贛南花崗巖殘積土基本物理特性與路用性能研究

田朋飛，簡文星，宋 治，蔣天嬌，林雨秋

(中國地質大學(武漢)工程學院，湖北 武漢 430074)

0 引言

我國東南地區花崗巖出露較多，經過多年的風化作用，常在地表形成厚層狀乃至巨厚層的風化土層。由于母巖性質與風化程度的差異，花崗巖殘積土外觀一般呈黃褐色至紅褐色，既具有黏性土的一般特性，又具有粗粒土的某些特性[1]。我國南方地區鐵路、公路、市政等各類工程建設中經常遇到花崗巖殘積土的處治問題，其結構性明顯且物理力學指標空間變異性大，具有卸荷易崩解、遇水易軟化等特點[2]，往往給工程建設特別是線性工程帶來較大風險。郭林坪[3]、陳秋南[4]、孫銀磊[5]、肖晶晶[6]、戴繼[7]等對廈門、湖南、廣州、深圳、海南等地花崗巖殘積土的粒徑組成、結構特征與力學性質等進行了深入研究。結果表明，花崗巖殘積土的顆粒級配與結構特征對其壓縮特性、崩解特性及剪切特性等具有顯著影響，從而導致其工程性質的地區性差異，工程建設中需要結合區域特征及土樣試驗結果對其進行合理的處治與利用。

贛南山區位于江西省南部，區內濕熱多雨，花崗巖廣泛出露，風化剝蝕作用強烈，是江西花崗巖殘積土的主要分布區。贛南地勢廣闊，區內多條公路的新建、改擴建還在陸續進行，與東南沿海地區花崗巖殘積土大量試驗成果及工程實踐相比，目前針對贛南地區花崗巖殘積土路用性能及路基填筑問題的系統研究尚少。為獲取贛南花崗巖殘積土的基本路用性能，解決區內花崗巖殘積土的合理利用問題，本研究依托贛南安遠至定南段高速公路項目，采用資料統計分析、室內試驗以及野外調研等手段，獲取贛南不同類型花崗巖殘積土的結構特性及路用性能，提出區內花崗巖殘積土處治利用原則與路基填筑方案。相關成果可為贛南乃至我國南方地區花崗巖殘積土填料的合理處治利用以及路基病害防治提供重要的技術參考。

1 花崗巖殘積土成因

贛南地形地貌以山地、丘陵和盆地為主，其中山地和丘陵區域占該區總面積的83%。該區位于我國亞熱帶南部地區，屬于夏季高溫多雨，冬季干燥少雨的亞熱帶季風氣候。據贛南安遠至定南段高速公路項目勘察、施工及運營期間的降雨量統計結果(2014—2018年)，區內暴雨頻繁，月降雨量最高可達570 mm(2015年5月)，雨季主要集中在每年的4—6月份，且春夏兩季的累計降雨量可占整年降雨量的近80%。

贛南花崗巖主要為加里東期花崗巖和燕山期花崗巖，其中加里東期花崗巖以富斜花崗巖、中-粗粒斜長花崗巖為主，燕山期花崗巖則以黑云母花崗巖、二長花崗巖以及二云母花崗巖為主。區內花崗巖主要礦物成分為石英、鉀長石和酸性斜長石，由于石英和長石膨脹系數相差近一倍，且該地區地處中亞熱帶南緣，氣溫較高，巖石內往往滋生很多裂隙，無疑為花崗巖的物理風化和化學風化提供了良好的侵入渠道。野外調研發現，贛州南部縣區的花崗巖殘積土最為發育，區內雨量十分充沛，溪水密布，河流縱橫，形成了良好的地表徑流和地下徑流條件，地表或接近地表的花崗巖在溫度變化、水分、大氣及生物的作用下產生物理和化學變化，往往在低山、丘陵地貌中形成巨厚層狀的紅褐色殘積土風化層。

2 基本物理特性

2.1 粒度特征及礦物成分

選取贛州南部縣區10處花崗巖殘積土發育較好的地點進行取樣，包括信豐縣(1，2，4號取樣點)、龍南縣(3號取樣點)、尋烏縣(5號取樣點)與定南縣(6～10號取樣點)，取樣深度為0.5～2 m。

