含水率對花崗巖殘積土強(qiáng)度影響研究

朱麗霞,袁望新

(廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院，廣東 廣州 510060)

0 引言

花崗巖殘積土是一種非飽和的特殊土，它遇水易發(fā)生軟化崩解，對工程實踐造成了諸多困擾，如崩塌、滑坡、沉降等，尤其對于大型基坑邊坡，在降雨作用下土體強(qiáng)度降低，影響邊坡穩(wěn)定性導(dǎo)致邊坡坍塌，造成對支護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞。廣州地區(qū)花崗巖殘積土廣泛分布，母巖多為燕山期花崗巖。受地域分布、季節(jié)交替及氣候變化等多方面因素影響，花崗巖殘積土強(qiáng)度因含水率的不同呈現(xiàn)不同的物理力學(xué)特性。對于花崗巖殘積土，許多專家學(xué)者主要注重在其崩解特性研究，張抒[1]通過配置不同含水率、不同壓實度的重塑土樣，在不同水溫下進(jìn)行土的崩解試驗，得出花崗巖殘積土崩解是從表到里漸進(jìn)式的破壞過程；近年來，有一些學(xué)者針對氣候變化開展了干濕循環(huán)下的大氣崩解試驗與浸水崩解試驗，得出干濕循環(huán)次數(shù)對崩解及其崩解速率的影響[2]；吳能森[3]從土體結(jié)構(gòu)性與損傷角度研究，認(rèn)為花崗巖殘積土崩解的根本原因是軟化；簡文彬[4]通過對福建地區(qū)花崗巖殘積土開展室內(nèi)試驗，得出干濕循環(huán)下花崗巖殘積土黏聚力前期衰減趨勢明顯，后期衰減趨勢減緩，并逐漸趨于穩(wěn)定;而內(nèi)摩擦角卻未呈現(xiàn)明顯的變化規(guī)律，大小變化不定。目前，對于廣州地區(qū)花崗巖殘積土的強(qiáng)度特性研究較少，為清楚了解該地區(qū)不同含水率條件下花崗巖殘積土的特性，本文對土的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了相關(guān)的統(tǒng)計分析研究。

1 花崗巖殘積土分類

花崗巖殘積土是物質(zhì)組成和地質(zhì)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的綜合地質(zhì)體，土的類型不同，產(chǎn)生的工程地質(zhì)問題和地質(zhì)災(zāi)害的種類和可能性也不同。通常，工程建設(shè)中多以粒徑d>2 mm顆粒含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為分類主因素對花崗巖殘積土進(jìn)行定量分類：顆粒含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))大于20%為礫質(zhì)黏性土；顆粒含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))大于0小于20%為砂質(zhì)黏性土；顆粒含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))等于0為黏性土(見表1)。

表1 花崗巖殘積土分類表

本文對廣州黃埔、蘿崗等區(qū)域的花崗巖殘積土近2 400組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析統(tǒng)計，得到了不同含水率狀態(tài)下不同類別花崗巖殘積土物理、強(qiáng)度指標(biāo)的變化趨勢，并進(jìn)行了歸納整理，初步理出了該地區(qū)不同類別花崗巖殘積土隨含水率變化的規(guī)律與發(fā)展趨勢。我們將砂質(zhì)黏性土和礫質(zhì)黏性土按含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))不大于20%、含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))介于20%～30%、含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))介于30%～40%、含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))大于40%四個等級進(jìn)行統(tǒng)計；考慮到黏性土內(nèi)含粗顆粒較少，土中細(xì)粒較多，土的分散度較大，土體內(nèi)部含水率會越大，因此，黏性土以含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))不大于30%、含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))介于30%～40%、含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))介于40%～50%、含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))大于50%來統(tǒng)計。

2 物理指標(biāo)分析

2.1 砂質(zhì)黏性土

選取含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))小于20%樣本99個，含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))介于20%～30%樣本766個，含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))介于30%～40%樣本400個，含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))大于40%樣本53個，物理指標(biāo)皆取平均值，詳情見表2。由表2可知，砂質(zhì)黏性土比重介于2.68～2.69之間，顆粒組成較均勻，隨著含水率增大，天然密度從1.89 g/cm3下降到1.69 g/cm3；土體飽和度隨含水率增大而增加，在含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))大于30%左右時，土體飽和度可達(dá)85%；土體孔隙比介于0.688～1.298之間，隨含水率增大依次增加；當(dāng)含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))小于30%時，土體呈硬塑～堅硬狀態(tài)，其余多為可塑狀態(tài)。壓縮系數(shù)隨含水率增大逐漸減小，壓縮模量變化幅度在0.3 MPa～0.5 MPa之間。

