桂東南容縣花崗巖殘積土粒度組成與力學(xué)性質(zhì)的變異性

韋遙，文海濤，廖麗萍*，韋文智，吳善百，趙瑞華

(1.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 廣西 南寧 530004；2.工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點實驗室， 廣西 南寧 530004；3.廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點實驗室， 廣西 南寧 530004；4.廣西壯族自治區(qū)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站， 廣西 南寧 530028)

0 引言

花崗巖殘積土滑坡是廣西東南部容縣的主要地質(zhì)災(zāi)害類型之一?；碌目臻g分布呈現(xiàn)一定的分散性和聚集性，即滑坡雖然在各鄉(xiāng)鎮(zhèn)星羅棋布地分布，但卻集中分布在六王鎮(zhèn)[1]。至今，滑坡已給當(dāng)?shù)厝罕娫斐蓢?yán)重的生命財產(chǎn)損失，并制約著區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

容縣滑坡的頻發(fā)不僅受局地降雨和臺風(fēng)降雨的影響，而且還與殘積土自身復(fù)雜的工程地質(zhì)性質(zhì)密切相關(guān)。殘積土復(fù)雜的工程特性很大程度可歸結(jié)于花崗巖母巖風(fēng)化條件與程度的差異，這些差異致使殘積土具有不同的粒徑特征、粘結(jié)結(jié)構(gòu)和礦物成分[2]，殘積土物理化學(xué)性質(zhì)顯示出顯著的地域性與空間變異性[3-5]。當(dāng)前國內(nèi)外已有學(xué)者關(guān)注到這類變異性。BRANCO等[2,6]較早意識到花崗巖殘積土性質(zhì)存在自然變異性。吳能森等[7]強(qiáng)調(diào)花崗巖殘積土具有顯著的分區(qū)性、垂直分帶性。張勇等[8]發(fā)現(xiàn)花崗巖殘積土沿著垂直深度的抗剪強(qiáng)度差異較大，特別是內(nèi)摩擦角。因花崗巖殘積土性質(zhì)多變，邊坡穩(wěn)定性分析存在不確定性，使得可靠度理論得到廣泛應(yīng)用。鄭敏洲等[9]對福建花崗巖砂質(zhì)粘性土邊坡進(jìn)行可靠度分析，明確可靠度與土體參數(shù)的關(guān)系。牛草原等[10]綜合考慮參數(shù)分布類型、變異性及相關(guān)系數(shù)等因素，研究土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)統(tǒng)計特性對邊坡可靠性的影響。吳振君等[11]提出一種新的邊坡穩(wěn)定性因素敏感性分析方法-可靠度分析方法，該方法采用隨機(jī)場模型來描述邊坡滑面上巖土參數(shù)的空間變異性。蔣水華等[12-13]采用空間變異理論解釋和研究相關(guān)邊坡問題。雖然上述研究已涉及到土體性質(zhì)的空間變異性，并在邊坡穩(wěn)定性評價中考慮了變異性，但是并沒有深入探討變異性的來源，例如，物理力學(xué)性質(zhì)的變異性受粒度組成的影響[14]。再者，僅有少數(shù)學(xué)者研究桂東南容縣花崗巖殘積土的力學(xué)性能[15]、揭示其分形維數(shù)與物理性質(zhì)參數(shù)的關(guān)系[16]，但都未探究殘積土粒度組成及力學(xué)性質(zhì)是否存在變異性。認(rèn)識容縣花崗巖殘積土在粒度組成與力學(xué)性質(zhì)等方面的變異性不僅是深入理解滑坡空間分布差異的前提，而且也是后續(xù)開展滑坡形成機(jī)理研究的關(guān)鍵基礎(chǔ)[17-18]，因此，容縣花崗巖殘積土粒度組成與力學(xué)性質(zhì)的變異性仍是值得研究的主題。

基于上述考慮，本文開展容縣花崗巖殘積土的顆分試驗與直剪試驗，利用數(shù)理統(tǒng)計方法，分析殘積土粒度組成與力學(xué)性質(zhì)，并探討粒度組成與力學(xué)性質(zhì)的變異性及其成因，以期為后續(xù)深入探究滑坡空間分布差異及其變異性對滑坡形成機(jī)理的影響奠定基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)域

