高液限花崗巖殘積土路用特性試驗研究

劉 冀，鄧 超，胡煥校，陳 威

(1.中化地質礦山總局湖南地質勘查院，湖南 長沙 410100；2.中南大學 地球科學與信息物理學院，湖南 長沙 410083)

1 研究背景

高液限土具有強度低、液限高、“超壓反彈”、水穩定性差等特點[1-2]，故其工程性質差。根據不同的土質劃分，高液限土種類繁多，其中高液限黏土引起了廣泛關注，因此專家學者們對高液限黏土的工程應用性能及工程性質改良進行了大量研究，并取得了豐碩的成果[2-11]。如，洪寶寧等[2]通過對高液限紅黏土的系統試驗研究，提出了一種高液限黏土路基填筑雙指標控制質量的方法；程濤等[3]研究了干濕循環次數及摻砂量對高液限黏土力學特性的影響規律；劉順青等[4]通過高液限黏土的剪切試驗得到相關指標進而采用數值模擬方法研究高液限土邊坡穩定性及其各影響因素的敏感性；劉鑫等[5]、段凱[6]對高液限黏土工程性質和填筑技術進行了較為系統的研究，并提出了可行的方案；劉江等[7]研究高液限黏土壓實性能，認為通過含水率和擊實功的適當控制，高液限黏土可用于擬建道路的下路堤填筑；戴良軍等[8]、莫秋旭等[9]、李秉宜等[10]、趙英愛等[11]分別利用水泥、石灰、砂及其混合物等對高液限黏土進行工程性質改良；璩繼立等[12]利用纖維素纖維和石灰改良了上海黏土的低強度、易變性的不良特性。

但在高液限土的諸多類別中，存在這樣一類特殊土：由花崗巖風化、殘積形成的高液限土，此類土除了具有高液限土的普遍特性外，還具有弱膨脹性、粗粒含量較高、孔隙大、黏性差及保水性好等性質。該類高液限土在我國南方地區尤其是兩廣、福建、湖南等省份廣泛分布，這對于跨度大、土方量需求大的高速公路建設而言，該類土的路用特性研究具有重要意義。

高液限花崗巖殘積土作為一類特殊土，其礦物成分、結構等均與其他高液限土類不同，其中陳曉平等[13]對含粗粒高液限土進行了試驗研究，指出應基于粗粒含量的影響來認識其基本特性；余自立等[14]通過研究高液限花崗巖殘積土及其水泥穩定料的性質、施工工藝和關鍵參數，加深了對該類土的認識；胡煥校等[15]從粒徑組成、擊實功、含水率3個方面考慮，對花崗巖殘積土路用性能影響因素進行了系統研究。相較而言對此類高液限土的研究較為缺乏，且上述研究對高液限花崗巖殘積土水理特性成因的分析略顯不足，因此高液限花崗巖殘積土的路用特性研究仍待加強。

本文取湖南中北部高液限花崗巖殘積土進行試驗研究，首先分析其礦物成分及結構，探討該類土持水性強、含水率高的水理特性成因，然后通過室內系列試驗，研究擊實功、含水率對該類土擊實性能、強度性能的影響，并分析土強度的水敏性，從而加深對高液限花崗巖殘積土的認識，為該類土的工程應用提供參考。

2 高液限花崗巖殘積土成分及結構

2.1 工程條件

本文課題來自湖南某在建高速公路項目，高液限花崗巖殘積土在該條高速公路沿線大量分布，嚴重影響該公路建設成本和工期。該類土原巖為準鋁質花崗巖，礦物成分包括長石、石英、黑云母、白云母、角閃石等。該區域屬亞熱帶季風性濕潤氣候，年平均降雨量超過1 500 mm，全年降雨充沛，尤以5-8月為甚；嚴寒期短，暑熱期長，地形地貌為典型的丘陵、山崗，水系發育、林灌茂密，氣候環境、地質環境均有利于花崗巖的風化、土化，經過長期沖刷和淋濾，花崗巖風化為殘積土，其中高液限土占比較高。在調查高液限土分布的基礎上，選取埋深1～2 m的代表性土樣進行礦物成分、結構分析和室內試驗研究。

