壓實(shí)花崗巖殘積土的崩解特性試驗(yàn)研究

尹 松，白林杰，李新明，付英杰，王玉隆

(1.中原工學(xué)院 建筑工程學(xué)院，鄭州 450007； 2.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430071)

1 研究背景

花崗巖殘積土在我國(guó)南方濕熱多雨地區(qū)大量富存，是特定氣候、地質(zhì)環(huán)境下的產(chǎn)物，具有較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，主要由石英、高嶺石、伊利石、長(zhǎng)石等礦物組成，未經(jīng)搬運(yùn)和分選[1]。由于花崗巖殘積土鐵、鋁等較穩(wěn)定的化合物顯著富集，而不穩(wěn)定的各種氧化物被大量淋濾，多為棕紅色、褐黃色及灰白色相間的網(wǎng)紋礫質(zhì)、砂質(zhì)黏性土[2]。受顆粒組成和微結(jié)構(gòu)特征的影響，該類土具有較強(qiáng)的水敏性，工程實(shí)踐中，炎熱多雨的氣候條件易導(dǎo)致花崗巖殘積土遇水快速崩解，土體性能弱化，直接威脅其填筑工程的安全性及穩(wěn)定性[3-6]。

目前研究者們已經(jīng)針對(duì)天然花崗巖殘積土的崩解特性展開(kāi)了大量研究，如唐軍等[7]通過(guò)不同風(fēng)化程度殘積土的浸水崩解特性試驗(yàn)研究，認(rèn)為土的礦物成分、顆粒大小、含水率和外部因素對(duì)其崩解特性產(chǎn)生重要影響；李建新等[8]對(duì)南岳全風(fēng)化花崗巖進(jìn)行了崩解特性試驗(yàn)，認(rèn)為其崩解過(guò)程分為緩慢、快速及穩(wěn)定三個(gè)階段，失水方式直接影響土的崩解時(shí)間；張先偉等[9]研究了干濕循環(huán)作用下玄武巖殘積土的崩解特性，分析了多雨氣候?qū)τ陲L(fēng)化土崩解過(guò)程及相關(guān)變量的影響。蘇華等[10]研究了坑底被動(dòng)區(qū)花崗巖殘積土受水浸泡后力學(xué)性能急劇降低對(duì)基坑的影響。相關(guān)研究已經(jīng)充分證明天然花崗巖風(fēng)化土的崩解特性受其風(fēng)化程度和物理狀態(tài)影響顯著,崩解過(guò)程存在多樣性。

隨著我國(guó)東南沿海經(jīng)濟(jì)帶高速鐵路、公路及城市軌道交通建設(shè)的迅猛發(fā)展，穿越花崗巖殘積土層的工程量逐年增加，深入研究壓實(shí)花崗巖殘積土持力層的崩解特性對(duì)于沿線風(fēng)化土的有效利用具有重要的工程意義。對(duì)于壓實(shí)花崗巖殘積土崩解特性的研究可借鑒天然花崗巖殘積土崩解特性的研究思路，深入分析各因素的影響規(guī)律，定量評(píng)價(jià)壓實(shí)花崗巖殘積土崩解特性的敏感因素，為其工程應(yīng)用提供理論和技術(shù)支撐。而目前考慮氧化物含量、含水率及密實(shí)狀態(tài)等因素對(duì)壓實(shí)花崗巖殘積土崩解特性的相關(guān)研究較少，與殘積土富集區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的蓬勃發(fā)展不盡協(xié)調(diào)。

綜上所述，本文考慮氧化鐵含量和土樣物理狀態(tài)的影響，制備不同氧化鐵含量、含水率和干密度壓實(shí)花崗巖殘積土土樣進(jìn)行崩解試驗(yàn)研究,分析各種因素對(duì)壓實(shí)花崗巖殘積土崩解過(guò)程及其相關(guān)指標(biāo)的影響規(guī)律。研究可為該類土作為路基填料的施工與設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持和理論指導(dǎo)。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 土樣來(lái)源與制備

土樣取自深圳市南山區(qū)桂廟路快速化改造二標(biāo)工程現(xiàn)場(chǎng)(22°31′34.52″N，113°54′44.79″E)，為第四系中更新統(tǒng)殘積層(Q2el)，取樣深度為12～14 m。由于風(fēng)化類土的表觀顏色是其氧化物含量差異所致，而其氧化物含量能夠在一定程度表示其風(fēng)化程度[11],所以在現(xiàn)場(chǎng)選取顏色差異較為明顯的3類土作為典型土樣，土樣顏色分別為棕紅色、褐黃色、灰白色。

