清水及硫酸溶液浸泡下花岗岩残积土强度演化特征研究

林其隆，黄真萍，曹洋兵，孙加梁,4

(1.福州大学 环境与资源学院， 福建 福州 350116；2.福州大学 国土资源部丘陵山地地质灾害防治重点实验室(福建省地质灾害重点实验室)， 福建 福州 350116；3.地质工程福建省高校工程研究中心， 福建 福州 350116；4. 武汉市建筑工程质量监督站， 湖北 武汉 430019)

花岗岩残积土在我国东南沿海地区广泛分布，厚度多为20 m～35 m[1]，在季节性炎热多雨气候及区域SO42-酸雨环境作用下，土体结构易被损伤破坏，强度急剧劣化，从而造成以该类土体作为承载体或建筑环境的地基、边坡及洞室的破坏失稳灾害。因此，开展花岗岩残积土在清水及硫酸溶液浸泡下强度演化特征研究具有重要理论价值与工程意义。

迄今为止，关于酸性溶液浸泡作用下花岗岩残积土力学参数演化特征研究较少。姬凤玲等[2]研究了硫酸溶液对花岗岩残积土物理力学特性的影响；孙银磊等[3]研究了盐酸浸泡后花岗岩残积土化学成分及抗拉特性变化特征；汤连生等[4]研究了酸碱处理后不同pH值花岗岩残积土的动力响应特征；金旭等[5]探讨了不同pH值的酸及浸泡时间对土的崩解特性的影响。总体上看，上述研究对酸性溶液浓度划分跨度较大，未充分考虑表征花岗岩残积土结构特性的波速演化特征与表征花岗岩残积土溶解程度的质量演化特征。除此之外，与本文主题相关的花岗岩残积土与水耦合作用下的非饱和特征与力学特性研究较多，取得了重要的进展，主要有：多次干湿循环对土-水特征曲线和孔径分布的影响[6]；基于水-土特征曲线分析水土特征滞回圈的原因[7]；基于土-水特征曲线提出基质吸力预测方法[8]；高液限状态下物理特性和剪切特性的试验研究[9]；饱和与非饱和状态下的抗剪强度对比研究[10]；不同原位测试方法对典型剖面的力学特性研究[11]；不同湿热环境下花岗岩残积土的损伤机理[12]；周期剪切荷载作用下强度与变形参数变化规律[13]；不同干湿循环作用下花岗岩残积土小应变刚度特性[14]；非饱和状态下的浸泡崩解机制与崩解速率[15]。上述研究可为本文强度劣化原因分析提供重要支撑，但并未直接涉及清水及硫酸溶液浸泡下花岗岩残积土强度演化特征。

综上所述，为克服现有研究中存在的问题，本文以花岗岩残积土为对象，将H2SO4溶液浓度设置精细化，开展清水及H2SO4溶液作用下的浸泡试验，考虑花岗岩残积土的结构损伤与介质溶解，进行浸泡后试样的波速测试、快剪试验和质量测试，揭示不同浸泡环境下花岗岩残积土的强度演化特征，并从介质溶解角度讨论了强度劣化原因。

1 试样制备及研究方案

1.1 试样来源与制备

本文所用花岗岩残积土试样介于可塑状至硬塑状，呈灰黄色，通过X射线衍射可知其主要矿物成分为石英、长石及高岭土，原岩结构已全部破坏。土体干强度中等，无摇震反应。土体颗粒粒径大于0.5 mm占1.2%，0.075 mm～0.5 mm占17.7%，小于0.075 mm占81.1%，塑性指数Ip为10.8。用静压法制备环刀试样(高20 mm、直径61.8 mm)，压实度96%。

1.2 试验方案

试验目的是揭示清水(相当于酸性溶液浓度为0)及硫酸溶液浸泡下花岗岩残积土强度演化特征。为此，将不同H2SO4溶液浓度和浸泡时间作为试验变量，本次设置的浓度分别为0%、1%、3%、5%和7%，设置的浸泡时间分别为1 d、2 d、4 d、7 d、10 d、13 d、16 d、20 d、24 d、28 d、40 d。具体试验流程为：在环刀试样上下两面先后用滤纸以及透水石进行覆盖，并将凡士林抹在环刀外侧，避免试验过程中酸液腐蚀环刀，再用保鲜膜裹紧并用塑料材质的细绳系缚好；残积土试样浸泡在清水和不同浓度H2SO4溶液中；达到设定浸泡时间后，先后进行波速测试以及快剪试验，最后选取浸泡在不同浓度溶液中40 d后的试样，在105℃的烘干箱中烘干，并称取烘干后试样的质量。

