压实花岗岩残积土软化特性试验研究

赖榕洲， 吴能森， 徐 青

(福建农林大学交通与土木工程学院， 福建 福州 350002)

花岗岩残积土是花岗岩经过物理风化和化学风化后残留在原地的碎屑物，具有特殊的成分和结构特征，被《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001)[1]认定为一种特殊土，在我国南方山地广泛分布[2]．随着山地的大量开发建设，越来越多的工程利用开挖的花岗岩残积土进行高速公路、铁路的路基填筑及开发区填方造地，因此开展有关的理论与工程应用研究十分必要，如杜江等进行的路用性能室内试验研究[3]．作为填筑土料，含水率是施工控制的关键参数，同时含水率的变化必然引起填筑体强度和压缩性的改变．为此以最优含水率为基准，对3种不同含水率花岗岩残积土试样进行了固结排水三轴试验，研究各含水率条件下压实花岗岩残积土的强度和变形指标，分析含水率增大所导致的软化效应．

1 土样制备与试验

1.1 原状土样

结合实际工程采集原状土样，用薄壁取土器取自福州晋安区鹤林新城二区某地块，钻探取土深度为12.3～16.8 m，土样呈褐黄、肉红色，湿-稍湿，硬塑状态．经测试[4]，土样的物理性质指标如下：天然密度ρ=1.84 g/cm3，天然含水率ω=30.1%，土粒相对密度ds=2.72，天然孔隙比e=0.976，液限ωL=41.1%，塑限ωP=27.3%，塑性指数Ip=13.8．经筛分[4]，土样各粒组的分布情况为：10～5 mm占1.4%，5～2 mm占17.4%，2～1 mm占7.3%，1～0.5 mm占9.8%，0.5～0.25 mm占8.2%，0.25～0.1 mm占10.6%，0.1 mm以下占45.3%．

1.2 试验土样

取花岗岩残积土原状土样约5 kg，经过风干、碾碎后，测定土样的含水率，然后进行标准击实试验[4]，测得土样的最优含水率ωop=17.4%．实验试样含水率以最优含水率为基准，上下相差4%左右，经取整分别为13%、17%、21%．考虑三轴实验的试样较小，故先用孔径2 mm筛子将风干、碾碎土样的粗颗粒筛除，然后根据设计的含水率，依等压实度原则按击实法制作试样．试样直径39.1 mm，高80 mm．

1.3 试验仪器与方法

试验仪器为SLB-1型应力～应变控制式三轴剪切渗透试验仪，采用固结排水三轴压缩试验(CD试验)[4]，试验固结围压σ3分别取100 kPa、200 kPa、300 kPa，当体积读数变化微小或长时间保持不变时认为试样完成固结．固结完成后，在围压σ3保持不变的情况下，采用应变控制方式，以0.012%/min剪切速率增加轴向压力进行排水剪切，直至试样轴向应变值达到15%时停止试验，试验过程中排水阀始终保持开启状态．自动数据采集系统能够在试验过程中采集试验数据并绘制相关曲线．

2 试验结果分析

2.1 含水率对土体强度影响

实验表明，各含水率试样在轴向应变达到15%时呈比较明显的鼓状变形，但尚未发生剪切破坏，各试样的偏应力(σ1﹣σ3)f～轴向应变ε1关系曲线如图1所示．根据各含水率试样的围压σ3和试样破坏时的偏应力(σ1﹣σ3)f试验数据，分别绘制破坏应力圆强度包线(略)，得到不同含水率的花岗岩残积土抗剪强度指标c、φ值．各含水率试样破坏时的应力及c、φ值见表1．

(a) ω=13%

(b)ω=17%

(c) ω=21%图 1 (σ1﹣σ3)～ε1关系曲线

由表1显见，随着含水率的增大，土抗剪强度降低，具体表现在以下三方面：1)抗剪强度指标．随着含水率的增大，抗剪强度指标c、φ值随之降低，但含水率对c、φ值的影响差异显著，在同等条件下，c值降幅达φ值的30倍以上，或者说，相对于c而言，含水率对φ的影响可以忽略不计．其原因是土中水主要对细粒土发生作用，而花岗岩残积土粗颗粒含量高，内摩擦角取决于粗粒土；2)c的软化效应．含水率在13%～17%时，含水率每增大1%，c值平均减小6.4%；含水率在17%～21%时，含水率每增大1%，c值平均减小13.3%，约是前者的2.1倍，软化效应成倍增大；3)破坏偏应力．随着含水率的增大，破坏偏应力(σ1﹣σ3)f值随之降低，其中围压较小(σ3=100 kPa)时，其降低率较显著，而围压较大时则不明显．根据摩尔-库伦条件[5]，当把土的内摩擦角φ视为定值时，其偏应力(σ1﹣σ3)f的大小取决于围压σ3和粘聚力c，即

(σ1-σ3)f=k1σ3+k2c.

