清水及硫酸溶液浸泡下花崗巖殘積土強(qiáng)度演化特征研究

林其隆，黃真萍，曹洋兵，孫加梁,4

(1.福州大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院， 福建 福州 350116；2.福州大學(xué) 國(guó)土資源部丘陵山地地質(zhì)災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(福建省地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)， 福建 福州 350116；3.地質(zhì)工程福建省高校工程研究中心， 福建 福州 350116；4. 武漢市建筑工程質(zhì)量監(jiān)督站， 湖北 武漢 430019)

花崗巖殘積土在我國(guó)東南沿海地區(qū)廣泛分布，厚度多為20 m～35 m[1]，在季節(jié)性炎熱多雨氣候及區(qū)域SO42-酸雨環(huán)境作用下，土體結(jié)構(gòu)易被損傷破壞，強(qiáng)度急劇劣化，從而造成以該類土體作為承載體或建筑環(huán)境的地基、邊坡及洞室的破壞失穩(wěn)災(zāi)害。因此，開展花崗巖殘積土在清水及硫酸溶液浸泡下強(qiáng)度演化特征研究具有重要理論價(jià)值與工程意義。

迄今為止，關(guān)于酸性溶液浸泡作用下花崗巖殘積土力學(xué)參數(shù)演化特征研究較少。姬鳳玲等[2]研究了硫酸溶液對(duì)花崗巖殘積土物理力學(xué)特性的影響；孫銀磊等[3]研究了鹽酸浸泡后花崗巖殘積土化學(xué)成分及抗拉特性變化特征；湯連生等[4]研究了酸堿處理后不同pH值花崗巖殘積土的動(dòng)力響應(yīng)特征；金旭等[5]探討了不同pH值的酸及浸泡時(shí)間對(duì)土的崩解特性的影響?？傮w上看，上述研究對(duì)酸性溶液濃度劃分跨度較大，未充分考慮表征花崗巖殘積土結(jié)構(gòu)特性的波速演化特征與表征花崗巖殘積土溶解程度的質(zhì)量演化特征。除此之外，與本文主題相關(guān)的花崗巖殘積土與水耦合作用下的非飽和特征與力學(xué)特性研究較多，取得了重要的進(jìn)展，主要有：多次干濕循環(huán)對(duì)土-水特征曲線和孔徑分布的影響[6]；基于水-土特征曲線分析水土特征滯回圈的原因[7]；基于土-水特征曲線提出基質(zhì)吸力預(yù)測(cè)方法[8]；高液限狀態(tài)下物理特性和剪切特性的試驗(yàn)研究[9]；飽和與非飽和狀態(tài)下的抗剪強(qiáng)度對(duì)比研究[10]；不同原位測(cè)試方法對(duì)典型剖面的力學(xué)特性研究[11]；不同濕熱環(huán)境下花崗巖殘積土的損傷機(jī)理[12]；周期剪切荷載作用下強(qiáng)度與變形參數(shù)變化規(guī)律[13]；不同干濕循環(huán)作用下花崗巖殘積土小應(yīng)變剛度特性[14]；非飽和狀態(tài)下的浸泡崩解機(jī)制與崩解速率[15]。上述研究可為本文強(qiáng)度劣化原因分析提供重要支撐，但并未直接涉及清水及硫酸溶液浸泡下花崗巖殘積土強(qiáng)度演化特征。

綜上所述，為克服現(xiàn)有研究中存在的問題，本文以花崗巖殘積土為對(duì)象，將H2SO4溶液濃度設(shè)置精細(xì)化，開展清水及H2SO4溶液作用下的浸泡試驗(yàn)，考慮花崗巖殘積土的結(jié)構(gòu)損傷與介質(zhì)溶解，進(jìn)行浸泡后試樣的波速測(cè)試、快剪試驗(yàn)和質(zhì)量測(cè)試，揭示不同浸泡環(huán)境下花崗巖殘積土的強(qiáng)度演化特征，并從介質(zhì)溶解角度討論了強(qiáng)度劣化原因。