2.1.1粒度特征與分類

采用篩析法和密度計法聯合測定各花崗巖殘積土土樣的粒度成分，測試結果見圖1。

圖1 贛南花崗巖殘積土的粒徑分布曲線圖Fig.1 Particle size distribution curves of granite residual soil in Southern Jiangxi Province

由圖1可以看出，各取樣點花崗巖殘積土的粒度特征差異明顯。如4號點的細礫含量約為30%，1，2號點土樣不含細礫；2號點的黏粒含量高達25%，而9號點的黏粒含量僅為5.5%。顆粒級配往往是殘積土力學性質的關鍵影響因素[8]，部分粗粒土中、細砂含量較少，粒度組成呈現“兩頭多、中間少”的不良級配特征，不利于施工壓實；各取樣點處花崗巖殘積土的粗粒和細粒含量都很多，且有7處花崗巖殘積土的粗粒質和細粒質量同時超過了土樣全部質量的40%，區內花崗巖殘積土將同時具有黏性土與粗粒土力學特征。

由于地域分布與工程建設要求的差異，我國的花崗巖殘積土按照工程性質、區域特征等存在多種分類方法[9]。本研究根據上述花崗巖殘積土粒度特征的分析結果，考慮到各采樣點土樣均同時含有較多的粗顆粒和細顆粒成分，因此可參照公路工程領域廣泛使用的《公路工程地質勘察規范》(JTG C20—2011)推薦方法[10]，將贛南花崗巖殘積土定名為黏性土(1、2號取樣點)、砂質黏性土(3，7，9，10號取樣點)和礫質黏性土(4，5，6，8號取樣點)。

2.1.2礦物成分

獲取贛南地區3種類型的花崗巖殘積土的代表性土樣，利用X射線衍射儀對每種試驗樣品進行3組掃描，根據X射線粉晶衍射圖可以得到花崗巖殘積土的主要礦物成分含量，結果如圖2所示。

圖2 不同類型花崗巖殘積土的礦物成分Fig.2 Mineral composition of different types of granite residual soil

從圖2可以看出，贛南花崗巖殘積土的主要礦物成分為石英以及高嶺石、伊利石等黏土礦物，與閩、粵地區相比，高嶺石含量稍少，風化程度稍低。黏性土中黏土礦物(高嶺石與伊利石)含量最高，平均含量達到了80%；礫質黏性土中石英礦物含量則相對較高，平均含量約為38.5%。總體來看，各類土樣中的黏土礦物的含量均超過60%，而花崗巖殘積土中的黏土礦物普遍存在浸水膨脹、崩解與失水干縮等特點[2]，填料的含水情況將對其路用工程特性造成較大影響。

2.2 結構特征

2.2.1宏觀結構

不同類型花崗巖殘積土樣品的顏色、顆粒粗細和原生結構(孔隙)特征如下：

黏性土土樣均呈紅棕色，顆粒細，肉眼可見少量細小石英顆粒嵌擠在土體中，具有紅黏土的表觀特征；土顆粒之間黏結性較好，呈團塊狀結構，用手搓揉土塊土顆粒不易剝落，但切削過程中有掉塊現象，土體內部存在部分微裂隙。

砂質黏性土樣品呈棕褐色，顏色較深，肉眼可見煙灰色石英與云母，顆粒大小不一，呈斑狀結構；土體中可見大量風化嚴重的長石顆粒，用手可揉搓為粉末；土樣整體上表現得較為松散，但部分土塊黏聚較好，呈明顯的砂性與黏性復合特征。

礫質黏性土樣品呈棕黃色，肉眼可見大量的石英顆粒嵌擠在土體中，顆粒粗細分布不均，部分石英顆粒較粗，達到5 mm及以上，具有粗碎屑結構；偶見長石顆粒，但受風化作用影響明顯，用手搓揉變為粉末狀；原生孔隙較多且貫通性強，表面顆粒易剝落，手可捏碎。

2.2.2微觀結構

利用超高分辨掃描透射電子顯微鏡對花崗巖殘積土微觀結構進行掃描，獲得3類贛南花崗巖殘積土的微觀結構，如圖3所示。其中3(a)，(c)，(e)為放大1 000倍電鏡圖片，3(b)，(d)，(f)為放大2 000倍電鏡圖片。

