騰沖地區(qū)玄武巖殘積粘土物理力學(xué)性能研究

楊榮美,陳安,槐以高,眭素剛

(1.昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院,昆明 650093;2.中國(guó)有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計(jì)研究院,昆明 650051)

玄武巖殘積土具有穩(wěn)定性差、孔隙比高、高液限、低強(qiáng)度等特性,早在1992年,唐大雄等[1]發(fā)現(xiàn)雷瓊地區(qū)玄武巖殘積紅土土質(zhì)不均勻,且有高壓縮性和弱抗水性;張麗、林英華[2]建議在玄武巖殘積土場(chǎng)地進(jìn)行勘察或施工時(shí),要著重關(guān)注標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn);李洪建等[3]根據(jù)國(guó)內(nèi)外有關(guān)巖體風(fēng)化劃分的參數(shù)值,研究獲取了風(fēng)化程度不同的巖體裂隙間距值的指標(biāo)界線;王國(guó)華等[4]發(fā)現(xiàn)雷州半島玄武巖殘積土含水率、液限和孔隙比較高,SiO2含量和密度較低,在水中容易崩解,還給出相應(yīng)參數(shù)的特征值建議;龍煥林[5]研究并且評(píng)價(jià)了瓊北地區(qū)玄武巖殘積土的物理及力學(xué)性質(zhì);王參松[6-7]、張瑞敏[8]等對(duì)貴州二疊系峨眉山玄武巖殘積土開(kāi)展了研究,并且得知土體含水率變大的同時(shí)抗剪強(qiáng)度就會(huì)變小;張先偉等[9-10]從化學(xué)和物理等角度進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)雷州半島玄武巖殘積土的主要粘土礦物為高嶺石、伊利石和三水鋁石,化學(xué)成分以Fe2O3和Al2O3為主;陳潔等[11-12]以重塑紅棕色玄武巖殘積土為例,對(duì)干密度和含水率均不同的玄武巖殘積土在不同加載方式下進(jìn)行多級(jí)環(huán)剪試驗(yàn)來(lái)研究其殘余強(qiáng)度;張浪[13]等通過(guò)抗剪試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)重塑紅棕色玄武巖殘積土含水率固定時(shí),土的抗剪強(qiáng)度隨干密度的增大而增大,干密度一定時(shí),土的抗剪強(qiáng)度隨含水率的增大而減小;馮春燕等[14]對(duì)美蘭機(jī)場(chǎng)玄武巖殘積土進(jìn)行承載力、變形特性及物理力學(xué)特性的研究,結(jié)果表明玄武巖殘積土土層具有上細(xì)下粗的分布特點(diǎn),未受擾動(dòng)的玄武巖殘積土密實(shí)度較好,地基承載力較高;師壯[15]通過(guò)研究騰沖市曲石生態(tài)小鎮(zhèn)玄武巖殘積土發(fā)現(xiàn)玄武巖殘積土在壓應(yīng)力作用下會(huì)引起孔隙壓縮而引起土體變形從而導(dǎo)致地基沉降。

目前針對(duì)騰沖地區(qū)玄武巖殘積土的研究較少,本文通過(guò)室內(nèi)土工試驗(yàn),從氧化物成分與含量、礦物成分、密度、比重、孔隙比、剪切強(qiáng)度等方面對(duì)騰沖玄武巖殘積粘土進(jìn)行分析,并對(duì)其工程特性進(jìn)行判斷,為玄武巖殘積土地區(qū)工程建設(shè)及災(zāi)害治理提供基礎(chǔ)性資料。

1 玄武巖殘積粘土分布特征及化學(xué)成分

騰沖隸屬云南省,坐落于滇西邊陲,發(fā)育很多深大斷裂,地殼極不穩(wěn)定,境內(nèi)分布有大量的第四系火山,火山地震活動(dòng)頻繁,而作為基性噴出巖的玄武巖,大量分布在騰沖境內(nèi)。

騰沖地區(qū)玄武巖風(fēng)化后形成的殘積土在外觀上與碳酸鹽紅黏土相似,但色澤稍暗,呈灰黃色、褐黃色、褐紅色,一般呈可塑-硬塑狀態(tài),玄武巖原地風(fēng)化以后經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的堆積和殘留形成較為松散的玄武巖風(fēng)化層,風(fēng)化層向上逐漸過(guò)渡為土壤層,向下逐漸過(guò)渡為風(fēng)化基巖層,隨著深度增加,粉土及粗礫增多而成為粉質(zhì)粘土、碎石土。粘土層與玄武巖接觸帶一般含較多的母巖風(fēng)化碎石土,粘土層在空間展布上表現(xiàn)出層厚差異較大,在顆粒組成上也表現(xiàn)出較大的差異。

