压实花岗岩残积土的崩解特性试验研究

2021-09-06白林杰李新明付英杰王玉隆

长江科学院院报 2021年9期

尹松，白林杰，李新明，付英杰，王玉隆

(1.中原工学院建筑工程学院，郑州 450007； 2.中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室，武汉 430071)

1 研究背景

花岗岩残积土在我国南方湿热多雨地区大量富存，是特定气候、地质环境下的产物，具有较高的结构强度，主要由石英、高岭石、伊利石、长石等矿物组成，未经搬运和分选[1]。由于花岗岩残积土铁、铝等较稳定的化合物显著富集，而不稳定的各种氧化物被大量淋滤，多为棕红色、褐黄色及灰白色相间的网纹砾质、砂质黏性土[2]。受颗粒组成和微结构特征的影响，该类土具有较强的水敏性，工程实践中，炎热多雨的气候条件易导致花岗岩残积土遇水快速崩解，土体性能弱化，直接威胁其填筑工程的安全性及稳定性[3-6]。

目前研究者们已经针对天然花岗岩残积土的崩解特性展开了大量研究，如唐军等[7]通过不同风化程度残积土的浸水崩解特性试验研究，认为土的矿物成分、颗粒大小、含水率和外部因素对其崩解特性产生重要影响；李建新等[8]对南岳全风化花岗岩进行了崩解特性试验，认为其崩解过程分为缓慢、快速及稳定三个阶段，失水方式直接影响土的崩解时间；张先伟等[9]研究了干湿循环作用下玄武岩残积土的崩解特性，分析了多雨气候对于风化土崩解过程及相关变量的影响。苏华等[10]研究了坑底被动区花岗岩残积土受水浸泡后力学性能急剧降低对基坑的影响。相关研究已经充分证明天然花岗岩风化土的崩解特性受其风化程度和物理状态影响显著,崩解过程存在多样性。

随着我国东南沿海经济带高速铁路、公路及城市轨道交通建设的迅猛发展，穿越花岗岩残积土层的工程量逐年增加，深入研究压实花岗岩残积土持力层的崩解特性对于沿线风化土的有效利用具有重要的工程意义。对于压实花岗岩残积土崩解特性的研究可借鉴天然花岗岩残积土崩解特性的研究思路，深入分析各因素的影响规律，定量评价压实花岗岩残积土崩解特性的敏感因素，为其工程应用提供理论和技术支撑。而目前考虑氧化物含量、含水率及密实状态等因素对压实花岗岩残积土崩解特性的相关研究较少，与残积土富集区基础设施建设的蓬勃发展不尽协调。

综上所述，本文考虑氧化铁含量和土样物理状态的影响，制备不同氧化铁含量、含水率和干密度压实花岗岩残积土土样进行崩解试验研究,分析各种因素对压实花岗岩残积土崩解过程及其相关指标的影响规律。研究可为该类土作为路基填料的施工与设计提供技术支持和理论指导。

2 试验设计

2.1 土样来源与制备

土样取自深圳市南山区桂庙路快速化改造二标工程现场(22°31′34.52″N，113°54′44.79″E)，为第四系中更新统残积层(Q2el)，取样深度为12～14 m。由于风化类土的表观颜色是其氧化物含量差异所致，而其氧化物含量能够在一定程度表示其风化程度[11],所以在现场选取颜色差异较为明显的3类土作为典型土样，土样颜色分别为棕红色、褐黄色、灰白色。

采用压样法制备崩解土样，土样高为40 mm，内径为61.8 mm。制样时首先对散土进行碾碎、除杂、风干并测定其风干含水率；然后根据土样控制含水率添加不同质量的水，密封12 h；最后根据土样的控制干密度，将相应质量的散土分3层倒入钢制模具，每层捣实并刮毛，利用千斤顶一并压实。