表2 砂質(zhì)黏性土不同含水率物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

2.2 礫質(zhì)黏性土

選取含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))小于20%樣本69個，含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))介于20%～30%樣本300個，含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))介于30%～40%樣本95個，含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))大于40%樣本6個，各物理指標(biāo)皆取平均值，詳情見表3。由表3可知，礫質(zhì)黏性土比重介于2.68～2.69，天然密度隨含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))增加由1.89 g/cm3下降至1.67 g/cm3；土體飽和度隨含水率增大而增加，在含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))大于30%左右時，土體飽和度可達(dá)85%；土體孔隙比介于0.691～1.277之間，隨含水率增大依次增加；當(dāng)含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))小于30%時，土體呈堅硬狀態(tài)，其余多為硬塑狀態(tài)。壓縮系數(shù)隨含水率增大逐漸減小，壓縮模量變化幅度在0.1 MPa～0.7 MPa之間，當(dāng)含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))大于40%時，壓縮模量下降較多?？傊?，礫質(zhì)黏性土的物理指標(biāo)與相同含水率狀態(tài)下砂質(zhì)黏性土的物理指標(biāo)數(shù)值相差不大，隨含水率變化的規(guī)律也一致。

表3 礫質(zhì)黏性土不同含水率物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

2.3 黏性土

選取含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))小于30%樣本7個，含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))介于30%～40%樣本13個，含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))介于40%～50%樣本19個，含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))大于50%樣本10個，物理指標(biāo)皆取平均值，詳情見表4。由表4可知，黏性土比重介于2.67～2.69，天然密度隨含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))增大由1.92 g/cm3下降至1.61 g/cm3，涵蓋幅度較大；土體飽和度隨含水率增大而增加，所取土體樣品飽和度可達(dá)85%以上，即所有統(tǒng)計的黏性土樣品都處于飽和狀態(tài)；土體孔隙比介于0.733～1.607之間，比相同含水率條件下的砂質(zhì)黏性土與礫質(zhì)黏性土孔隙比都大，并隨含水率增大而依次增加；Ip>10且大多大于17，土體黏性較強(qiáng)，當(dāng)土體含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))小于40%時，土體大多呈硬塑～堅硬狀態(tài)，其余多為可塑狀態(tài)。壓縮系數(shù)隨含水率增大逐漸減小，壓縮模量變化幅度在0.5 MPa～0.6 MPa之間，較為均衡。

表4 黏性土不同含水率物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

2.4 綜合分析

該地區(qū)花崗巖殘積土多為砂質(zhì)黏性土，礫質(zhì)黏性土次之，黏性土最少。砂質(zhì)黏性土內(nèi)部粗細(xì)顆粒含量分布均勻，各物理指標(biāo)隨著含水率增加成比例增加或降低趨勢；礫質(zhì)黏性土由于內(nèi)部粗顆粒與細(xì)顆粒含量比例增大，其空隙內(nèi)部填充多為砂礫，壓縮時主要體現(xiàn)在內(nèi)部粗顆粒間的擠密，由于砂礫富水性較差，而水對土的影響多體現(xiàn)在細(xì)粒上，因此，含水率對其物理指標(biāo)的影響較小，其壓縮模量在含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))小于40%時幾乎不變，而其他指標(biāo)則隨含水率增加而有相應(yīng)的增大或減小；相同含水率時，黏性土空隙比比砂質(zhì)黏性土和礫質(zhì)黏性土都大，且隨含水率增加而減小的幅度也比砂質(zhì)黏性土和礫質(zhì)黏性土的減小幅度大，其壓縮模量在含水率較小時變化較小，但是隨含水率的繼續(xù)增加而出現(xiàn)驟降趨勢。

3 強(qiáng)度指標(biāo)分析

3.1 砂質(zhì)黏性土

從強(qiáng)度值分布范圍來看，該地區(qū)的砂質(zhì)黏性土強(qiáng)度參數(shù)c值在含水率的增大過程中前期下降速率較快，下降比接近20%；隨著含水率的繼續(xù)增大，c值降低速率有所減緩，下降比幾乎維持在12%～13%左右；而φ值在初期濕水時，含水率呈突降模式，下降比約11%，而后期數(shù)值下降微小，下降比約為2%，僅為前期φ值下降比的1/4～1/5。當(dāng)對砂質(zhì)黏性土經(jīng)過固結(jié)后，土體內(nèi)孔隙變小，孔隙率降低，土體變得致密，顆粒之間充分接觸，顆粒間摩擦增大，同時，土體內(nèi)含水率降低，使得土體抗剪強(qiáng)度增大，尤其強(qiáng)度在c值上有顯著增大，而φ值的增大則沒有那么顯著，數(shù)值上與固結(jié)狀態(tài)之前相差不大，幾乎保持在20°左右。由此可見，砂質(zhì)黏性土的固結(jié)對其強(qiáng)度的影響主要還是作用在c值的提高上，和濕水時c值的顯著下降呈反向趨勢，對于φ值，固結(jié)狀態(tài)對其影響較小(見表5，圖1)。

表5 砂質(zhì)黏性土不同含水率強(qiáng)度指標(biāo)

