壓實花崗巖殘積土軟化特性試驗研究

賴榕洲， 吳能森， 徐 青

(福建農林大學交通與土木工程學院， 福建 福州 350002)

花崗巖殘積土是花崗巖經過物理風化和化學風化后殘留在原地的碎屑物，具有特殊的成分和結構特征，被《巖土工程勘察規范》(GB50021-2001)[1]認定為一種特殊土，在我國南方山地廣泛分布[2]．隨著山地的大量開發建設，越來越多的工程利用開挖的花崗巖殘積土進行高速公路、鐵路的路基填筑及開發區填方造地，因此開展有關的理論與工程應用研究十分必要，如杜江等進行的路用性能室內試驗研究[3]．作為填筑土料，含水率是施工控制的關鍵參數，同時含水率的變化必然引起填筑體強度和壓縮性的改變．為此以最優含水率為基準，對3種不同含水率花崗巖殘積土試樣進行了固結排水三軸試驗，研究各含水率條件下壓實花崗巖殘積土的強度和變形指標，分析含水率增大所導致的軟化效應．

1 土樣制備與試驗

1.1 原狀土樣

結合實際工程采集原狀土樣，用薄壁取土器取自福州晉安區鶴林新城二區某地塊，鉆探取土深度為12.3～16.8 m，土樣呈褐黃、肉紅色，濕-稍濕，硬塑狀態．經測試[4]，土樣的物理性質指標如下：天然密度ρ=1.84 g/cm3，天然含水率ω=30.1%，土粒相對密度ds=2.72，天然孔隙比e=0.976，液限ωL=41.1%，塑限ωP=27.3%，塑性指數Ip=13.8．經篩分[4]，土樣各粒組的分布情況為：10～5 mm占1.4%，5～2 mm占17.4%，2～1 mm占7.3%，1～0.5 mm占9.8%，0.5～0.25 mm占8.2%，0.25～0.1 mm占10.6%，0.1 mm以下占45.3%．

1.2 試驗土樣

取花崗巖殘積土原狀土樣約5 kg，經過風干、碾碎后，測定土樣的含水率，然后進行標準擊實試驗[4]，測得土樣的最優含水率ωop=17.4%．實驗試樣含水率以最優含水率為基準，上下相差4%左右，經取整分別為13%、17%、21%．考慮三軸實驗的試樣較小，故先用孔徑2 mm篩子將風干、碾碎土樣的粗顆粒篩除，然后根據設計的含水率，依等壓實度原則按擊實法制作試樣．試樣直徑39.1 mm，高80 mm．

1.3 試驗儀器與方法

試驗儀器為SLB-1型應力～應變控制式三軸剪切滲透試驗儀，采用固結排水三軸壓縮試驗(CD試驗)[4]，試驗固結圍壓σ3分別取100 kPa、200 kPa、300 kPa，當體積讀數變化微小或長時間保持不變時認為試樣完成固結．固結完成后，在圍壓σ3保持不變的情況下，采用應變控制方式，以0.012%/min剪切速率增加軸向壓力進行排水剪切，直至試樣軸向應變值達到15%時停止試驗，試驗過程中排水閥始終保持開啟狀態．自動數據采集系統能夠在試驗過程中采集試驗數據并繪制相關曲線．

2 試驗結果分析

2.1 含水率對土體強度影響

實驗表明，各含水率試樣在軸向應變達到15%時呈比較明顯的鼓狀變形，但尚未發生剪切破壞，各試樣的偏應力(σ1﹣σ3)f～軸向應變ε1關系曲線如圖1所示．根據各含水率試樣的圍壓σ3和試樣破壞時的偏應力(σ1﹣σ3)f試驗數據，分別繪制破壞應力圓強度包線(略)，得到不同含水率的花崗巖殘積土抗剪強度指標c、φ值．各含水率試樣破壞時的應力及c、φ值見表1．

(a) ω=13%

(b)ω=17%

(c) ω=21%圖 1 (σ1﹣σ3)～ε1關系曲線

由表1顯見，隨著含水率的增大，土抗剪強度降低，具體表現在以下三方面：1)抗剪強度指標．隨著含水率的增大，抗剪強度指標c、φ值隨之降低，但含水率對c、φ值的影響差異顯著，在同等條件下，c值降幅達φ值的30倍以上，或者說，相對于c而言，含水率對φ的影響可以忽略不計．其原因是土中水主要對細粒土發生作用，而花崗巖殘積土粗顆粒含量高，內摩擦角取決于粗粒土；2)c的軟化效應．含水率在13%～17%時，含水率每增大1%，c值平均減小6.4%；含水率在17%～21%時，含水率每增大1%，c值平均減小13.3%，約是前者的2.1倍，軟化效應成倍增大；3)破壞偏應力．隨著含水率的增大，破壞偏應力(σ1﹣σ3)f值隨之降低，其中圍壓較小(σ3=100 kPa)時，其降低率較顯著，而圍壓較大時則不明顯．根據摩爾-庫倫條件[5]，當把土的內摩擦角φ視為定值時，其偏應力(σ1﹣σ3)f的大小取決于圍壓σ3和粘聚力c，即

(σ1-σ3)f=k1σ3+k2c.