圖3 不同類型花崗巖殘積土的SEM圖片Fig.3 SEM images of different types of granite residual soil

由SEM試驗結果可知，黏性土的高嶺石疊聚體往往被大量的膠結物質所包裹，其上附著少數微碎屑顆粒，整體表現為凝塊狀結構(圖3(a))，凝塊間以面-面接觸和邊-邊接觸的形式緊密排列在一起，較為致密，僅含少量的孔隙和裂隙，且孔隙貫通性較差，多被膠結物質所填充(圖3(b))。

砂質黏性土中以粉粒居多，膠結物質有所減少，微裂隙已較為明顯(圖3(c))。圖中層次明顯的絲縷狀物質初步判斷為伊利石與高嶺石，二者構成的疊聚體以混層的形式構成較大的團聚體，表現為團聚結構，結構體含較多孔隙和裂隙，其上還附著有一些微碎屑顆粒(圖3(d))。

礫質黏性土中高嶺石礦物薄片相對較小，其構成的疊聚體呈團片狀(圖3(e))，但疊聚體內部存在明顯的孔隙，推測為溶蝕形成的微孔隙；片狀的高嶺石疊聚體則以面-面接觸的形式堆疊在一起，形成大量的架空孔隙。整體上來看，礫質黏性土的土顆粒表現出蜂窩狀結構，含有大量的細微孔隙，貫通性良好，結構松散(圖3(f))。

結合其他地區花崗巖殘積土的SEM試驗成果分析可知[4,11]，贛南地區花崗巖殘積土中的黏性土與廣州地區花崗巖殘積土較為類似，風化程度高、結構致密；而贛南分布最為廣泛的砂、礫質黏性土與湖南地區相近，風化程度稍低，具有明顯的疊層狀與蜂窩狀的微觀結構，連通性好，易于崩解。

花崗巖殘積土的工程性質的特殊性主要體現在浸水飽和及應力變化條件下顆粒迅速崩解與強度的急劇衰減，而土樣“結構性”的破壞正是這種特殊性的根源[7,12]。贛南不同類型花崗巖殘積土的宏、微觀結構均存在明顯差異，不僅影響其原狀樣的破壞模式，也會引起重塑樣的應力應變特性[6]，在工程建設中需要根據結構特征進行分類研究與處治。

3 路用性能

根據路基設計規范[13]對填料性質的規定及路基填筑實踐，一般認為花崗巖殘積土路用性能的主要評價指標為天然含水率、擊實性能與CBR強度。同時，也應考慮花崗巖殘積土崩解性對其路用工程性質的重要影響。

3.1 天然含水率

根據贛南安遠至定南段高速公路勘察報告提供的基本物理力學指標，按取樣先后順序進行編號，將其中150余組土樣的天然含水率數據進行匯總處理，形成圖4。

從圖4可以看出，不同類型的花崗巖殘積土，其天然含水率存在明顯差異，但大多處于20%～30%之間。數據分析結果顯示，152組土樣的天然含水率均值為25.04%，且近半數土樣天然含水率高于25%，而花崗巖殘積土的最優含水率一般在10%～22%，即多數天然狀態的花崗巖殘積土施工時將難以壓實，需要采取相應的處治措施。

以上含水率指標未將土樣進行分類，為獲取不同類型花崗巖殘積土天然含水情況及其他物理性質指標的差異，將贛州南部10處取樣點土樣的天然物理性質指標進行了測試與統計，見表1。

表1 不同類型花崗巖殘積土的天然物理性質指標

從表1可以發現，黏性土的天然含水率均在25%以上，滲透性能差，具有紅黏土特征；而砂質黏性土與礫質黏性土，由于結構松散，天然密度相對較小，孔隙度與飽和滲透系數較大。風化程度相對較低的砂、礫質殘積土的土骨架間孔隙較多，表現出較大的孔隙度與飽和滲透系數，這兩類填料的雨水疏排性能較好，天然含水率明顯低于黏性土。

