黏土改良花崗巖殘積土工程力學(xué)研究

花崗巖殘積土廣泛分布于漢中市城固縣，在外力和降雨條件下易產(chǎn)生滑坡危險(xiǎn)。擬通過摻入黏土的方式對(duì)其抗剪強(qiáng)度和壓實(shí)特性進(jìn)行改良。試驗(yàn)結(jié)果表明，30%黏土摻量的改良土可有效提升花崗巖殘積土抗剪性能，并滿足路基壓實(shí)度要求。

花崗巖殘積土； 黏土； 抗剪強(qiáng)度； 壓實(shí)特性； 滑坡

TU411.3A

［定稿日期］2023-05-09

［基金項(xiàng)目］ 陜西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2023-YBSF-324）；國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：202210720001）

［作者簡(jiǎn)介］任浩（2002—），男，在讀本科，研究方向?yàn)閹r土工程。

［通信作者］郭鴻（1984—），男，博士，副教授，研究方向?yàn)轭w粒物質(zhì)力學(xué)、巖土工程理論及數(shù)值模擬。

0 引言

花崗巖殘積土具有強(qiáng)度低、高液性、遇水軟化、易崩解等特性，在降雨條件下常發(fā)生路基變形、邊坡失穩(wěn)、甚至災(zāi)難性滑坡等危險(xiǎn)狀況。全風(fēng)化花崗巖在西北地區(qū)分布廣泛，是常見的工程建設(shè)原材料。近年來，因花崗巖殘積土土體穩(wěn)定性差引發(fā)的問題日漸增多。全風(fēng)化花崗巖易崩解的原因?yàn)橥馏w內(nèi)部存有大量的原生裂隙，并容易在外力和降雨條件下產(chǎn)生次生裂隙，表現(xiàn)為土體性質(zhì)不均一，土體含水率增大時(shí)易軟化碎裂［1］，從而產(chǎn)生滑坡等危險(xiǎn)。

朱曉勇等［2］采取的技術(shù)方案使花崗巖邊坡安全穩(wěn)定，85%以上坡面植已修復(fù)，廢棄道路得到整理利用，改善了礦山生態(tài)環(huán)境和景觀面貌，提升了環(huán)太湖風(fēng)景區(qū)的生態(tài)環(huán)境品質(zhì)。 潘永亮等［3］建立了Green-Ampt模型對(duì)花崗巖邊坡進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明：降水量相同、不考慮坡面沖刷的情況下，降雨強(qiáng)度略大于土體飽和滲透系數(shù)的條件下濕潤(rùn)鋒遷移深度最大、邊坡穩(wěn)定性系數(shù)降低最多。Sun等 ［4］采用干濕循環(huán)崩解儀對(duì)改良花崗巖殘積土的崩解特性進(jìn)行研究，并分析其改良原理。結(jié)果表明，當(dāng)崩解力大于全風(fēng)化花崗巖的抗崩解力時(shí)，發(fā)生崩解。湯連生等［5］采用干濕循環(huán)崩解測(cè)試儀對(duì)花崗巖殘積土進(jìn)行崩解試驗(yàn)，結(jié)果顯示，添加固化劑能有效增強(qiáng)花崗巖殘積土的抗崩解性，摻入高嶺土對(duì)花崗巖殘積土進(jìn)行改良較為環(huán)保。劉文駿等［6］通過大量三軸和崩解試驗(yàn)得出6%水泥摻入量可有效提升花崗巖殘積土的抗剪強(qiáng)度和耐崩解性，可應(yīng)用于實(shí)際工程。劉勝等［7］通過室內(nèi)試驗(yàn)與理論分析得出摻入粉煤灰可大幅度提高花崗巖殘積土的強(qiáng)度，降低崩解率，且時(shí)間越長(zhǎng)改良效果越優(yōu)。

針對(duì)全風(fēng)華花崗巖易崩解的特性，眾多學(xué)者采取有效措施分析、改良花崗巖殘積土特性，并取得了巨大成果。但采用一種成本低、抗剪強(qiáng)度高的黏土改良花崗巖殘積土，并應(yīng)用于路基填筑的研究較少。本文擬通過向花崗巖殘積土中添加不同比例的黏土，采用擊實(shí)和直剪試驗(yàn)對(duì)改良土進(jìn)行分析，分析室內(nèi)試驗(yàn)及軟件模擬的結(jié)果。本文的研究成果對(duì)改良花崗巖殘積土抗剪強(qiáng)度及路基填筑具有可靠的借鑒意義。

1 土樣參數(shù)及試驗(yàn)方案

1.1 土樣參數(shù)

試驗(yàn)中所用花崗巖殘積土采自漢中市城固縣邊坡花崗巖生長(zhǎng)較好的地方，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)情況及室內(nèi)試驗(yàn)分析，該花崗巖殘積土屬黏性砂?；◢弾r殘積土呈灰白色、分布不均勻、自然含水量高、抗剪強(qiáng)度低等特點(diǎn)。將取回的花崗巖殘積土進(jìn)行自然風(fēng)干、碾碎，過2 mm篩，測(cè)量花崗巖殘積土的一些基本物理指標(biāo)，如表1所示。

