通城花岗岩残积土的物理力学特性及工程安全性对比研究

2020-05-21晏鄂川谭延嗣柳万里

安全与环境工程 2020年2期

戴航，晏鄂川，谭延嗣，柳万里

(中国地质大学(武汉)工程学院，湖北武汉 430074)

花岗岩残积土是花岗岩风化后残留在原来位置的松散土体，在我国南方地区分布较为广泛，具有孔隙比大、密度低、压缩性大、遇水软化、易崩解、结构性强等特征[1-2]。目前对花岗岩残积土的研究多集中在我国东南沿海一带[3-4],而其在湘、桂、赣三省的出露面积占总面积的10%～20%[5]，特别是在湘赣鄂交界的通城地区分布了较大范围的花岗岩残积土，因气候与东南沿海地区具有明显的差异，花岗岩残积土的红土化程度稍弱，花岗岩残积土边坡普遍存在崩岗、滑塌等不良工程地质现象。花岗岩残积土作为重要的填筑材料，常用于填筑路基，但在扰动和降雨入渗下易发生崩解和软化，造成强度明显降低，易发生路基边坡失稳，威胁工程建设的安全；同时扰动的花岗岩残积土压缩性较大，易导致填筑的路基或地基沉降变形过大，影响道路及建筑的安全[6-7]。因此，有必要针对通城地区所存在的不同类型的花岗岩残积土开展对比研究，探究其物理力学特性的差异及其影响因素，从而对比该地区花岗岩残积土的工程安全性。

对于花岗岩残积土的物理力学特性，国内外学者从多个方面对花岗岩风化过程的相关机制进行了探究，并总结了该类型花岗岩残积土的基本特征[8-11]。如尹松等[12]对压实花岗岩残积土在最优含水率和饱和条件下进行了循环加载试验，结果发现花岗岩残积土在最优含水率下单位和累积塑性应变均最小，动力变形稳定性较好，其含水率增加会增大土体的塑性变形；赵建军等[13]研究发现原状花岗岩土样的先期固结压力在垂向上出现上大下小的异常值，其特殊的化学、矿物成分以及结构强度是产生这种固结特性的主要原因；王志兵等[14]利用扫描电镜对压实花岗岩残积土的微观结构特征进行了分析，结果发现不同含水状态下花岗岩残积土有不同的孔隙和组构特征，导致其抗剪强度产生差异；汤连生等[15]建立了非饱和花岗岩残积土脆弹塑性胶结损伤模型，并通过试验进行了验证；卢有谦等[16]对不同风化程度的花岗岩土持水特性进行了研究，并通过矿物成分和孔隙结构分析，探讨了其对花岗岩土持水能力的影响；阙云等[17]通过控制围压、含水率、三轴剪切方式等对福建非饱和花岗岩残积土的强度特性进行了试验研究。

以上研究表明，花岗岩残特积土的物理力学特性与其矿物成分、颗粒大小、微观结构、孔隙特征、含水状态等多个因素有关，这些因素又受花岗岩残积土的类型、风化程度等控制。为此，本文以鄂东南通城地区所选取的两类花岗岩残积土为研究对象，通过开展土工试验、X射线衍射试验和三轴剪切试验，对两类花岗岩残积土的物理力学性质、矿物组成、固结压缩特性和抗剪强度特性等进行了对比研究，并分析了两类花岗岩残积土的工程安全性，以为合理选用花岗岩残积土进行工程建设提供指导。

1 研究区地质背景及花岗岩残积土的分类

1. 1 研究区地质背景

研究区位于湖北省通城县，在大地构造上属扬子准地台的江南地轴北缘，地形以中低山和丘陵地貌为主，属亚热带季风气候区，年均气温约为15.5℃，降雨量较为充沛，多年平均降雨量为1 554.9 mm。境内河流水系众多，植被茂盛。研究区80%以上的面积分布着燕山期花岗岩，岩性包括二长花岗岩、闪长岩、黑云母斜长花岗岩、黑云母花岗闪长岩等。研究区内分布有北东向展布的较大规模的断裂，其性质主要为压扭性，使得区内花岗岩岩体多呈碎裂结构特征。湿热的气候和地质构造环境为花岗岩的风化提供了有利的条件，在区内形成了较厚的花岗岩残积土层。