采用壓樣法制備崩解土樣，土樣高為40 mm，內(nèi)徑為61.8 mm。制樣時(shí)首先對(duì)散土進(jìn)行碾碎、除雜、風(fēng)干并測(cè)定其風(fēng)干含水率；然后根據(jù)土樣控制含水率添加不同質(zhì)量的水，密封12 h；最后根據(jù)土樣的控制干密度，將相應(yīng)質(zhì)量的散土分3層倒入鋼制模具，每層搗實(shí)并刮毛，利用千斤頂一并壓實(shí)。

2.2 土樣的基本物理指標(biāo)

所取花崗巖殘積土的基本物理特性指標(biāo)如表1，顆粒級(jí)配曲線如圖1，該類土屬于高液限黏土。根據(jù)土的顆粒組成，可將其歸類為砂質(zhì)黏性土[12]。利用X射線衍射測(cè)定其氧化物成分如圖2所示。由圖2可看出，土中主要氧化物為SiO2、Al2O3及Fe2O3。3類土中，SiO2、Al2O3含量較為相近，而Fe2O3含量差異相對(duì)較大，其中棕紅色土中Fe2O3含量最大，其次為褐黃色，灰白色土中最少，可以認(rèn)為土樣顏色的差異主要是由其Fe2O3含量差異所致。

表1 花崗巖殘積土的物理特性指標(biāo)Table 1 Physical properties of granite residual soil

圖1 花崗巖殘積土的顆粒級(jí)配曲線Fig.1 Particle distribution curves of granite residual soil specimens

圖2 花崗巖殘積土的主要氧化物含量Fig.2 Main oxide content of granite residual soil

2.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)方案如表2，棕紅色、褐黃色及灰白色土樣初始含水率ω為14%～23%，干密度ρd為1.5～1.7 g/cm3。為保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，每組試驗(yàn)選擇兩組試樣進(jìn)行平行試驗(yàn)，計(jì)算崩解性能指標(biāo)時(shí)，取其平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

表2 壓實(shí)花崗巖殘積土的崩解試驗(yàn)方案Table 2 Disintegration test schemes for compacted granite residual soil

2.4 試驗(yàn)儀器與試驗(yàn)方法

崩解試驗(yàn)裝置如圖3。試驗(yàn)開(kāi)始前向圓柱形玻璃水槽注入適量的水，將土樣放在金屬方格網(wǎng)中央，水平把持浮筒頂端，勻速將土樣浸入玻璃容器內(nèi)啟動(dòng)秒表，與此同時(shí)記下浮筒的初始刻度值。試驗(yàn)同時(shí)用攝像機(jī)記錄崩解過(guò)程，每次間隔30 s測(cè)記浮筒齊水面處的刻度值，觀察測(cè)記時(shí)段土樣的崩解狀態(tài)。根據(jù)土樣崩解的快慢，適當(dāng)調(diào)整測(cè)記時(shí)間間隔。試驗(yàn)結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)為土樣完全通過(guò)金屬方格網(wǎng)崩解落下或保持體積恒定。本文采用文獻(xiàn)[13]提出的崩解量公式及文獻(xiàn)[14]中提出的平均崩解速率指標(biāo)，浸水過(guò)程中土的崩解量At可表示為式(1)，Vt為土樣在某個(gè)時(shí)間段(ti～ti+1)的平均崩解速率(mm·min-1)，如式(2)。

圖3 崩解試驗(yàn)裝置Fig.3 Disintegration test device

(1)

式中：Rt為浮筒在時(shí)間t時(shí)的刻度讀數(shù)(mm)；R1為土樣全部浸入水中的瞬時(shí)刻度讀數(shù)(mm)；R0為浮筒和金屬網(wǎng)以空載方式浸入水中時(shí)的刻度值(mm)，為提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度，采用多次空載方式測(cè)取平均值。

