玄武岩残积土的物理力学特性研究

2020-03-30张瑞敏

水利与建筑工程学报 2020年1期

张瑞敏

(郑州工商学院工学院, 河南郑州 451400)

玄武岩残积土是由玄武岩完全风化后，残留原地或经过短途搬运后堆积的特殊土。我国西南地区分布着大量玄武岩残积土，由于受到冬干夏湿、多雨、亚热带高原气候的影响，其风化物具有稳定性差、孔隙比大、液塑限高、强度低等特性，导致路堤与路基易发生工程事故和地质灾害。因此，开展玄武岩残积土的物理力学特性研究，并在此基础上提出工程治理方案，很有必要。在贵州省境内，贵州红黏土的铁铝含量从西部的高原地区向东部的山地丘陵地区逐渐减少[1-3]，不同地区的玄武岩残积土具有不同的特性，依据塑性指标，玄武岩残积土一般分为黏土、粉质黏土[4]。苏盛伟等[5]雷州半岛某风电场玄武岩残积土进行土工试验，揭示该地区土的工程地质特性。冯春燕等[6]对海口美兰国际机场研究玄武岩残积土的物理力学特性通过进行室内常规土工试验、膨胀及收缩试验。王国华等[7-8]对雷州半岛的玄武岩残积土的物理特性进行了研究，得出残积土在天然状态下风化比较强烈，具有高液塑限性、高孔隙比、高含水率、高压缩性等特性。谢春庆等[9]以滇西的全风化、强风化玄武岩为基础，对其分布特征、力学性能、粒度成分、塑性指标、压实性能以及CBR值进行了研究，建立了不同指标的相关关系，并对玄武岩残积土作为填料的工程性质进行了评价。刘振华等[10]通过物理击实实验，得出水泥稳定碎石最佳含水率和最大干密度线性相关性能。慕焕东等[11]基于室内压缩实验，研究不同砂粒含量对砂质黄土力学性质的影响；而玄武岩残积土因特殊的气候，导致玄武岩残积土具有特殊物理力学特性，故对玄武岩残积土进行物理试验和压缩试验，分析其物理力学性能，了解玄武岩残积土的特性及本质。

1 玄武岩残积土的物理试验

试验土样取自赫章县毕节高速路段代表性土样，以棕红色和黄褐色风干混合土样为例，如图1所示。

图1 棕红色和黄褐色残积土土样

将取得的土样混合，放置通风处风干，然后在橡皮板上碾碎，分别取一定量的土过5 mm、2 mm和0.5 mm的筛，为物理力学特性和治理试验做准备。利用烘干法测定其风干含水率，完成三个平行试验，取其平均值，结果ω=4.5%。

试验操作方法和制作工程严格按照《土工试验规程》[12](SL 237—1999)，展开残积土的物理试验，其内容包括：界限含水率试验、击实试验、比重试验、颗粒分析试验。

1.1 界限含水率试验

取过0.5 mm筛的风干残积土200 g，放入器皿中，添加蒸馏水至浸透土样，用调土刀调匀，放置24 h，采用LP-100型光电式液塑限联合测定仪测定，测定仪圆锥质量为76 g。然后求其液限、塑限、塑性指数。平行试验2组，取平均值，结果如表1所示。

表1 界限含水率

由表1可知，玄武岩残积土的液限大于40，塑性指数在10～17范围内，可知残积土属于粉质黏土。

1.2 比重试验

由于玄武岩残积土的粒径小于5 mm，故选用比重瓶法测定。取3组平行试验，测定结果根据计算公式(1)所得。

(1)

式中：Gs为土粒比重；ms为干土重，g；m1为瓶水总重，g；m2为瓶水土总重，g；Gwt为t℃时蒸馏水的比重，g。

由公式(1)得出，残积土的比重为2.729，则可知玄武岩残积土属于粉质黏土，也为细粒土。土的比重主要由其矿物成分决定的，不同地区土中所含矿物成分不同，则土的比重就不同，但是一般变化幅度不是太大。

1.3 颗分试验

一般地，不同地区的土，具有不同的颗粒级配，需要对土样进行颗粒级配。试验取土样800 g，由于土粒较细，首先把800 g土样先用蒸馏水进行洗土，得到大于0.075 mm的土颗粒不到10%，故将小于0.075 mm的土颗粒进行烘干，取30 g用密度计法进行颗粒分析试验，结果曲线图如2所示。

