顆粒組成和基質(zhì)吸力對(duì)殘積土抗剪強(qiáng)度的影響

徐明剛 姚宗健

摘要：花崗巖殘積土遇水后基質(zhì)吸力喪失，強(qiáng)度顯著劣化，會(huì)引起崩崗、塌陷等地質(zhì)災(zāi)害和工程問題。受風(fēng)化程度影響，殘積土的顆粒組成在垂直方向上存在差異。為研究顆粒組成和基質(zhì)吸力對(duì)非飽和花崗巖殘積土力學(xué)性質(zhì)的影響，對(duì)5種不同顆粒組成的殘積土進(jìn)行土水特征曲線測(cè)試和不同飽和度下的直剪試驗(yàn)。采用粒組質(zhì)量分形維數(shù)D表征殘積土顆粒組成，D隨土壤細(xì)粒含量的增加而增大。試驗(yàn)結(jié)果表明：殘積土土水特征曲線受顆粒組成影響；VG模型參數(shù)與分形維數(shù)D存在良好的線性關(guān)系；顆粒組成和基質(zhì)吸力影響土顆粒的接觸方式，進(jìn)而影響殘積土的抗剪強(qiáng)度；殘積土的表觀內(nèi)摩擦角φ和表觀內(nèi)聚力c隨基質(zhì)吸力ψ的增大先增大，當(dāng)基質(zhì)吸力ψ達(dá)到約200 kPa后φ逐漸穩(wěn)定而c有所減小；殘積土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)可以使用含有分形維數(shù)D和基質(zhì)吸力ψ的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行預(yù)測(cè)。研究成果可以為花崗巖殘積土分布地區(qū)工程設(shè)計(jì)中的力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)選取提供參考。

關(guān) 鍵 詞：花崗巖殘積土；顆粒組成；分形維數(shù)；基質(zhì)吸力；非飽和力學(xué)性質(zhì)

中圖法分類號(hào)：TU411.7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.05.024

0 引 言

花崗巖殘積土廣泛分布于中國南方地區(qū)和東南沿海，是這些地區(qū)工程建設(shè)中常見的土體類型。這種土具有顯著的各向異性和遇水易崩解等工程地質(zhì)特性，是一種典型的特殊土^［1-2］。深圳地區(qū)花崗巖風(fēng)化殼可達(dá)50 m以上，該地區(qū)殘積土主要是由燕山期中粗粒黑云母花崗巖經(jīng)過長期物理、化學(xué)風(fēng)化和紅土化作用后堆積在原地形成^［3］。

在花崗巖殘積土分布的地區(qū)常發(fā)生地面沉陷、滑坡、崩崗等地質(zhì)災(zāi)害^［4-6］。自然條件下土體通常處于非飽和狀態(tài)，非飽和土中的基質(zhì)吸力可以提高土體的抗剪強(qiáng)度，增強(qiáng)土體的穩(wěn)定性^［7］?；庸こ毯瓦吰鹿こ讨?，如果能考慮基質(zhì)吸力對(duì)土體強(qiáng)度的影響進(jìn)而采取相應(yīng)措施指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工，能夠降低施工成本，提高工程的經(jīng)濟(jì)性^［8-9］。然而當(dāng)出現(xiàn)降雨或地下水位較高的情況時(shí)，土體遇水飽和后基質(zhì)吸力喪失，抗剪強(qiáng)度急劇降低，因此研究不同飽和狀態(tài)殘積土的基質(zhì)吸力十分必要^［10-11］。