騰沖地區(qū)玄武巖殘積粘土層結(jié)構(gòu)特征如下:黃褐、褐色及褐灰色,可塑狀態(tài),局部硬塑狀態(tài),稍濕,有光澤,無(wú)搖振反應(yīng),干強(qiáng)度及韌性中等,局部含玄武巖風(fēng)化碎塊,厚度一般為0.60～10.30 m。

玄武巖殘積粘土的主要礦物為高嶺石,其化學(xué)成分主要為SiO2、Al2O3和Fe2O3(表1)。

表1 玄武巖殘積粘土與碳酸巖類紅粘土化學(xué)成分對(duì)比表

從表1中可以看出,騰沖玄武巖殘積粘土與雷州半島玄武巖殘積土化學(xué)成分相似。兩地玄武巖殘積土與碳酸鹽類紅粘土相比較,兩類土中SiO2、Al2O3和Fe2O3這3種化學(xué)成分含量較高,共占總含量的80%左右。不同的是,玄武巖殘積土中SiO2、CaO及K2O的含量均低于紅粘土,但Al2O3和Fe2O3的含量相比于紅粘土要高一些。

2 騰沖玄武巖殘積粘土物理性質(zhì)

對(duì)騰沖地區(qū)玄武巖風(fēng)化土進(jìn)行室內(nèi)土工物理試驗(yàn),包括含水率試驗(yàn)、密度試驗(yàn)、液塑限試驗(yàn)、顆粒分析試驗(yàn)、比重試驗(yàn)、固結(jié)試驗(yàn)及原位試驗(yàn)等。比重試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 玄武巖殘積粘土物理性質(zhì)指標(biāo)(比重)

玄武巖殘積粘土天然含水率變化大,因?yàn)橥馏w表面風(fēng)化后會(huì)產(chǎn)生裂隙,裂隙壁周圍快速失水,裂隙發(fā)育的殘積土表層的含水率一般比較深土層處的含水率低,天然含水率也會(huì)產(chǎn)生一定區(qū)間范圍的波動(dòng)。騰沖地區(qū)玄武巖殘積土的天然含水率、孔隙比變化范圍如表3所示。

表3 玄武巖殘積粘土物理性質(zhì)指標(biāo)

從表3可以看出玄武巖殘積粘土的含水率、孔隙比等指標(biāo)波動(dòng)范圍較大,且天然含水率較高,孔隙比較大。玄武巖殘積粘土水理性試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 玄武巖殘積粘土物理性質(zhì)指標(biāo)(水理性)

根據(jù)表4可以看出,粘土的液塑限含水率高,塑性指數(shù)大于17,天然狀態(tài)為可塑狀態(tài)。土體含水率和孔隙比均較高,屬高液限粘土。

土的顆粒級(jí)配是指土中所含各粒組的相對(duì)含量,以土?？傊氐陌俜?jǐn)?shù)表示。土的顆粒級(jí)配曲線:縱坐標(biāo)表示小于某土粒的累計(jì)質(zhì)量百分比,橫坐標(biāo)則是用對(duì)數(shù)值表示的土的粒徑。一般用土的不均勻系數(shù)Cu(按公式1計(jì)算)、曲率系數(shù)Cc(按公式2計(jì)算)來(lái)表示土的顆粒級(jí)配情況。規(guī)范規(guī)定:Cu≥5且Cc=1～3的土為級(jí)配良好,不同時(shí)滿足則為級(jí)配不良。

(1)

(2)

式中,d10為級(jí)配曲線上縱坐標(biāo)為10%所對(duì)應(yīng)的粒徑,也稱為有效粒徑;d30為級(jí)配曲線上縱坐標(biāo)為30%所對(duì)應(yīng)的粒徑,也稱為中值粒徑;d60為級(jí)配曲線上縱坐標(biāo)為60%所對(duì)應(yīng)的粒徑,也稱為限定粒徑。

玄武巖殘積粘土的不同粒組質(zhì)量百分比如表5所示,級(jí)配曲線如圖1所示。

表5 玄武巖殘積粘土物理性指標(biāo)(粒度分析)