1. 2 花岗岩残积土的分类

调查发现，研究区内花岗岩残积土主要分为两种类型:一类为红褐色花岗岩残积土[见图1(a)]，土体具有一定的黏性，无层理，手握可成团，表层土中有机质含量较高，分布有植物根系；另一类为灰白色花岗岩残积土[见图1(b)]，土体颗粒较大，夹杂有强风化碎块石块，密实性较差，稍有黏性，常见有风化未完全的石英、云母等矿物，手搓有砂质感。研究区两类花岗岩残积土在地形上均存在一定的崩岗现象，红色花岗岩残积土斜坡常见整体错落和滑动，白色花岗岩残积土斜坡多见坡面冲刷破坏和崩解，表明区内两类花岗岩残积土的工程地质性质存在明显的差异。

图1 研究区内两类花岗岩残积土工程地质性质的差异Fig.1 Difference of the two types of granite residual soil in engineering geological property in the study area

2 研究区花岗岩残积土的工程地质性质分析

2.1 两类花岗岩残积土的基本物理性质参数和矿物组成分析

2.1.1 两类花岗岩残积土的基本物理性质参数对比分析

研究区两种类型花岗岩残积土分别取自通城县两开挖边坡，按照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—1999)，对两类花岗岩残积土进行了土工试验，获得了其基本物理性质参数，见表1。

由表1可知，研究区两类花岗岩残积土的相对密度相近，相较于白色花岗岩残积土，红色花岗岩残积土的孔隙比e更低、密度更大、天然含水率更高，但其饱和含水率偏低，同时红色花岗岩残积土表现出更强的塑性特征。

2.1.2 两类花岗岩残积土的颗粒级配对比分析

为了降低试样误差，对研究区两类花岗岩残积土各取2组试样进行了颗粒级配分析。先将花岗岩残积土试样烘干以提高其崩解性，用水对其进行充分冲洗，使试样中黏结的土颗粒完全散开；然后综合采用密度计法和筛析法测得两类花岗岩残积土试样的粒径级配，并绘制其不同粒径颗粒含量曲线和不同粒径颗粒累计含量曲线(见图2)，且对获得的两类花岗岩残积土颗粒级配分析参数取平均值，见表1。

表1 研究区两类花岗岩残积土的基本物理性质参数和颗粒级配分析参数

图2 研究区两类花岗岩残积土的颗粒级配分析曲线Fig.2 Particle size distribution curves of the two types of granite residual soil in the study area

由图2可见，红色花岗岩残积土的不同粒径颗粒累计曲线表现为上凸形，白色花岗岩残积土的不同粒径颗粒累计曲线表现为下凹形，前者的细粒组分(<0.025 mm)含量更占优势，而后者则在粗粒组分(>0.5 mm)含量上更占优；两类花岗岩残积土的两个不同粒径颗粒含量曲线都表现出花岗岩残积土特有的双峰值特征，白色花岗岩残积土的两个峰值含量相近，而红色花岗岩残积土的两个峰值呈不对称分布，且细粒组分含量远高于粗粒组分含量，试验数据表明红色花岗岩残积土的黏粒含量高达22.8%，而白色花岗岩残积土的黏粒含量仅为2.6%，根据花岗岩残积土的综合分类法[18],该红色花岗岩残积土为含砂黏土，白色花岗岩残积土为粉土质砂砾。

2.1.3 两类花岗岩残积土的矿物组成对比分析

土的矿物成分对其工程地质性质有较大的影响，通过X射线衍射(XRD)试验，获取土的矿物成分信息，有助于揭示同一地区形成两种颜色花岗岩残积土的成因，也有助于分析其力学性质的差异。

对研究区两类花岗岩残积土均取3组试样进行XRD试验，每组试样分别取自同一斜坡的不同位置，其土样状态相近，最终获得研究区两类花岗岩残积土的典型XRD图谱，见图3。

图3 研究区两类花岗岩残积土的X射线衍射(XRD)图谱Fig.3 X-ray diffraction (XRD) pattern of the two types of granite residual soil in the study area

由图3可见，研究区两类花岗岩残积土的主要矿物成分均为石英、正长石、云母以及黏土矿物高岭石，其中白色花岗岩残积土中还含少量钠长石；除石英有明显的衍射强度峰值外，其余矿物均无显著的衍射强度峰值。