1 試樣制備及研究方案

1.1 試樣來源與制備

本文所用花崗巖殘積土試樣介于可塑狀至硬塑狀，呈灰黃色，通過X射線衍射可知其主要礦物成分為石英、長(zhǎng)石及高嶺土，原巖結(jié)構(gòu)已全部破壞。土體干強(qiáng)度中等，無搖震反應(yīng)。土體顆粒粒徑大于0.5 mm占1.2%，0.075 mm～0.5 mm占17.7%，小于0.075 mm占81.1%，塑性指數(shù)Ip為10.8。用靜壓法制備環(huán)刀試樣(高20 mm、直徑61.8 mm)，壓實(shí)度96%。

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)?zāi)康氖墙沂厩逅?相當(dāng)于酸性溶液濃度為0)及硫酸溶液浸泡下花崗巖殘積土強(qiáng)度演化特征。為此，將不同H2SO4溶液濃度和浸泡時(shí)間作為試驗(yàn)變量，本次設(shè)置的濃度分別為0%、1%、3%、5%和7%，設(shè)置的浸泡時(shí)間分別為1 d、2 d、4 d、7 d、10 d、13 d、16 d、20 d、24 d、28 d、40 d。具體試驗(yàn)流程為：在環(huán)刀試樣上下兩面先后用濾紙以及透水石進(jìn)行覆蓋，并將凡士林抹在環(huán)刀外側(cè)，避免試驗(yàn)過程中酸液腐蝕環(huán)刀，再用保鮮膜裹緊并用塑料材質(zhì)的細(xì)繩系縛好；殘積土試樣浸泡在清水和不同濃度H2SO4溶液中；達(dá)到設(shè)定浸泡時(shí)間后，先后進(jìn)行波速測(cè)試以及快剪試驗(yàn)，最后選取浸泡在不同濃度溶液中40 d后的試樣，在105℃的烘干箱中烘干，并稱取烘干后試樣的質(zhì)量。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 清水浸泡下強(qiáng)度演化特征

圖1為清水浸泡下試樣縱波波速與浸泡時(shí)間的關(guān)系特征。由圖1可知，花崗巖殘積土試樣的縱波波速隨著浸泡時(shí)間的增大先急劇減小，而后緩慢減小，最終趨于穩(wěn)定，其中急劇減小主要發(fā)生在浸泡0～16 d，從885 m/s減小到690 m/s，緩慢減小發(fā)生在浸泡16 d～28 d，從690 m/s減小到648 m/s，浸泡28 d～40 d后縱波波速基本穩(wěn)定。采用指數(shù)函數(shù)進(jìn)行擬合，可獲得如下縱波波速-浸泡時(shí)間關(guān)系式：

(1)

式中:Vp為縱波波速(m/s);t為浸泡時(shí)間(d，下同);R2為決定系數(shù)(下同)。

圖1 清水浸泡下縱波波速隨浸泡時(shí)間變化曲線

圖2為清水浸泡下試樣黏聚力與浸泡時(shí)間的關(guān)系特征。由圖2可知，花崗巖殘積土試樣的黏聚力隨著浸泡時(shí)間的增大先震蕩式減小，而后緩慢減小，最終趨于穩(wěn)定，其中震蕩式減小主要發(fā)生在浸泡0～16 d，從28.1 kPa減小到18.5 kPa，緩慢減小為浸泡16 d～28 d，浸泡28 d～40 d后黏聚力基本穩(wěn)定。采用指數(shù)函數(shù)進(jìn)行擬合，可獲得如下黏聚力-浸泡時(shí)間關(guān)系式：

(2)

式中:c為黏聚力(kPa，下同)。

圖3為清水浸泡下試樣內(nèi)摩擦角與浸泡時(shí)間的關(guān)系特征。由圖3可知，花崗巖殘積土試樣的內(nèi)摩擦角隨著浸泡時(shí)間的增大先急劇減小，而后震蕩式緩慢減小，最終趨于穩(wěn)定，其中急劇減小主要發(fā)生在浸泡0～16 d，從27.7°下降到21.7°，震蕩式緩慢減小為浸泡16 d～28 d，從21.7°減小到21.1°，浸泡28 d～40 d后內(nèi)摩擦角基本穩(wěn)定無變化。采用指數(shù)函數(shù)進(jìn)行擬合，可獲得如下內(nèi)摩擦角-浸泡時(shí)間關(guān)系式：