土-水特征曲線（Soil Water Characteristic Curve，SWCC）能夠反映非飽和土的含水率（重量含水率或體積含水率）或飽和度與基質(zhì)吸力的關(guān)系，可以預(yù)測(cè)非飽和土的滲透性、抗剪強(qiáng)度指標(biāo)等，是非飽和土研究中的重點(diǎn)^［12-13］。目前土-水特征曲線的測(cè)量方法有很多，如壓力板法、濾紙法、張力計(jì)法、熱導(dǎo)法、飽和鹽溶液法等。相較于其他方法，濾紙法具有便捷、經(jīng)濟(jì)而且量程范圍大，測(cè)量精度高等特點(diǎn)^［14-16］。中國杭州生產(chǎn)的“雙圈牌No.203（慢速）”濾紙性質(zhì)穩(wěn)定，國內(nèi)學(xué)者對(duì)該型號(hào)濾紙做了一系列研究得到了其率定曲線并應(yīng)用到了工程實(shí)踐當(dāng)中^［17-19］。顆粒組成是土-水特征曲線重要影響因素之一^［20］。一些學(xué)者提出土-水特征曲線與土中的粗、細(xì)粒組的特征值之比、有效粒徑d₁₀、黏粒含量等有關(guān)^［21-23］；有學(xué)者建立了細(xì)粒含量、基質(zhì)吸力、含水率之間的數(shù)學(xué)方程，描述不同細(xì)粒含量砂土的持水能力^［24］。

花崗巖殘積土的顆粒組分差異較大，呈現(xiàn)出“中間粒組少，兩頭粒組多”的獨(dú)特級(jí)配，屬于一種“混粒土”，兼具粗粒土和黏土的一般特性^［25］。由于母巖的組分和風(fēng)化程度不同，不同地區(qū)的花崗巖殘積土級(jí)配相差較大，但整體上礫砂含量多而黏粒含量少^［1］。即使在同一地區(qū)，花崗巖殘積土在垂直剖面上也呈現(xiàn)出粗粒組尤其是礫粒含量隨深度增加而增多的現(xiàn)象^［26］。以往研究發(fā)現(xiàn)，花崗巖殘積土中粗粒組對(duì)其力學(xué)性質(zhì)影響較大^［27］，選用合適的級(jí)配模式控制下的特征粒徑比可以較好地反映其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)^［25］。安然等發(fā)現(xiàn)廈門地區(qū)花崗巖殘積土礫粒含量隨深度增加而增多，原位剪切試驗(yàn)結(jié)果表明殘積土的抗剪強(qiáng)度隨礫粒含量增加而增大，內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角與礫粒含量呈線性相關(guān)^［28］?；谝陨涎芯靠芍L(fēng)化程度不同所導(dǎo)致的顆粒組成的差異對(duì)花崗巖殘積土的物理力學(xué)性質(zhì)有重要影響。目前有關(guān)砂土和黏土顆粒組分對(duì)其非飽和性質(zhì)影響的研究已經(jīng)取得了很多成果，而有關(guān)顆粒組分對(duì)花崗巖殘積土這種特殊“混粒土”非飽和性質(zhì)的影響研究并不充分^［29-30］。

本文以深圳市花崗巖殘積土為研究對(duì)象，研究了在非飽和狀態(tài)下殘積土顆粒組成對(duì)其非飽和力學(xué)性質(zhì)的影響。采用濾紙法對(duì)5種不同顆粒組成的殘積土進(jìn)行SWCC測(cè)試，利用Van Genuchten模型對(duì)SWCC數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，并分析了顆粒組成對(duì)SWCC的影響。采用直剪（快剪）試驗(yàn)獲得了不同基質(zhì)吸力下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，分析了顆粒組分和基質(zhì)吸力對(duì)非飽和花崗巖殘積土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響。

1 試驗(yàn)土樣與方案

1.1 試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)土樣取自廣東省深圳市某基坑工程現(xiàn)場。根據(jù)鉆探取樣確定了該場地的土層分布，花崗巖殘積土主要分布于地下深度0～27 m。鉆探取樣現(xiàn)場如圖1所示，試樣呈紅褐色，保留有一定的母巖結(jié)構(gòu)。本文主要針對(duì)5，10，15，20，25 m（編號(hào)為G1、G2、G3、G4、G5）5個(gè)深度的試樣進(jìn)行取樣研究。取樣后，立即封裝并運(yùn)往實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行基本物理性質(zhì)測(cè)試。

根據(jù)GB/T 50123-2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》^［31］對(duì)原狀土樣進(jìn)行基本物理性質(zhì)測(cè)試，所得結(jié)果如表1所列。采用篩析法與激光粒度儀聯(lián)合測(cè)定試樣的顆粒組成，級(jí)配曲線如圖2所示。測(cè)試結(jié)果顯示，隨著取樣深度增加，殘積土的粗顆粒含量逐漸增多。根據(jù)《工程地質(zhì)手冊(cè)》（第五版）^［32］中對(duì)風(fēng)化巖和殘積土的有關(guān)規(guī)定，花崗巖殘積土的定名按土中礫粒含量劃分，大于或等于20%者定名為礫質(zhì)黏性土，小于20%者定名為砂質(zhì)黏性土，不含者定名為黏性土。因此，5種不同深度的花崗巖殘積土均為礫質(zhì)黏性土。

