花崗巖殘積土強度與含水率的定量關系研究

賴榕洲，吳能森，許旭堂，陳奕涵

(1. 福建農林大學 金山學院， 福建 福州 350002；2.福建農林大學 交通與土木工程學院， 福建 福州 350108)

花崗巖殘積土強度與含水率的定量關系研究

賴榕洲1，吳能森2，許旭堂2，陳奕涵1

(1. 福建農林大學 金山學院， 福建 福州 350002；2.福建農林大學 交通與土木工程學院， 福建 福州 350108)

以福建地區(qū)花崗巖殘積土的壓實土樣和原狀土為研究對象，對壓實花崗巖殘積土，在篩除孔徑2 mm以上粗顆粒條件下，首先通過擊實試驗確定其最優(yōu)含水率，然后以最優(yōu)含水率為基準，制作不同含水率(ω)試樣進行固結排水三軸試驗，得到抗剪強度指標c、φ，最后運用origin軟件，進行試驗數據回歸分析，得到其c、φ與ω之間的定量關系式。對原狀花崗巖殘積土，從文獻中選取閩東南地區(qū)兩類原狀花崗巖殘積土的c、φ與ω關系統(tǒng)計數據，同樣運用origin軟件，通過回歸分析得到其c、φ與ω之間的定量關系式。研究表明：不論是壓實花崗巖殘積土還是原狀花崗巖殘積土，其c、φ與ω之間的定量關系式均為二次函數表達式，具有普遍意義。

花崗巖殘積土；抗剪強度指標；含水率；定量關系；待定系數

我國南方大部分地區(qū)，分布著廣泛的花崗巖殘積層。在工程建設中經常面臨花崗巖殘積土地基承載力或邊坡穩(wěn)定性的分析與評價問題，而抗剪強度指標的合理確定是核心和關鍵。對花崗巖殘積土而言，其區(qū)域性、結構性較強，孔隙比大，呈現出中高壓縮性[1-3]，且花崗巖殘積土的力學性質受水的影響較大，具有親水性好、浸水軟化崩解的特性?；◢弾r殘積土地基在浸水飽和后其承載力會迅速降低，具有臨空面的花崗巖殘積土會因浸水而出現軟化崩解甚至坍塌的現象[4]。為此，針對花崗巖殘積土強度與含水率的定量關系，以福建地區(qū)的壓實花崗巖殘積土和原狀花崗巖殘積土作為研究對象，通過室內三軸試驗和文獻數據，采用回歸分析法，分別建立壓實花崗巖殘積土和原狀花崗巖殘積土的抗剪強度指標與含水率之間的定量關系，據此提出具有普遍意義的定量關系公式，并對其工程應用及進一步研究進行探討。

1 試驗研究

1.1 土樣基本物理性質

結合實際工程，試驗土樣取自深度為12.3～16.8 m的福州市鶴林新城二區(qū)某地塊。該原狀土樣土質均勻，呈褐黃、肉紅等色，呈濕～稍濕硬塑狀態(tài)。通過試驗得到該土樣的基本物理性質指標，見表1；通過篩分試驗得到該土樣各粒組的分布情況，見表2。

表1 土樣物理性質指標

表2 花崗巖殘積土粒組分布

由表2可以看出：該花崗巖殘積土的粒度分布大致上呈現出“兩頭多、中間少”的特征，這與文獻[5-6]中所得到的結果相同。由福建省《建筑地基基礎技術規(guī)范》對殘積土的命名可知，該土樣屬于殘積砂質黏性土[7]。

1.2 壓實土樣三軸試驗

首先，原狀花崗巖殘積土土樣在室內經過風干、碾碎，并篩除孔徑2 mm以上粗顆粒，然后配制成不同含水率，采用YDT-II型土工電動擊實儀，通過擊實試驗確定土樣的最優(yōu)含水率ωop，經試驗得ωop=17.4%；其次，以最優(yōu)含水率ωop為基準，分別取含水率為0.7ωop、0.8ωop、1.0ωop、1.2ωop，按三軸試驗要求(試驗儀器為SLB-1型應力應變控制式三軸剪切滲透試驗儀)，制作四組試樣(直徑39.1 mm，高80 mm)；最后，分別取固結圍壓100 kPa、200 kPa、300 kPa，按剪切應變速率0.012% /min[8]，進行固結排水三軸壓縮試驗。經試驗儀器自動采集的不同含水率條件下試樣的應力-應變關系，見圖1。

圖1 試樣固結排水剪切試驗(σ1-σ3)～ε1關系曲線

由圖1可知：在試驗圍壓相同的條件下，試樣的強度隨著含水率的增加而呈現出降低的趨勢，說明含水率對花崗巖殘積土的強度影響很大，該結論與文獻[9]的研究結果一致。

2 壓實土強度指標與含水率的定量關系

為確定抗剪強度指標與含水率的定量關系，依據上述試驗數據，繪制摩爾應力圓強度包線，由此得到不同含水率條件下花崗巖殘積土試樣的黏聚力c和內摩擦角φ，結果見表3。

表3 各含水率試樣對應的c、φ值

由表3可知：花崗巖殘積土的黏聚力c和內摩擦角φ均會隨著含水率的增加而減小，但兩者減小的程度呈現出較大差異，其中黏聚力c隨著含水率的增加減小顯著，而內摩擦角φ受含水率的影響相對較小，其減小趨勢較緩。運用origin軟件，對表3中的數據進行回歸分析，可得到花崗巖殘積土的黏聚力c和內摩擦角φ與含水率ω之間的函數關系式，見表4。