图2 颗粒分布曲线

由图2可以看出，玄武岩残积土的颗粒主要集中于0.005 mm以下的黏粒，黏粒含量达67.83%以上，而粉粒0.005 mm

残积土粒组成分主要以黏粒为主，粉粒次之。当土处在塑性状态时，含水率的变化引起的土体体积变化，小于0.002 mm的胶粒含量越高，土与水的相互作用越强烈，故含水率对玄武岩残积土的影响比较大，

1.4 击实试验

在路基填料施工中，填料的最大干密度和最优含水率是控制路基填筑质量的必要条件，故对残积土进行击实试验，得到残积土的最大干密度和最优含水率，掌握填料的压实特性。

根据规范[12]，试验采用重型击实仪进行，配五种含水率的土样，密封24 h后进行击实试验。试验采用小击实筒，每个试样分五层进行击实，每层27击，单位体积的击实功为2 687 kJ，试筒体积为997 cm3。往击实筒添加土料之前，在筒内壁均匀涂抹一薄层凡士林，是为了避免击实筒内壁与土体摩擦对试验结果造成影响。击实锤从规定的高度自由下落，保证击实均匀，余土高度严格控制在4 mm范围内，击实完成后，削平击实筒外的土[13]。试验数据根据公式(2)得到最大干密度和最优含水率，然后进行第2次击实，配制第1次击实所得的最优含水率的土样，然后以最优含水率左右各升降1%配制土样，再次进行击实。试验结果如图3所示。

(2)

式中：ρd为干密度，g/cm3；ρ为湿密度，g/cm3；ω为含水率。

从图3中可知，残积土的最优含水率为25.5%，最大干密度为1.61 g/cm3。在开始阶段，随着含水率的增大，土的干密度也随着逐渐增大，当达到最大含水率时，土的干密度也达到了最大值，之后土的干密度随着含水率的增大而呈现快速降低的趋势。曲线在最优含水率的左侧，上升比较缓慢，右侧迅速下降，呈现不对称分布，这说明土对含水率的变化有较强的敏感性。在击实试验中，当含水率较小时，土体松散，较难压实，土颗粒易从击实筒中溅出；随着含水率增大时，试样出现“弹簧”现象，也是较难击实，并且击实过程中筒底底部有水溢出，试样较难从击实筒中取出。由于残积土的最优含水率(25.5%)与其塑限(塑限为37.7%)相差很多，表明击实曲线与饱和曲线相差很远，并且土样即使达到了最大干密度，土的饱和度仍然比较低，孔隙也比较大。

2 玄武岩原状残积土的压缩试验

土的压缩是指土在外荷载作用下，体积减小，引起土体变形和压缩。试验通过压缩试验，测定原状土样(棕红色和黄褐色两种)的e-p曲线和e-lgp曲线，得出土的压缩系数和回弹指数。

2.1 试验制样及试验步骤

采用环刀切取原状土，环刀内径为61.8 mm，高度为20 mm，首先用刀将整块的原状土修成大于环刀直径的柱状，然后轻轻下压，等环刀装满之后，用刮刀刮平，在环刀切削过程中，保证试样的受压方向与天然土层受荷方向是相同，并且细心观察试样并记录其层次、颜色以及有无杂质。

按照加载—卸载—再加载的方法进行压缩试验。具体试验步骤如下：

(1) 首先涂抹一层凡士林沿环刀外壁，然后以刀口方向向下装入护环内，同时在侧限压缩仪底座由下到上依次放入透水石、滤纸，之后将带有土样的环刀对准底座放入容器滤纸上，接着环刀中的试样进行挤压，取出环刀，在试样上面依次放入滤纸、透水石，放入加压框架正中。

(2) 然后装上加压装置，保证各部件平稳，接触良好，装好百分表，开始预加压，压力为1 kPa，记录初始读数。

(3) 初始读数记录之后，卸压，将百分表读数调整为0，开始加第一级荷载25 kPa。试验采用加载比为1∶0.5，初始荷载从25 kPa开始，则加载大小及顺序按照表2进行。开动秒表，读取0 s、15 s、1 min、2 min、4 min、6 min、9 min、12 min、16 min、20 min、25 min、30 min、36 min、42 min、49 min、64 min、100 min、200 min、400 min、23 h、24 h……直至稳定为止的读数，一般稳定时间需要为24 h左右。

