廣州東部地區(qū)花崗巖殘積土物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析

梁仕華，周世宗，張 朗，王 蒙

(廣東工業(yè)大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，廣東廣州510006)

花崗巖殘積土是指新鮮花崗巖巖層在物理風(fēng)化作用和化學(xué)風(fēng)化作用下形成的物質(zhì)，其結(jié)構(gòu)、成分和性質(zhì)已產(chǎn)生不同程度的變異，當(dāng)風(fēng)化程度較強(qiáng)時(shí)，形成土狀物，且沒(méi)有受到搬運(yùn)營(yíng)力的水平及垂直搬運(yùn)，并保持其原巖所在位置［1］.花崗巖殘積土與其他沉積土相比，在物理力學(xué)性質(zhì)、結(jié)構(gòu)性、擾動(dòng)性、軟化性等方面存在著較大的差異性［2］.由于母巖物質(zhì)組成及后期的氣候、風(fēng)化環(huán)境和所處的地形地貌不同，不同區(qū)域的花崗巖殘積土無(wú)論是物質(zhì)組成還是物理力學(xué)特性都存在一定的差異性，因此對(duì)不同區(qū)域的花崗巖殘積土的物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析具有較大的工程指導(dǎo)意義.國(guó)內(nèi)許多學(xué)者對(duì)花崗巖殘積土展開(kāi)多方面的研究，王清［3-4］、陳洪江［5］對(duì)花崗巖殘積土的工程地質(zhì)特征研究;胡紅梅［6］、陳洪江［7］、陽(yáng)發(fā)清［8］等對(duì)花崗巖殘積土的物理力學(xué)特征與工程性質(zhì)研究;張永波［9］對(duì)花崗巖殘積土的工程分類研究;魏克和［10］、張永波［11］等對(duì)花崗巖殘積土的抗剪強(qiáng)度與地基承載力研究;朱德昌［12］對(duì)花崗巖殘積土的試驗(yàn)和測(cè)試研究.

本文以廣州東部地區(qū)花崗巖殘積土為研究對(duì)象，選取最常用的幾個(gè)工程應(yīng)用指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，給出了該區(qū)花崗巖殘積土物理力學(xué)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)值、變化范圍，研究了各指標(biāo)之間的相關(guān)性，建立土性參數(shù)間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，最終得出該地區(qū)花崗巖殘積土的一般特性.

1 花崗巖殘積土的粒度組成

表1為廣州東部地區(qū)花崗巖殘積土粒度分布.從表1看出，花崗巖殘積土的粒度呈“兩頭多、中間少”的分布特征，即粒度分布在粗砂以上粒組和粉、黏粒粒組比較集中，而中、細(xì)砂及粉砂的含量少得多，這與文獻(xiàn)［13］統(tǒng)計(jì)的花崗巖殘積土的粒度平均組成情況一致.

表1 廣州東部地區(qū)花崗巖殘積土粒度分布Tab.1 Granularity distribution of granite residual soil in eastern Guangzhou

上述的粒度組成，決定了花崗巖殘積土的組構(gòu):由粗粒(礫粒、粗砂及部分中砂)構(gòu)成土骨架，粗粒之間主要由游離氧化物包裹及填充實(shí)現(xiàn)聯(lián)結(jié)或來(lái)自原巖礦物晶粒間的殘存聯(lián)結(jié)，而由于填充粗粒骨架的中細(xì)砂及粉砂的含量少，因此孔隙比較大，這與文獻(xiàn)［14］的SEM圖像分析結(jié)果一致.

2 花崗巖殘積土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)研究

在廣州東部地區(qū)，廣泛分布著燕山期花崗巖殘積層，在蘿崗、天河、增城等多個(gè)場(chǎng)地對(duì)其進(jìn)行了物理力學(xué)試驗(yàn)與分析，研究表明:廣州東部地區(qū)花崗巖殘積土以黏粒和石英砂粒為主，呈灰黃、褐黃、灰白等花斑色，殘積土厚度變化比較大，一般是埋深越深，厚度越大，顆粒含量隨母巖的不同而有較大變化.以砂質(zhì)黏性土為代表，通過(guò)土工試驗(yàn)得到該地區(qū)花崗巖殘積土的物理力學(xué)指標(biāo)(天然密度ρ、含水量w、孔隙比e、壓縮系數(shù)a1-2、壓縮模量Es1-2、內(nèi)摩擦角φ、黏聚力c、塑性指數(shù)Ip、液性指數(shù)IL、標(biāo)貫擊數(shù)N等)統(tǒng)計(jì)分析如表2所示.這些指標(biāo)能夠反映花崗巖殘積土的主要物理力學(xué)性質(zhì)，是工程應(yīng)用中最常用和最重要的試驗(yàn)指標(biāo).