2.2 土样的基本物理指标

所取花岗岩残积土的基本物理特性指标如表1，颗粒级配曲线如图1，该类土属于高液限黏土。根据土的颗粒组成，可将其归类为砂质黏性土[12]。利用X射线衍射测定其氧化物成分如图2所示。由图2可看出，土中主要氧化物为SiO2、Al2O3及Fe2O3。3类土中，SiO2、Al2O3含量较为相近，而Fe2O3含量差异相对较大，其中棕红色土中Fe2O3含量最大，其次为褐黄色，灰白色土中最少，可以认为土样颜色的差异主要是由其Fe2O3含量差异所致。

表1 花岗岩残积土的物理特性指标Table 1 Physical properties of granite residual soil

图1 花岗岩残积土的颗粒级配曲线Fig.1 Particle distribution curves of granite residual soil specimens

图2 花岗岩残积土的主要氧化物含量Fig.2 Main oxide content of granite residual soil

2.3 试验方案

试验方案如表2，棕红色、褐黄色及灰白色土样初始含水率ω为14%～23%，干密度ρd为1.5～1.7 g/cm3。为保证试验的准确性，每组试验选择两组试样进行平行试验，计算崩解性能指标时，取其平均值作为试验结果。

表2 压实花岗岩残积土的崩解试验方案Table 2 Disintegration test schemes for compacted granite residual soil

2.4 试验仪器与试验方法

崩解试验装置如图3。试验开始前向圆柱形玻璃水槽注入适量的水，将土样放在金属方格网中央，水平把持浮筒顶端，匀速将土样浸入玻璃容器内启动秒表，与此同时记下浮筒的初始刻度值。试验同时用摄像机记录崩解过程，每次间隔30 s测记浮筒齐水面处的刻度值，观察测记时段土样的崩解状态。根据土样崩解的快慢，适当调整测记时间间隔。试验结束标准为土样完全通过金属方格网崩解落下或保持体积恒定。本文采用文献[13]提出的崩解量公式及文献[14]中提出的平均崩解速率指标，浸水过程中土的崩解量At可表示为式(1)，Vt为土样在某个时间段(ti～ti+1)的平均崩解速率(mm·min-1)，如式(2)。

图3 崩解试验装置Fig.3 Disintegration test device

(1)

式中：Rt为浮筒在时间t时的刻度读数(mm)；R1为土样全部浸入水中的瞬时刻度读数(mm)；R0为浮筒和金属网以空载方式浸入水中时的刻度值(mm)，为提高数据准确度，采用多次空载方式测取平均值。

试验过程中，水浸入土体内部所逸出的孔隙气会影响试样所受浮力，致使测得的崩解率较实际值偏低。为避免这些误差影响，参考文献[9]和文献[13]方法，第一步通过平行试样率定一个读数R1，第二步在金属网上放置隔水塑料板，对另一相同试样进行试验，崩解物最终会落在隔水塑料板上，崩解完成时浮筒读数为R2。试验过程中试样的化学成分溶解于水对水的密度的改变可以忽略不计。假设土中气体在崩解过程中均匀逸出，试样崩解共历时Tt，在某一时刻t，浮筒读数Rt，则气体逸出量在浮筒读数变化上为(R2-R1)t/Tt，根据各时刻的At可绘制出修正过后的崩解曲线。

3 崩解过程对比与分析

根据表2中试验方案完成了36组崩解试验。整体而言，当压实花岗岩残积土样浸水后便有气泡从表面微裂隙中冒出，伴随着表层细颗粒土体慢慢扩散；随之土样产生粒状、片状崩解，水逐渐浑浊，土样上表面出现环状裂缝，且裂缝宽度逐渐增大，进而发生沿环状裂缝的边缘块状塌落；试验后期，出现纵向裂缝，有数量密集的小气泡，偶尔出现大气泡，崩解速率相对变缓。崩解物以小颗粒-碎屑-泥状形式逐渐剥离于土样，直至完全崩解。