容縣(110°15′00″E～110°53′00″E、22°27′00″N～23°07′00″N)面積約2 257 km2，處在亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)。多年年平均降雨量為1 737.4 mm，每年4～9月為多雨期[1,16]。區(qū)域經(jīng)歷加里東、華力西、印支、燕山及喜馬拉雅山4個構(gòu)造發(fā)展階段。溫暖濕潤的氣候條件致使表層花崗巖嚴(yán)重風(fēng)化，孕育了豐富的花崗巖殘積土。本文的花崗巖殘積土取自滑坡易發(fā)區(qū)—六王鎮(zhèn)[19]的6個滑坡點：古里村、陳村、六王村、龍頭村、思良村、龍頭大園村。試驗土樣是經(jīng)鉆孔取得的原狀土，樣本量為43，干密度為1.30～1.40 g/cm3。

1.2 研究方法

① 顆分試驗

試驗儀器為震擊式標(biāo)準(zhǔn)振篩機(jī)(型號ZBSX，92A)。顆分試驗嚴(yán)格按照《公路土工試驗規(guī)程》(JTG E40—2007)的操作步驟。為保證試驗結(jié)果的可靠性，1個樣本至少開展3次平行試驗。根據(jù)《土工試驗規(guī)程》(SL 237—1999)和粒徑d，粒組分為：細(xì)礫(5.000 mm≥d>2.000 mm)、粗砂(2.000 mm≥d>0.500 mm)、中砂(0.500 mm≥d>0.250 mm)、細(xì)砂(0.250 mm≥d>0.075 mm)、細(xì)粒(d≤0.075 mm)。粗砂、中砂和細(xì)砂統(tǒng)稱為砂粒組。

② 直剪試驗

試驗儀器為ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀。試驗完全遵照《公路土工試驗規(guī)程》(JTG E40—2007)的步驟。1個樣本用于開展原狀土和飽和土的快剪試驗(剪切速率均為12 r/min)，其中，1組試驗有4個試樣，對應(yīng)的垂直壓力分別為100、200、300、400 kPa。內(nèi)摩擦角和粘聚力是通過擬合抗剪強(qiáng)度與垂直壓力的關(guān)系獲得。飽和土的制備采用真空飽和法，即先用重疊式飽和器對原狀土樣抽氣，滿足飽和度95%的要求后，再將試樣浸水24 h。直剪試驗土樣如圖1所示。

圖1 直剪試驗土樣

③ 數(shù)學(xué)方法

本文運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計學(xué)的計算方法[6]，即公式(1)，計算殘積土粒組含量、粘聚力和內(nèi)摩擦角的標(biāo)準(zhǔn)差；然后將標(biāo)準(zhǔn)差代入式公式(2)，算出相應(yīng)的變異系數(shù)，以便后續(xù)討論6個取樣點殘積土粒組含量、粘聚力和內(nèi)摩擦角的變異性。

(1)

式中，σ為標(biāo)準(zhǔn)差；n為樣本數(shù)量；Xi為樣本個體；X為樣本平均值。

(2)

2 結(jié)果

2.1 顆粒級配

花崗巖殘積土平均粒度組成見表1。根據(jù)《土工試驗規(guī)程》(SL 237—1999)的劃分標(biāo)準(zhǔn)，6個取樣點的殘積土均屬于粗粒土，又因礫粒含量小于50%，因此，皆定名為砂類土。此外，根據(jù)《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(JTG C20—2011)的分類原則，六王和龍頭的殘積土被定名為礫質(zhì)粘性土，而其他取樣點的殘積土應(yīng)為砂質(zhì)粘性土。

由表1可知，六王和龍頭殘積土的砂粒含量相近，且細(xì)礫含量和細(xì)粒含量的差距微小，因此，六王和龍頭殘積土的粒度組成具有極高的相似度；古里、陳村、龍頭大園這3個取樣點的細(xì)礫含量、細(xì)粒含量均較為接近，雖然砂粒含量的差距較細(xì)礫和細(xì)粒的稍大，但是最大差值也僅為4.33%。然而，思良?xì)埛e土的粒度組成與其他5個取樣點略微不同，主要表現(xiàn)為：在6個取樣點中，思良的砂粒含量最大，為60.08%，而其細(xì)礫和細(xì)粒含量卻均排倒數(shù)第二。通過對比6個取樣點殘積土的粒度組成發(fā)現(xiàn)：細(xì)粒含量的變化范圍最小，為25.79%(六王)～32.68%(龍頭大園)；細(xì)礫和砂粒含量的變化范圍稍大，分別為13.02%(陳村)～22.52%(六王)、51.69%(六王)～60.08%(思良)；六王的細(xì)礫含量最高，而細(xì)粒含量最低，因此，土質(zhì)最為粗糙；龍頭殘積土也較為粗糙。此外，古里、陳村、龍頭大園細(xì)礫含量較低，細(xì)粒含量較高，因此，土質(zhì)較六王、龍頭的細(xì)膩，土體結(jié)構(gòu)更為致密。結(jié)果表明：容縣花崗巖殘積土中砂粒含量最高，細(xì)粒含量次之，細(xì)礫含量最??；花崗巖殘積土主要由砂粒與細(xì)粒組成。以上粒度特征是殘積土具備砂性和粘性雙重力學(xué)性狀的原因[20]。