对研究区两类花岗岩残积土各矿物含量进行统计，其结果见表2。

表2 研究区两类花岗岩残积土的矿物成分半定量分析

由表2可知，相较于白色花岗岩残积土，红色花岗岩残积土的正长石和云母含量偏低，石英含量水平相当，但高岭石含量更高；研究区两类花岗岩残积土原岩均为花岗岩，石英、长石和云母为其原生矿物，而高岭石等黏土矿物是原生硅酸盐矿物完全风化的产物，主要是长石等在水、氧、二氧化碳作用下发生化学作用而形成[19]，同时化学组分中的低价铁向高价铁转化成为游离氧化铁，并以针铁矿和赤铁矿的形式赋存下来。上述化学风化作用越强，长石向高岭石转变的程度越大，花岗岩残积土中高岭石含量就越高。对比研究区两类花岗岩残积土中长石和高岭石的相对含量，红色花岗岩残积土中长石向高岭石转变的程度更大，指示其风化程度更高，相应的游离氧化铁赋存含量也更高，含较多Fe3+的赤铁矿使得花岗岩残积土呈红褐色，而白色花岗岩残积土因石英、长石等含量更高而呈灰白色。

另外，由表2还可知，同一类花岗岩残积土斜坡不同位置处矿物含量稍有不同，表明同一斜坡的不同部位花岗岩残积土的风化程度有差异，这可能与花岗岩原岩裂隙的发育情况有关，节理裂隙周围含水条件越好，岩石风化程度越强，黏土矿物的含量越高，而无节理裂隙部位的岩石风化程度较弱，最终在矿物含量上产生明显的差异。

2.2 两类花岗岩残积土的应力-应变关系曲线特征分析

本次通过三轴剪切试验对研究区两类花岗岩残积土的应力-应变曲线特征进行对比研究。

2.2.1 三轴剪切试验方案

将研究区两类花岗岩残积土试样烘干研磨并过2 mm筛，根据试验设置的含水率调制试样，采用规格为φ39.1 mm×h80 mm三轴制样仪，将调制后的试样分4层装入制样桶，每层均匀压实，锤击25下，最后一层压实后，取下护桶并刮平表面，将试样装入橡皮套密封，两端依次放入滤纸和透水石，完成试样制作。

试验采用的仪器为华勘KTG-08型全自动三轴压缩仪(见图4)，对研究区两类花岗岩残积土开展固结不排水(CU)三轴剪切试验。为了探究不同含水状态对两类花岗岩残积土力学性质的影响，并考虑两类花岗岩残积土的天然含水率和饱和含水率，对两类花岗岩残积土分别设置了3组不同含水率ω，红色花岗岩残积土含水率分别设置为18.0%、22.0%和25.8%，白色花岗岩残积土含水率分别设置为13.80%、22.00%和31.36%，每组试验设定4级围压σ3(100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa)，以0.05%/min的恒定轴向应变速率进行加载，直至试样明显破坏或轴向应变达15%时结束试验。

2.2.2 两类花岗岩残积土的应力-应变关系曲线特征对比分析

通过分析土的应力-应变关系曲线，可以对土的力学性质进行研究。对不同含水率和围压下研究区两类花岗岩残积土进行三轴剪切试验，获得了两类花岗岩残积土相应的应力-应变关系曲线，见图5和图6。

图5 不同含水率和围压下红色花岗岩残积土的应力应变关系曲线Fig.5 Stress-strain curves of red granite residual soil with different moisture content and confining pressure

图6 不同含水率和围压下白色花岗岩残积土的应力应变关系曲线Fig.6 Stress-strain curves of white granite residual soil with different moisture content and confining pressure

由图5和图6可以看出：

(1) 从应力-应变关系曲线的形态可见：在低围压(100 kPa、200 kPa)下，红色花岗岩残积土的应力-应变关系曲线表现出应变软化的特征，初始阶段近似呈线性增长，应力达到峰值后，随着轴向应变的增加，应力出现一定程度的降低，而在高围压(300 kPa、400 kPa)下，红色花岗岩残积土的应力-应变关系曲线形态表现为应变硬化型；白色花岗岩残积土的应力-应变关系曲线形态在不同围压下均表现出应变硬化的特征，线性阶段不明显，在达到屈服阶段后，应力仍随轴向应变的增加呈小幅增长。

(2) 在相同围压下，红色花岗岩残积土的峰值应力均高于白色花岗岩残积土，但随着围压的升高，两者之间的差异逐渐减小；在同一级围压下，随着含水率的增加，两类花岗岩残积土的峰值应力均呈降低趋势，但红色花岗岩残积土的峰值应力降低值明显高于白色花岗岩残积土。

