清水及硫酸溶液浸泡下花崗巖殘積土強度演化特征研究

林其隆，黃真萍，曹洋兵，孫加梁,4

(1.福州大學 環境與資源學院， 福建 福州 350116；2.福州大學 國土資源部丘陵山地地質災害防治重點實驗室(福建省地質災害重點實驗室)， 福建 福州 350116；3.地質工程福建省高校工程研究中心， 福建 福州 350116；4. 武漢市建筑工程質量監督站， 湖北 武漢 430019)

花崗巖殘積土在我國東南沿海地區廣泛分布，厚度多為20 m～35 m[1]，在季節性炎熱多雨氣候及區域SO42-酸雨環境作用下，土體結構易被損傷破壞，強度急劇劣化，從而造成以該類土體作為承載體或建筑環境的地基、邊坡及洞室的破壞失穩災害。因此，開展花崗巖殘積土在清水及硫酸溶液浸泡下強度演化特征研究具有重要理論價值與工程意義。

迄今為止，關于酸性溶液浸泡作用下花崗巖殘積土力學參數演化特征研究較少。姬鳳玲等[2]研究了硫酸溶液對花崗巖殘積土物理力學特性的影響；孫銀磊等[3]研究了鹽酸浸泡后花崗巖殘積土化學成分及抗拉特性變化特征；湯連生等[4]研究了酸堿處理后不同pH值花崗巖殘積土的動力響應特征；金旭等[5]探討了不同pH值的酸及浸泡時間對土的崩解特性的影響。總體上看，上述研究對酸性溶液濃度劃分跨度較大，未充分考慮表征花崗巖殘積土結構特性的波速演化特征與表征花崗巖殘積土溶解程度的質量演化特征。除此之外，與本文主題相關的花崗巖殘積土與水耦合作用下的非飽和特征與力學特性研究較多，取得了重要的進展，主要有：多次干濕循環對土-水特征曲線和孔徑分布的影響[6]；基于水-土特征曲線分析水土特征滯回圈的原因[7]；基于土-水特征曲線提出基質吸力預測方法[8]；高液限狀態下物理特性和剪切特性的試驗研究[9]；飽和與非飽和狀態下的抗剪強度對比研究[10]；不同原位測試方法對典型剖面的力學特性研究[11]；不同濕熱環境下花崗巖殘積土的損傷機理[12]；周期剪切荷載作用下強度與變形參數變化規律[13]；不同干濕循環作用下花崗巖殘積土小應變剛度特性[14]；非飽和狀態下的浸泡崩解機制與崩解速率[15]。上述研究可為本文強度劣化原因分析提供重要支撐，但并未直接涉及清水及硫酸溶液浸泡下花崗巖殘積土強度演化特征。

綜上所述，為克服現有研究中存在的問題，本文以花崗巖殘積土為對象，將H2SO4溶液濃度設置精細化，開展清水及H2SO4溶液作用下的浸泡試驗，考慮花崗巖殘積土的結構損傷與介質溶解，進行浸泡后試樣的波速測試、快剪試驗和質量測試，揭示不同浸泡環境下花崗巖殘積土的強度演化特征，并從介質溶解角度討論了強度劣化原因。

1 試樣制備及研究方案

1.1 試樣來源與制備

本文所用花崗巖殘積土試樣介于可塑狀至硬塑狀，呈灰黃色，通過X射線衍射可知其主要礦物成分為石英、長石及高嶺土，原巖結構已全部破壞。土體干強度中等，無搖震反應。土體顆粒粒徑大于0.5 mm占1.2%，0.075 mm～0.5 mm占17.7%，小于0.075 mm占81.1%，塑性指數Ip為10.8。用靜壓法制備環刀試樣(高20 mm、直徑61.8 mm)，壓實度96%。

1.2 試驗方案

試驗目的是揭示清水(相當于酸性溶液濃度為0)及硫酸溶液浸泡下花崗巖殘積土強度演化特征。為此，將不同H2SO4溶液濃度和浸泡時間作為試驗變量，本次設置的濃度分別為0%、1%、3%、5%和7%，設置的浸泡時間分別為1 d、2 d、4 d、7 d、10 d、13 d、16 d、20 d、24 d、28 d、40 d。具體試驗流程為：在環刀試樣上下兩面先后用濾紙以及透水石進行覆蓋，并將凡士林抹在環刀外側，避免試驗過程中酸液腐蝕環刀，再用保鮮膜裹緊并用塑料材質的細繩系縛好；殘積土試樣浸泡在清水和不同濃度H2SO4溶液中；達到設定浸泡時間后，先后進行波速測試以及快剪試驗，最后選取浸泡在不同濃度溶液中40 d后的試樣，在105℃的烘干箱中烘干，并稱取烘干后試樣的質量。