(1)

式中，k1、k2為取決于φ的系數．當φ為定值時，k1、k2為同數量級常系數．因此c值減小引起(σ1﹣σ3)f的降低率取決于σ3大小，σ3越大，同樣的c減小值引起的(σ1﹣σ3)f的降低率就越小，反之亦然．

表1 各含水率試樣破壞應力及c、φ 值

2.2 含水率對土體壓縮性影響

由圖1可見，試樣的應力～應變曲線形狀呈非線性的加工硬化型，符合鄧肯-張模型的應用條件．為此，擬通過鄧肯-張模型的變形模量來分析含水率對壓縮性影響．

鄧肯-張模型的切線變形模量[6]

(2)

其中Ei為初始切線模量，且

(3)

式中：Rf為破壞應力比，K為無量綱基數，n為無量綱指數，K、n均為試驗常數，Pa為大氣壓力(取101.4 kPa)．經(σ1-σ3)～ε1試驗數據的處理及計算[5-7]，可得到鄧肯-張模型參數Rf、K、n(略)．

從圖1同時可見，土樣的應變硬化主要發生在ε1為0～5%范圍內，為此選取ε1為0、2.5%、5%對應的切線變形模量Ei、Et0.025、Et0.05作為土體壓縮性指標的代表值，不妨統稱為特征變形模量．

為分析含水率對土體壓縮性的影響，考慮工程實際取圍壓σ3=100 kPa，利用已知的模型參數及試驗數據，由式(2)、(3)可計算得到各含水率時的特征變形模量，如表2和圖2所示．

表2 σ3=100 kPa時各含水率土的特征變形模量

圖 2 特征變形模量隨含水率變化

由表2及圖2可知，在等壓實度條件下，壓實花崗巖殘積土特征變形模量隨著含水率的增大而減小，其中Ei隨含水率減小較顯著，而Et0.025、Et0.05隨含水率減小不明顯，同時Ei值約是Et0.025值的4～5倍，約是Et0.05值的9～11倍，因此Ei值的變化基本可以代表土中水對土體壓縮性的影響．此外，對Ei而言，含水率在13%～17%時，含水率每增大1%，Ei值平均減小3.52%；含水率在17%～21%時，含水率每增大1%，Ei值平均減小5.72%，是前者的1.63倍．可見隨著含水率的增大，土中水對壓實花崗巖殘積土的軟化效應隨之增大．

3 結論

綜上研究可知，土中水對壓實花崗巖殘積土具有較顯著的軟化作用，即隨著含水率的增大，土的強度降低、壓縮性增大，具體如下：

1) 等壓實度花崗巖殘積土，土中水對強度的軟化作用主要表現為粘聚力c的顯著減小，而且隨著含水率的增大，其軟化效應成倍放大；而內摩擦角φ受土中水影響相對很小，在含水率增大幅度不太大的情況下，可以忽略不計．

2) 由于內摩擦角φ值變化相對微小，土樣破壞偏應力的大小取決于圍壓σ3和粘聚力c，因此，土中水的軟化效應在破壞偏應力上的體現程度不一，圍壓小較顯著，反之不明顯．在實際工程中，填筑體的圍壓通常在100 kPa以下，因此土中水對破壞偏應力的影響也是比較顯著的．

3) 壓實花崗巖殘積土試樣的應力～應變曲線呈加工硬化型，符合鄧肯-張模型的應用條件，即其壓縮性可以鄧肯-張模型的特征變形模量來體現，其中Ei值的變化基本可以代表土中水對其壓縮性的影響．而且同粘聚力c相似，土中水對Ei產生的軟化效應隨含水率的增大呈放大趨勢．

致謝：本研究得到福建省自然科學基金項目、福建農林大學創新(培育)團隊建設項目等資助，在此表示感謝．同時感謝福建省現代工程勘察院在鉆探取樣方面的支持與幫助，感謝福建農林大學交通與土木工程學院給予本研究的幫助、關心與支持！

[參考文獻]

[1] 中華人民共和國建設部．巖土工程勘察規范(GB50021-2001)[M]．北京：中國建筑工業出版,2001.

[2] 吳能森，趙 塵，侯偉生．花崗巖殘積土的成因、分布及工程特性研究[J]．平頂山工學院學報,2004，13(04)：1-4．

[3] 杜 江，陳 熙，羅 潔．風化花崗巖殘積土路用性能室內試驗研究[J]．公路工程,2012，37(06)：105-108．

[4] 水利部南京水利科學研究院．土工試驗方法標準(GB/T 50123-1999)[M]．北京：中國計劃出版社,1999．

[5] 胡中雄．土力學與環境土工學[M]．上海：同濟大學出版社，1997：140-146．

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[7] 錢家歡，殷宗澤．土工原理與計算[M]．第二版.北京：中國水利水電出版社，1996：54-60.