3.2 擊實性能

室內擊實試驗均采用濕法風干制樣，按照標準重型擊實方法進行擊實試驗，以獲取其最優含水率與最大干密度，結果見表2。

由表2可知，不同類型的花崗巖殘積土的天然含水率與原狀樣的孔隙度有明顯差異。黏性土有著較高的天然含水率，呈凝塊結構，擊實效果最差；礫質黏性土的土體骨架呈蜂窩狀，孔隙大、貫通性好，天然含水率低且疏水效果明顯，擊實效果較好，最優含水率最低；砂質黏性土的天然含水率與孔隙特征介于以上二者之間，但顆粒級配較好，得到的最大干密度接近于礫質黏性土。

根據路基設計要求[13]及填筑實踐，一般要求填料的含水率控制在最優含水率±2%左右(粗粒土可據實際填筑情況控制在±3%～±5%)，可以達到較好的壓實效果。天然狀態下，黏性土與砂質黏性土均無法達到填筑要求，需要采取處治措施；而礫質黏性土只需機械翻拌后即可用于填筑。需要注意的是，部分礫質黏性土與砂質黏性土級配較差，過度碾壓將引起土樣結構損傷，路肩部分的砂、礫質填料容易松散，反而引起壓實度降低，施工時要注意壓實效果的實時檢測；黏性土達到某一壓實效果(高于90%壓實度)后，繼續增大壓實遍數，其內摩擦角、黏聚力、承載能力等基本無變化[14]，因此可根據現場試驗結果適當調整黏性土壓實標準。

表2 不同類型花崗巖殘積土的擊實試驗結果

3.3 CBR強度

CBR強度反映了路基填料在局部荷載作用下的承載能力，路基填料適宜性評價的重要指標。徐立紅等[15]對贛南安遠至定南段高速沿線30處花崗巖殘積土進行了最優含水率條件下的CBR強度試驗，結果表明：(1)壓實度為93%時，CBR值小于4%的土樣占試樣總數的78.56%；(2)壓實度為94%時，CBR值位大于4%的占試樣總數的78.58%，其中CBR值位于4%～6%的土樣占試樣總數的57.14%；(3)壓實度為96%時，所有土樣的CBR值均大于5%，但僅有28.58%的土樣CBR值超過8%。

從上述試驗結果可知，在最佳含水率狀態下的花崗巖殘積土大多可用于路堤以及下路床的填筑，但無法滿足高等級公路上路床填料的要求。填料翻曬條件是南方多雨地區路基施工質量的關鍵影響因素[16]，然而由于氣象條件及工程進度的限制，贛南路基填料多在天然含水率附近填筑，因此應當考慮填料在實際填筑含水率下的CBR強度。利用CBR-1型承載比試驗儀，分別測試了3種類型花崗巖殘積土在天然含水率附近的CBR強度，見表3。

表3 天然含水率下花崗巖殘積土CBR強度

從表3可以看出，在天然含水率附近將土樣充分擊實后，礫質黏性土的CBR均值仍有5.4%，可用于路堤及下路床填筑；砂質黏性土的CBR強度均值僅為2.2%，處治后方可用于路堤填筑；而天然含水率下的黏性土在擊實及貫入過程中有明顯的“彈簧”現象，具有典型的高液限紅黏土特征[15]。

總體而言，礫質黏性土的路用性能較好，機械翻拌后即可直接填筑；而天然狀態下的砂質黏性土與黏性土則應采取相應的處治措施。但部分含水率過高、CBR值較低的部分黏性土，填筑壓實困難，承載能力與水穩能力較差且處治代價較大，不宜用于路基填筑。

3.4 崩解特性

為獲取贛南不同類型花崗巖殘積土崩解特性及其差異，制備3種類型的花崗巖殘積土在天然含水率附近的重塑樣品，分別在室內使用靜水崩解試驗儀器進行崩解性能測試。試驗以破碎土樣能否通過底部金屬網板作為崩解的標準，以試樣的重量損失率作為崩解率指標，結果如圖5所示。

圖5 花崗巖殘積土崩解時間-崩解率關系曲線Fig.5 Curves of disintegration time vs. disintegration rate of granite residual soil