1.2 試樣制備

本文采用殘積土的重塑樣進(jìn)行力學(xué)性質(zhì)測(cè)試，如圖1所示。首先，將試樣在室溫條件下風(fēng)干5～7 d。然后，把風(fēng)干樣碾碎并過篩。按照?qǐng)D2所示的級(jí)配曲線將篩分后的粒組混合均勻。采用分形維數(shù)描述殘積土試樣的顆粒組成，不同深度殘積土的分形維數(shù)如圖3所示。隨著粗顆粒含量增多，分形維數(shù)逐漸減小。本次研究使用Tyler和Wheatcraft提出的分形維數(shù)計(jì)算方法，計(jì)算原理與過程參見文獻(xiàn)［33］，計(jì)算公式為 （d—_id—_max）^3-D=W（δi）W₀（1）

式中：W₀是粒組總質(zhì)量，g；W（δi）是小于第i級(jí)粒徑的累計(jì)質(zhì)量，g；d—_i是第i級(jí)和第（i+1）級(jí)的平均粒徑，mm；d—_max是最大粒徑，mm；D是分形維數(shù)，取值范圍是0～3。

重塑土的干密度取平均值1.49 g/cm³。不同測(cè)試設(shè)計(jì)含水率如圖1所示。力學(xué)性質(zhì)測(cè)試試樣均為環(huán)刀樣（Φ 61.8 mm×d 20 mm）。按照GB/T 50123-2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》^［31］有關(guān)規(guī)定，計(jì)算并稱取一定質(zhì)量的蒸餾水與干土，混合均勻后裝入密封袋中，濕潤48 h使水分充分運(yùn)移。最后，采用靜壓法制樣。

1.3 試驗(yàn)過程

1.3.1 土水特征曲線測(cè)試

采用濾紙法進(jìn)行土水特征曲線測(cè)試，測(cè)試過程如圖1所示。本次研究使用國產(chǎn)“雙圈牌No.203（慢速）”濾紙，利用接觸濾紙測(cè)量重塑土環(huán)刀樣不同含水率下的基質(zhì)吸力，其率定方程^［17］為

式中：ψ是基質(zhì)吸力，kPa；ω是含水率。

將濾紙（直徑6 cm）烘干稱重，夾在兩張保護(hù)濾紙（直徑7 cm）中，然后放置在兩個(gè)環(huán)刀樣之間（注意應(yīng)使土樣與3張濾紙的中心處在同一直線上）。將試樣放入密封容器，密封時(shí)在封口處涂抹凡士林并旋緊瓶蓋防止裝置漏氣。然后將密封容器放入恒溫水箱，在25 ℃的水浴環(huán)境中靜置10 d。待瓶內(nèi)土樣和濾紙達(dá)到吸力平衡后，取出密封瓶中的土樣測(cè)量含水率，同時(shí)快速取出濾紙稱重，得到濾紙含水率，代入式（2）計(jì)算出某一飽和度下土樣的基質(zhì)吸力。

1.3.2 抗剪強(qiáng)度測(cè)試

采用常規(guī)直剪試驗(yàn)（快剪）試驗(yàn)進(jìn)行非飽和狀態(tài)下的抗剪強(qiáng)度測(cè)試，測(cè)試過程如圖1所示。將制好的環(huán)刀樣用塑料袋密封在恒溫環(huán)境下靜置48 h，使試樣內(nèi)水分達(dá)到平衡。直剪試驗(yàn)的法向應(yīng)力設(shè)置為50，100，200，300 kPa。剪切速率設(shè)置為0.8 mm/min，每級(jí)壓力設(shè)置一組平行樣。剪切時(shí)在加壓板周圍要包上濕棉紗，防止試樣水分蒸發(fā)。當(dāng)試樣達(dá)到規(guī)范規(guī)定的破壞條件時(shí)停止試驗(yàn)。根據(jù)莫爾-庫侖理論，繪制殘積土的抗剪強(qiáng)度包線如圖1所示，求出各組重塑土不同基質(zhì)吸力下抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，即表觀內(nèi)摩擦角φ和表觀內(nèi)聚力c。