表1 花崗巖殘積土平均粒度組成

2.2 剪切強(qiáng)度

2.2.1 粘聚力

花崗巖殘積土粘聚力統(tǒng)計值見表2，由表2可知，在快剪試驗中，龍頭大園的粘聚力最大，平均值為35.2 kPa；古里的粘聚力最小，平均值為21.7 kPa；其余4處粘聚力的平均值都在30 kPa左右。在飽和快剪試驗中，龍頭大園的粘聚力最大，平均值為24.3 kPa；古里、陳村的粘聚力最小，均為11.1 kPa；余下三處的粘聚力均小于20 kPa，其中，六王的粘聚力僅為12.5 kPa。結(jié)果表明：當(dāng)天然狀態(tài)殘積土的含水率(同下文的含水量)介于14.80%～19.80%，殘積土具有較高的粘聚強(qiáng)度。當(dāng)殘積土吸水飽和后，粘聚力會急劇下降，下降幅度較大，為31.00%～64.80%，平均下降幅度為45.80%。

表2 花崗巖殘積土粘聚力統(tǒng)計值

2.2.2 內(nèi)摩擦角

花崗巖殘積土內(nèi)摩擦角統(tǒng)計值見表3，由表3可知，在快剪試驗中，古里的內(nèi)摩擦角最大，平均值為22.9°；龍頭的內(nèi)摩擦角最小，平均值為18.5°。在飽和快剪試驗中，古里的內(nèi)摩擦角最大，平均值為17.0°；思良的內(nèi)摩擦角最小，平均值為13.8°。顯然，天然和飽和狀態(tài)條件下殘積土的內(nèi)摩擦角相差不大。結(jié)果表明：天然狀態(tài)的殘積土具有較高的摩擦強(qiáng)度，然而，殘積土飽和后內(nèi)摩擦角會出現(xiàn)一定幅度的減小，但減小幅度相對較小，為13.50%～36.20%，平均下降幅度為24.80%。對比發(fā)現(xiàn)，6個取樣點殘積土的內(nèi)摩擦角減小幅度均小于粘聚力的減小幅度。

表3 花崗巖殘積土內(nèi)摩擦角統(tǒng)計值

綜上可見，天然狀態(tài)殘積土的粘聚力和內(nèi)摩擦角均較大，粘聚力基本接近或超過30 kPa，內(nèi)摩擦角均在20°上下，因而，天然狀態(tài)殘積土的抗剪強(qiáng)度較高，這一結(jié)果與已有文獻(xiàn)[7,21]的結(jié)論相吻合。然而，殘積土飽和后，粘聚力和內(nèi)摩擦角會急劇減小，而粘聚力的減小幅度相對于內(nèi)摩擦角的更大。以上現(xiàn)象的主要原因有：①花崗巖殘積土是經(jīng)花崗巖物理、化學(xué)風(fēng)化作用后在原地堆積而成，未經(jīng)二次搬運(yùn)及大的擾動，因此，自然狀態(tài)的土體結(jié)構(gòu)性完整，加之，含水量較小，孔隙水壓力小，故抗剪強(qiáng)度較高[21]；②雖然花崗巖殘積土粘土礦物中含量極高的高嶺石和伊利石的親水性不如蒙脫石強(qiáng)[3,7]，但是水的浸潤作用能打破土體內(nèi)部的力學(xué)平衡，從而產(chǎn)生應(yīng)力集中導(dǎo)致結(jié)構(gòu)迅速破壞[22-23]，因而殘積土遇水易崩解[7, 16, 24]；③殘積土粗細(xì)顆?；祀s的粒度組成特點致使殘積土具有特殊的孔隙結(jié)構(gòu)，孔隙之間含有豐富的游離氧化物，因此，殘積土具有較強(qiáng)的持水能力[3]，這對其崩解性有促進(jìn)作用。