從圖5中可知，在天然含水率附近3類花崗巖殘積土均有明顯的浸水崩解性。其中，黏性土完全崩解所用時間最長，約17 min；砂質黏性土與礫質黏性土由于黏土礦物含量相對較少，土顆粒黏聚能力稍差，分別在10 min與7 min左右達到完全崩解；試樣崩解過程中均伴隨有明顯的氣泡產生，浸水時間達3 min后，氣泡逐漸停止。

結合試驗現象認為，贛南花崗巖殘積土的崩解多為裂隙擴張引起的崩解。土樣細微孔隙吸附效應強，當土體浸沒在水中時，水分會以較快的速度被吸入孔隙中，對土骨架進行壓迫形成超張應力，致使土體中原結構缺陷發生擴張進而引起試樣崩解。考慮到贛南近年來較多持續強降雨氣象特點，在花崗巖殘積土路基填筑及坡面防護中，均應高度重視填料長時間浸水崩解引起的坡面沖刷及滑塌問題。

3.5 現場填筑效果

為考慮路基填料的實際壓實情況，分別選取3處試驗路段研究礫質黏性土(ω=20.1%)、砂質黏性土(ω=25.2%)以及黏性土(4%水泥改良)的壓實情況。試驗路段長100 m，寬3 m，單層松鋪厚度20 cm；碾壓機具重22 t，速度2.07 km/h，激振力為351 kN，壓實效果如圖6所示。此外，經8遍振動碾壓后，礫質黏性土、砂質黏性土以及改良黏性土路基的實測CBR均值分別為8.7%，3.4%和31.5%。

圖6 花崗巖殘積土壓實效果Fig.6 Compaction effect of granite residual soil

此外，由測試結果可知，填料壓實度整體上隨碾壓遍數逐漸增大。礫質黏性土在振動碾壓下填筑效果較好，實測CBR值符合要求，因此實際填筑含水率適當放寬；天然含水率過高的砂質黏性土現場填筑效果很差，填筑使用時必須采取翻曬或改良措施；路用性能較差的黏性土經無機結合料改良后，強度較高且壓實均勻性較好，表明摻拌無機結合料能有效處治路基過濕土問題。

由填料的室內試驗與現場填筑試驗結果可知，不同類型花崗巖殘積土的基本物理性質及路用性能差異較大，應進行分類研究與利用；天然狀態下部分填料強度不足、水穩性不佳，容易引發路基病害，填筑時須采取相應的處治方案。

4 路基病害與填料處治

4.1 常見路基病害

贛南溝壑縱橫，填方路段較多，受降雨因素影響，部分路段填料的實際填筑含水率高于最優含水率，路基強度不足。在降雨等因素影響下，少數路基出現路床開裂、坡面沖刷甚至淺層滑塌等病害。結合區內類似公路的水毀情況調查以及路基修筑初期的工程實踐，可將主要的路基病害概括如下：

(1)坡面沖刷破壞：路基邊坡沖刷失穩破壞多從坡腳附近開始[17]，且多發生在壓實不足的砂質填料層。砂質填料孔隙度大、黏聚力差且級配不良，含水率較高時壓實困難，往往在坡體邊緣形成欠壓實區。加之路基填筑初期排水設施不完善，雨水向低洼處聚集，在坡面薄弱部位形成面蝕，且底部水流能量更大，小沖溝連接成片，導致大面積沖刷破壞，某路基的沖刷破壞如圖7(a)、(b)所示。

圖7 填方路基坡面沖刷破壞Fig.7 Erosion failure of filled subgrade slope

(2)路床開裂及淺層滑移破壞：砂質黏性土與黏性土中黏土礦物含量高，具有浸水崩解及強度軟化的特點。在未鋪筑路面的路床表層，細粒花崗巖殘積土填料經連續的干濕循環后，容易形成淺層裂縫，并隨雨水的侵蝕不斷擴大。持續降雨期間，開裂后的路床將進一步向下潛蝕，雨水在裂縫底部浸潤聚集，推動壓實度不足的路肩填土層，沿軟化后的界面垮塌，在路基邊緣形成小規模的淺層滑移破壞，其病害情況如圖8(a)、(b)所示。