红色花岗岩残积土的应力-应变关系曲线随着围压的增加出现应变转型现象，白色花岗岩残积土的应力-应变关系曲线随着围压的增加则一直表现为应变硬化型，而此类红色花岗岩残积土出现的应变转型现象普遍存在于土体中，与土体类别、密实度、排水条件、应力历史等因素有关[20]。这是由于红色花岗岩残积土中黏土颗粒等细粒组分含量较高，粗颗粒间不能相互接触，在低围压下，片状高岭石和云母颗粒产生定向排列，伴随着应变的局部弱化和剪切带的形成，土体的强度降低，其应力-应变关系曲线表现为应变软化型，而随着围压的升高，土体被压密，粗颗粒间形成接触，土体内应力主要由粗颗粒形成的骨架支撑，片状颗粒的定向作用降低，土体强度增大，其应力-应变关系曲线转变为应变硬化型；白色花岗岩残积土中砂粒组分含量占优，应力和变形始终由粗颗粒组成的骨架承担，在剪切加载过程中颗粒间接触紧密，土体强度增大，其应力-应变关系曲线表现为应变硬化型。

2.3 两类花岗岩残积土的变形及抗剪强度参数特征分析

2.3.1 两类花岗岩残积土的固结体积变化特征对比分析

土体的压缩和固结特性是土的工程地质性质之一，在土体试验的固结阶段，试样存在明显的体积减小，试样排出水的体积即为土体固结变化体积，即花岗岩残积土固结时体积压缩量。不同含水率和围压下研究区两类花岗岩残积土的固结变化体积见表3和表4，在各级围压下两类花岗岩残积土的固结变化体积随含水率的变化曲线见图7。

表3 不同含水率和围压下红色花岗岩残积土的固结变化体积

表4 不同含水率和围压下白色花岗岩残积土的固结变化体积

由表3和表4可知，在低含水率下，红色花岗岩残积土和白色花岗岩残积土在各级围压下的固结变化体积均较小；在同处于饱和状态时，红色花岗岩残积土的含水率(25.8%)低于白色花岗岩残积土(31.36%)，但其固结变化体积均大于白色花岗岩残积土，说明红色花岗岩残积土固结时的压缩程度对含水率更敏感，且其具有更大的压缩性。此外，还可以从土粒粒度、成分和土体结构来讨论两类花岗岩残积土的固结压缩特性。红色花岗岩残积土中黏土等细粒含量多，在固结压力下，黏土颗粒间的水膜易被挤薄，土粒间也易相对滑移达到较密实状态，同时扁平状的黏土颗粒在压力下会产生挠曲变形，因此红土有更大的固结体积变化；而白色花岗岩残积土中粗粒的石英、长石含量较多，土体呈单粒结构，在固结压力下，土粒间因发生滑动或滚动而压缩变形，此类土的变形量小于黏性土的压缩变形量。

从表1中可以看出，本文算法的定位正确率是最高的。对于CASIA-IrisV2人眼库，文献[15]和文献[16]的方法都有较好的定位精度，但文献[15]平均耗时明显高于其它算法，对于自采集数据集，文献[16]的方法准确率明显下降，本文的方法仍能保持97.54%的正确率。这充分说明了本文算法的鲁棒性[17-19]。本文算法充分考虑了各种影响定位精度的因素，很好的平衡了精度和速度。

图7 研究区两类花岗岩残积土固结变化体积随含水率的变化曲线Fig.7 Change curves of consolidation volume of the two types of granite residual soil with moisture content in the study area

此外，由图7可见，在同一围压下，红色花岗岩残积土和白色花岗岩残积土的固结变化体积均随含水率的增大呈先缓后陡的增长趋势，在低含水率(小于22.0%)下，两类花岗岩残积土的固结变化体积增长量较小，在高含水率(大于22.0%)下两类花岗岩残积土的固结变化体积迅速增长，且红色花岗岩残积土的固结变化体积增长速率高于白色花岗岩残积土；对于同一种花岗岩残积土试样，不同围压下其固结变化体积随含水率的增长曲线斜率基本一致，表现为在同一含水率下，围压越大，花岗岩残积土的固结变化体积越大，且各级围压间其固结变化体积的差值相近。

花岗岩残积土作为主要的填土材料，已被广泛用于路基或地基填筑。通常情况下，优质的填土材料应具有压缩变形小、渗透性大、水敏性低等特征，根据本文的研究成果，通城地区白色花岗岩残积土的固结变形更小，因此为预防地面沉降、塌陷等地质灾害的发生，在填土时可优先选用白色花岗岩残积土；研究区两类花岗岩残积土在低含水率下变形量均很小，因此要控制填土的含水率，并在填筑时分层压实，以降低花岗岩残积土的固结沉降量。