試驗(yàn)所用黏土，采自花崗巖殘積土附近的邊坡。土體內(nèi)含鈣量高，經(jīng)過雨水滲透已有分層現(xiàn)象，所用的黏土的基本物理參數(shù)見表2。

1.2 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)擬定于向花崗巖殘積土中摻入定量黏土，采用控制變量法分別配制0%、10%、20%、30%、40%、100%黏土含量的改良土試樣。改良土試樣為最優(yōu)含水率，得到黏土對(duì)花崗巖殘積土的改良效果。

1.2.1 擊實(shí)性能

根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)規(guī)范，將5種不同黏土摻量的改良土以最優(yōu)含水率為基準(zhǔn)，制備土樣共5組，每組取4種不同含水率，共20個(gè)試樣。擊實(shí)試驗(yàn)開始前用保鮮膜將試樣密封24 h，試驗(yàn)時(shí)，將試樣按總質(zhì)量均分為二份，每鋪一份后均用擊錘按落距15 cm和20擊數(shù)錘擊土樣，待試樣固定后稱重、計(jì)算。

1.2.2 直剪試驗(yàn)

本次試驗(yàn)擬采用最優(yōu)含水率6.72%的花崗巖殘積土試樣，通過添加不同摻量的黏土來測(cè)得抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的變化。用底面積為30 cm2、高2 cm的環(huán)刀分別切取黏土含量為0%、10%、20%、30%、40%、100%的花崗巖殘積土的改良土試樣各4組，共20個(gè)改良土試樣。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 改良土擊實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

通過擊實(shí)試驗(yàn)，計(jì)算不同黏土比例摻量的改良土最大干密度及最優(yōu)含水率與黏土比例摻量曲線關(guān)系見圖1、圖2、表3。

對(duì)不同黏土摻加比例下的改良土進(jìn)行了擊實(shí)試驗(yàn)，得到的最優(yōu)含水率及最大干密度曲線如圖2所示。 分析圖2，黏土比例小于30%時(shí)，改良土最大干密度曲線隨黏土比例增大而快速上升。當(dāng)黏土比例大于30%、40%時(shí)，最大干密度曲線呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，30%、40%黏土比例的改良土改良效果最優(yōu)。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)黏土摻入比例小于30%、40%時(shí)，由于黏土不能完全嵌入花崗巖殘積土的空隙，故最大干密度曲線顯著升高；當(dāng)黏土摻入比例大于30%、40%時(shí)，由于黏土與花崗巖殘積土顆粒之間產(chǎn)生摩擦力，定向排列，孔隙被壓縮［8］，因此改良土的最大干密度呈降低趨勢(shì)。

2.2 改良土直剪試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)直剪試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用庫(kù)侖定律分別計(jì)算出不同黏土摻量改良土土樣在100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa圍壓的抗剪強(qiáng)度，利用庫(kù)侖定律計(jì)算得不同黏土摻量土樣的內(nèi)摩擦角和黏聚力參數(shù)見表4。

在最優(yōu)含水率狀態(tài)下，分析表4未摻入黏土的花崗巖殘積土直剪試驗(yàn)數(shù)據(jù)得，純花崗巖殘積土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)都較低，此狀態(tài)下的土樣表面多處脫落掉塊且黏聚力較小。

隨著黏土的摻入，改良土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)顯著升高。由表4可知，黏土對(duì)花崗巖殘積土剪切強(qiáng)度的改良效果存在一個(gè)顯著摻量點(diǎn)約為30％。當(dāng)改良土中黏土比例大于30%，改良土的剪切性能提升幅度較小，故建議花崗巖殘積土邊坡修復(fù)采用30%黏土摻量的改良土。

分析不同黏土摻量的改良土的直剪試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖3所示。

分析圖3，當(dāng)正應(yīng)力小于200 kPa時(shí)，30%黏土和100%黏土的剪應(yīng)力曲線呈快速上升趨勢(shì)。正應(yīng)力大于200 kPa且小于400 kPa時(shí)，30%黏土曲線表現(xiàn)先緩慢增長(zhǎng)，隨后顯著上升趨勢(shì)，0%黏土曲線線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。正應(yīng)力大于400 kPa時(shí)，分析線性擬合曲線推測(cè)，30%黏土的改良土改良效果最優(yōu)。

3 結(jié)論

分別以 0、10%、20 %、30 %、 40 %和100%的黏土摻加比例對(duì)花崗巖殘積土進(jìn)行改良試驗(yàn)，通過擊實(shí)試驗(yàn)計(jì)算出不同黏土摻量的改良土最優(yōu)含水率、最大干密度數(shù)值。

采用直剪試驗(yàn)得到的改良土主要力學(xué)性能參數(shù)，最終找到了黏土改良花崗巖殘積土的最佳摻加比例，即當(dāng)黏土的摻加比例達(dá)到30%時(shí)，花崗巖殘積土的抗剪強(qiáng)度最優(yōu)，最大干密度和施工壓實(shí)度等力學(xué)性能完全符合工程規(guī)范。該技術(shù)適用于市政道路、路基填筑等涉及填方施工的工程，有廣闊的應(yīng)用前景。

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