圖1 玄武巖殘積粘土級(jí)配曲線圖

通過(guò)表5及圖1可知,玄武巖殘積粘土的粒徑以0.075～0.01 mm的顆粒占總含量的60%,不均勻系數(shù)Cu為30,曲率系數(shù)Cc為1.875,顆分曲線較為平緩,級(jí)配良好。騰沖玄武巖殘積粘土的物理試驗(yàn)參數(shù)如表6所示。

表6 騰沖地區(qū)玄武巖殘積層風(fēng)化土物理試驗(yàn)參數(shù)匯總表

騰沖地區(qū)玄武巖殘積粘土相較于貴州和雷州半島玄武巖殘積土,物理指標(biāo)相似,差別不大,總體上表現(xiàn)為天然含水率、孔隙比、飽和度較高,而密度、滲透性較低。

3 騰沖玄武巖殘積粘土的力學(xué)性質(zhì)

本次研究粘土完成了767組固結(jié)試驗(yàn),以50～400 kPa分級(jí)測(cè)定其孔隙比、壓縮系數(shù)及壓縮模量值。圖2為玄武巖殘積粘土e-p曲線,玄武巖殘積粘土的變形參數(shù)如表7所示。

由圖2可知隨著壓力增大,土樣孔隙比減小,劇烈變化段集中在200 kPa前;由表7可以看出,粘土孔隙比較大,壓縮系數(shù)大于0.5 MPa-1,屬高壓縮性土。

圖2 玄武巖風(fēng)化殘積粘土e-p曲線圖

本文以騰沖各工程項(xiàng)目的室內(nèi)剪切試驗(yàn)為依托,分析統(tǒng)計(jì)了在不同試驗(yàn)條件下的玄武巖殘積粘土抗剪強(qiáng)度。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)得到玄武巖風(fēng)化土在各荷載作用下的孔隙比見(jiàn)表8。

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表8可知,粘土的黏聚力較高,與粘土的粘粒含量較高有關(guān),內(nèi)摩擦角較低,與粘土的粗粒土含量稍低有關(guān)。相較于直剪快剪,固結(jié)快剪的黏聚力提高了12.52 kPa,內(nèi)摩擦角增大了10.21°,這是由于固結(jié)快剪提供了一定時(shí)間排水,充分排水后,孔隙水壓力完全消散,改善了土體情況,提高了土體強(qiáng)度。

表7 玄武巖殘積粘土變形試驗(yàn)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

表8 玄武巖殘積粘土強(qiáng)度試驗(yàn)指標(biāo)

騰沖地區(qū)共進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)1 259次,其中標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)794次,重型圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)465次,室內(nèi)試驗(yàn)及原位測(cè)試成果見(jiàn)表9、表10。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),估算騰沖地區(qū)玄武巖風(fēng)化土的強(qiáng)度和密實(shí)度,評(píng)定騰沖地區(qū)地基的均勻性。騰沖地區(qū)玄武巖殘積粘土力學(xué)參數(shù)如表11所示。

表10 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)表

表11 騰沖地區(qū)玄武巖殘積粘土力學(xué)試驗(yàn)參數(shù)匯總表

由表11可知,騰沖地區(qū)玄武巖殘坡積粘土在天然狀態(tài)下自由膨脹率為15%,基本無(wú)膨脹性。相較之下,雷州半島玄武巖殘積土自由膨脹率較高,當(dāng)含水率增至液限時(shí),存在較強(qiáng)的收縮性。騰沖玄武巖殘積粘土的壓縮性比于雷州半島及貴州玄武巖殘坡積土高,壓縮模量稍小,屬于高壓縮性土;其黏聚力高于雷州半島及貴州玄武巖殘坡積土,但抗剪強(qiáng)度明顯小于后兩者。

顆粒間的膠結(jié)力會(huì)影響土體的粘聚力,而內(nèi)摩擦角則主要與顆粒的排列方式有關(guān),騰沖地區(qū)玄武巖殘積粘土的化學(xué)成分以Fe2O3、Al2O3和SiO2為主,鐵鋁氧化物增強(qiáng)了土顆粒間的膠結(jié)能力,因此黏聚力較大。騰沖地區(qū)玄武巖殘積粘土孔隙比較大,天然含水率較高,使得土體結(jié)構(gòu)更加疏松,土顆粒間的阻力減弱,因此內(nèi)摩擦角較小。