(3)

式中:φ為內(nèi)摩擦角((°)，下同)。

圖2 清水浸泡下黏聚力隨浸泡時(shí)間變化曲線

圖3 清水浸泡下內(nèi)摩擦角隨浸泡時(shí)間變化曲線

2.2 硫酸溶液浸泡下強(qiáng)度演化特征

圖4為不同濃度H2SO4溶液浸泡40 d后試樣縱波波速與H2SO4濃度的關(guān)系特征。由圖4可知，花崗巖殘積土試樣縱波波速隨著H2SO4濃度的增大先急劇減小，而后緩慢減小并趨于穩(wěn)定，其中急劇減小主要發(fā)生在H2SO4濃度0%～3%范圍內(nèi)，從642 m/s降低到431 m/s，緩慢減小并趨于穩(wěn)定發(fā)生在H2SO4濃度3%～7%階段，波速?gòu)?31 m/s下降到406 m/s，同時(shí)此階段曲線斜率逐漸變小，縱波波速逐漸趨于穩(wěn)定。采用指數(shù)函數(shù)進(jìn)行擬合，可獲得如下縱波波速-硫酸濃度關(guān)系式：

(4)

式中:ω為硫酸濃度(%，下同)。

圖5為不同濃度H2SO4溶液浸泡40 d后試樣黏聚力與H2SO4濃度的關(guān)系特征。由圖5可知，花崗巖殘積土試樣的黏聚力隨著硫酸濃度的增大先急劇減小，而后緩慢減小趨于穩(wěn)定，其中急劇減小主要發(fā)生在H2SO4濃度0%～3%范圍內(nèi)，黏聚力從14.86 kPa減小到6.96 kPa，緩慢減小并趨于穩(wěn)定發(fā)生在H2SO4濃度3%～7%階段，黏聚力從6.96 kPa減小到5.25 kPa，同時(shí)此階段曲線斜率逐漸變小，黏聚力逐漸趨于穩(wěn)定。采用指數(shù)函數(shù)進(jìn)行擬合，可獲得如下黏聚力-硫酸濃度關(guān)系式：

(5)

圖4 硫酸中浸泡40 d后縱波波速隨H2SO4濃度變化曲線

圖5 硫酸中浸泡40 d后黏聚力隨H2SO4濃度變化曲線

圖6為不同濃度H2SO4溶液浸泡40 d后試樣內(nèi)摩擦角與H2SO4濃度的關(guān)系特征。由圖6可知，花崗巖殘積土試樣的內(nèi)摩擦角隨H2SO4濃度的增大減小，其H2SO4濃度0%～7%階段內(nèi)摩擦角總體從21.1°減小到10.29°，其中，濃度5%～7%階段內(nèi)土體內(nèi)摩擦角下降1.44°，而濃度0%～1%階段內(nèi)，土體內(nèi)摩擦角卻下降2.79°，平均下降速率是前者的3.88倍。采用指數(shù)函數(shù)進(jìn)行擬合，可獲得如下內(nèi)摩擦角-硫酸濃度關(guān)系式：

(6)

2.3 損傷演化特征

為定量表征不同濃度溶液浸泡下花崗巖殘積土損傷特征，定義強(qiáng)度和波速損傷變量。其中，強(qiáng)度損傷變量計(jì)算公式如下：

(7)

式中:R0為試樣初始黏聚力、內(nèi)摩擦角；Ri為試樣浸泡后黏聚力、內(nèi)摩擦角；D為強(qiáng)度損傷變量。

參考文獻(xiàn)[16]，定義波速損傷變量如下：

(8)

式中:V0為試樣初始縱波波速；Vi為試樣浸泡后縱波波速；DV為試樣的波速損傷變量。

圖7為花崗巖殘積土試樣的黏聚力、內(nèi)摩擦角和縱波波速三者定義的損傷變量與浸泡時(shí)間的關(guān)系特征，由圖7可知，黏聚力、內(nèi)摩擦角和縱波波速損傷變量隨著浸泡時(shí)間的增加而增加，并逐漸趨于平穩(wěn)?？傮w來說，三種損傷變量在0 d～16 d快速增加，16 d～28 d小幅度增加，28 d后趨于平穩(wěn)，其中黏聚力和縱波波速定義的損傷變量變化量值相近，而內(nèi)摩擦角損傷變量在10 d后的數(shù)值變化較前兩者小。