2 結(jié)果與分析

2.1 土水特征曲線測(cè)試結(jié)果

相對(duì)于重量含水率ω和體積含水率θ，土的飽和度S能夠直觀地表示土體孔隙中充滿水的程度，因此本文在結(jié)果分析中使用飽和度S作為土中的含水量指標(biāo)。5組殘積土基質(zhì)吸力和飽和度的關(guān)系如圖4所示。從圖中可以看出，對(duì)于同種重塑土樣，基質(zhì)吸力隨飽和度的增加而減??；對(duì)于不同重塑土樣，基質(zhì)吸力隨粗顆粒的增多而減小。土-水特征曲線能夠反映土的飽和度與基質(zhì)吸力的關(guān)系，可以預(yù)測(cè)非飽和土的滲透性、抗剪強(qiáng)度指標(biāo)等。本文采用Van Genuchten（VG）模型對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，該模型表達(dá)式為^［34］

式中：θ_ω是土的體積含水率，%；θ_r是土的殘余體積含水率，%；θ_s是土的飽和體積含水率，%；a，n，m是擬合參數(shù)，其中m=1-1/n。

土的殘余體積含水率的獲取方法沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)法、作圖法等所得結(jié)果誤差較大^［35］。文獻(xiàn)［36］中認(rèn)為殘余體積含水率為0，直接將其從擬合式剔除，這種做法不是十分合理。因此，本文將殘余含水率作為一個(gè)擬合參數(shù)，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合求取。另外，飽和度S與體積含水率θ_ω之間存在如下轉(zhuǎn)換關(guān)系：

因此，用飽和度表示的VG模型如下：

式中：S是飽和度，%；S_r是殘余飽和度，通過擬合求取，%。

5組不同顆粒組成的花崗巖殘積土土水特征曲線擬合結(jié)果如表2所列。擬合結(jié)果顯示，VG模型可以較好地描述花崗巖殘積土的飽和度和基質(zhì)吸力之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。

2.2 顆粒組成對(duì)土水特征曲線的影響

VG模型中的3個(gè)參數(shù)分別為a、n、S_r。a為與土的進(jìn)氣值相關(guān)的參數(shù)；n可以反映孔隙分布的均勻性，基質(zhì)吸力大于進(jìn)氣值后與土體脫水速率有關(guān)的參數(shù)n越小孔隙越均勻，相應(yīng)曲線下降斜率越緩；S_r為土的殘余飽和度，可以反映土的持水能力^{［24，37］}。殘積土粒組質(zhì)量分形維數(shù)D與各擬合參數(shù)的關(guān)系如圖5所示。對(duì)于擬合參數(shù)a，由于粗顆粒含量的增多，殘積土中大孔隙數(shù)量增多，使殘積土從飽和狀態(tài)進(jìn)入非飽和狀態(tài)所需的基質(zhì)吸力即進(jìn)氣值減小，a值相應(yīng)衰減。隨著大孔隙增多，小孔隙減少，土中孔隙分布的不均勻程度增加，殘積土脫濕速率變大，n值相應(yīng)減小。殘余飽和度S_r隨著不均勻數(shù)增大呈線性減小，主要是殘積土的粗顆粒含量增加，細(xì)顆粒減少，持水能力變差，相同條件下更容易失水而造成。

2.3 抗剪強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

按照莫爾-庫侖強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則，以剪切強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，以法向應(yīng)力為橫坐標(biāo)繪制花崗巖殘積土的強(qiáng)度線，結(jié)果如圖6所示。不同飽和度下有5組重塑土抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線。隨著飽和度的增大，5組重塑土的基質(zhì)吸力隨之減小，抗剪強(qiáng)度先增大后減小。從圖6可以看出，隨著粗顆粒組分的增多，各組重塑土抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線由近平行逐漸變得分散，即不同飽和狀態(tài)下的同種顆粒組分重塑花崗巖殘積土的內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力的差異逐漸明顯。