3 討論

由2.1節(jié)可知，砂粒與細(xì)粒是容縣花崗巖殘積土的兩大粒度組成。實際上，6個取樣點細(xì)礫含量仍為13.02%(陳村)～22.52%(六王)，且六王的細(xì)礫含量與細(xì)粒含量已十分接近，可見，細(xì)礫在一定程度上可能仍會影響殘積土的粒度組成，其主要成分是石英與少量巖屑。

現(xiàn)有研究[4, 20]表明：花崗巖殘積土的粒度分布多呈“兩頭大，中間小，粗細(xì)均衡“的分布特征。雖然容縣花崗巖殘積土的粒度組成也具備上述特征，但是卻略有不同，表現(xiàn)在：粒徑>0.500 mm的粗顆粒含量較高，而粒徑≤0.075 mm的細(xì)粒與粒徑0.075～0.500 mm的中間顆粒含量卻較低，兩者含量較為接近；此外，細(xì)粒與粒徑0.075～0.500 mm的顆粒含量之和大于粒徑>0.500 mm的顆粒含量。可見，容縣殘積土仍具備粗細(xì)顆粒均勻混雜的粒度組成特征，但相對于其他地區(qū)，如福建花崗巖殘積土“細(xì)砂和中砂含量低，細(xì)粒含量高”[20]、深圳市龍華新區(qū)花崗巖殘積土“粗粒含量較高”[25]等特點，砂粒卻是容縣殘積土主要的粒度組成。

《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021—94)中參數(shù)變異性劃分標(biāo)準(zhǔn)見表4?；◢弾r殘積土的粒組含量變化如圖2所示。由圖2可知，細(xì)礫、砂粒和細(xì)粒含量的變異系數(shù)分別為0.145～0.564、0.043～0.168、0.080～0.280。其中，陳村細(xì)礫含量的變異系數(shù)為0.564，這說明陳村細(xì)礫含量的變異性較強(qiáng)。除陳村細(xì)礫含量外，其他5個取樣點中三個粒組含量的變異系數(shù)并不大，變異性均低于中等變異水平。研究區(qū)的花崗巖具有中粗、中粒、中細(xì)粒、細(xì)粒等不同結(jié)構(gòu)[16]，這是花崗巖殘積土粒度組成存在變異性的本質(zhì)原因。然而，細(xì)礫含量、砂粒含量和細(xì)粒含量的變異性整體不高，這可能是因為粒組含量受母巖與風(fēng)化氣候環(huán)境等自然因素影響，具有較強(qiáng)的空間自相關(guān)性?；◢弾r主要由長石與石英構(gòu)成，長石含量約占礦物總量的2/3，石英含量約占20.00%～30.00%[7]。石英物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不易風(fēng)化，仍能以顆粒形態(tài)存在于殘積土中；而長石物理化學(xué)性質(zhì)的穩(wěn)定性差，在溫暖潮濕的氣候條件下，易化學(xué)風(fēng)化為粘土礦物[21]。因此，砂粒和細(xì)粒是容縣花崗巖殘積土的主要粒度組成，這在一定程度上折射出該地區(qū)花崗巖物理化學(xué)風(fēng)化的連續(xù)性和不徹底性[7,21]。

表4 參數(shù)變異性劃分標(biāo)準(zhǔn)

粘聚力取決于土粒間的各種物理化學(xué)作用力，受土顆粒間的膠結(jié)作用和靜電引力效應(yīng)等因素影響[26]。特別是對于非結(jié)構(gòu)性和弱結(jié)構(gòu)性土，粘粒含量越高，粘聚力越大[4]。試驗結(jié)果表明：細(xì)粒含量大小順序為：龍頭大園>古里>陳村>龍頭>思良>六王，而粘聚力的大小順序為：龍頭大園>陳村>思良>龍頭>六王>古里。雖然古里的細(xì)粒含量位居第二，但粘聚力卻反而最小。再者，雖然思良的細(xì)粒含量倒數(shù)第二，但是粘聚力卻排第三。可見，細(xì)粒含量不是粘聚力的主要決定因素，粘聚力并不完全隨細(xì)粒含量的增大而一味增大，這可能與花崗巖殘積土具有較為顯著的結(jié)構(gòu)性[4,27]有關(guān)，而這類結(jié)構(gòu)性與殘積土中含有由游離氧化鐵、可溶性鹽等膠結(jié)物質(zhì)組成的膠結(jié)集聚體有關(guān)[3]。對于6個取樣點的天然狀態(tài)殘積土，粘聚力的離散性較大，而內(nèi)摩擦角的離散性卻較小，數(shù)值在20°上下浮動。這一結(jié)果可能是6個取樣點的殘積土的粒度組成存在相似特征所引起，即各取樣點的粗粒組含量均較高，且細(xì)礫和砂粒含量之和相差不大。殘積土飽和后，其粘聚力與內(nèi)摩擦角均減小，而粘聚力的減小幅度相對較大，這一現(xiàn)象與他人的研究結(jié)論一致[28]。