試驗(yàn)過(guò)程中，水浸入土體內(nèi)部所逸出的孔隙氣會(huì)影響試樣所受浮力，致使測(cè)得的崩解率較實(shí)際值偏低。為避免這些誤差影響，參考文獻(xiàn)[9]和文獻(xiàn)[13]方法，第一步通過(guò)平行試樣率定一個(gè)讀數(shù)R1，第二步在金屬網(wǎng)上放置隔水塑料板，對(duì)另一相同試樣進(jìn)行試驗(yàn)，崩解物最終會(huì)落在隔水塑料板上，崩解完成時(shí)浮筒讀數(shù)為R2。試驗(yàn)過(guò)程中試樣的化學(xué)成分溶解于水對(duì)水的密度的改變可以忽略不計(jì)。假設(shè)土中氣體在崩解過(guò)程中均勻逸出，試樣崩解共歷時(shí)Tt，在某一時(shí)刻t，浮筒讀數(shù)Rt，則氣體逸出量在浮筒讀數(shù)變化上為(R2-R1)t/Tt，根據(jù)各時(shí)刻的At可繪制出修正過(guò)后的崩解曲線。

3 崩解過(guò)程對(duì)比與分析

根據(jù)表2中試驗(yàn)方案完成了36組崩解試驗(yàn)。整體而言，當(dāng)壓實(shí)花崗巖殘積土樣浸水后便有氣泡從表面微裂隙中冒出，伴隨著表層細(xì)顆粒土體慢慢擴(kuò)散；隨之土樣產(chǎn)生粒狀、片狀崩解，水逐漸渾濁，土樣上表面出現(xiàn)環(huán)狀裂縫，且裂縫寬度逐漸增大，進(jìn)而發(fā)生沿環(huán)狀裂縫的邊緣塊狀塌落；試驗(yàn)后期，出現(xiàn)縱向裂縫，有數(shù)量密集的小氣泡，偶爾出現(xiàn)大氣泡，崩解速率相對(duì)變緩。崩解物以小顆粒-碎屑-泥狀形式逐漸剝離于土樣，直至完全崩解。

對(duì)比不同氧化鐵含量和物理狀態(tài)壓實(shí)花崗巖殘積土的崩解過(guò)程可發(fā)現(xiàn)，土樣含水率和干密度對(duì)于土的崩解形態(tài)和整體趨勢(shì)影響較小，崩解過(guò)程相近，而不同氧化鐵含量土樣的崩解過(guò)程及形態(tài)差異明顯，如圖4所示。氧化鐵含量最高的棕紅色土崩解較快，氣泡更多，崩解程度更為劇烈，現(xiàn)象也更明顯，如圖4(a)所示；其次是褐黃色土樣如圖4(b)；最后是灰白色土樣如圖4(c)。具體崩解過(guò)程描述如表3所示。

圖4 壓實(shí)花崗巖殘積土崩解過(guò)程Fig.4 Disintegration process of compacted granite residual soil

表3 不同風(fēng)化程度殘積土的崩解特征Table 3 Disintegration characteristics of residual soil with different weathering degrees

4 壓實(shí)花崗巖殘積土的崩解特性分析

4.1 崩解率

為評(píng)價(jià)氧化鐵含量及土樣物理狀態(tài)對(duì)壓實(shí)花崗巖殘積土崩解率的影響，繪制了各因素影響下花崗巖殘積土崩解率和時(shí)間的發(fā)展曲線。由于氧化鐵含量對(duì)土樣崩解率的影響規(guī)律基本相同，所以文中僅列出棕紅色土的崩解率發(fā)展曲線，如圖5所示。

圖5 相同干密度不同含水率的棕紅色土崩解率發(fā)展曲線Fig.5 Development curves of disintegration rate of brown-red soil with the same dry density and varied water content

由圖5可知，不同含水率和干密度下，壓實(shí)花崗巖殘積土均達(dá)到完全崩解，即崩解率達(dá)到100%。崩解試驗(yàn)過(guò)程中，土樣的崩解過(guò)程主要分為2個(gè)階段，分別為緩慢崩解階段Ⅰ、快速崩解階段Ⅱ，如圖6所示。

圖6 崩解階段Fig.6 Disintegration stages

階段Ⅰ主要為土樣吸水階段，土樣浸水約0～3 min，表面基本沒(méi)有裂紋出現(xiàn)，崩解曲線的斜率較小，崩解量約為5%；階段Ⅱ中土樣在非飽和狀態(tài)下充分吸水后，表面出現(xiàn)裂縫并發(fā)生貫穿聯(lián)結(jié)，崩解時(shí)間與崩解量基本呈線性關(guān)系，且崩解曲線斜率急劇增大，土體大量崩解，崩解量達(dá)到90%以上。周小文等[15]對(duì)重塑花崗巖殘積土崩解特性的研究中也得到了類似結(jié)論。而李建新[16]對(duì)南岳花崗巖殘積土進(jìn)行崩解特性研究中，總結(jié)出原狀土樣的崩解過(guò)程分為緩慢、快速及穩(wěn)定3個(gè)階段，說(shuō)明花崗巖殘積土的結(jié)構(gòu)性對(duì)其崩解過(guò)程同樣存在影響，對(duì)其崩解特性分析時(shí)不宜相互套用。