圖8 路基開裂及滑移破壞Fig.8 Cracking and slip failure of subgrade

(3)路基不均勻沉降破壞：路基不均勻沉降破壞可分為縱向與橫向不均勻沉降。差異沉降大小與填土類型、填方厚度、壓實程度等因素有關；含水率較高的黏性土填料往往會加劇路基的塑性變形且不利于路基整體的變形穩定[18]，厚層黏性土填筑路段為路基縱向不均勻沉降的易發區。

4.2 填料處治與填筑方案

4.2.1填料處治原則

根據高等級公路不同層位對填料性質的要求，并結合填料路用性能試驗成果以及路基病害成因的分析結果，可對贛南不同類型的花崗巖殘積土填料采取相應的處治原則，見表4。

表4 贛南花崗巖殘積土處治與利用方案

4.2.2路基填筑方案

多雨地區花崗巖殘積土路基病害防治僅靠填料路用性能的改良是不夠的，還需結合區域氣象特點及路基病害成因，及時調整路基的填筑方案，并采取相應的防護措施，具體如下：

(1)坡面沖刷防護：①排水溝與坡面防護骨架應在路基填筑成型后盡快協調施工，避免坡面沖刷侵蝕的大規模發展；②路基填筑時及時清理路肩邊緣及坡面處的松散填料，刷坡時保證坡面平整度，避免出現匯水坑槽；③坡面耕植土換填時應清方整平，并盡量在春季或初夏進行，避開連續降雨時節。

(2)淺層路基處治：①建議陡坡填方路基與填挖交界段均應使用碎石盲溝，設置于下路床地面，必要時包裹透水土工布；②花崗巖殘積土路基在干濕循環下具有強崩解性，雨季填筑路基時，如路面無法及時鋪筑，上路床填土層均使用無機結合料改良；③路肩部分多為滑塌易發區，施工時要特別注意路肩壓實控制，同時也要避免砂土超壓；④當坡頂地面出現開裂時，要及時記錄其深度、連通性以及充水情況，并及時采取補救措施。

(3)不均勻沉降防治：①高填路段填筑時除振動碾壓外，應分層沖擊碾壓，分層厚度不應超過2 m；②差異沉降嚴重的橋臺錐坡及臺背過渡段盡量采用石渣或碎石土填筑，并執行96區壓實標準；③半挖半填、填挖交界路槽必須向下超挖1 m以上，并采用2～3層土工格柵加固；④高液限土用于路基填筑時，必須使用無機結合料改良，并且填筑高度不宜大于5 m；⑤土石混填路堤在低于路床0.5 m處應使用符合路床要求的填料，并按96區壓實標準填筑。

結合填料分類處治利用方法，將路基填筑方案改進并用于后續填筑實踐中，以上多種病害均得到了有效緩解，實現了路基施工的順利推進以及路基在持續降雨下的安全穩定。

5 結論

本研究對贛南地區廣泛分布的花崗巖殘積土的結構特征、路用性能及路基病害等問題進行了系統研究，主要得出以下結論：

(1)贛南山區氣候濕熱、溪流密布，各類花崗巖殘積土分布廣泛，且均含有較多的黏土礦物；根據粒度特征，可將區內花崗巖殘積土分為黏性土、砂質黏性土與礫質黏性土。

(2)黏性土、砂質黏性土與礫質黏性土宏觀形貌差異明顯，且微觀上分別具有凝塊結構、團聚結構與蜂窩狀結構。填料粒徑組成與結構特征決定了填料顆粒間的接觸方式、孔隙特征及雨水的滯排效果，并直接導致了其天然含水率、擊實效果、CBR強度及崩解特性的差異。

(3)天然狀態下，礫質黏性土的擊實效果較好、試驗路段實測CBR強度較高，而砂質黏性路用性能不佳，需采取相應處治措施；過濕黏性土經摻和水泥改良后，整體填筑效果較好，表明無機結合料能有效處治路基過濕土問題。

(4)區內花崗巖殘積土路基病害多與降雨情況及填料性質有關，主要劃分為坡面沖刷破壞、路床開裂與淺層滑移破壞，以及路基不均勻沉降破壞。針對區域特點的填料分類處治利用方法與路基填筑方案的改進可有效緩解以上多種路基病害。