2.4 顆粒組成和基質(zhì)吸力對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響

同種顆粒級(jí)配的重塑土，隨著基質(zhì)吸力的增大，重塑土的表觀內(nèi)摩擦角先增大后逐漸穩(wěn)定，表觀內(nèi)聚力先增大后減小?；◢弾r殘積土是一種由粗顆粒和細(xì)顆粒共同組成混合土，殘積土中的內(nèi)摩擦角主要是受粗顆粒的影響，而內(nèi)聚力主要是受細(xì)顆粒的影響^{［23，25］}。

另外，在飽和和非飽和狀態(tài)下，殘積土內(nèi)部土顆粒的接觸形式不同（圖7）也將影響其抗剪強(qiáng)度^［30］。如圖8所示，在低基質(zhì)吸力階段，殘積土含水率較高，處于近飽和狀態(tài)，孔隙水主要存在于粗顆粒周圍的大孔隙中，細(xì)顆粒間的細(xì)小孔隙多被水充滿，細(xì)顆粒間連接較差，此時(shí)粗顆粒之間的自由水與細(xì)顆粒共同起到了潤滑作用，使得表觀內(nèi)摩擦角較?。浑S著基質(zhì)吸力的增大，殘積土含水率降低進(jìn)入非飽和階段，由于細(xì)顆粒的比表面能大，持水能力更強(qiáng)，孔隙水主要存在于細(xì)顆粒之間的細(xì)小孔隙中，此時(shí)孔隙水與細(xì)顆粒的潤滑作用減弱，內(nèi)摩擦力的大小主要取決于粗顆粒之間的咬合作用，加之吸附在粗顆粒表面的細(xì)顆粒間基質(zhì)吸力的貢獻(xiàn)，表觀內(nèi)摩擦角先有所增大；當(dāng)基質(zhì)吸力增大到200 kPa左右時(shí)，表觀內(nèi)摩擦角趨于穩(wěn)定。表觀內(nèi)聚力對(duì)飽和度與基質(zhì)吸力的變化十分敏感。在近飽和階段，殘積土基質(zhì)吸力幾乎完全喪失，表觀內(nèi)聚力很小，主要來自于土顆粒之間的膠結(jié)和各種化學(xué)鍵的作用；隨著殘積土含水率減小，基質(zhì)吸力的增大，細(xì)顆粒之間的引力增大，使得表觀內(nèi)聚力顯著增大。雖然從理論上來說隨著含水率的減小基質(zhì)吸力會(huì)不斷增大，但是當(dāng)基質(zhì)吸力增大到一定程度時(shí)，基質(zhì)吸力的增加對(duì)土的宏觀力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生的影響十分微弱^［38］。因此，當(dāng)基質(zhì)吸力達(dá)到200 kPa時(shí)，殘積土的表觀內(nèi)摩擦角會(huì)有穩(wěn)定的趨勢(shì)，其表觀內(nèi)聚力有減小的趨勢(shì)。

不同顆粒級(jí)配的重塑土，隨著粗顆粒含量增多，分形維數(shù)減小，整體上呈現(xiàn)出表觀內(nèi)摩擦角變大，表觀內(nèi)聚力減小的趨勢(shì)。表觀內(nèi)摩擦角增大主要是粗顆粒含量的增加使土樣內(nèi)部顆粒間的咬合作用增強(qiáng)造成的。G1、G2兩組重塑土粗顆粒含量較少，粗顆粒間的接觸點(diǎn)較少，顆粒之間主要以滑動(dòng)摩擦為主。這兩組殘積土的表觀內(nèi)摩擦角較小，受基質(zhì)吸力與飽和度變化的影響也較小。G3、G4、G5三組殘積土，隨著粗顆粒含量增多，粗顆粒之間的接觸點(diǎn)逐漸增多，出現(xiàn)在剪切破壞面上的粗顆粒數(shù)量增多，顆粒之間的咬合摩擦使得重塑土的表觀內(nèi)摩擦角顯著提高。這3組殘積土的大孔隙含量較多，持水能力較差。由于上述大孔隙中自由水和細(xì)顆粒的潤滑作用，相較于前兩組，基質(zhì)吸力較低時(shí)，表觀內(nèi)摩擦角會(huì)出現(xiàn)明顯降低。如圖8（b）所示，不同顆粒組成的殘積土的表觀內(nèi)聚力對(duì)飽和度和基質(zhì)吸力的變化敏感程度不同，但5組重塑土在近飽和時(shí)的表觀內(nèi)聚力大小相近，都在9～13 kPa。表觀內(nèi)聚力的峰值隨礫粒含量增加、不均勻系數(shù)增大而減小，一方面是因?yàn)榇诸w粒增多，細(xì)顆粒相應(yīng)減少，殘積土的持水能力變差；另一方面是重塑土中大孔隙數(shù)量增多，細(xì)小孔隙數(shù)量減少，毛細(xì)吸力變?nèi)跛隆?/p>