2.2 化學成分

X射線熒光光譜分析采用光譜儀和探測器，獲取樣品中元素含量并對物質成分進行分析，表1為土樣元素含量分析結果。

表1 土樣化學成分

由表1可知，除氧元素以外，其他元素含量占比約為45.6%。其中硅、鋁、鐵3種元素約占絕對比重的43.9%，由于該高液限土的原巖為花崗巖，長石、石英、云母、黏土礦物等混雜，所以硅、鋁含量占比大。

以表1中所有非氧元素為基礎，分析單元素比例：硅元素56.3%，鋁元素31.3%，鐵元素8.7%，鎂元素0.3%，鈣元素0.5%，鈉元素0.3%，鉀元素1.5%，磷元素0.02%。其中鐵元素含量較為突出，土層中鐵元素或鐵化合物富集，氧化鐵膠結作用對黏土性質具有一定影響[16-17]，氧化鐵的存在對于該類高液限土的性質有著不可忽視的影響作用。

2.3 礦物成分

取高液限花崗巖殘積土土樣充分研磨后，采用D/max 2500 X射線衍射儀對土樣成分進行分析，掃描參數為5.0/80.0/0.02/0.15(sec)，Cu(40kV，250mA)，I(p)=1 335。其礦物成分如表2所示。

由表2可知，該高液限土中石英含量較少，僅占7.7%，其粒徑不等，小到細粒、大到礫粒，呈不規則粒、塊狀，而黏土類礦物(高嶺石、葉臘石、地開石、斜綠泥石)占61.3%，其中葉臘石、地開石、斜綠泥石均不同程度地以細粒、極細粒鱗片狀產出，高嶺石以細粒、極細粒粒狀產出，這種細微觀的片狀、粒狀結構對高液限土水理特性起著至關重要的作用。

表2 土樣礦物成分

2.4 細觀結構

對于土樣結構的分析，本文采用薄片實驗鑒定的方法。實驗結果見圖1，其二值化處理結果如圖2所示。

圖1 土樣細觀結構

圖2 土樣細觀結構圖像二值化

從薄片掃描結果(圖1)和二值化圖像(圖2)中可知：(1)土樣中粗顆粒之間接觸方式以點接觸和不接觸為主；(2)細粒土充填在粗粒土之間，微小孔隙較多，分布不均，粗顆粒周圍與細顆粒間孔隙大小不一；(3)粗顆粒主要以片狀、粒狀形式存在，細顆粒主要以細粒、細粒集合體形式存在。

2.5 結構和水理特性

綜合分析高液限花崗巖殘積土的化學成分、礦物成分、細觀結構，并結合其賦存環境，對土樣結構特性和水理特性進行闡釋。

2.5.1 結構特性 (1)高嶺石、絹云母等包裹石英等顆粒形成團聚體；片層狀結構的黑云母、白云母、絹云母相互堆疊，其表面附著黏土礦物；絹云母和黏土礦物(高嶺石、葉臘石、地開石、斜綠泥石等)混合，3個基本單元構成土的結構；(2)原狀土中鐵氧化物作為必不可少的因素之一，對土的結構特性[18]起到重要作用；(3)微觀上，土體中粒徑大小不一的各種片狀、片狀集合體礦物在三維空間不定向分布，細顆粒附著在片狀顆粒表面并充填交錯堆疊體的縫隙中，當外部荷載較小或尺寸效應較大，壓實后回彈較大，表現出“彈簧土”、“橡皮土”的特點，反之，片層被破壞甚至發生破碎，在宏觀上表現為強度低、擾動壓實后持水性強等特點。

