深圳粗粒花崗巖殘積土原生各向異性特性研究

姬鳳玲，蘇 棟，許澤標，龐小朝

1)深圳大學土木與交通工程學院，廣東深圳 518060；2)深圳大學濱海城市韌性基礎設施教育部重點實驗室， 廣東深圳 518060；3)鐵科院(深圳)研究設計院有限公司，廣東深圳 518050

花崗巖殘積土是花崗巖經(jīng)過風化作用后殘留在原地的碎屑物，廣泛分布于中國的東南沿海地區(qū)， 其成因及組成結構不同于沉積作用形成的土體，因此具有不同于一般土體的特殊工程性質(zhì)，如高液限及高孔隙比時仍具有較高強度[1]、遇水易崩解軟化[2-3]和垂直分層明顯[4-5]等. 巖土工程界已將花崗巖殘積土確認為是一種區(qū)域性特殊土[4,6-7]. 雖然目前對花崗巖殘積土的成因、物質(zhì)組成和遇水軟化與崩解等特性的研究較多，但對其各向異性特性的研究較少.

一般將土體各向異性分為原生各向異性(即固有各向異性)和次生各向異性(即應力誘發(fā)各向異性)[8-9]. 原生各向異性與土體在漫長地質(zhì)歷史時期的形成過程有關，而次生各向異性與土體在工程實踐中的復雜加載條件有關[8-9]. 原生各向異性是次生各向異性產(chǎn)生的物質(zhì)基礎，是土體各向異性研究的重點. 沉積作用形成的土體，其原生各向異性主要是由于土顆粒在沉積過程中，顆粒定向排列引起[10-11]. 與一般沉積作用形成的土體不同，花崗巖殘積土的原生各向異性取決于兩個方面，一方面是土顆粒在上覆地層重力作用下的定向排列，另一方面是花崗巖殘積土中的原生裂隙和次生裂隙. 花崗巖中巖脈礦物抗風化能力的不同形成了殘積土中的原生裂隙[12]，次生裂隙主要是濕熱、多雨條件下，花崗巖風化產(chǎn)物中易溶鹽形成的膠結物隨地下水溶解、流失形成的淋溶微孔隙[13].

深圳作為大灣區(qū)起引領作用的中心城市，涉及花崗巖殘積土的工程問題日益增多. 對于受力狀態(tài)復雜的隧道及地下結構工程、高邊坡和深基坑等工程項目[14-15]，花崗巖殘積土各向異性的影響需要引起足夠的重視. 本研究基于室內(nèi)試驗，對深圳地區(qū)花崗巖殘積土的原生各向異性進行分析，以為工程建設提供參考.

1 試驗材料

本研究所用花崗巖殘積土原狀樣取自深圳市南山區(qū)白石洲深圳灣超級總部基地中南部的某建筑場地. 根據(jù)勘察資料，場地內(nèi)分布的地層自上而下分別為：人工填土、第4系全新統(tǒng)海陸交互相沉積層、第4系上更新統(tǒng)沖洪積沉積層、第4系上更新統(tǒng)沼澤相沉積層和白堊系燕山4期粗粒花崗巖風化殼. 作為風化殼的土體部分，花崗巖殘積土層頂埋深9.60～18.50 m. 本研究所取原狀樣為深度12 m處的褐黃和褐紅雜灰白色的花崗巖殘積土. 為了減少對土樣的擾動，采用壁厚1 mm、外徑100 mm、長度197 mm的薄壁取土器，并采用三重管取樣. 在實驗室將原狀土樣和取土器一起保存于陰涼處，控制恒定溫度和恒定濕度. 為了研究花崗巖殘積土的各向異性特性，對不同取樣方向(與沉積方向分別呈0°、30°、60°和90°)，對花崗巖殘積土原狀樣進行取樣并切削制備試樣. 其中，0°表示土樣自然沉積方向(即重力方向)，30°、60°和90°表示取樣方向與土樣自然沉積方向的夾角.

2 粒徑級配分析

土樣中固體顆粒的大小、形狀和礦物成分等是決定土的工程性質(zhì)的主要因素. 按照《土工試驗方法標準》[16]，采用篩析法和密度計法兩種試驗綜合測定花崗巖殘積土的粒徑級配. 組成試樣的不同粒組含量如表1. 經(jīng)計算，不均勻系數(shù)Cu=200，曲率系數(shù)Cc=0.025，顆粒級配不連續(xù). 從表1可見，粗砂組(0.500 mm

表1 不同粒組顆粒質(zhì)量分數(shù)

花崗巖殘積土出現(xiàn)這種粒度分布特征的原因和原巖礦物成分及風化作用密切相關. 粗粒花崗巖的主要礦物成分為石英、鉀長石和斜長石. 在物理風化作用下，石英、鉀長石和斜長石崩解為碎散的砂粒，其中石英為粒徑大于0.500 mm的粗砂，鉀長石和斜長石形成粒徑0.500～0.250 mm和0.250～0.075 mm的中砂和細砂. 在濕熱條件下，化學風化作用強烈，粗?；◢弾r殘積土中抗化學風化能力比較弱的鉀長石和斜長石繼續(xù)部分風化成黏土礦物和游離氧化物，黏土礦物構成了粉粒和黏粒，游離氧化物起膠結作用. 由于殘積土是原巖風化后的產(chǎn)物經(jīng)過淋溶作用后殘留在原地的而成，沒有經(jīng)過遠距離搬運作用，因此殘積土中粗砂顆粒磨圓度較差，土中分布有淋溶作用形成的微孔隙.