2.5 顆粒組成、基質(zhì)吸力和非飽和抗剪強(qiáng)度參數(shù)的關(guān)系

力學(xué)參數(shù)與土樣基本物理量之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系對(duì)工程施工和設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。通過上述分析可知，花崗巖殘積土顆粒組成不僅影響其在不同飽和度下的基質(zhì)吸力，還影響土壤內(nèi)部顆粒接觸方式。此外，基質(zhì)吸力對(duì)抗剪強(qiáng)度也有不可忽略的影響。因此，花崗巖殘積土的非飽和抗剪強(qiáng)度實(shí)際上是由顆粒組成和基質(zhì)吸力兩個(gè)因素共同作用的結(jié)果。殘積土抗剪強(qiáng)度參數(shù)與顆粒組成（分形維數(shù)D）和基質(zhì)吸力關(guān)系如圖9所示。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性曲面擬合，得到以分形維數(shù)和基質(zhì)吸力表達(dá)的抗剪強(qiáng)度參數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式。

φ=-3930.54+2905.82D+0.02ψ-533.23D²（6）

c=86.84-36.85D^0.70-444.98ψ^0.10+224.29D^0.70ψ^0.10（7）

3 結(jié) 論

本文對(duì)5種不同顆粒組成的花崗巖殘積土進(jìn)行了土-水特征測(cè)試和直剪試驗(yàn)，分析了非飽和狀態(tài)下殘積土顆粒組成和基質(zhì)吸力對(duì)其力學(xué)性質(zhì)的影響。主要結(jié)論如下：

（1） 花崗巖殘積土SWCC受顆粒組成影響。粗顆粒含量較多的殘積土，相同飽和度下基質(zhì)吸力更小。殘積土粒組分形維數(shù)與VG模型參數(shù)存在良好的線性關(guān)系。

（2） 基質(zhì)吸力對(duì)殘積土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)影響具有雙重性?；|(zhì)吸力較小時(shí)，其對(duì)表觀黏聚力c、表觀內(nèi)摩擦角φ有不同程度的增強(qiáng)作用?；|(zhì)吸力增大到約200 kPa時(shí)，表觀內(nèi)摩擦角φ趨于穩(wěn)定，表觀內(nèi)聚力c會(huì)有減小的趨勢(shì)。

（3） 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)受土顆粒間的接觸方式和基質(zhì)吸力的共同影響。隨粗顆粒增多，分形維數(shù)D減小，呈現(xiàn)出表觀內(nèi)摩擦角φ先變大后變小，表觀內(nèi)聚力c逐漸減小的趨勢(shì)。

（4） 建立了抗剪強(qiáng)度預(yù)測(cè)公式。非飽和狀態(tài)下的殘積土表觀內(nèi)摩擦角和表觀內(nèi)聚力可以通過與分形維數(shù)、基質(zhì)吸力相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算。

本文對(duì)深圳地區(qū)的殘積土進(jìn)行了研究，僅針對(duì)5種顆粒組成的試樣開展相關(guān)測(cè)試，因此工程應(yīng)用范圍有限。今后將繼續(xù)開展不同地區(qū)、更復(fù)雜的物質(zhì)組成的殘積土的研究，進(jìn)一步驗(yàn)證本文結(jié)論，拓寬工程應(yīng)用范圍。

參考文獻(xiàn)：

［1］王清，唐大雄，張慶云，等.中國東部花崗巖殘積土物質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)特征的研究［J］.長春地質(zhì)學(xué)院學(xué)報(bào)，1991（1）：73-81.