表2 压缩试验的加卸载方式

(4) 在试验中，需要用湿棉纱围住透水面的四周，避免水分蒸发[12,14-15]。

试验时，随着竖向压力pi不断施加，试样出现不同程度变形，用百分表测出土体稳定时的数据根据式(4)求沉降量Si，这样按式(5)可求出各级荷载作用下的孔隙比ei。从而绘出e-p曲线和e-lgp曲线，由式(6)和式(7)求得压缩系数和回弹模量。

将得到的数据进行计算，首先计算试验开始时的孔隙比：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：e0、e1、e2、ei均为孔隙比，e0为开始孔隙比；e1为p=0.1 MPa荷载下压缩稳定后的孔隙比；e2为孔隙比ei的荷载p=0.2 MPa的孔隙比，ei为某一荷载作用下稳定后的孔隙比，计算至0.01；ρs为土粒的密度，g/cm3；ρ0为开始时试样的密度，g/cm3；Si为某一级荷载下的沉降量，mm/m；ΣΔhi为某一级荷载下的总变形量，mm；h0为试验起始高度，mm；a为压缩系数，MPa-1；Cc为压缩指数；Cs为回弹指数；p1、p2分别为孔隙比e1、e2所加荷载，kPa。

2.2 玄武岩残积土e-p曲线和e-lg p曲线结果分析

根据玄武岩残积原状土的压缩试验，按式(3)、式(4)、式(5)对数据进行计算后，得到e-p曲线和e-lgp曲线，分别如图4和图5所示。

图4 残积原状土e-p曲线

图5 残积原状土e-lg p曲线

由图4可知，试样在开始时，在相同荷载作用下，棕红色残积土的孔隙比比黄褐色的孔隙比大，在开始的加载-卸载中，孔隙比下降的较快，卸载后的孔隙比有回弹现象，但是卸载再加载，孔隙比随着压力增大出现下降趋势，并逐渐趋于平缓。红棕色残积土的孔隙比与黄褐色下降的幅度相当。

从图5中可看出，两种土都有明显拐点，这也说明了土体在压力增大过程中产生了结构屈服力。在土的压缩力低于其屈服力时，土体呈现自我调整状态，土体比较松散，呈线性变化，土体很快趋于稳定；但是当压缩压力超过土的结构屈服力时，土体结构逐渐被破坏，土粒间相互作用增大，压缩到稳定的过程也比较缓慢，所以曲线逐渐趋于平缓状态。

2.3 压缩系数和回弹指数结果分析

根据e-p曲线和e-lgp曲线，其斜率分别是压缩系数和回弹指数，按式(6) 和式(7)求得，得到原状土的压缩性指标如表3所示。

表3 原状土样标准压缩试验结果

由表3可知，黄褐色原状土的压缩系数比红棕色的大，棕红色和黄褐色残积土的压缩系数0.1 MPa-1≤a1-2<0.5 MPa-1，均属于中压缩性土；而回弹指数则呈现相反趋势，棕红色土较大，说明棕红色比黄褐色残积土的回弹大。

由于土的力学特性是建立在土颗粒组成和结构之上，又与土的状态、密实度密切相关，压缩系数常用来评价土的压缩性，压缩系数愈大，则土的压缩性愈高，反之则低，由表可知，黄褐色残积土的压缩性比棕红色的高，且黄褐色残积土接近高压缩性土，所以黄褐色残积土较难压实。

2.4 侧限压缩变形ε-t曲线结果分析

随着压力的增大，其变形也会随着改变，土体稳定变形Si按公式(4)计算。则两种原状土样天然状态的ε-t曲线，如图6所示。

根据图6可知，两者的应变均比较小，且应变都在0.1之下棕红色在连续两级加载的变形比黄褐色的大些，同时也可以看出，随着时间的延长，其变形量越大，但是都是在很短的时间内趋于平衡；并且随着荷载压力的增大，其变形量逐渐增大。棕红色残积土变形量比黄褐色残积土大的原因，就是由于在刚开始时，棕红色残积土的孔隙比比黄褐色的大些。

图6 原状土ε-t曲线

两者均在压缩过程中，应变曲线在很短的压缩时间内，由陡变缓，这也表明了其应变速率下降的比较快，并且很快趋于平衡。即压力低时，应变速率变化明显，但是很快趋于稳定，随着压力增大，曲线关系逐渐趋于稳定，一般，土体压缩变形曲线趋势基本一致，这是因为土体比较松散，在压缩时，只需要克服很小的作用力就会产生滑移，但是很快会趋于平衡，但是土体后期压缩至稳定的过程会相对缓慢些，原因是：随着压力增大，土粒间相互作用会变得更大，土体变得越来越密实。