圖6 硫酸中浸泡40 d后內(nèi)摩擦角隨H2SO4濃度變化曲線

圖7 清水浸泡下?lián)p傷變量隨浸泡時(shí)間變化曲線

由圖7可知，隨浸泡時(shí)間變化的黏聚力和縱波波速損傷變量曲線變化特征十分相似，將浸泡在清水中所采集到的黏聚力和縱波波速數(shù)據(jù)繪制成圖8，由圖8可知，二者呈強(qiáng)相關(guān)關(guān)系，說明土體浸泡在清水中，黏聚力和縱波波速受損傷程度基本保持同步，進(jìn)一步用對(duì)數(shù)函數(shù)進(jìn)行擬合，擬合公式如下：

c=-106.899+21.609ln(Vp-362.856),

R2=0.9732

(9)

圖8 清水浸泡下黏聚力與縱波波速關(guān)系曲線

圖9為花崗巖殘積土試樣的黏聚力、內(nèi)摩擦角和縱波波速三者定義的損傷變量與H2SO4濃度的關(guān)系特征。由圖9可知，黏聚力、內(nèi)摩擦角和縱波波速損傷變量隨著H2SO4濃度的增加而增加，增長(zhǎng)速度先快后慢，最終趨于平穩(wěn)。在相同H2SO4濃度下，縱波波速和黏聚力的損傷變量曲線較為相近，且均比內(nèi)摩擦角大。其中，黏聚力和縱波波速的損傷變量在濃度0%～3%階段增加較快，濃度3%～7%階段無明顯變化，基本趨于穩(wěn)定，突變點(diǎn)在3%；內(nèi)摩擦角損傷變量則在濃度0%～5%階段快速增長(zhǎng)，濃度5%～7%階段增長(zhǎng)速度有所下降，整體曲線隨著濃度增加有趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)。

圖9 硫酸中浸泡40 d后損傷變量隨H2SO4濃度變化曲線

由圖9可知，隨H2SO4濃度變化的黏聚力和縱波波速損傷變量曲線變化特征十分相似，將不同濃度H2SO4溶液中浸泡40 d后所采集到的黏聚力和縱波波速數(shù)據(jù)繪制成圖10，由圖10可知，二者呈強(qiáng)相關(guān)關(guān)系，說明土體浸泡在不同濃度H2SO4溶液中，二者是同步受到影響，進(jìn)一步用對(duì)數(shù)函數(shù)進(jìn)行擬合，擬合公式如下：

c=-16.301+5.566ln(Vp-359.957),

R2=0.9821

(10)

圖10 硫酸浸泡下黏聚力與縱波波速關(guān)系

3 結(jié) 論

(1) 浸泡在清水中的花崗巖殘積土試樣，其黏聚力、內(nèi)摩擦角和縱波波速隨浸泡時(shí)間增加先快速減小，后緩慢減小，最終趨于穩(wěn)定，且三者隨浸泡時(shí)間的變化特征均呈指數(shù)衰減。

(2) 浸泡在不同濃度H2SO4溶液中的花崗巖殘積土試樣，其黏聚力、內(nèi)摩擦角和縱波波速均隨H2SO4濃度增加而下降，且呈指數(shù)衰減。

(3) 分別以黏聚力、內(nèi)摩擦角和縱波波速定義試樣的損傷變量，均隨浸泡時(shí)間增長(zhǎng)而增大，后趨于穩(wěn)定，隨著H2SO4濃度增加，先增大后趨于穩(wěn)定，其中黏聚力和縱波波速定義的損傷變量變化特征基本一致。

(4)黏聚力、縱波波速可采用對(duì)數(shù)函數(shù)進(jìn)行擬合，擬合程度高，說明通過縱波波速推算黏聚力具有一定可行性。