对比不同氧化铁含量和物理状态压实花岗岩残积土的崩解过程可发现，土样含水率和干密度对于土的崩解形态和整体趋势影响较小，崩解过程相近，而不同氧化铁含量土样的崩解过程及形态差异明显，如图4所示。氧化铁含量最高的棕红色土崩解较快，气泡更多，崩解程度更为剧烈，现象也更明显，如图4(a)所示；其次是褐黄色土样如图4(b)；最后是灰白色土样如图4(c)。具体崩解过程描述如表3所示。

图4 压实花岗岩残积土崩解过程Fig.4 Disintegration process of compacted granite residual soil

表3 不同风化程度残积土的崩解特征Table 3 Disintegration characteristics of residual soil with different weathering degrees

4 压实花岗岩残积土的崩解特性分析

4.1 崩解率

为评价氧化铁含量及土样物理状态对压实花岗岩残积土崩解率的影响，绘制了各因素影响下花岗岩残积土崩解率和时间的发展曲线。由于氧化铁含量对土样崩解率的影响规律基本相同，所以文中仅列出棕红色土的崩解率发展曲线，如图5所示。

图5 相同干密度不同含水率的棕红色土崩解率发展曲线Fig.5 Development curves of disintegration rate of brown-red soil with the same dry density and varied water content

由图5可知，不同含水率和干密度下，压实花岗岩残积土均达到完全崩解，即崩解率达到100%。崩解试验过程中，土样的崩解过程主要分为2个阶段，分别为缓慢崩解阶段Ⅰ、快速崩解阶段Ⅱ，如图6所示。

图6 崩解阶段Fig.6 Disintegration stages

阶段Ⅰ主要为土样吸水阶段，土样浸水约0～3 min，表面基本没有裂纹出现，崩解曲线的斜率较小，崩解量约为5%；阶段Ⅱ中土样在非饱和状态下充分吸水后，表面出现裂缝并发生贯穿联结，崩解时间与崩解量基本呈线性关系，且崩解曲线斜率急剧增大，土体大量崩解，崩解量达到90%以上。周小文等[15]对重塑花岗岩残积土崩解特性的研究中也得到了类似结论。而李建新[16]对南岳花岗岩残积土进行崩解特性研究中，总结出原状土样的崩解过程分为缓慢、快速及稳定3个阶段，说明花岗岩残积土的结构性对其崩解过程同样存在影响，对其崩解特性分析时不宜相互套用。

4.2 崩解速率

为评价氧化铁含量、含水率及干密度对压实花岗岩残积土崩解速率的影响，绘制不同主要变量下土样崩解速率和时间的发展曲线，如图7—图9所示。

图7 不同含水率下棕红色土崩解速率发展曲线Fig.7 Development curves of disintegration rate of brown-red soil with varied water content

图8 不同干密度的棕红色土崩解速率发展曲线Fig.8 Development curves of disintegration rate of brown-red soil with different dry densities

图9 不同氧化铁含量残积土的崩解速率发展曲线Fig.9 Development curves of disintegration rate of residual soil with varied iron oxide content

通过整理不同氧化铁含量及物理状态压实花岗岩残积土的崩解速率发展曲线，将土的崩解速率大致可划分为A、B、C 3种不同的发展模式，如图10所示。

图10 崩解速率发展模式Fig.10 Development modes of disintegration rate

模式A：崩解速率随着崩解时间呈现先整体上升式发展，短期内达到峰值，然后呈迅速减小趋势。

模式B：在较短时间内崩解速率便达到最大值，然后土样在此崩解速率下持续稳定崩解。

模式C：崩解速率存在两个甚至多个峰值。分析图7—图10可发现，当ρd为1.5 g/cm3时，压实花岗岩残积土的最大崩解速率随含水率的递变规律性较差；整体而言，当ρd≥1.6 g/cm3时，土的最大崩解速率随含水率的增大而逐渐减小。相同含水率时，随着干密度增大，压实花岗岩残积土的最大崩解速率逐渐减小。氧化铁含量最高的棕红色土最先发生快速崩解，其次是褐黄色土，最后是灰白色土；最大崩解速率也因为氧化铁含量高低表现为棕红色土>褐黄色土>灰白色土。