4.2 崩解速率

為評(píng)價(jià)氧化鐵含量、含水率及干密度對(duì)壓實(shí)花崗巖殘積土崩解速率的影響，繪制不同主要變量下土樣崩解速率和時(shí)間的發(fā)展曲線，如圖7—圖9所示。

圖7 不同含水率下棕紅色土崩解速率發(fā)展曲線Fig.7 Development curves of disintegration rate of brown-red soil with varied water content

圖8 不同干密度的棕紅色土崩解速率發(fā)展曲線Fig.8 Development curves of disintegration rate of brown-red soil with different dry densities

圖9 不同氧化鐵含量殘積土的崩解速率發(fā)展曲線Fig.9 Development curves of disintegration rate of residual soil with varied iron oxide content

通過(guò)整理不同氧化鐵含量及物理狀態(tài)壓實(shí)花崗巖殘積土的崩解速率發(fā)展曲線，將土的崩解速率大致可劃分為A、B、C 3種不同的發(fā)展模式，如圖10所示。

圖10 崩解速率發(fā)展模式Fig.10 Development modes of disintegration rate

模式A：崩解速率隨著崩解時(shí)間呈現(xiàn)先整體上升式發(fā)展，短期內(nèi)達(dá)到峰值，然后呈迅速減小趨勢(shì)。

模式B：在較短時(shí)間內(nèi)崩解速率便達(dá)到最大值，然后土樣在此崩解速率下持續(xù)穩(wěn)定崩解。

模式C：崩解速率存在兩個(gè)甚至多個(gè)峰值。分析圖7—圖10可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)ρd為1.5 g/cm3時(shí)，壓實(shí)花崗巖殘積土的最大崩解速率隨含水率的遞變規(guī)律性較差；整體而言，當(dāng)ρd≥1.6 g/cm3時(shí)，土的最大崩解速率隨含水率的增大而逐漸減小。相同含水率時(shí)，隨著干密度增大，壓實(shí)花崗巖殘積土的最大崩解速率逐漸減小。氧化鐵含量最高的棕紅色土最先發(fā)生快速崩解，其次是褐黃色土，最后是灰白色土；最大崩解速率也因?yàn)檠趸F含量高低表現(xiàn)為棕紅色土>褐黃色土>灰白色土。

4.3 完全崩解時(shí)間

整理不同氧化鐵含量壓實(shí)土樣完全崩解時(shí)間隨其含水率的變化關(guān)系，如圖11所示。

圖11 不同氧化鐵含量壓實(shí)土樣完全崩解時(shí)間 隨其含水率的變化關(guān)系Fig.11 Curves of time required for complete disintegration against influencing factors

由圖11可知，相同含水率下，壓實(shí)土樣的完全崩解時(shí)間隨著干密度的增大而逐漸增大，隨氧化鐵含量的增大而減小。整體而言，土樣的完全崩解時(shí)間在其密度較低時(shí)(ρd=1.50 g/cm3)受含水率影響較小，而當(dāng)其干密度>1.60 g/cm3后，在ω>20%時(shí)大幅增大。

5 分析與討論

由上述分析可知，不同氧化鐵含量和物理狀態(tài)壓實(shí)花崗巖殘積土最終都能完全崩解，即崩解率達(dá)100%。與曾鵬[17]、張抒[18]等對(duì)不同壓實(shí)度的花崗巖殘積土進(jìn)行崩解特性試驗(yàn)研究結(jié)論一致。這說(shuō)明花崗巖殘積土具有較強(qiáng)的水敏性，且土樣中粉粒含量較多，在水的作用下，粒間斥力增強(qiáng)，顆粒間聯(lián)結(jié)性能較弱，遇水容易喪失其粘附特性而形成散粒結(jié)構(gòu)，其結(jié)果導(dǎo)致土體應(yīng)力不平衡，因而產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，最終使得土體發(fā)生軟化，在結(jié)構(gòu)上失去連結(jié)作用而崩解破壞。