花崗巖殘積土的粘聚力變化和花崗巖殘積土的內(nèi)摩擦角變化分別如圖3和圖4所示，由圖3和圖4可知，快剪試驗粘聚力和內(nèi)摩擦角的變異系數(shù)分別為0.086～0.339、0.096～0.278,飽和快剪試驗粘聚力和內(nèi)摩擦角的變異系數(shù)依次是0.08～0.337、0.06～0.315?？梢?，粘聚力的變異水平高于內(nèi)摩擦角的變異水平，但土體飽和后內(nèi)摩擦角的變異系數(shù)范圍有所擴(kuò)大，而粘聚力的變異系數(shù)范圍幾乎不變。通過比較內(nèi)摩擦角、粘聚力與粒組含量的變異系數(shù)發(fā)現(xiàn)，粘聚力與內(nèi)摩擦角的變異性整體大于粒組含量的變異性，這一規(guī)律同樣存在于其他土體中[29]。相比于其他5個取樣點，天然和飽和狀態(tài)下龍頭殘積土的粘聚力和內(nèi)摩擦角的變異水平較高，但兩種狀態(tài)下抗剪強(qiáng)度的起伏相對較小，這可能與龍頭殘積土的成土微地形和礦物成分有著直接關(guān)系，還可能與試驗對土的擾動程度有關(guān)[4,20]。

(a) 粘聚力及其變異系數(shù)

(a) 內(nèi)摩擦角及其變異系數(shù)

雖然粘聚力和內(nèi)摩擦角整體的變異水平較高，但是仍然存在極低變異性。這一現(xiàn)象體現(xiàn)出殘積土的不均勻性，根本原因是殘積土含有不同的礦物成分以及游離氧化物[24]。天然和飽和的殘積土，粘聚力的變異水平整體都高于內(nèi)摩擦角的變異水平。雖然顆粒組成、礦物成分和化學(xué)成分是影響粘聚力的內(nèi)因，但是粘聚力主要取決于土粒間的各種物理化學(xué)作用力[26]，因此，粘聚力的影響機(jī)制十分復(fù)雜，這也是快剪試驗結(jié)果離散性較大的原因。含水量的增大致使殘積土軟化崩解，導(dǎo)致了殘積土結(jié)構(gòu)性損傷，最終內(nèi)摩擦角和粘聚力出現(xiàn)不同幅度的減小。然而，內(nèi)摩擦角的減小幅度較粘聚力的小，可見，含水量對粘聚力的影響較大，但對內(nèi)摩擦角的影響并不顯著[28]。

4 結(jié)論

本研究通過開展顆分試驗和直剪試驗，分析桂東南容縣花崗巖殘積土的粒度組成、力學(xué)性質(zhì)及其變異性。研究結(jié)論如下：

① 容縣花崗巖殘積土中粒徑>0.500 mm的顆粒含量較高，而粒徑≤0.075 mm的細(xì)粒與粒徑0.075～0.500 mm的中間顆粒含量較低，兩者含量較為接近，細(xì)粒與粒徑0.075～0.500 mm的顆粒含量之和大于粒徑>0.500 mm的顆粒含量。容縣殘積土仍具備粗細(xì)顆粒均勻混雜的粒度組成特征，但相對于其他地區(qū)的殘積土，砂粒卻是容縣殘積土主要的粒度組成。

② 天然狀態(tài)下粘聚力的離散性較大，而內(nèi)摩擦角的離散性較小。土體飽和后粘聚力與內(nèi)摩擦角均減小，但是粘聚力的下降幅度相對較大，含水量對粘聚力的影響更為顯著。

③ 粒組含量的整體變異水平較低，粘聚力和內(nèi)摩擦角的變異水平均高于粒組含量的變異水平，同時粘聚力的變異水平高過內(nèi)摩擦角。

④ 花崗巖具有中粗粒、中粒、中細(xì)粒、細(xì)粒等結(jié)構(gòu)特點是容縣殘積土粒度組成存在變異性的本質(zhì)原因。內(nèi)摩擦角和粘聚力的變異性受土體結(jié)構(gòu)、顆粒組成、礦物成分和含水量等多種因素影響。