表4 c、φ值隨含水率變化擬合公式及相關系數

由表4可知：花崗巖殘積土壓實土樣的黏聚力c和內摩擦角φ與含水率之間的擬合關系，均符合二次函數，且擬合效果良好。

3 原狀土強度指標與含水率的定量關系

文獻[10]分析了含水率和干密度對閩東南地區(qū)花崗巖殘積土抗剪強度參數的影響，選取其中不同含水率條件下兩類原狀花崗巖殘積土的c、φ值(表5、表6)進行分析。

表5 原狀花崗巖殘積黏性土抗剪強度指標

表6 原狀花崗巖殘積砂質黏性土抗剪強度指標

運用origin軟件，對表5、表6中的數據進行回歸分析，分別得到原狀花崗巖殘積黏性土和殘積砂質黏性土的c、φ值與含水率ω之間的擬合關系，如圖2、圖3所示。

由圖2、圖3可知：原狀花崗巖殘積土的c、φ值與含水率ω之間的擬合關系，也都符合二次函數，且擬合效果良好。

圖2黏聚力與含水率關系圖3內摩擦角與含水率關系

4 結論與討論

(1) 原狀和壓實花崗巖殘積土的強度均隨著含水率的增加而降低，其抗剪強度指標c、φ值與含水率ω之間存在定量的擬合關系，且均符合二次函數表達式，即

c=a1ω2+b1ω+c1

(1)

φ=a2ω2+b2ω+c2

(2)

式中，a1、b1、c1、a2、b2、c2為待定系數，由試驗測定。

(2) 花崗巖殘積土因粒組構成不同，物理力學性質及其受含水率影響程度有所差異。表4中的定量關系式是以篩除孔徑2 mm以上粗顆粒的壓實土樣經試驗得到的，而圖2、圖3中的定量關系式是以閩東南地區(qū)花崗巖殘積土的統(tǒng)計數據研究得到的，在工程實踐中，應針對特定土體取樣通過試驗確定式(1)、式(2)中的待定系數。

(3) 不管是天然花崗巖殘積土邊坡(如路塹邊坡)，還是人工花崗巖殘積土邊坡(如路堤邊坡)，在工程運營期間，受季節(jié)性降雨影響，始終處在反復的干濕循環(huán)條件下。在本文工作基礎上，針對干濕循環(huán)條件下含水率變化對花崗巖殘積土強度的影響及其定量關系開展深入研究，具有重要的理論與實踐意義。

[1] 蘭新生．福建沿?；◢弾r殘積土場地巖土工程勘察淺議[J]．林業(yè)勘察設計(福建)，1999(2)：81-84．

[2] 吳能森．結構性花崗巖殘積上的特性及工程問題研究[D]．南京：南京林業(yè)大學，2005．

[3] 戴繼，王鐵宏，高廣運，等．由壓縮試驗分析礫質花崗巖殘積土的結構特性[J]．地下空間與工程學報，2009，5(4)：675-679．

[4] 吳能森．花崗巖殘積土的崩解性及軟化損傷參數研究[J]．河北建筑科技學院學報，2006，23(3)：58-62．

[5] 吳能森．花崗巖殘積土的分類研究[J]．巖土力學，2006，27(12)：2299-2304．

[6] 張永波，張云，陳戈，等．花崗巖殘積土工程類型劃分體系研究[J]．地球學報，1997，18(2)：201-204．

[7] 福建省建設廳. 建筑地基基礎技術規(guī)范：DBJ13-07-2006 [S]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006.

[8] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部. 土工試驗方法標準：GB/T 50123-1999 [S]．北京：中國計劃出版社，1999.

[9] 吳能森，賴榕洲，鄒文平，等．含水率對花崗巖殘積土鄧肯-張模型參數影響[J]．武漢工程大學學報，2013，35(9)：18-22．

[10] 許旭堂，簡文彬，柳侃．含水率和干密度對殘積土抗剪強度參數的影響[J]．地下空間與工程學報，2015，11(2)：364-369．

Quantitativerelationshipbetweenstrengthandmoisturecontentofgraniteresidualsoil

LAI Rong-zhou1, WU Neng-sen2, XU Xu-tang2,CHEN Yi-han1

(1.JinshanCollegeofFujianAgricultureandForestryUniversity,Fuzhou350002,China; 2.CollegeofTransportationandCivilEngineering,FujianAgricultureandForestryUniversity,Fuzhou350108,China)

The compacted soil samples and undisturbed soil of granite residual soil in Fujian province were studied. For compacted granite residual soil, under the sieve aperture of 2 mm above the coarse particle conditions, firstly, the optimal water content is determined by compaction test, and then the water content (ω) specimen is used as the benchmark to make the triaxial test of the consolidation and drainage, and the shear strength index c、φ is obtained, and finally the Origin software is used. The quantitative relationship between c、φ and ω was obtained by regression analysis of test data. According to the statistical data of the relationship between the c、φ and ω of two types of undisturbed granite residues in the southeastern part of Fujian province from the literatures, the quantitative relationship between c、φ and ω is obtained by using the Origin software. The results show that the quantitative relationship between c、φ and ω is two-order expression, which is of universal significance, whether it is compacted granite residual soil or intact granite residual soil.

granite residual soil; shear strength index; moisture content; quantitative relations; undetermined coefficients

2017-06-28

國家自然科學基金項目(41702288)；福建農林大學高水平大學建設重點項目(113-612014018)

賴榕洲(1989—)，女，福建武平人，碩士，助教。

1674-7046(2017)05-0017-05

10.14140/j.cnki.hncjxb.2017.05.004

TU443

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