文中研究表明壓實(shí)土的完全崩解時(shí)間隨著含水率的增加變化規(guī)律不完全一致。如ρd>1.50 g/cm3，含水率>20%時(shí)，土體完全崩解時(shí)間大幅延長(zhǎng)。這是因?yàn)樗肿邮峭ㄟ^(guò)孔隙或裂隙慢慢滲入土體內(nèi)部，土體內(nèi)部氣體壓力增大，氣體壓力來(lái)不及釋放，進(jìn)而逸散到周圍以及通過(guò)對(duì)氣體的擠壓，使較高含水率的土以顆粒狀或片狀被擠出，與母體分離進(jìn)而崩解。對(duì)于非飽和土，土壤中存在著基質(zhì)吸力，且基質(zhì)吸力在一定程度上影響著土壤的滲透性。隨著含水率的增加，土體之間基質(zhì)吸力減小，滲透性降低，水分子很難滲入，崩解速率降低所致。壓實(shí)花崗巖殘積土的最大崩解速率隨著干密度的增大而逐漸減小，完全崩解時(shí)間增大。這是因?yàn)橥林械目障都傲严稙樗娜肭痔峁┝擞欣臈l件，土的密實(shí)度增大后，孔隙中部分氣體被擠出，有些孔隙成為封閉孔隙，孔隙率減小，滲透性減弱，水分侵入路徑受阻所致。對(duì)于初始含水率、干密度等因素來(lái)說(shuō)，由于較小的初始含水率和干密度使得非飽和的花崗巖殘積土體的基質(zhì)吸力增加，導(dǎo)致土體在吸水時(shí)產(chǎn)生較大的吸力壓力差，在這種較大的不平衡吸力的作用下，土體更容易發(fā)生崩解破壞，所以較小的初期含水率和干密度的土樣，其崩解速率也就較快，完全崩解時(shí)間越短。

此外，花崗巖殘積土在淋濾作用下產(chǎn)生了較多的游離氧化物組成的膠結(jié)物，其中游離氧化鐵含量差異較大，研究土樣隨氧化鐵含量增大崩解特性更為明顯，含有較高游離氧化鐵的棕紅色土樣崩解速率最快，其次為褐黃色土，灰白色土最低。這是因?yàn)榛◢弾r殘積土存在表面裂隙和內(nèi)部孔隙，當(dāng)水分通過(guò)這些裂隙進(jìn)入到孔隙中時(shí)，可溶性的游離氧化鐵便會(huì)溶解到水中，在失去這些膠結(jié)物的連接后，土體顆粒很快便會(huì)解體，進(jìn)而發(fā)生崩解破壞。另一方面游離氧化鐵能夠抑制黏粒之間表面靜電斥力，促使土顆粒之間產(chǎn)生一定的強(qiáng)度，這種強(qiáng)度隨著含水率的增加而減小，即含水率越大、氧化鐵含量越高，該部分粘結(jié)強(qiáng)度比重越大，更容易受水的影響，即土樣崩解過(guò)程發(fā)展越快、最大崩解速率增大，完全崩解時(shí)間縮短。

6 結(jié) 論

(1) 壓實(shí)花崗巖殘積土崩解性較強(qiáng)，80 min內(nèi)可完全崩解，崩解物以小顆粒-碎屑-泥狀形式逐漸剝離于土樣，直至完全崩解。

(2)壓實(shí)花崗巖殘積土的崩解過(guò)程可分為緩慢發(fā)展和快速發(fā)展兩個(gè)階段，土的崩解過(guò)程主要受氧化鐵含量影響，物理狀態(tài)對(duì)其影響較小。

(3)壓實(shí)花崗巖殘積土的崩解速率隨時(shí)間的變化規(guī)律主要呈先迅速增大隨后快速減小、迅速增大后保持穩(wěn)定和出現(xiàn)多個(gè)峰值3種模式。最大崩解速率隨其氧化鐵含量的增加而逐漸增大，隨土樣含水率和干密度的增大而減小。

(4)土樣的完全崩解時(shí)間受其含水率的影響程度與其干密度有關(guān)，土樣干密度較小時(shí)，其完全崩解時(shí)間變化范圍較小，而當(dāng)干密度>1.50g/cm3時(shí)完全崩解時(shí)間隨干密度的增大呈平緩增大趨勢(shì)；相同含水率時(shí)，隨干密度的增大土樣的完全崩解時(shí)間逐漸增大。

(5)壓實(shí)花崗巖殘積土的崩解特性與其氧化鐵含量及物理狀態(tài)密切相關(guān)，其風(fēng)化程度、干密度及含水率的差異將直接影響土的崩解特性，路基填料比選時(shí)應(yīng)綜合考慮，合理選取。