本次勘察的巖土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)值，主要是通過(guò)鉆孔采取的巖土樣作室內(nèi)試驗(yàn)確定，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.從表2可以看出，土的天然密度變異系數(shù)最小，只有0.02，說(shuō)明土的天然密度值本身就相差很小，另一方面也與試驗(yàn)方法有很大關(guān)系，天然密度的測(cè)量值是兩個(gè)或多個(gè)試件平行試驗(yàn)結(jié)果的代表性值或平均值，而且試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差也有規(guī)定，取樣時(shí)還要經(jīng)過(guò)選擇.這樣，其試驗(yàn)結(jié)果必然集中，變異系數(shù)大幅度減小.

液性指數(shù)IL的變異系數(shù)最大，主要原因是受天然含水量的影響所致.液性指數(shù)IL是據(jù)天然含水量ω，塑限ωp和液限ωL按式(1)算出.

由于氣候條件的影響，殘積土的天然含水量隨深度的變化比較大，因而液性指數(shù)也隨深度而變化.

4個(gè)力學(xué)指標(biāo)中，壓縮系數(shù)和壓縮模量變異系數(shù)稍小，而內(nèi)摩擦角和黏聚力的變異系數(shù)均較大，說(shuō)明鉆探取樣及試驗(yàn)操作等擾動(dòng)對(duì)4個(gè)力學(xué)指標(biāo)的影響是不同的，這與文獻(xiàn)［15］的結(jié)論是一致的.

從表2還可知，廣州東部地區(qū)花崗巖殘積土的平均孔隙在0.8左右，而平均含水量為25%～30%內(nèi)，土體多處于硬塑～可塑狀態(tài)，其壓縮模量一般都接近4MPa，具中高壓縮性.另外，花崗巖殘積土的黏聚力和內(nèi)摩擦角都較大，也就是抗剪強(qiáng)度高.對(duì)一般土來(lái)說(shuō)，大孔隙比與高壓縮性是正常的因果關(guān)系，但不會(huì)同時(shí)具高壓縮性和高抗剪強(qiáng)度.黏聚力較大是因?yàn)橥恋奈⒔Y(jié)構(gòu)通常不會(huì)完全破壞，而且通?；◢弾r殘積土中黏、粉粒的含量很高，而內(nèi)摩擦角較大是由于土中粗粒組含量較高，這說(shuō)明花崗巖積土既有黏土的性質(zhì)，也有砂土的性質(zhì).

表2 砂質(zhì)粘性土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Statistic of physical and mechanical properties of silt sandy clay

3 花崗巖殘積土的顯著結(jié)構(gòu)性

對(duì)非結(jié)構(gòu)性和弱結(jié)構(gòu)性土來(lái)說(shuō)，黏聚力隨著土中黏粒含量的增加而增大，即塑性指數(shù)越大，黏聚力也越大，從圖1看出，黏聚力與塑性系數(shù)不僅沒(méi)有這種相關(guān)性，而且有相反趨勢(shì);同樣，土中黏粒含量增加、黏聚力增大，必與土中粗粒組含量減少、內(nèi)摩擦角的減少相對(duì)應(yīng).但圖2指出，大多數(shù)內(nèi)摩擦角值都在20°左右，與黏聚力的變化無(wú)關(guān).這一方面說(shuō)明花崗巖殘積土具有顯著結(jié)構(gòu)性，使土的黏聚力主要取決于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，而黏粒含量的影響較小;另一方面也說(shuō)明土工試驗(yàn)的各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)土樣產(chǎn)生了擾動(dòng)破壞作用，而且擾動(dòng)程度不盡相同.這一結(jié)果也與吳能森［15］在結(jié)構(gòu)性花崗巖殘積土的性質(zhì)及工程問(wèn)題研究的結(jié)論相吻合.

4 花崗巖殘積土參數(shù)間相互關(guān)系分析

花崗巖殘積土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)之間存在內(nèi)在的聯(lián)系，研究土參數(shù)間的關(guān)系，有利于全面認(rèn)識(shí)花崗巖殘積土的工程性質(zhì)，為合理選擇巖土參數(shù)指標(biāo)提供依據(jù).通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)220個(gè)花崗巖殘積土土樣的土工試驗(yàn)報(bào)告，進(jìn)行一元線性回歸和非線性回歸分析，以剩余均方差最小為最佳擬合，得各土性參數(shù)之間的回歸方程式如表3和圖3所示(限于篇幅，僅列出了部分土性參數(shù)相關(guān)曲線).

