曲線均位于第i次曲線下方，線形相似；等載壓實遍數增加，沉降增量遞減、累積沉降增大；超載壓縮曲線將回歸到首次壓縮曲線的延長線上，具有記憶效應。永久變形主要由最大荷載和第1次壓縮決定。

(3) 花崗巖殘積土單次永久變形的發展隨遍數的增加分快速發展和平穩發展2個階段，總變形由彈性變形主導。循環荷載越大，某次壓縮總變形和永久變形也越大。

(4) 壓實填土遇水產生濕化沉降；濕化土的壓縮-回彈曲線均呈下凹型；超載越大，濕化土的水穩定性越強。

(5) 在現場壓實過程中，增加壓路機能量或者輕重機具組合比增加壓實遍數可取得較好的壓實效果。建議通過工地試驗確定不同壓實區的碾壓工藝。

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