2.5.2 水理特性 (1)云母、黏土礦物等成分所占比重超過90%，而在晶體結構上，云母和黏土礦物均具有層狀結構，不同的是黏土礦物尺寸遠小于云母片，黏土礦物自身吸附大量水分，云母片依靠表面張力吸附水分和黏土礦物，持水性良好；(2)未經碾壓時，殘積土內部孔隙較多。當受碾壓時，片狀顆粒發生定向排列，孔隙被壓縮而無法排除，黏土礦物表面水膜相互靠近，碾壓產生側向擠土、回彈，孔隙比增大，毛細作用增強，這一過程中云母片片狀結構和黏性土起到關鍵作用；(3)弱膨脹性黏土礦物(高嶺石等)較多，即使吸水導致含水率升高，其膨脹性依舊不明顯；在碾壓作用下，一方面黏土礦物被壓密，顆粒間水膜接觸，水膠聯結增強，另一方面表面張力較大的片狀礦物之間線接觸、面接觸等接觸方式增多，形成多層交錯堆疊結構，阻礙水分蒸發。

3 高液限花崗巖殘積土基本性質及試驗設計

3.1 基本性質

根據土工試驗規程，進行含水率、篩分、液塑限、擊實、承載比等試驗，高液限花崗巖殘積土基本性質見表3。由表3可看出，該高液限土塑性指數基本小于26%，其最優含水率比天然含水率低10%左右，CBR(California bearing ratio)強度較低，但是滿足下路堤3%的要求，線膨脹率較小。

表3 高液限花崗巖殘積土基本性質

3.2 試驗設計

試驗所用高液限花崗巖殘積土的基本性質為：含砂高液限黏土，w0=29%，Gs=2.70，wP=28%，wL=51%，ρdmax=1.685 g/cm3，wop=17.5%。

擊實試驗設計：試驗所用儀器為全斷面重錘9擊/循環電動數顯擊實儀，以含水率和擊數為變量，其中擊數以標準98擊為基準遞減，選取單層擊數N分別為98、71、53、35，各級含水率分別為28.5%、26.0%、24.0%、21.0%、18.5%、16.5%、14.0%。同時，每個獨立條件下設1組(3個)平行試驗，根據規范[19]要求進行操作，最后對試驗結果進行分析，得到擊實性能及其受擊實功和含水率的影響。

CBR試驗設計：該試驗擊實部分與擊實試驗設計基本相同，在不同含水率下，采用98×3、71×3、53×3、35×3的平行試驗方法，其泡水試驗分為兩個部分：一是對98×3、53×3、35×3擊實試樣泡水4 d，分析其泡水后強度值和膨脹性，并對比泡水前后含水率、干密度、孔隙比、飽和度的變化情況；二是對擊數N為98、71、53的試樣擊實后直接進行CBR貫入試驗，結果記為UCBR(unsoaked California bearing ratio)，對比泡水前后的強度變化，分析其強度水敏性。

3.3 試驗結果

根據試驗設計和操作規范，得到對應的擊實試驗結果和CBR試驗結果，見表4和5。

表4 高液限花崗巖殘積土擊實和CBR試驗結果

4 高液限花崗巖殘積土擊實試驗結果與分析

4.1 擊實指標

擊實指標：最大干密度(maximum dry density)和最優含水率(optimum moisture content)，二者均從擊實曲線中得出，不同擊數下的擊實曲線見圖3。由圖3可以看出，擊實曲線從上到下的順序是：98擊→71擊→35擊→53擊，該結果表明：(1)擊實功較大，隨著擊實功繼續增大，干密度增大；(2)對于該類高液限花崗巖殘積土，53擊擊實曲線包于35擊擊實曲線內部，即35擊下干密度大于53擊下干密度，從趨勢上看，隨著擊實功增加，干密度先下降后增加。