2 試驗結果分析

2.1 清水浸泡下強度演化特征

圖1為清水浸泡下試樣縱波波速與浸泡時間的關系特征。由圖1可知，花崗巖殘積土試樣的縱波波速隨著浸泡時間的增大先急劇減小，而后緩慢減小，最終趨于穩定，其中急劇減小主要發生在浸泡0～16 d，從885 m/s減小到690 m/s，緩慢減小發生在浸泡16 d～28 d，從690 m/s減小到648 m/s，浸泡28 d～40 d后縱波波速基本穩定。采用指數函數進行擬合，可獲得如下縱波波速-浸泡時間關系式：

(1)

式中:Vp為縱波波速(m/s);t為浸泡時間(d，下同);R2為決定系數(下同)。

圖1 清水浸泡下縱波波速隨浸泡時間變化曲線

圖2為清水浸泡下試樣黏聚力與浸泡時間的關系特征。由圖2可知，花崗巖殘積土試樣的黏聚力隨著浸泡時間的增大先震蕩式減小，而后緩慢減小，最終趨于穩定，其中震蕩式減小主要發生在浸泡0～16 d，從28.1 kPa減小到18.5 kPa，緩慢減小為浸泡16 d～28 d，浸泡28 d～40 d后黏聚力基本穩定。采用指數函數進行擬合，可獲得如下黏聚力-浸泡時間關系式：

(2)

式中:c為黏聚力(kPa，下同)。

圖3為清水浸泡下試樣內摩擦角與浸泡時間的關系特征。由圖3可知，花崗巖殘積土試樣的內摩擦角隨著浸泡時間的增大先急劇減小，而后震蕩式緩慢減小，最終趨于穩定，其中急劇減小主要發生在浸泡0～16 d，從27.7°下降到21.7°，震蕩式緩慢減小為浸泡16 d～28 d，從21.7°減小到21.1°，浸泡28 d～40 d后內摩擦角基本穩定無變化。采用指數函數進行擬合，可獲得如下內摩擦角-浸泡時間關系式：

(3)

式中:φ為內摩擦角((°)，下同)。

圖2 清水浸泡下黏聚力隨浸泡時間變化曲線

圖3 清水浸泡下內摩擦角隨浸泡時間變化曲線

2.2 硫酸溶液浸泡下強度演化特征

圖4為不同濃度H2SO4溶液浸泡40 d后試樣縱波波速與H2SO4濃度的關系特征。由圖4可知，花崗巖殘積土試樣縱波波速隨著H2SO4濃度的增大先急劇減小，而后緩慢減小并趨于穩定，其中急劇減小主要發生在H2SO4濃度0%～3%范圍內，從642 m/s降低到431 m/s，緩慢減小并趨于穩定發生在H2SO4濃度3%～7%階段，波速從431 m/s下降到406 m/s，同時此階段曲線斜率逐漸變小，縱波波速逐漸趨于穩定。采用指數函數進行擬合，可獲得如下縱波波速-硫酸濃度關系式：

(4)

式中:ω為硫酸濃度(%，下同)。

圖5為不同濃度H2SO4溶液浸泡40 d后試樣黏聚力與H2SO4濃度的關系特征。由圖5可知，花崗巖殘積土試樣的黏聚力隨著硫酸濃度的增大先急劇減小，而后緩慢減小趨于穩定，其中急劇減小主要發生在H2SO4濃度0%～3%范圍內，黏聚力從14.86 kPa減小到6.96 kPa，緩慢減小并趨于穩定發生在H2SO4濃度3%～7%階段，黏聚力從6.96 kPa減小到5.25 kPa，同時此階段曲線斜率逐漸變小，黏聚力逐漸趨于穩定。采用指數函數進行擬合，可獲得如下黏聚力-硫酸濃度關系式：

(5)

圖4 硫酸中浸泡40 d后縱波波速隨H2SO4濃度變化曲線

圖5 硫酸中浸泡40 d后黏聚力隨H2SO4濃度變化曲線

圖6為不同濃度H2SO4溶液浸泡40 d后試樣內摩擦角與H2SO4濃度的關系特征。由圖6可知，花崗巖殘積土試樣的內摩擦角隨H2SO4濃度的增大減小，其H2SO4濃度0%～7%階段內摩擦角總體從21.1°減小到10.29°，其中，濃度5%～7%階段內土體內摩擦角下降1.44°，而濃度0%～1%階段內，土體內摩擦角卻下降2.79°，平均下降速率是前者的3.88倍。采用指數函數進行擬合，可獲得如下內摩擦角-硫酸濃度關系式：