4.3 完全崩解时间

整理不同氧化铁含量压实土样完全崩解时间随其含水率的变化关系，如图11所示。

图11 不同氧化铁含量压实土样完全崩解时间随其含水率的变化关系Fig.11 Curves of time required for complete disintegration against influencing factors

由图11可知，相同含水率下，压实土样的完全崩解时间随着干密度的增大而逐渐增大，随氧化铁含量的增大而减小。整体而言，土样的完全崩解时间在其密度较低时(ρd=1.50 g/cm3)受含水率影响较小，而当其干密度>1.60 g/cm3后，在ω>20%时大幅增大。

5 分析与讨论

由上述分析可知，不同氧化铁含量和物理状态压实花岗岩残积土最终都能完全崩解，即崩解率达100%。与曾鹏[17]、张抒[18]等对不同压实度的花岗岩残积土进行崩解特性试验研究结论一致。这说明花岗岩残积土具有较强的水敏性，且土样中粉粒含量较多，在水的作用下，粒间斥力增强，颗粒间联结性能较弱，遇水容易丧失其粘附特性而形成散粒结构，其结果导致土体应力不平衡，因而产生应力集中现象，最终使得土体发生软化，在结构上失去连结作用而崩解破坏。

文中研究表明压实土的完全崩解时间随着含水率的增加变化规律不完全一致。如ρd>1.50 g/cm3，含水率>20%时，土体完全崩解时间大幅延长。这是因为水分子是通过孔隙或裂隙慢慢渗入土体内部，土体内部气体压力增大，气体压力来不及释放，进而逸散到周围以及通过对气体的挤压，使较高含水率的土以颗粒状或片状被挤出，与母体分离进而崩解。对于非饱和土，土壤中存在着基质吸力，且基质吸力在一定程度上影响着土壤的渗透性。随着含水率的增加，土体之间基质吸力减小，渗透性降低，水分子很难渗入，崩解速率降低所致。压实花岗岩残积土的最大崩解速率随着干密度的增大而逐渐减小，完全崩解时间增大。这是因为土中的空隙及裂隙为水的入侵提供了有利的条件，土的密实度增大后，孔隙中部分气体被挤出，有些孔隙成为封闭孔隙，孔隙率减小，渗透性减弱，水分侵入路径受阻所致。对于初始含水率、干密度等因素来说，由于较小的初始含水率和干密度使得非饱和的花岗岩残积土体的基质吸力增加，导致土体在吸水时产生较大的吸力压力差，在这种较大的不平衡吸力的作用下，土体更容易发生崩解破坏，所以较小的初期含水率和干密度的土样，其崩解速率也就较快，完全崩解时间越短。

此外，花岗岩残积土在淋滤作用下产生了较多的游离氧化物组成的胶结物，其中游离氧化铁含量差异较大，研究土样随氧化铁含量增大崩解特性更为明显，含有较高游离氧化铁的棕红色土样崩解速率最快，其次为褐黄色土，灰白色土最低。这是因为花岗岩残积土存在表面裂隙和内部孔隙，当水分通过这些裂隙进入到孔隙中时，可溶性的游离氧化铁便会溶解到水中，在失去这些胶结物的连接后，土体颗粒很快便会解体，进而发生崩解破坏。另一方面游离氧化铁能够抑制黏粒之间表面静电斥力，促使土颗粒之间产生一定的强度，这种强度随着含水率的增加而减小，即含水率越大、氧化铁含量越高，该部分粘结强度比重越大，更容易受水的影响，即土样崩解过程发展越快、最大崩解速率增大，完全崩解时间缩短。