3 基本物理性質(zhì)參數(shù)的各向異性

按照《土工試驗方法標準》[16]，對花崗巖殘積土原狀樣的含水率、天然密度、干密度和滲透系數(shù)等物理性質(zhì)參數(shù)進行測定，其中，滲透系數(shù)采用變水頭滲透試驗測定. 結果表明，0°取樣方向的含水率、天然密度、干密度和滲透系數(shù)分別為26.80%、1.77 g/cm3、1.40 g/cm3和1.77×10-3cm/s. 以0°取樣方向的參數(shù)為基準，計算出其他取樣方向土樣基本物理性質(zhì)參數(shù)的變化率如表2. 從表2可見，取樣方向不同，花崗巖殘積土原狀樣的含水率、天然密度和干密度略有不同，由于這些物理性質(zhì)參數(shù)只與土體的三相體積和質(zhì)量相關，而與細觀結構無關，理論上是各向同性的.因此，這3個物理量隨取樣方向的略微變化是由土樣的空間非均質(zhì)性所導致的.

表2 不同取樣方向原狀樣物理性質(zhì)參數(shù)的變化率Table 2 Change rate of physical parameters of undisturbed specimens sampled along different directions

圖1為滲透系數(shù)隨取樣方向變化的極坐標圖.從圖1可見，滲透系數(shù)在0°和90°取樣方向較為接近，而30°和60°取樣方向比這兩個方向的滲透系數(shù)明顯更小. ADAMS等[17]研究波士頓藍黏土滲透各向異性時，發(fā)現(xiàn)滲透各向異性主要受土體孔隙和顆粒定向排列影響. 由于花崗巖殘積土的級配不良，土樣中存在較多的淋溶微孔隙，而且土體由于地表水的豎向下滲以及地下水的水平滲流導致了0°和90°朝向的淋溶微孔隙較多，因而這兩個方向的滲透系數(shù)較大. 沿30°和60°方向取樣并進行滲透試驗，由于滲透方向與微孔隙的主要方向斜交，因此沿這兩個方向滲徑曲折程度較高，相應的滲透系數(shù)較小. 綜上所述，影響花崗巖殘積土滲透系數(shù)各向異性的主要因素是淋溶微孔隙的發(fā)育.

圖1 滲透系數(shù)隨取樣方向的變化Fig.1 Permeability coefficient changing with sampling direction

4 抗剪強度參數(shù)的各向異性

花崗巖殘積土原狀樣抗剪強度參數(shù)采用常規(guī)三軸固結不排水剪切試驗測定. 采用0°、30°、60°和90°分別取土切削制備試樣，試樣均為直徑39.1 mm、高度80.0 mm. 試驗采用GDS全自動三軸儀，控制試樣不排水條件下孔隙水壓力增量與圍壓增量的比值B≥0.97， 應變加載速率為0.025 mm/min. 每個方向的試樣分別進行100、200和400 kPa下的固結不排水剪切試驗. 試驗過程中若不發(fā)生應變軟化，則試驗進行到軸向應變?yōu)?0%時終止. 試驗結果表明，不同取樣方向和圍壓下的試樣破壞時，均具有明顯的剪切破壞面，剪切破壞形態(tài)如圖2.

圖2 試樣剪切破壞形態(tài)Fig.2 (Color online) Shear failure mode of the sample

采用如圖3和圖4所示的極坐標來反映土樣抗剪強度參數(shù)隨取樣方向的變化規(guī)律，同時以0°取樣方向的參數(shù)為基準，計算出其他取樣方向土樣抗剪強度參數(shù)的變化率(表3). 由表3可見，取樣方向不同，花崗巖殘積土原狀樣抗剪強度參數(shù)有很明顯的差異，表明土樣的抗剪強度參數(shù)各向異性特性明顯. 隨著取樣方向角度的增加，試樣的有效內(nèi)摩擦角逐漸增大，但是30°和60°方向的有效內(nèi)摩擦角差異較小. 由圖4可見，隨著取樣方向角度的增加，試樣的有效黏聚力逐漸減小，但60°和90°方向的有效黏聚力差異較小.

