含水率對花崗巖殘積土強度影響研究

朱麗霞,袁望新

(廣州市城市規劃勘測設計研究院，廣東 廣州 510060)

0 引言

花崗巖殘積土是一種非飽和的特殊土，它遇水易發生軟化崩解，對工程實踐造成了諸多困擾，如崩塌、滑坡、沉降等，尤其對于大型基坑邊坡，在降雨作用下土體強度降低，影響邊坡穩定性導致邊坡坍塌，造成對支護結構的破壞。廣州地區花崗巖殘積土廣泛分布，母巖多為燕山期花崗巖。受地域分布、季節交替及氣候變化等多方面因素影響，花崗巖殘積土強度因含水率的不同呈現不同的物理力學特性。對于花崗巖殘積土，許多專家學者主要注重在其崩解特性研究，張抒[1]通過配置不同含水率、不同壓實度的重塑土樣，在不同水溫下進行土的崩解試驗，得出花崗巖殘積土崩解是從表到里漸進式的破壞過程；近年來，有一些學者針對氣候變化開展了干濕循環下的大氣崩解試驗與浸水崩解試驗，得出干濕循環次數對崩解及其崩解速率的影響[2]；吳能森[3]從土體結構性與損傷角度研究，認為花崗巖殘積土崩解的根本原因是軟化；簡文彬[4]通過對福建地區花崗巖殘積土開展室內試驗，得出干濕循環下花崗巖殘積土黏聚力前期衰減趨勢明顯，后期衰減趨勢減緩，并逐漸趨于穩定;而內摩擦角卻未呈現明顯的變化規律，大小變化不定。目前，對于廣州地區花崗巖殘積土的強度特性研究較少，為清楚了解該地區不同含水率條件下花崗巖殘積土的特性，本文對土的試驗數據進行了相關的統計分析研究。

1 花崗巖殘積土分類

花崗巖殘積土是物質組成和地質結構較復雜的綜合地質體，土的類型不同，產生的工程地質問題和地質災害的種類和可能性也不同。通常，工程建設中多以粒徑d>2 mm顆粒含量(質量分數)為分類主因素對花崗巖殘積土進行定量分類：顆粒含量(質量分數)大于20%為礫質黏性土；顆粒含量(質量分數)大于0小于20%為砂質黏性土；顆粒含量(質量分數)等于0為黏性土(見表1)。

表1 花崗巖殘積土分類表

本文對廣州黃埔、蘿崗等區域的花崗巖殘積土近2 400組數據進行分析統計，得到了不同含水率狀態下不同類別花崗巖殘積土物理、強度指標的變化趨勢，并進行了歸納整理，初步理出了該地區不同類別花崗巖殘積土隨含水率變化的規律與發展趨勢。我們將砂質黏性土和礫質黏性土按含水率(質量分數)不大于20%、含水率(質量分數)介于20%～30%、含水率(質量分數)介于30%～40%、含水率(質量分數)大于40%四個等級進行統計；考慮到黏性土內含粗顆粒較少，土中細粒較多，土的分散度較大，土體內部含水率會越大，因此，黏性土以含水率(質量分數)不大于30%、含水率(質量分數)介于30%～40%、含水率(質量分數)介于40%～50%、含水率(質量分數)大于50%來統計。

2 物理指標分析

2.1 砂質黏性土

選取含水率(質量分數)小于20%樣本99個，含水率(質量分數)介于20%～30%樣本766個，含水率(質量分數)介于30%～40%樣本400個，含水率(質量分數)大于40%樣本53個，物理指標皆取平均值，詳情見表2。由表2可知，砂質黏性土比重介于2.68～2.69之間，顆粒組成較均勻，隨著含水率增大，天然密度從1.89 g/cm3下降到1.69 g/cm3；土體飽和度隨含水率增大而增加，在含水率(質量分數)大于30%左右時，土體飽和度可達85%；土體孔隙比介于0.688～1.298之間，隨含水率增大依次增加；當含水率(質量分數)小于30%時，土體呈硬塑～堅硬狀態，其余多為可塑狀態。壓縮系數隨含水率增大逐漸減小，壓縮模量變化幅度在0.3 MPa～0.5 MPa之間。

