花岗岩残积土强度与含水率的定量关系研究

赖榕洲，吴能森，许旭堂，陈奕涵

(1. 福建农林大学 金山学院， 福建 福州 350002；2.福建农林大学 交通与土木工程学院， 福建 福州 350108)

花岗岩残积土强度与含水率的定量关系研究

赖榕洲1，吴能森2，许旭堂2，陈奕涵1

(1. 福建农林大学 金山学院， 福建 福州 350002；2.福建农林大学 交通与土木工程学院， 福建 福州 350108)

以福建地区花岗岩残积土的压实土样和原状土为研究对象，对压实花岗岩残积土，在筛除孔径2 mm以上粗颗粒条件下，首先通过击实试验确定其最优含水率，然后以最优含水率为基准，制作不同含水率(ω)试样进行固结排水三轴试验，得到抗剪强度指标c、φ，最后运用origin软件，进行试验数据回归分析，得到其c、φ与ω之间的定量关系式。对原状花岗岩残积土，从文献中选取闽东南地区两类原状花岗岩残积土的c、φ与ω关系统计数据，同样运用origin软件，通过回归分析得到其c、φ与ω之间的定量关系式。研究表明：不论是压实花岗岩残积土还是原状花岗岩残积土，其c、φ与ω之间的定量关系式均为二次函数表达式，具有普遍意义。

花岗岩残积土；抗剪强度指标；含水率；定量关系；待定系数

我国南方大部分地区，分布着广泛的花岗岩残积层。在工程建设中经常面临花岗岩残积土地基承载力或边坡稳定性的分析与评价问题，而抗剪强度指标的合理确定是核心和关键。对花岗岩残积土而言，其区域性、结构性较强，孔隙比大，呈现出中高压缩性[1-3]，且花岗岩残积土的力学性质受水的影响较大，具有亲水性好、浸水软化崩解的特性。花岗岩残积土地基在浸水饱和后其承载力会迅速降低，具有临空面的花岗岩残积土会因浸水而出现软化崩解甚至坍塌的现象[4]。为此，针对花岗岩残积土强度与含水率的定量关系，以福建地区的压实花岗岩残积土和原状花岗岩残积土作为研究对象，通过室内三轴试验和文献数据，采用回归分析法，分别建立压实花岗岩残积土和原状花岗岩残积土的抗剪强度指标与含水率之间的定量关系，据此提出具有普遍意义的定量关系公式，并对其工程应用及进一步研究进行探讨。

1 试验研究

1.1 土样基本物理性质

结合实际工程，试验土样取自深度为12.3～16.8 m的福州市鹤林新城二区某地块。该原状土样土质均匀，呈褐黄、肉红等色，呈湿～稍湿硬塑状态。通过试验得到该土样的基本物理性质指标，见表1；通过筛分试验得到该土样各粒组的分布情况，见表2。

表1 土样物理性质指标

表2 花岗岩残积土粒组分布

由表2可以看出：该花岗岩残积土的粒度分布大致上呈现出“两头多、中间少”的特征，这与文献[5-6]中所得到的结果相同。由福建省《建筑地基基础技术规范》对残积土的命名可知，该土样属于残积砂质黏性土[7]。

1.2 压实土样三轴试验

首先，原状花岗岩残积土土样在室内经过风干、碾碎，并筛除孔径2 mm以上粗颗粒，然后配制成不同含水率，采用YDT-II型土工电动击实仪，通过击实试验确定土样的最优含水率ωop，经试验得ωop=17.4%；其次，以最优含水率ωop为基准，分别取含水率为0.7ωop、0.8ωop、1.0ωop、1.2ωop，按三轴试验要求(试验仪器为SLB-1型应力应变控制式三轴剪切渗透试验仪)，制作四组试样(直径39.1 mm，高80 mm)；最后，分别取固结围压100 kPa、200 kPa、300 kPa，按剪切应变速率0.012% /min[8]，进行固结排水三轴压缩试验。经试验仪器自动采集的不同含水率条件下试样的应力-应变关系，见图1。

图1 试样固结排水剪切试验(σ1-σ3)～ε1关系曲线

由图1可知：在试验围压相同的条件下，试样的强度随着含水率的增加而呈现出降低的趋势，说明含水率对花岗岩残积土的强度影响很大，该结论与文献[9]的研究结果一致。

2 压实土强度指标与含水率的定量关系

为确定抗剪强度指标与含水率的定量关系，依据上述试验数据，绘制摩尔应力圆强度包线，由此得到不同含水率条件下花岗岩残积土试样的黏聚力c和内摩擦角φ，结果见表3。

表3 各含水率试样对应的c、φ值

由表3可知：花岗岩残积土的黏聚力c和内摩擦角φ均会随着含水率的增加而减小，但两者减小的程度呈现出较大差异，其中黏聚力c随着含水率的增加减小显著，而内摩擦角φ受含水率的影响相对较小，其减小趋势较缓。运用origin软件，对表3中的数据进行回归分析，可得到花岗岩残积土的黏聚力c和内摩擦角φ与含水率ω之间的函数关系式，见表4。