(6)

2.3 損傷演化特征

為定量表征不同濃度溶液浸泡下花崗巖殘積土損傷特征，定義強度和波速損傷變量。其中，強度損傷變量計算公式如下：

(7)

式中:R0為試樣初始黏聚力、內摩擦角；Ri為試樣浸泡后黏聚力、內摩擦角；D為強度損傷變量。

參考文獻[16]，定義波速損傷變量如下：

(8)

式中:V0為試樣初始縱波波速；Vi為試樣浸泡后縱波波速；DV為試樣的波速損傷變量。

圖7為花崗巖殘積土試樣的黏聚力、內摩擦角和縱波波速三者定義的損傷變量與浸泡時間的關系特征，由圖7可知，黏聚力、內摩擦角和縱波波速損傷變量隨著浸泡時間的增加而增加，并逐漸趨于平穩?？傮w來說，三種損傷變量在0 d～16 d快速增加，16 d～28 d小幅度增加，28 d后趨于平穩，其中黏聚力和縱波波速定義的損傷變量變化量值相近，而內摩擦角損傷變量在10 d后的數值變化較前兩者小。

圖6 硫酸中浸泡40 d后內摩擦角隨H2SO4濃度變化曲線

圖7 清水浸泡下損傷變量隨浸泡時間變化曲線

由圖7可知，隨浸泡時間變化的黏聚力和縱波波速損傷變量曲線變化特征十分相似，將浸泡在清水中所采集到的黏聚力和縱波波速數據繪制成圖8，由圖8可知，二者呈強相關關系，說明土體浸泡在清水中，黏聚力和縱波波速受損傷程度基本保持同步，進一步用對數函數進行擬合，擬合公式如下：

c=-106.899+21.609ln(Vp-362.856),

R2=0.9732

(9)

圖8 清水浸泡下黏聚力與縱波波速關系曲線

圖9為花崗巖殘積土試樣的黏聚力、內摩擦角和縱波波速三者定義的損傷變量與H2SO4濃度的關系特征。由圖9可知，黏聚力、內摩擦角和縱波波速損傷變量隨著H2SO4濃度的增加而增加，增長速度先快后慢，最終趨于平穩。在相同H2SO4濃度下，縱波波速和黏聚力的損傷變量曲線較為相近，且均比內摩擦角大。其中，黏聚力和縱波波速的損傷變量在濃度0%～3%階段增加較快，濃度3%～7%階段無明顯變化，基本趨于穩定，突變點在3%；內摩擦角損傷變量則在濃度0%～5%階段快速增長，濃度5%～7%階段增長速度有所下降，整體曲線隨著濃度增加有趨于平穩的趨勢。

圖9 硫酸中浸泡40 d后損傷變量隨H2SO4濃度變化曲線

由圖9可知，隨H2SO4濃度變化的黏聚力和縱波波速損傷變量曲線變化特征十分相似，將不同濃度H2SO4溶液中浸泡40 d后所采集到的黏聚力和縱波波速數據繪制成圖10，由圖10可知，二者呈強相關關系，說明土體浸泡在不同濃度H2SO4溶液中，二者是同步受到影響，進一步用對數函數進行擬合，擬合公式如下：

c=-16.301+5.566ln(Vp-359.957),

R2=0.9821

(10)

圖10 硫酸浸泡下黏聚力與縱波波速關系

3 結 論

(1) 浸泡在清水中的花崗巖殘積土試樣，其黏聚力、內摩擦角和縱波波速隨浸泡時間增加先快速減小，后緩慢減小，最終趨于穩定，且三者隨浸泡時間的變化特征均呈指數衰減。

(2) 浸泡在不同濃度H2SO4溶液中的花崗巖殘積土試樣，其黏聚力、內摩擦角和縱波波速均隨H2SO4濃度增加而下降，且呈指數衰減。

(3) 分別以黏聚力、內摩擦角和縱波波速定義試樣的損傷變量，均隨浸泡時間增長而增大，后趨于穩定，隨著H2SO4濃度增加，先增大后趨于穩定，其中黏聚力和縱波波速定義的損傷變量變化特征基本一致。

(4)黏聚力、縱波波速可采用對數函數進行擬合，擬合程度高，說明通過縱波波速推算黏聚力具有一定可行性。