［2］姬鳳玲，蘇棟，許澤標(biāo)，等.深圳粗?；◢弾r殘積土原生各向異性特性研究［J］.深圳大學(xué)學(xué)報(bào)（理工版），2020，37（6）：583-588.

［3］曲永新，吳宏偉，尚彥軍.華南花崗巖殘積土紅土化程度的地帶性與香港該類土不發(fā)育的原因［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2000（1）：16-20.

［4］CUI Q L，WU H N，SHEN S L，et al.Protection of neighbour buildings due to construction of shield tunnel in mixed ground with sand over weathered granite［J］.Environmental Earth Sciences，2016，75（6）：1-11.

［5］COUTINHO R Q，SILVA M M，SANTOS A N，et al.Geotechnical characterization and failure mechanism of landslide in granite residual soil［J］.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2019，145（8）：05019004.

［6］XIA J，CAI C，WEI Y，et al.Granite residual soil properties in collapsing gullies of south China：spatial variations and effects on collapsing gully erosion［J］.Catena，2019，174：469-477.

［7］FREDLUND D G，RAHARDJO H.Soil mechanics for unsaturated soils［M］.Hoboken：John Wiley & Sons，1993.

［8］吳劍敏，李廣信，王成華.非飽和土基質(zhì)吸力對(duì)基坑支護(hù)計(jì)算的影響［J］.工業(yè)建筑，2003（7）：6-10.

［9］吳俊杰，王成華，李廣信.非飽和土基質(zhì)吸力對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響［J］.巖土力學(xué)，2004（5）：732-736，744.

［10］高國紅，霍俊杰.重塑黃土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與基質(zhì)吸力關(guān)系［J］.人民長江，2019，50（10）：193-196，208.

［11］王萍.基質(zhì)吸力對(duì)非飽和重塑黃土變形的影響及破壞準(zhǔn)則［J］.人民長江，2022，53（增1）：101-106.

［12］FREDLUND D G，RAHARDJO H.Soil mechanics for unsaturated soils［M］.Beijing：China Building Industry Press，1997.

［13］程學(xué)磊，張瑞敏，李巖.改性玄武巖殘積土土-水特征曲線試驗(yàn)研究［J］.人民長江，2021，52（9）：203-208.

［14］BULUT R，LYTTON R L，WRAY W K.Soil suction measurements by filter paper［C］∥Expansive clay soils and vegetative influence on shallow foundations，ASCE 2001 Civil Engineering Conference：243-261.

［15］LI H，LI T，JIANG R，et al.A new method to simultaneously measure the soil-water characteristic curve and hydraulic conductivity function using filter paper［J］.Geotechnical Testing Journal，2020，43（6）：1541-1551.

［16］王柯，劉強(qiáng)，孫沖.濾紙法在多種土類吸力測(cè)量中的應(yīng)用［J］.人民長江，2019，50（9）：198-203，227.

［17］王釗，楊金鑫，況娟娟，等.濾紙法在現(xiàn)場基質(zhì)吸力量測(cè)中的應(yīng)用［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2003（4）：405-408.

［18］白福青，劉斯宏，袁驕.濾紙法測(cè)定南陽中膨脹土土水特征曲線試驗(yàn)研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2011，33（6）：928-933.

［19］唐棟，李典慶，金浩飛，等.國產(chǎn)“雙圈”牌濾紙吸力率定曲線研究［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2016，49（1）：1-8，53.

［20］FREDLUND M D，WILSON G W，F(xiàn)REDLUND D G.Use of the grain-size distribution for estimation of the soil-water characteristic curve［J］.Canadian Geotechnical Journal，2002，39（5）：1103-1117.

［21］文寶萍，胡艷青.顆粒級(jí)配對(duì)非飽和粘性土基質(zhì)吸力的影響規(guī)律［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2008（6）：50-55.

［22］GALLAGE C P K，UCHIMURA T.Effects of dry density and grain size distribution on soil-water characteristic curves of sandy soils［J］.Soils and Foundations，2010，50（1）：161-172.