表4 c、φ值随含水率变化拟合公式及相关系数

由表4可知：花岗岩残积土压实土样的黏聚力c和内摩擦角φ与含水率之间的拟合关系，均符合二次函数，且拟合效果良好。

3 原状土强度指标与含水率的定量关系

文献[10]分析了含水率和干密度对闽东南地区花岗岩残积土抗剪强度参数的影响，选取其中不同含水率条件下两类原状花岗岩残积土的c、φ值(表5、表6)进行分析。

表5 原状花岗岩残积黏性土抗剪强度指标

表6 原状花岗岩残积砂质黏性土抗剪强度指标

运用origin软件，对表5、表6中的数据进行回归分析，分别得到原状花岗岩残积黏性土和残积砂质黏性土的c、φ值与含水率ω之间的拟合关系，如图2、图3所示。

由图2、图3可知：原状花岗岩残积土的c、φ值与含水率ω之间的拟合关系，也都符合二次函数，且拟合效果良好。

图2黏聚力与含水率关系图3内摩擦角与含水率关系

4 结论与讨论

(1) 原状和压实花岗岩残积土的强度均随着含水率的增加而降低，其抗剪强度指标c、φ值与含水率ω之间存在定量的拟合关系，且均符合二次函数表达式，即

c=a1ω2+b1ω+c1

(1)

φ=a2ω2+b2ω+c2

(2)

式中，a1、b1、c1、a2、b2、c2为待定系数，由试验测定。

(2) 花岗岩残积土因粒组构成不同，物理力学性质及其受含水率影响程度有所差异。表4中的定量关系式是以筛除孔径2 mm以上粗颗粒的压实土样经试验得到的，而图2、图3中的定量关系式是以闽东南地区花岗岩残积土的统计数据研究得到的，在工程实践中，应针对特定土体取样通过试验确定式(1)、式(2)中的待定系数。

(3) 不管是天然花岗岩残积土边坡(如路堑边坡)，还是人工花岗岩残积土边坡(如路堤边坡)，在工程运营期间，受季节性降雨影响，始终处在反复的干湿循环条件下。在本文工作基础上，针对干湿循环条件下含水率变化对花岗岩残积土强度的影响及其定量关系开展深入研究，具有重要的理论与实践意义。

[1] 兰新生．福建沿海花岗岩残积土场地岩土工程勘察浅议[J]．林业勘察设计(福建)，1999(2)：81-84．

[2] 吴能森．结构性花岗岩残积上的特性及工程问题研究[D]．南京：南京林业大学，2005．

[3] 戴继，王铁宏，高广运，等．由压缩试验分析砾质花岗岩残积土的结构特性[J]．地下空间与工程学报，2009，5(4)：675-679．

[4] 吴能森．花岗岩残积土的崩解性及软化损伤参数研究[J]．河北建筑科技学院学报，2006，23(3)：58-62．

[5] 吴能森．花岗岩残积土的分类研究[J]．岩土力学，2006，27(12)：2299-2304．

[6] 张永波，张云，陈戈，等．花岗岩残积土工程类型划分体系研究[J]．地球学报，1997，18(2)：201-204．

[7] 福建省建设厅. 建筑地基基础技术规范：DBJ13-07-2006 [S]．北京：中国建筑工业出版社，2006.

[8] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 土工试验方法标准：GB/T 50123-1999 [S]．北京：中国计划出版社，1999.

[9] 吴能森，赖榕洲，邹文平，等．含水率对花岗岩残积土邓肯-张模型参数影响[J]．武汉工程大学学报，2013，35(9)：18-22．

[10] 许旭堂，简文彬，柳侃．含水率和干密度对残积土抗剪强度参数的影响[J]．地下空间与工程学报，2015，11(2)：364-369．

Quantitativerelationshipbetweenstrengthandmoisturecontentofgraniteresidualsoil

LAI Rong-zhou1, WU Neng-sen2, XU Xu-tang2,CHEN Yi-han1

(1.JinshanCollegeofFujianAgricultureandForestryUniversity,Fuzhou350002,China; 2.CollegeofTransportationandCivilEngineering,FujianAgricultureandForestryUniversity,Fuzhou350108,China)

The compacted soil samples and undisturbed soil of granite residual soil in Fujian province were studied. For compacted granite residual soil, under the sieve aperture of 2 mm above the coarse particle conditions, firstly, the optimal water content is determined by compaction test, and then the water content (ω) specimen is used as the benchmark to make the triaxial test of the consolidation and drainage, and the shear strength index c、φ is obtained, and finally the Origin software is used. The quantitative relationship between c、φ and ω was obtained by regression analysis of test data. According to the statistical data of the relationship between the c、φ and ω of two types of undisturbed granite residues in the southeastern part of Fujian province from the literatures, the quantitative relationship between c、φ and ω is obtained by using the Origin software. The results show that the quantitative relationship between c、φ and ω is two-order expression, which is of universal significance, whether it is compacted granite residual soil or intact granite residual soil.

granite residual soil; shear strength index; moisture content; quantitative relations; undetermined coefficients

2017-06-28

国家自然科学基金项目(41702288)；福建农林大学高水平大学建设重点项目(113-612014018)

赖榕洲(1989—)，女，福建武平人，硕士，助教。

1674-7046(2017)05-0017-05

10.14140/j.cnki.hncjxb.2017.05.004

TU443

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