2.3.2 两类花岗岩残积土的抗剪强度参数特征对比分析

根据不同含水率状态下研究区两类花岗岩残积土的应力-应变关系曲线，基于莫尔-库仑理论，以绘制莫尔破损应力圆公切线的方法求解两类花岗岩残积土的抗剪强度参数，包括黏聚力c和内摩擦角φ，具体抗剪强度参数值见表5，两类花岗岩残积土的抗剪强度参数c和φ值随含水率的变化曲线见图8。

表5 不同含水率下研究区两类花岗岩残积土的抗剪强度参数值

图8 研究区两类花岗岩残积土抗剪强度参数(c和φ值)随含水率的变化曲线Fig.8 Curves of shear strength parameter (c and φ) values of the two types of granite residual soil with moisture content in the study area

由表5和图8可以看出：

(1) 从低含水率到饱和含水率，研究区两类残积土的黏聚力c与含水率呈负相关关系。其中，白色花岗岩残积土的黏聚力c整体偏低，随着含水率的增加其以较低速率近似呈线性衰减；红色花岗岩残积土的黏聚力c远高于白色花岗岩残积土，且随着含水率的增加其呈突变型衰减，当含水率低于22.0%时红色花岗岩残积土的黏聚力c以较低速率衰减，当含水率高于22.0%时其黏聚力c急剧降低，但其数值仍高于白色花岗岩残积土。

(2) 研究区两类花岗岩残积土的内摩擦角φ与黏聚力c有相似的变化规律，当含水率低于22.0%时，红色花岗岩残积土的内摩擦角φ高于白色花岗岩残积土，当含水率高于22.0%时，红色花岗岩残积土的内摩擦角φ的衰减速率增大，两类花岗岩残积土的φ值大小关系发生变化。

本文根据表5中两类花岗岩残积土的抗剪强度参数值，利用库仑强度公式计算σn=100 kPa时两类花岗岩残积土的抗剪强度τ，获得两类花岗岩残积土的抗剪强度τ随含水率的变化曲线，见图9。

图9 σn=100 kPa时研究区两类花岗岩残积土抗剪强度τ随含水率的变化曲线Fig.9 Curves of shear strength τ of the two types of granite residual soil with different moisture content when σn=100 kPa in the study area

由图9可见，在较低的法向应力下，两类花岗岩残积土的抗剪强度τ随着含水率的升高而降低，其曲线变化规律与花岗岩残积土黏聚力随含水率的变化曲线的规律相似，红色花岗岩残积土的抗剪强度高于白色花岗岩残积土。对比图8和图9可知，红色花岗岩残积土的抗剪强度主要由黏聚力提供，其内摩擦角随含水率增加的降低值对整体抗剪强度的影响不大，而白色花岗岩残积土的抗剪强度主要由内摩擦角提供，其内摩擦角随含水率的增加呈线性降低。

由以上讨论可知，红色花岗岩残积土的高抗剪强度主要来自于高黏聚力，且其黏聚力对含水率的变化更为敏感。通过统计得到研究区两类花岗岩残积土中各矿物的平均含量见图10。

图10 研究区两类花岗岩残积土中各矿物的平均含量统计Fig.10 Average mineral content of the two types of granite residual soil in the study area

由图10可见，研究区两类花岗岩残积土中仅长石和高岭石矿物的相对含量发生了较大改变，经前文分析，这是由于两类花岗岩残积土的风化程度不同。红色花岗岩残积土中高岭石的平均含量高达42.46%，由于高岭石为片状的黏土颗粒，比表面积很大，颗粒表面通常带负电，与水相互作用形成双电层，即在颗粒外围形成一层薄膜水，颗粒间通过静电力或形成公共结合水膜而产生吸引力，在宏观上表现为土的黏聚力；当土中含水率适中时，颗粒间形成的吸引力很大，土的黏聚力c较大；随着含水率升高，黏土颗粒表面的水膜厚度增大，颗粒间的吸引力降低，土的黏聚力c也随之降低，且这种颗粒间吸引力随含水率的变化是非线性的，因此红色花岗岩残积土中因高岭石含量高而存在很大的黏聚力，而白色花岗岩残积土中由于高岭石含量相对较低，其黏聚力c也更小。

通过以上讨论可知，红色花岗岩残积土相对白色花岗岩残积土具有更大的黏聚力，且在相同条件下其抗剪强度更高，因此选用红色花岗岩残积土作为路基填土，可提高路基边坡的稳定性，降低坡面受降雨的冲刷破坏；同时，红色花岗岩残积土对水的敏感性较高，在低含水率下其变形小、强度大，因此路基填土时应控制填土的含水率，并做好边坡排水，进一步提高填土边坡的工程安全性。