中山地區(qū)花崗巖殘積土抗剪特性相關(guān)性研究

俞旺新，董 藝，杜子文

（中國建筑第四工程局有限公司，廣東 廣州 510600）

0 引言

我國廣東地區(qū)覆蓋著廣泛而深厚的花崗巖殘積土，如珠海和深圳地區(qū)的表層厚度達(dá)20m以上[1]。隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)日益增多，將有大量基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)在花崗巖殘積土地區(qū)，研究花崗巖的抗剪特性具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

在花崗巖殘積土抗剪特性研究方面，袁文熠[2]發(fā)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)特征的土體剪切特性存在很大差異，相同試驗(yàn)參數(shù)條件下重塑土剪切破壞呈鼓狀破壞；龍志東等[3]發(fā)現(xiàn)初始干密度對花崗巖殘積土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)具有重要影響。不同地區(qū)花崗巖殘積土的工程特性差異較大，以往對廣東花崗巖殘積土的抗剪特性研究主要是集中在香港及深圳地區(qū)[4]，對中山地區(qū)的花崗巖殘積土抗剪特性研究甚少。為清楚了解中山地區(qū)花崗巖殘積土的抗剪特性，本文選取中山地區(qū)坦洲快速公路不同干密度花崗巖殘積土通過室內(nèi)試驗(yàn)，對花崗巖殘積土的抗剪特性進(jìn)行研究。

1 試樣采集制備與試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)土樣

試樣取自中山地區(qū)坦洲快速公路不同施工試驗(yàn)段的花崗巖殘積土，土樣顏色為棕黃色，其物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1 花崗巖殘積土物理性質(zhì)指標(biāo)

1.2 試樣制備

花崗巖殘積土置于105℃烘箱烘干超過10h，將烘干土樣碾碎并過3mm篩。試樣制備采用擊樣法，分為5層擊實(shí)，每層約25擊，各層土料質(zhì)量相等，按照土樣相對應(yīng)的干密度，20%的含水率，制備尺寸高為80mm，直徑39.1mm的圓柱體重塑試樣。

1.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用北京華勘科技有限責(zé)任公司提供的MCU液壓三軸全自動三軸儀進(jìn)行試驗(yàn)，每組試驗(yàn)取3個相同的試樣分別在120，220，320kPa圍壓下進(jìn)行試驗(yàn)，采用固結(jié)不排水方式加載，剪切應(yīng)變速率為0.1%/min。

2 固結(jié)不排水試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

花崗巖殘積土 TZ-1，TZ-3，TZ-5分別在 120，220，320kPa圍壓下的相同干密度不同圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與相同圍壓下不同干密度的應(yīng)力-應(yīng)變曲線分別如圖1～3所示。

2.1.1 相同干密度花崗巖殘積土在不同圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖1可知，在固結(jié)不排水試驗(yàn)條件下，相同干密度花崗巖殘積土在不同圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均為應(yīng)變硬化型，呈塑性破壞，高圍壓（320kPa）時，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為強(qiáng)硬化型。同時由應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知，完好的土樣隨著應(yīng)變增大，其斜率也隨之增大，土體的穩(wěn)定性與強(qiáng)度有較大提高。隨著應(yīng)變繼續(xù)增大，斜率到達(dá)峰值后變小，直到變得緩平，此時隨著軸向應(yīng)變增大，但應(yīng)力不再增大，土體結(jié)構(gòu)性被破壞喪失。

圖1 相同干密度花崗巖殘積土在不同圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

從圖2可知：花崗巖殘積土在相同含水率和干密度情況下，隨著軸向應(yīng)變的增加應(yīng)力逐漸增大，應(yīng)力應(yīng)變之間近似成二次多項(xiàng)式關(guān)系。通過多項(xiàng)式擬合得到主應(yīng)力差（σ1-σ3）與軸向應(yīng)變ε1的關(guān)系，如表2所示。

圖2 相同干密度花崗巖殘積土在不同圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線擬合結(jié)果

從表2可看出：主應(yīng)力差（σ1-σ3）與軸向應(yīng)變ε1呈良好的二次多項(xiàng)式相關(guān)，相關(guān)性顯著。

表2 參數(shù)取值

2.1.2 相同圍壓下不同干密度花崗巖殘積土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖3可知，隨著圍壓的增加，3種不同干密度花崗巖殘積土的應(yīng)力應(yīng)變曲線間距越來越小。在低圍壓（120kPa）時，TZ-3與TZ-5在應(yīng)變初期與應(yīng)變后期，其應(yīng)力變化受圍壓影響較小，兩者較接近。在中圍壓（220kPa）時，TZ-1與TZ-3在應(yīng)變初期，TZ-1與TZ-5在應(yīng)變后期，其應(yīng)力變化受圍壓影響較小，兩者較接近。在高圍壓（320kPa）時，三者的應(yīng)力應(yīng)變曲線間距小。

圖3 相同圍壓下不同干密度花崗巖殘積土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.2 干密度對抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響

三軸CU試驗(yàn)中的試樣采用3種不同的干密度，其干密度與抗剪強(qiáng)度參數(shù)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。所做試樣的總抗剪強(qiáng)度的黏聚力均不小于有效抗剪強(qiáng)度黏聚力，有效抗剪強(qiáng)度的內(nèi)摩擦角均大于總抗剪強(qiáng)度的內(nèi)摩擦角。

表3 干密度與抗剪強(qiáng)度參數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從圖4可看出，在相同含水率不同干密度條件下，黏聚力隨著干密度的增大先增大后減小，內(nèi)摩擦角隨著干密度的增大先減小后增大，且近似成曲線關(guān)系，分別存在某種干密度的花崗巖殘積土黏聚力或內(nèi)摩擦角最大，通過多項(xiàng)式擬合得到干密度和黏聚力、內(nèi)摩擦角關(guān)系，如表4所示。

表4 參數(shù)取值

圖4 干密度和黏聚力、內(nèi)摩擦角關(guān)系曲線

從表4可知，干密度和黏聚力、內(nèi)摩擦角關(guān)系的擬合方程的相關(guān)系數(shù)均為1，所有的點(diǎn)均在多項(xiàng)式曲線方程上，擬合程度良好，相關(guān)性顯著。

3 結(jié)語

1）主應(yīng)力差（σ1-σ3）與軸向應(yīng)變 ε1之間呈二次多項(xiàng)式關(guān)系。隨著圍壓增加，不同干密度花崗巖殘積土的應(yīng)力應(yīng)變曲線間距越來越小，數(shù)值越來接近。

2）在相同含水率不同干密度條件下，黏聚力隨著干密度的增大先增大后減小；內(nèi)摩擦角隨著干密度的增大先減小后增大。不同干密度花崗巖殘積土的干密度與黏聚力、內(nèi)摩擦角之間均呈二次多項(xiàng)式關(guān)系。