圖3 內(nèi)摩擦角隨取樣方向的變化Fig.3 The internal friction angle changing with sampling direction

圖4 黏聚力隨取樣方向的變化Fig.4 The cohesion changing with sampling direction

表3 不同取樣方向的原狀樣抗剪強度參數(shù)值及變化率Table 3 Value and change rate of shear strength parameters of undisturbed specimens sampled along different directions

產(chǎn)生抗剪強度參數(shù)各向異性的原因與花崗巖殘積土原狀樣的微觀結構密切相關. 李廣信[18]研究表明，除了云母等礦物之外，大多數(shù)非黏土礦物顆粒呈粒狀，但是顆粒的長軸與短軸之比大于1. 花崗巖殘積土中的石英顆粒磨圓度差，其長軸與短軸之比應更大，顆粒呈不規(guī)則長條狀. 軸長比為1.6的均勻細砂，在重力場中顆粒長軸與水平方向夾角θ的分布頻率如圖5[18]. 由圖5可見，在重力場中土體中粗顆粒在排列時，顆粒長軸與水平方向夾角主要以0°和30°為主. 結合表1，可初步判斷粗?；◢弾r殘積土中的細砂組(2.000 mm

圖5 粗粒土顆粒長軸在空間方向角的分布頻率[18]Fig.5 Distribution frequency of the orientation angle for the long axis of coarse-grained particles[18]

本研究試樣取自12 m深度處，其豎向有效自重應力平均值可達到158 kPa左右，數(shù)值較大. 在該有效自重應力作用下，花崗巖殘積土的骨架顆粒長軸與水平方向呈小角度(0°～30°)，近于水平方向排列. 不同取樣方向，土骨架顆粒與試樣剪切破壞面之間的位置關系如圖6. 其中，αf為剪切破壞面與最大主應力作用面的夾角，β1～β4分別為0°、30°、60°和90°土骨架顆粒長軸與剪切破壞面之間的夾角，數(shù)值如表4. 花崗巖殘積土原狀樣中的原生裂隙及淋溶微孔隙也會對試樣剪切破壞面的形成及擴展產(chǎn)生影響，但是其影響程度及機理尚需后續(xù)微細觀方面的研究，由于條件所限，表4中αf和βi值的計算暫未考慮上述影響.

圖6 土骨架顆粒與試樣剪切破壞面之間的位置關系示意圖Fig.6 The position relationship between soil skeleton particles and the shear failure plane

土體的抗剪強度包括摩擦強度與黏聚強度兩部分. 其中，摩擦強度由滑動摩擦和咬合摩擦組成. 在豎向偏應力作用下，土骨架顆粒在剪切過程中有向平行于剪切破壞面方向重新排列的趨勢，從表3可見，隨著取樣方向由0°、30°、60°和90°方向變化，土骨架顆粒重新排列時的轉動角度β逐漸增大，消耗的能量也逐漸增多，這導致土樣的咬合摩擦增大. 當土顆粒重新排列到相對穩(wěn)定位置后，顆粒沿著剪切破壞面產(chǎn)生滑動摩擦，由于不同取樣方向?qū)腆w顆粒組成影響不大，因此，取樣方向?qū)瑒幽Σ劣绊懖顒e不大. 綜合以上分析，可以認為對于本次試驗所采用的花崗巖殘積土原狀樣，土樣內(nèi)摩擦角與取樣方向之間的變化規(guī)律主要取決于在豎向偏應力作用下土顆粒重新排列程度的影響.

表4 原狀樣土骨架顆粒與試樣剪切破壞面之間的夾角

土體的黏聚力主要來源于顆粒間內(nèi)部吸引力及顆粒間膠結物的膠結作用. 測試分析結果表明，粒間吸引力引起的黏聚力較小，化學膠結力是黏聚力的主要部分[18]. 花崗巖殘積土的化學膠結力主要來自游離氧化物與部分黏土礦物產(chǎn)生的膠結作用. 由于土樣孔隙比較大，因此土樣的膠結類型以接觸式膠結為主，即主要在固體骨架顆粒的相互接觸處有膠結聯(lián)結. 由于膠結物容易在垂直于最大主壓應力方向上生長，因此在豎向自重應力作用下，殘積土原狀樣中的膠結物主要沿著近于水平方向形成. 因此，取樣方向為0°時，單位面積原狀樣中膠結物面積最大，黏聚力值最大；取樣方向為90°時，單位面積原狀樣中膠結物面積最小，黏聚力值最小. 取樣方向為30°和60°時，單位面積原狀樣中膠結物面積和黏聚力值均介于0°和90°取樣方向之間.

5 結 論

通過對深圳某工地12 m深度處的花崗巖殘積土不同取樣方向的原狀樣進行室內(nèi)土工試驗，研究了其物理和力學參數(shù)隨取樣方向的變化規(guī)律，可知：

1)試驗所采用原狀樣為粗?；◢弾r殘積土，粒度組成中粗砂組(0.500 mm

2)沿不同方向取樣的原狀樣，其含水率、天然密度和干密度基本相近，而滲透系數(shù)具有明顯的各向異性特性，0°和90°方向取樣的試樣滲透系數(shù)接近，但比30°和60°方向取樣的試樣滲透系數(shù)大.

3)粗?；◢弾r殘積土原狀樣的抗剪強度參數(shù)各向異性特性明顯. 隨著取樣方向角度由0°、30°、60°和90°變化，試樣的有效內(nèi)摩擦角逐漸增大，但是30°和60°方向的有效內(nèi)摩擦角差異較小. 隨著取樣方向角度的增加，試樣的有效黏聚力逐漸減小，60°和90°方向的有效黏聚力差異較小.