［23］馮曉臘，張睿敏，崔德山，等.基質(zhì)吸力與黏粒含量對(duì)砂土抗剪強(qiáng)度的影響［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2017，17（34）：97-103.

［24］田湖南，孔令偉.細(xì)粒對(duì)砂土持水能力影響的試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2010，31（1）：56-60.

［25］郭林坪，孔令偉，徐超，等.廈門花崗巖殘積土物理力學(xué)指標(biāo)關(guān)聯(lián)性定量表征初探［J］.巖土力學(xué)，2018，39（增1）：175-180.

［26］RAHARDJO H，AUNG K K，LEONG E C，et al.Characteristics of residual soils in Singapore as formed by weathering［J］.Engineering Geology，2004，73（1-2）：157-169.

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

［28］安然，孔令偉，張先偉.殘積土孔內(nèi)剪切試驗(yàn)的強(qiáng)度特性及廣義鄧肯–張模型研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2020，42（9）：1723-1732.

［29］ZHANG Y，ZHONG X，LIN J，et al.Effects of fractal dimension and water content on the shear strength of red soil in the hilly granitic region of southern China［J］.Geomorphology，2020，351：106956.

［30］LU Y，CAI G，ZHAO C.The shear strength of granite weathered soil under different hydraulic paths［J］.Applied Sciences，2020，10（18）：6615.

［31］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 50123-2019［S］.北京：中國計(jì)劃出版社，2019.

［32］化建新，鄭建國.工程地質(zhì)手冊(cè)（第五版）［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2018.

［33］TYLER S W，WHEATCRAFT S W.Fractal scaling of soil particle-size distributions：Analysis and limitations［J］.Soil Science Society of America Journal，1992，56（2）：362-369.

［34］VAN GENUCHTEN M T.A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils［J］.Soil Science Society of America Journal，1980，44（5）：892-898.

［35］陶高梁，李進(jìn)，莊心善，等.利用土中水分蒸發(fā)特性和微觀孔隙分布規(guī)律確定SWCC殘余含水率［J］.巖土力學(xué)，2018，39（4）：1256-1262.

［36］陳東霞，龔曉南.非飽和殘積土的土-水特征曲線試驗(yàn)及模擬［J］.巖土力學(xué)，2014，35（7）：1885-1891.

［37］張悅，葉為民，王瓊，等.含鹽遺址重塑土的吸力測(cè)定及土水特征曲線擬合［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2019，41（9）：1661-1669.

［38］林鴻州，李廣信，于玉貞，等.基質(zhì)吸力對(duì)非飽和土抗剪強(qiáng)度的影響［J］.巖土力學(xué)，2007（9）：1931-1936.

（編輯：鄭 毅）

Effect of particle composition and matric suction on shear strength of residual soil

XU Minggang¹，YAO Zongjian²

（1.Department of Civil Engineering of Nanjing Technical Vocational College，Nanjing 210019，China；2.School of Civil Engineering，Shandong Jianzhu University，Ji′nan 250101，China）

Abstract：Granite residual soil can experience significant deterioration in strength when exposed to water，leading to geological hazards and engineering problems such as collapses and landslides.The particle composition of residual soil varies vertically due to weathering，and this study investigated the influence of particle composition and matric suction on the mechanical properties of unsaturated granite residual soil.Five types of residual soil with different particle compositions were tested using soil-water characteristic curves and direct shear tests at different degrees of saturation.The fractal dimension D was used to characterize the particle composition of the residual soil，and it was found that D increased with the content of fine particles in the soil.The results show that the soil-water characteristic curve of residual soil is affected by particle composition.The VG model parameters are linearly related to the fractal dimension D.Particle composition and matric suction affect the contact between soil particles，which in turn affects the shear strength of residual soil.The apparent internal friction angle φ and the apparent cohesion c of residual soil increase with increasing matric suction ψ，and φ gradually stabilizes while c decreases when matric suction ψ reaches about 200 kPa.Empirical formulas that include the fractal dimension D and matric suction ψ can be used to predict the shear strength parameters （φ，c）of residual soil.These research findings can provide reference for the selection of mechanical strength parameters in engineering design in areas with granite residual soil.

Key words：granite residual soil；particle composition；fractal dimension；matric suction；unsaturated soil mechanical properties