2 试验结果分析

2.1 清水浸泡下强度演化特征

图1为清水浸泡下试样纵波波速与浸泡时间的关系特征。由图1可知，花岗岩残积土试样的纵波波速随着浸泡时间的增大先急剧减小，而后缓慢减小，最终趋于稳定，其中急剧减小主要发生在浸泡0～16 d，从885 m/s减小到690 m/s，缓慢减小发生在浸泡16 d～28 d，从690 m/s减小到648 m/s，浸泡28 d～40 d后纵波波速基本稳定。采用指数函数进行拟合，可获得如下纵波波速-浸泡时间关系式：

(1)

式中:Vp为纵波波速(m/s);t为浸泡时间(d，下同);R2为决定系数(下同)。

图1 清水浸泡下纵波波速随浸泡时间变化曲线

图2为清水浸泡下试样黏聚力与浸泡时间的关系特征。由图2可知，花岗岩残积土试样的黏聚力随着浸泡时间的增大先震荡式减小，而后缓慢减小，最终趋于稳定，其中震荡式减小主要发生在浸泡0～16 d，从28.1 kPa减小到18.5 kPa，缓慢减小为浸泡16 d～28 d，浸泡28 d～40 d后黏聚力基本稳定。采用指数函数进行拟合，可获得如下黏聚力-浸泡时间关系式：

(2)

式中:c为黏聚力(kPa，下同)。

图3为清水浸泡下试样内摩擦角与浸泡时间的关系特征。由图3可知，花岗岩残积土试样的内摩擦角随着浸泡时间的增大先急剧减小，而后震荡式缓慢减小，最终趋于稳定，其中急剧减小主要发生在浸泡0～16 d，从27.7°下降到21.7°，震荡式缓慢减小为浸泡16 d～28 d，从21.7°减小到21.1°，浸泡28 d～40 d后内摩擦角基本稳定无变化。采用指数函数进行拟合，可获得如下内摩擦角-浸泡时间关系式：

(3)

式中:φ为内摩擦角((°)，下同)。

图2 清水浸泡下黏聚力随浸泡时间变化曲线

图3 清水浸泡下内摩擦角随浸泡时间变化曲线

2.2 硫酸溶液浸泡下强度演化特征

图4为不同浓度H2SO4溶液浸泡40 d后试样纵波波速与H2SO4浓度的关系特征。由图4可知，花岗岩残积土试样纵波波速随着H2SO4浓度的增大先急剧减小，而后缓慢减小并趋于稳定，其中急剧减小主要发生在H2SO4浓度0%～3%范围内，从642 m/s降低到431 m/s，缓慢减小并趋于稳定发生在H2SO4浓度3%～7%阶段，波速从431 m/s下降到406 m/s，同时此阶段曲线斜率逐渐变小，纵波波速逐渐趋于稳定。采用指数函数进行拟合，可获得如下纵波波速-硫酸浓度关系式：

(4)

式中:ω为硫酸浓度(%，下同)。

图5为不同浓度H2SO4溶液浸泡40 d后试样黏聚力与H2SO4浓度的关系特征。由图5可知，花岗岩残积土试样的黏聚力随着硫酸浓度的增大先急剧减小，而后缓慢减小趋于稳定，其中急剧减小主要发生在H2SO4浓度0%～3%范围内，黏聚力从14.86 kPa减小到6.96 kPa，缓慢减小并趋于稳定发生在H2SO4浓度3%～7%阶段，黏聚力从6.96 kPa减小到5.25 kPa，同时此阶段曲线斜率逐渐变小，黏聚力逐渐趋于稳定。采用指数函数进行拟合，可获得如下黏聚力-硫酸浓度关系式：

(5)

图4 硫酸中浸泡40 d后纵波波速随H2SO4浓度变化曲线

图5 硫酸中浸泡40 d后黏聚力随H2SO4浓度变化曲线

图6为不同浓度H2SO4溶液浸泡40 d后试样内摩擦角与H2SO4浓度的关系特征。由图6可知，花岗岩残积土试样的内摩擦角随H2SO4浓度的增大减小，其H2SO4浓度0%～7%阶段内摩擦角总体从21.1°减小到10.29°，其中，浓度5%～7%阶段内土体内摩擦角下降1.44°，而浓度0%～1%阶段内，土体内摩擦角却下降2.79°，平均下降速率是前者的3.88倍。采用指数函数进行拟合，可获得如下内摩擦角-硫酸浓度关系式：