圖3 土樣不同擊數下的擊實曲線 圖4 土樣的擊實指標曲線

從擊實曲線中得到擊實指標，繪制圖4。由圖4可明顯看出，當擊數達到約60擊時，最大干密度曲線曲率最大，低于60擊，干密度增速較大，反之減緩；最優含水率與擊數基本呈線性關系。

4.2 壓實度

壓實度是干密度與標準重錘試驗得到的干密度之比的百分數，在路基檢測中是一項不可缺少的指標。通過室內調整擊數(擊實功)得到壓實度與擊實功的關系，可以從理論上試驗得出達到壓實度標準下擊數(擊實功)與含水率的組合。圖5為不同含水率土樣的擊數-壓實度關系曲線。

圖5表明，當含水率大于24%(或更低值)時，無論擊數是多少，壓實度均無法滿足最低93%[1]的要求；含水率滿足要求后，擊實次數需要小于40或者大于60，壓實度才能滿足要求。總體來看，含水率和擊數的雙控條件為：

圖5 不同含水率土樣的擊數-壓實度關系曲線 圖6 土樣不同擊數下的CBR曲線

(1)含水率低于24%(或低于更小值)；

(2)擊實次數小于40或者大于60。當擊數超過70以后，壓實度隨擊數變化的幅度較小。

表5 高液限花崗巖殘積土CBR試驗與UCBR試驗結果

5 高液限花崗巖殘積土CBR試驗結果與分析

5.1 擊數、含水率與CBR關系

CBR曲線與擊實曲線相似，不同之處在于前者峰值兩側曲線均較陡，而后者一般是左側相對較緩，右側較陡，圖6為土樣不同擊數下的CBR曲線。由圖6中看出，隨著擊數增加，CBR峰值對應的含水率呈逐漸減小趨勢，CBR峰值變化規律與擊實曲線最大干密度變化規律不同：35擊曲線中間段的CBR值大于98擊和71擊，53擊的CBR峰值最大，恰好與最大干密度變化情況相反。

CBR峰值對應的含水率在21%左右，低于泡水后含水率3%～5%，這就意味著有大量的水分進入土體中，部分進入礦物層間，充填部分孔隙或者吸附在土顆粒表面。而較大的擊數或者擊實功下，土樣孔隙較小，土顆粒之間接觸更緊密，被水長時間浸泡后水分進入土顆粒必然會使其“拉開距離”，在此條件下，土樣強度難以保持；相反，較小的擊數或者擊實功下，水分進入土樣時有較好的通道和空間，從而減少了對土樣強度的影響。

5.2 土樣泡水前后含水率、干密度、孔隙比、飽和度變化

土樣泡水4 d后，其含水率增加，干密度降低，孔隙比增大，飽和度增大，具體變化情況見圖7～10。

(1)含水率和干密度變化。分析圖7可知，泡水后的土樣含水率普遍增加，含水率增幅隨著泡水前含水率(w0)的增大而減小，即整體上受泡水前含水率控制。另外，泡水后的含水率極小值出現在泡水前含水率18.5%左右，這與土樣在此含水率下密實程度較高有關，土樣越密實，孔隙越少，水分越難進入，水分可占據的空間就越少。對比圖8中泡水前后干密度變化可知，泡水前含水率越低，擊數越少，則泡水前后干密度差值越大；計算各擊數下干密度差值與泡水前干密度的百分比得出干密度減小了0.5%～6.8%，表明土樣泡水后密實度下降幅度較小。

圖7 土樣不同擊數下泡水前后含水率相應變化曲線 圖8 土樣不同擊數下泡水前后干密度變化曲線

(2)孔隙比和飽和度變化。由圖9、10可看出，泡水后孔隙比和飽和度均有增加。當泡水前含水率不超過16.0%，孔隙比增加了10%以上，飽和度增加了25%以上，其中孔隙比最大增加了17.3%，飽和度最大增加了70.4%。說明該類高液限花崗巖殘積土泡水以后，低含水率土樣孔隙會被大幅擴張，而且被水分充填；高含水土樣孔隙比僅增加1%～4%，飽和度僅增加2%～5%，對泡水不敏感，孔隙比與飽和度之間存在關聯性。