(1)

式中，k1、k2为取决于φ的系数．当φ为定值时，k1、k2为同数量级常系数．因此c值减小引起(σ1﹣σ3)f的降低率取决于σ3大小，σ3越大，同样的c减小值引起的(σ1﹣σ3)f的降低率就越小，反之亦然．

表1 各含水率试样破坏应力及c、φ 值

2.2 含水率对土体压缩性影响

由图1可见，试样的应力～应变曲线形状呈非线性的加工硬化型，符合邓肯-张模型的应用条件．为此，拟通过邓肯-张模型的变形模量来分析含水率对压缩性影响．

邓肯-张模型的切线变形模量[6]

(2)

其中Ei为初始切线模量，且

(3)

式中：Rf为破坏应力比，K为无量纲基数，n为无量纲指数，K、n均为试验常数，Pa为大气压力(取101.4 kPa)．经(σ1-σ3)～ε1试验数据的处理及计算[5-7]，可得到邓肯-张模型参数Rf、K、n(略)．

从图1同时可见，土样的应变硬化主要发生在ε1为0～5%范围内，为此选取ε1为0、2.5%、5%对应的切线变形模量Ei、Et0.025、Et0.05作为土体压缩性指标的代表值，不妨统称为特征变形模量．

为分析含水率对土体压缩性的影响，考虑工程实际取围压σ3=100 kPa，利用已知的模型参数及试验数据，由式(2)、(3)可计算得到各含水率时的特征变形模量，如表2和图2所示．

表2 σ3=100 kPa时各含水率土的特征变形模量

图 2 特征变形模量随含水率变化

由表2及图2可知，在等压实度条件下，压实花岗岩残积土特征变形模量随着含水率的增大而减小，其中Ei随含水率减小较显著，而Et0.025、Et0.05随含水率减小不明显，同时Ei值约是Et0.025值的4～5倍，约是Et0.05值的9～11倍，因此Ei值的变化基本可以代表土中水对土体压缩性的影响．此外，对Ei而言，含水率在13%～17%时，含水率每增大1%，Ei值平均减小3.52%；含水率在17%～21%时，含水率每增大1%，Ei值平均减小5.72%，是前者的1.63倍．可见随着含水率的增大，土中水对压实花岗岩残积土的软化效应随之增大．

3 结论

综上研究可知，土中水对压实花岗岩残积土具有较显著的软化作用，即随着含水率的增大，土的强度降低、压缩性增大，具体如下：

1) 等压实度花岗岩残积土，土中水对强度的软化作用主要表现为粘聚力c的显著减小，而且随着含水率的增大，其软化效应成倍放大；而内摩擦角φ受土中水影响相对很小，在含水率增大幅度不太大的情况下，可以忽略不计．

2) 由于内摩擦角φ值变化相对微小，土样破坏偏应力的大小取决于围压σ3和粘聚力c，因此，土中水的软化效应在破坏偏应力上的体现程度不一，围压小较显著，反之不明显．在实际工程中，填筑体的围压通常在100 kPa以下，因此土中水对破坏偏应力的影响也是比较显著的．

3) 压实花岗岩残积土试样的应力～应变曲线呈加工硬化型，符合邓肯-张模型的应用条件，即其压缩性可以邓肯-张模型的特征变形模量来体现，其中Ei值的变化基本可以代表土中水对其压缩性的影响．而且同粘聚力c相似，土中水对Ei产生的软化效应随含水率的增大呈放大趋势．

致谢：本研究得到福建省自然科学基金项目、福建农林大学创新(培育)团队建设项目等资助，在此表示感谢．同时感谢福建省现代工程勘察院在钻探取样方面的支持与帮助，感谢福建农林大学交通与土木工程学院给予本研究的帮助、关心与支持！

[参考文献]

[1] 中华人民共和国建设部．岩土工程勘察规范(GB50021-2001)[M]．北京：中国建筑工业出版,2001.

[2] 吴能森，赵 尘，侯伟生．花岗岩残积土的成因、分布及工程特性研究[J]．平顶山工学院学报,2004，13(04)：1-4．

[3] 杜 江，陈 熙，罗 洁．风化花岗岩残积土路用性能室内试验研究[J]．公路工程,2012，37(06)：105-108．

[4] 水利部南京水利科学研究院．土工试验方法标准(GB/T 50123-1999)[M]．北京：中国计划出版社,1999．

[5] 胡中雄．土力学与环境土工学[M]．上海：同济大学出版社，1997：140-146．

[6] Duncan J M, Chang C Y. Nonlinear analysis of stress and strain in soils [J].Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division. ASCE, 1970, 96(SM5):1 629-1 653.

[7] 钱家欢，殷宗泽．土工原理与计算[M]．第二版.北京：中国水利水电出版社，1996：54-60.