(6)

2.3 损伤演化特征

为定量表征不同浓度溶液浸泡下花岗岩残积土损伤特征，定义强度和波速损伤变量。其中，强度损伤变量计算公式如下：

(7)

式中:R0为试样初始黏聚力、内摩擦角；Ri为试样浸泡后黏聚力、内摩擦角；D为强度损伤变量。

参考文献[16]，定义波速损伤变量如下：

(8)

式中:V0为试样初始纵波波速；Vi为试样浸泡后纵波波速；DV为试样的波速损伤变量。

图7为花岗岩残积土试样的黏聚力、内摩擦角和纵波波速三者定义的损伤变量与浸泡时间的关系特征，由图7可知，黏聚力、内摩擦角和纵波波速损伤变量随着浸泡时间的增加而增加，并逐渐趋于平稳。总体来说，三种损伤变量在0 d～16 d快速增加，16 d～28 d小幅度增加，28 d后趋于平稳，其中黏聚力和纵波波速定义的损伤变量变化量值相近，而内摩擦角损伤变量在10 d后的数值变化较前两者小。

图6 硫酸中浸泡40 d后内摩擦角随H2SO4浓度变化曲线

图7 清水浸泡下损伤变量随浸泡时间变化曲线

由图7可知，随浸泡时间变化的黏聚力和纵波波速损伤变量曲线变化特征十分相似，将浸泡在清水中所采集到的黏聚力和纵波波速数据绘制成图8，由图8可知，二者呈强相关关系，说明土体浸泡在清水中，黏聚力和纵波波速受损伤程度基本保持同步，进一步用对数函数进行拟合，拟合公式如下：

c=-106.899+21.609ln(Vp-362.856),

R2=0.9732

(9)

图8 清水浸泡下黏聚力与纵波波速关系曲线

图9为花岗岩残积土试样的黏聚力、内摩擦角和纵波波速三者定义的损伤变量与H2SO4浓度的关系特征。由图9可知，黏聚力、内摩擦角和纵波波速损伤变量随着H2SO4浓度的增加而增加，增长速度先快后慢，最终趋于平稳。在相同H2SO4浓度下，纵波波速和黏聚力的损伤变量曲线较为相近，且均比内摩擦角大。其中，黏聚力和纵波波速的损伤变量在浓度0%～3%阶段增加较快，浓度3%～7%阶段无明显变化，基本趋于稳定，突变点在3%；内摩擦角损伤变量则在浓度0%～5%阶段快速增长，浓度5%～7%阶段增长速度有所下降，整体曲线随着浓度增加有趋于平稳的趋势。

图9 硫酸中浸泡40 d后损伤变量随H2SO4浓度变化曲线

由图9可知，随H2SO4浓度变化的黏聚力和纵波波速损伤变量曲线变化特征十分相似，将不同浓度H2SO4溶液中浸泡40 d后所采集到的黏聚力和纵波波速数据绘制成图10，由图10可知，二者呈强相关关系，说明土体浸泡在不同浓度H2SO4溶液中，二者是同步受到影响，进一步用对数函数进行拟合，拟合公式如下：

c=-16.301+5.566ln(Vp-359.957),

R2=0.9821

(10)

图10 硫酸浸泡下黏聚力与纵波波速关系

3 结 论

(1) 浸泡在清水中的花岗岩残积土试样，其黏聚力、内摩擦角和纵波波速随浸泡时间增加先快速减小，后缓慢减小，最终趋于稳定，且三者随浸泡时间的变化特征均呈指数衰减。

(2) 浸泡在不同浓度H2SO4溶液中的花岗岩残积土试样，其黏聚力、内摩擦角和纵波波速均随H2SO4浓度增加而下降，且呈指数衰减。

(3) 分别以黏聚力、内摩擦角和纵波波速定义试样的损伤变量，均随浸泡时间增长而增大，后趋于稳定，随着H2SO4浓度增加，先增大后趋于稳定，其中黏聚力和纵波波速定义的损伤变量变化特征基本一致。

(4)黏聚力、纵波波速可采用对数函数进行拟合，拟合程度高，说明通过纵波波速推算黏聚力具有一定可行性。