圖9 土樣不同擊數下泡水前后孔隙比變化曲線 圖10 土樣不同擊數下泡水前后飽和度變化曲線

5.3 高液限土CBR強度水敏性

CBR強度水敏性可以用泡水前后CBR強度變化情況來表達。ΔVCBR為泡水前CBR貫入試驗結果值VUCBR與泡水后CBR貫入試驗結果值VCBR的差值，另計算ΔVCBR與VUCBR的百分比值，該值的物理意義是泡水后CBR強度值的損失率，記為k,則有：

(1)

考慮土樣特殊性和確定性，忽略次要因素影響，計算得出的CBR強度損失率k與土樣泡水前含水率w0之間存在二次函數擬合關系，土樣不同擊數下二者的關系曲線見圖11，擬合關系式見表6。用該關系式來表明高液限花崗巖殘積土的CBR強度水敏感程度，在工程實踐中具有參考意義。

圖11 土樣不同擊數下CBR強度值的損失率k與泡水前含水率w0的關系曲線

表6 土樣不同擊數下CBR強度損失率k與泡水前含水率w0的擬合關系式

由圖11可以看出，泡水前含水率達到26%左右時，強度損失率約為40%，隨著泡水前含水率的增大，曲線快速下降，即損失率急劇減小。前述已表明細微觀的片狀、粒狀結構對高液限土水理特性起著至關重要的作用，該類高液限土的細粒土充填在粗粒土之間，微小孔隙較多，粗顆粒周圍與細顆粒間孔隙大小不一，粗顆粒主要以片狀、粒狀形式存在，細顆粒主要以細粒、細粒集合體形式存在。土樣初始含水率較低時，在擊實功作用下其強度較高，低含水率土樣泡水后部分孔隙被水填充以及黏粒對水的吸附作用造成土樣含水率變化明顯，使土樣泡水前后強度變化較大，即強度損失率較高。土樣初始含水率較高時，在擊實功作用下其強度較低，且泡水后含水率變化不明顯，因此土樣強度損失率在高含水率時急劇減小。

6 結 論

(1)在所研究的高液限花崗巖殘積土中，云母、黏土礦物等成分所占比重超過90%，細粒片狀云母等礦物與細粒粒狀的黏土礦物相互作用，少量粗顆粒摻雜其中，形成特殊的多層交錯堆疊結構。綜合考慮云母、黏土礦物等的水理性質，殘積土內部孔隙較多，受荷時，片狀顆粒發生定向排列，孔隙被壓縮，黏土礦物表面水膜相互靠近，易側向擠土、回彈，卸載后孔隙通道增多，毛細作用增強。

(2)土樣擊實試驗中，當擊數約為60擊時，土樣最大干密度曲線的曲率最大；少于60擊時，土樣最大干密度隨擊數的增速較大，反之減緩，最優含水率與擊數基本呈線性關系；土樣滿足最低壓實度要求的含水率和擊實次數雙控條件為：含水率低于24%或者低于更小值，擊實次數小于40或者大于60，這對于該類土路基填筑具有指導意義；

(3)土樣CBR試驗中，CBR峰值變化規律與擊實曲線干密度峰值變化規律相反，CBR峰值隨擊數增加先增大后減小；土樣泡水后狀態參數中，含水率、孔隙比、飽和度變化明顯，干密度變化較小，說明密實程度受水影響較小；

(4)分析高液限花崗巖殘積土CBR強度的水敏感性，用泡水前后CBR強度的損失率作為考量，就該類土建立其與初始含水率(泡水前含水率)的二次函數關系，關系式擬合良好，對工程實踐具有參考意義。