圖1 黏聚力與塑性指數(shù)關(guān)系散點(diǎn)圖Fig.1 Relation between cohesion and plastic index

圖2 黏聚力與摩擦角關(guān)系散點(diǎn)圖Fig.2 Relation between cohesion and internal friction angle

表3 花崗巖殘積土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)相關(guān)關(guān)系Tab.3 Correlation of physical and mechanical indexes of granite residual soil

從表3和圖3中可得如下結(jié)論:

(1)花崗巖殘積土的含水量與塑性指數(shù)、孔隙比、液限、塑限、壓縮系數(shù)等正相關(guān)性較好，相關(guān)指數(shù)(R2)的取值范圍在0.705 1～0.969 8之間.而隨含水量的增大，天然密度和壓縮模量卻相應(yīng)減少.

(2)孔隙比與天然重度、壓縮模量、壓縮系數(shù)有較好的相關(guān)關(guān)系，其中，壓縮系數(shù)隨孔隙比的增大而增大，壓縮模量和天然重度隨孔隙比的增大而減小.除此之外，液限與塑限之間也有很強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系，相關(guān)指數(shù)達(dá)到0.958 9.

圖3 花崗巖殘積土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)關(guān)系圖Fig.3 Correlation of physical and mechanical indexes of granite residual soil

5 花崗巖殘積土標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)作為一種成熟的原位測(cè)試手段，可對(duì)地基土的物理狀態(tài)、土的強(qiáng)度、變形參數(shù)等物理力學(xué)參數(shù)做出評(píng)價(jià)，在評(píng)價(jià)花崗巖殘積土性質(zhì)方面得到普遍使用［16］，大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)在花崗巖殘積土得到了較好的體現(xiàn).根據(jù)圖3可知，它與土的液性指數(shù)、孔隙比、黏聚力以及壓縮模量都有較好的相關(guān)關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)都在0.85以上.

液性指數(shù)是一項(xiàng)重要的土體物理參數(shù)［17］，相對(duì)于含水量，它能夠更真實(shí)地反映土所處的狀態(tài).標(biāo)貫擊數(shù)與液性指數(shù)有較好的相關(guān)關(guān)系，呈現(xiàn)負(fù)相關(guān);土的孔隙比越小，其壓實(shí)程度一般都較好，圖4的標(biāo)貫擊數(shù)與孔隙比有較好的線性關(guān)系，也呈現(xiàn)負(fù)相關(guān);其次，壓縮模量與標(biāo)貫呈很好的線性正比關(guān)系，可用標(biāo)貫來(lái)預(yù)測(cè)地基土的壓縮模量;最后，黏聚力與標(biāo)貫數(shù)也有很好的線性關(guān)系，呈現(xiàn)正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.95.

6 結(jié)論

(1)由于土工試驗(yàn)方法和取樣擾動(dòng)影響的不同，導(dǎo)致花崗巖殘積土物理力學(xué)指標(biāo)的變異系數(shù)大小不一，其中，內(nèi)摩擦角、黏聚力、液性指數(shù)、塑性指數(shù)變異系數(shù)較大，而天然密度、含水量、孔隙比、壓縮模量和壓縮系數(shù)等變異系數(shù)都較小，可以作為工程應(yīng)用的參照指標(biāo).

(2)花崗巖殘積土具有很強(qiáng)的結(jié)構(gòu)性，其物理力學(xué)指標(biāo)與一般的非結(jié)構(gòu)性土有很大的區(qū)別，黏聚力除了與黏粒含量有關(guān)外，主要取決于土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度.

(3)統(tǒng)計(jì)分析指出:花崗巖殘積土的含水量與塑性指數(shù)、孔隙比、液限、塑限、壓縮系數(shù)有較好的正相關(guān)關(guān)系，與天然密度和壓縮模量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān);孔隙比與天然重度、壓縮模量、壓縮系數(shù)有較好的相關(guān)關(guān)系.根據(jù)物理力學(xué)指標(biāo)相互關(guān)系得出的線性回歸方程可為廣州市的基礎(chǔ)工程建設(shè)提供參考.

(4)花崗巖殘積土的標(biāo)貫試驗(yàn)表明:土的標(biāo)貫擊數(shù)與液性指數(shù)、黏聚力、壓縮模量、孔隙比有較好的相關(guān)關(guān)系，因此，可以用標(biāo)貫擊數(shù)來(lái)預(yù)測(cè)花崗巖殘積土的其他物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo).

圖4 標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)與物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)關(guān)系圖Fig.4 Correlation of standard penetration blow counts and physical and mechanical properties

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