3.2 礫質(zhì)黏性土

對于礫質(zhì)黏性土，由于其顆粒含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))大于20%，更有甚者超過50%，其所含的黏土成分相對較少，其強(qiáng)度多由粗顆粒骨架承擔(dān)，砂類土的特質(zhì)更加明顯。隨著含水率的增加，礫質(zhì)黏性土抗剪強(qiáng)度呈現(xiàn)出下降趨勢，主要體現(xiàn)在c值的下降，φ值幾乎無變化。礫質(zhì)黏性土c值下降趨勢與砂質(zhì)黏性土的規(guī)律基本一致，都是隨含水率的增大呈現(xiàn)出前期下降迅速，后期下降變緩，其中前期下降達(dá)到13%，后期下降約6%～9%；φ值則變化微小，變化比例保持在±3%以內(nèi)。究其原因，大多為礫質(zhì)黏性土內(nèi)部砂質(zhì)顆粒多，而φ值大多受顆粒組成及其內(nèi)部均勻性影響，一旦濕水，多為影響礫質(zhì)黏性土內(nèi)部的土粒成分，φ值則影響微小。對礫質(zhì)黏性土經(jīng)過固結(jié)后，c值、φ值都有所增大，其中c值增大較多，φ值則增大1°～2°，變化微小(見表6，圖2)。

表6 礫質(zhì)黏性土不同含水率強(qiáng)度指標(biāo)

3.3 黏性土

黏性土是花崗巖殘積土中比較特殊的一類土，它內(nèi)部沒有粒徑大于2 mm的顆粒，從外觀來看，它幾乎與常規(guī)的黏性土無區(qū)別，但是在微觀角度，由于內(nèi)部化學(xué)成分，它也擁有花崗巖殘積土所特有的濕水易軟化、崩解的性質(zhì)。黏性土呈現(xiàn)出黏土類特征，該地區(qū)此類花崗巖殘積土數(shù)量較少，綜合統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)其c值較砂質(zhì)黏性土和礫質(zhì)黏性土大，φ值較其他兩種殘積土低。隨著含水率的增加，黏性土抗剪強(qiáng)度呈現(xiàn)出下降趨勢，其中c值前期下降較小，下降比約9%，當(dāng)含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))達(dá)到40%左右時，c值呈陡崖式下降，下降比達(dá)到30%，而φ值則隨含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))變化比例約±1.5%，究其原因，多與黏性土的內(nèi)部組成和其滲透性有關(guān)。對黏性土土樣經(jīng)過固結(jié)狀態(tài)后，c值增大幅度較大，對于有的含水率較高的黏性土，c值可增大至兩倍，φ值變化規(guī)律同砂質(zhì)黏性土和礫質(zhì)黏性土一致，都是變化微小(見表7，圖3)。

表7 黏性土不同含水率強(qiáng)度指標(biāo)

3.4 綜合分析

在所有花崗巖殘積土的強(qiáng)度指標(biāo)當(dāng)中，當(dāng)含水率相同時，黏性土c值最大，φ值最小，砂質(zhì)黏性土與礫質(zhì)黏性土c值較黏性土小、φ值較黏性土大，兩者之間則差異較小。當(dāng)含水率增大時，砂質(zhì)黏性土與礫質(zhì)黏性土的變化特征幾乎一致，都是c值前期下降迅速，后期呈緩慢下降趨勢，而φ值有所變化，但是幅度微小，幾乎可以忽略不計；而黏性土則呈現(xiàn)出與它們不同的性質(zhì)，其c值前期下降緩慢，后期則急速下降，φ值在數(shù)值上偏小，含水率對其影響微小。

4 結(jié)論

1)對花崗巖殘積土按粒徑d>2 mm顆粒含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))進(jìn)行定量分類，可分為礫質(zhì)黏性土、砂質(zhì)黏性土和黏性土。本次研究了廣州黃埔、蘿崗地區(qū)的花崗巖殘積土，其中以砂質(zhì)黏性土居多，礫質(zhì)黏性土次之，黏性土最少。

2)從物理指標(biāo)出發(fā)，隨著含水率的增大，砂質(zhì)黏性土的物理指標(biāo)隨著含水率增加成比例增加或降低；礫質(zhì)黏性土的壓縮模量在含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))小于40%時幾乎不變；相同含水率時，黏性土空隙比比砂質(zhì)黏性土和礫質(zhì)黏性土都大，且物理指標(biāo)隨含水率增加的變化幅度也比砂質(zhì)黏性土和礫質(zhì)黏性土大。

3)從強(qiáng)度指標(biāo)出發(fā)，相同含水率時，黏性土c值最大，φ值最小，砂質(zhì)黏性土與礫質(zhì)黏性土兩者之間的c值、φ值則差異較小。隨著含水率的增大，三種殘積土的強(qiáng)度都是降低，但是砂質(zhì)黏性土與礫質(zhì)黏性土的強(qiáng)度隨含水率變化特征幾乎一致，都是c值前期下降迅速，后期下降速度減慢，而黏性土卻與之相反，表現(xiàn)出前期下降緩慢，后期下降迅速的特征。