4 騰沖玄武巖殘積粘土的工程特性

騰沖地區(qū)玄武巖殘積粘土化學(xué)成分以SiO2、Al2O3、Fe2O3為主,親水性較弱,宏觀結(jié)構(gòu)為似團(tuán)塊狀結(jié)構(gòu),微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)以凝塊結(jié)構(gòu)和團(tuán)粒結(jié)構(gòu)為主,溶孔發(fā)育。殘積粘土的天然含水量、液限、塑限及塑性指數(shù)較高,液性指數(shù)較低,呈可塑-硬塑狀態(tài),天然密度較小,孔隙比較大,在0.48～2.56之間?？伤軤顟B(tài)的玄武巖殘積粘土重型圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)錘擊數(shù)平均值為7.57擊,標(biāo)貫實(shí)測(cè)錘擊數(shù)為2～19擊。玄武巖殘積粘土的塑性指數(shù)Ip變化范圍較大,按Ip分類屬粘土;液限范圍為23%～100%,平均61.68%,屬高液限粘土,不適宜做天然地基,若作為填土基礎(chǔ)必須進(jìn)行改良;滲透系數(shù)平均值為1.47×10-5cm/s,在天然狀態(tài)下具有弱透水性,這是由于其粘粒含量較高且主要成分為蒙脫石。

騰沖玄武巖殘積粘土自由膨脹率為15%,小于40%界限,該殘積粘土無(wú)膨脹性。分析其化學(xué)成分,游離氧化物含量較多,膠結(jié)作用較強(qiáng),粘土礦物的親水性較差,在水理性質(zhì)上亦表現(xiàn)為無(wú)膨脹性。騰沖地區(qū)玄武巖殘積粘土的含水率較高,且騰沖地區(qū)經(jīng)常有雨,空氣潮濕,降低了玄武巖殘積土的強(qiáng)度。玄武巖風(fēng)化土強(qiáng)度受土體的含水率的制約,含水率較大則土體抗剪強(qiáng)度較小,玄武巖風(fēng)化土對(duì)水的作用極為敏感,遇水后強(qiáng)度下降很快,這個(gè)特性對(duì)工程穩(wěn)定性來(lái)說(shuō)非常不利。降雨作用后,邊坡土體抗剪強(qiáng)度會(huì)明顯降低,嚴(yán)重影響其穩(wěn)定性。騰沖玄武巖殘積粘土屬于高壓縮性土,其物理力學(xué)性質(zhì)空間變化較大,土質(zhì)不均勻,個(gè)別場(chǎng)地物理、力學(xué)指標(biāo)變異系數(shù)較高?？傮w上殘積粘土強(qiáng)度相對(duì)較低。

5 結(jié)論

(1) 騰沖地區(qū)玄武巖殘積粘土層厚差異較大,在地層分布上表現(xiàn)出殘積粘土層與玄武巖層交錯(cuò)分布的現(xiàn)象;化學(xué)成分以SiO2、Al2O3和Fe2O3為主,總占比可達(dá)80%左右。

(2) 騰沖地區(qū)玄武巖殘積粘土天然密度較小,孔隙比在0.48～2.56之間,塑性指數(shù)在4～48之間,液限范圍為23～100,平均61.68,天然狀態(tài)為可塑狀態(tài),其重型圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)擊數(shù)平均值為7.57擊,標(biāo)貫實(shí)測(cè)錘擊數(shù)為2～19擊,滲透系數(shù)為1.47×10-5cm/s,在天然狀態(tài)下具有弱透水性;粘土顆粒級(jí)配良好,土質(zhì)不均勻。

(3) 騰沖地區(qū)玄武巖風(fēng)化形成的粘土含水率介于14%～95%之間,平均值為49.44%,孔隙比介于0.48～2.56之間,平均為1.44,飽和度介于46～100之間,平均值為92.52,濕密度介于1.36～2.13,平均值為1.68;與一般的玄武巖殘積土相似,均表現(xiàn)為高含水率、高孔隙比、高飽和度和低密度等特性。

(4) 騰沖地區(qū)玄武巖風(fēng)化殘積粘土壓縮系數(shù)a1-2為0.67 MPa-1,屬高壓縮性土,土體穩(wěn)定性差,含水率變化對(duì)土體的整體抗剪影響較大,土體含水率越大,強(qiáng)度越低。