表2 砂質黏性土不同含水率物理力學性質指標

2.2 礫質黏性土

選取含水率(質量分數)小于20%樣本69個，含水率(質量分數)介于20%～30%樣本300個，含水率(質量分數)介于30%～40%樣本95個，含水率(質量分數)大于40%樣本6個，各物理指標皆取平均值，詳情見表3。由表3可知，礫質黏性土比重介于2.68～2.69，天然密度隨含水率(質量分數)增加由1.89 g/cm3下降至1.67 g/cm3；土體飽和度隨含水率增大而增加，在含水率(質量分數)大于30%左右時，土體飽和度可達85%；土體孔隙比介于0.691～1.277之間，隨含水率增大依次增加；當含水率(質量分數)小于30%時，土體呈堅硬狀態，其余多為硬塑狀態。壓縮系數隨含水率增大逐漸減小，壓縮模量變化幅度在0.1 MPa～0.7 MPa之間，當含水率(質量分數)大于40%時，壓縮模量下降較多。總之，礫質黏性土的物理指標與相同含水率狀態下砂質黏性土的物理指標數值相差不大，隨含水率變化的規律也一致。

表3 礫質黏性土不同含水率物理力學性質指標

2.3 黏性土

選取含水率(質量分數)小于30%樣本7個，含水率(質量分數)介于30%～40%樣本13個，含水率(質量分數)介于40%～50%樣本19個，含水率(質量分數)大于50%樣本10個，物理指標皆取平均值，詳情見表4。由表4可知，黏性土比重介于2.67～2.69，天然密度隨含水率(質量分數)增大由1.92 g/cm3下降至1.61 g/cm3，涵蓋幅度較大；土體飽和度隨含水率增大而增加，所取土體樣品飽和度可達85%以上，即所有統計的黏性土樣品都處于飽和狀態；土體孔隙比介于0.733～1.607之間，比相同含水率條件下的砂質黏性土與礫質黏性土孔隙比都大，并隨含水率增大而依次增加；Ip>10且大多大于17，土體黏性較強，當土體含水率(質量分數)小于40%時，土體大多呈硬塑～堅硬狀態，其余多為可塑狀態。壓縮系數隨含水率增大逐漸減小，壓縮模量變化幅度在0.5 MPa～0.6 MPa之間，較為均衡。

表4 黏性土不同含水率物理力學性質指標

2.4 綜合分析

該地區花崗巖殘積土多為砂質黏性土，礫質黏性土次之，黏性土最少。砂質黏性土內部粗細顆粒含量分布均勻，各物理指標隨著含水率增加成比例增加或降低趨勢；礫質黏性土由于內部粗顆粒與細顆粒含量比例增大，其空隙內部填充多為砂礫，壓縮時主要體現在內部粗顆粒間的擠密，由于砂礫富水性較差，而水對土的影響多體現在細粒上，因此，含水率對其物理指標的影響較小，其壓縮模量在含水率(質量分數)小于40%時幾乎不變，而其他指標則隨含水率增加而有相應的增大或減小；相同含水率時，黏性土空隙比比砂質黏性土和礫質黏性土都大，且隨含水率增加而減小的幅度也比砂質黏性土和礫質黏性土的減小幅度大，其壓縮模量在含水率較小時變化較小，但是隨含水率的繼續增加而出現驟降趨勢。

3 強度指標分析

3.1 砂質黏性土

從強度值分布范圍來看，該地區的砂質黏性土強度參數c值在含水率的增大過程中前期下降速率較快，下降比接近20%；隨著含水率的繼續增大，c值降低速率有所減緩，下降比幾乎維持在12%～13%左右；而φ值在初期濕水時，含水率呈突降模式，下降比約11%，而后期數值下降微小，下降比約為2%，僅為前期φ值下降比的1/4～1/5。當對砂質黏性土經過固結后，土體內孔隙變小，孔隙率降低，土體變得致密，顆粒之間充分接觸，顆粒間摩擦增大，同時，土體內含水率降低，使得土體抗剪強度增大，尤其強度在c值上有顯著增大，而φ值的增大則沒有那么顯著，數值上與固結狀態之前相差不大，幾乎保持在20°左右。由此可見，砂質黏性土的固結對其強度的影響主要還是作用在c值的提高上，和濕水時c值的顯著下降呈反向趨勢，對于φ值，固結狀態對其影響較小(見表5，圖1)。

表5 砂質黏性土不同含水率強度指標

3.2 礫質黏性土

對于礫質黏性土，由于其顆粒含量(質量分數)大于20%，更有甚者超過50%，其所含的黏土成分相對較少，其強度多由粗顆粒骨架承擔，砂類土的特質更加明顯。隨著含水率的增加，礫質黏性土抗剪強度呈現出下降趨勢，主要體現在c值的下降，φ值幾乎無變化。礫質黏性土c值下降趨勢與砂質黏性土的規律基本一致，都是隨含水率的增大呈現出前期下降迅速，后期下降變緩，其中前期下降達到13%，后期下降約6%～9%；φ值則變化微小，變化比例保持在±3%以內。究其原因，大多為礫質黏性土內部砂質顆粒多，而φ值大多受顆粒組成及其內部均勻性影響，一旦濕水，多為影響礫質黏性土內部的土粒成分，φ值則影響微小。對礫質黏性土經過固結后，c值、φ值都有所增大，其中c值增大較多，φ值則增大1°～2°，變化微小(見表6，圖2)。

表6 礫質黏性土不同含水率強度指標

3.3 黏性土

黏性土是花崗巖殘積土中比較特殊的一類土，它內部沒有粒徑大于2 mm的顆粒，從外觀來看，它幾乎與常規的黏性土無區別，但是在微觀角度，由于內部化學成分，它也擁有花崗巖殘積土所特有的濕水易軟化、崩解的性質。黏性土呈現出黏土類特征，該地區此類花崗巖殘積土數量較少，綜合統計分析，發現其c值較砂質黏性土和礫質黏性土大，φ值較其他兩種殘積土低。隨著含水率的增加，黏性土抗剪強度呈現出下降趨勢，其中c值前期下降較小，下降比約9%，當含水率(質量分數)達到40%左右時，c值呈陡崖式下降，下降比達到30%，而φ值則隨含水率(質量分數)變化比例約±1.5%，究其原因，多與黏性土的內部組成和其滲透性有關。對黏性土土樣經過固結狀態后，c值增大幅度較大，對于有的含水率較高的黏性土，c值可增大至兩倍，φ值變化規律同砂質黏性土和礫質黏性土一致，都是變化微小(見表7，圖3)。

表7 黏性土不同含水率強度指標

3.4 綜合分析

在所有花崗巖殘積土的強度指標當中，當含水率相同時，黏性土c值最大，φ值最小，砂質黏性土與礫質黏性土c值較黏性土小、φ值較黏性土大，兩者之間則差異較小。當含水率增大時，砂質黏性土與礫質黏性土的變化特征幾乎一致，都是c值前期下降迅速，后期呈緩慢下降趨勢，而φ值有所變化，但是幅度微小，幾乎可以忽略不計；而黏性土則呈現出與它們不同的性質，其c值前期下降緩慢，后期則急速下降，φ值在數值上偏小，含水率對其影響微小。

4 結論

1)對花崗巖殘積土按粒徑d>2 mm顆粒含量(質量分數)進行定量分類，可分為礫質黏性土、砂質黏性土和黏性土。本次研究了廣州黃埔、蘿崗地區的花崗巖殘積土，其中以砂質黏性土居多，礫質黏性土次之，黏性土最少。

2)從物理指標出發，隨著含水率的增大，砂質黏性土的物理指標隨著含水率增加成比例增加或降低；礫質黏性土的壓縮模量在含水率(質量分數)小于40%時幾乎不變；相同含水率時，黏性土空隙比比砂質黏性土和礫質黏性土都大，且物理指標隨含水率增加的變化幅度也比砂質黏性土和礫質黏性土大。

3)從強度指標出發，相同含水率時，黏性土c值最大，φ值最小，砂質黏性土與礫質黏性土兩者之間的c值、φ值則差異較小。隨著含水率的增大，三種殘積土的強度都是降低，但是砂質黏性土與礫質黏性土的強度隨含水率變化特征幾乎一致，都是c值前期下降迅速，后期下降速度減慢，而黏性土卻與之相反，表現出前期下降緩慢，后期下降迅速的特征。