桂东南容县花岗岩残积土粒度组成与力学性质的变异性

韦遥，文海涛，廖丽萍*，韦文智，吴善百，赵瑞华

(1.广西大学 土木建筑工程学院， 广西 南宁 530004；2.工程防灾与结构安全教育部重点实验室， 广西 南宁 530004；3.广西防灾减灾与工程安全重点实验室， 广西 南宁 530004；4.广西壮族自治区地质环境监测总站， 广西 南宁 530028)

0 引言

花岗岩残积土滑坡是广西东南部容县的主要地质灾害类型之一。滑坡的空间分布呈现一定的分散性和聚集性，即滑坡虽然在各乡镇星罗棋布地分布，但却集中分布在六王镇[1]。至今，滑坡已给当地群众造成严重的生命财产损失，并制约着区域经济发展。

容县滑坡的频发不仅受局地降雨和台风降雨的影响，而且还与残积土自身复杂的工程地质性质密切相关。残积土复杂的工程特性很大程度可归结于花岗岩母岩风化条件与程度的差异，这些差异致使残积土具有不同的粒径特征、粘结结构和矿物成分[2]，残积土物理化学性质显示出显著的地域性与空间变异性[3-5]。当前国内外已有学者关注到这类变异性。BRANCO等[2,6]较早意识到花岗岩残积土性质存在自然变异性。吴能森等[7]强调花岗岩残积土具有显著的分区性、垂直分带性。张勇等[8]发现花岗岩残积土沿着垂直深度的抗剪强度差异较大，特别是内摩擦角。因花岗岩残积土性质多变，边坡稳定性分析存在不确定性，使得可靠度理论得到广泛应用。郑敏洲等[9]对福建花岗岩砂质粘性土边坡进行可靠度分析，明确可靠度与土体参数的关系。牛草原等[10]综合考虑参数分布类型、变异性及相关系数等因素，研究土体抗剪强度参数统计特性对边坡可靠性的影响。吴振君等[11]提出一种新的边坡稳定性因素敏感性分析方法-可靠度分析方法，该方法采用随机场模型来描述边坡滑面上岩土参数的空间变异性。蒋水华等[12-13]采用空间变异理论解释和研究相关边坡问题。虽然上述研究已涉及到土体性质的空间变异性，并在边坡稳定性评价中考虑了变异性，但是并没有深入探讨变异性的来源，例如，物理力学性质的变异性受粒度组成的影响[14]。再者，仅有少数学者研究桂东南容县花岗岩残积土的力学性能[15]、揭示其分形维数与物理性质参数的关系[16]，但都未探究残积土粒度组成及力学性质是否存在变异性。认识容县花岗岩残积土在粒度组成与力学性质等方面的变异性不仅是深入理解滑坡空间分布差异的前提，而且也是后续开展滑坡形成机理研究的关键基础[17-18]，因此，容县花岗岩残积土粒度组成与力学性质的变异性仍是值得研究的主题。

基于上述考虑，本文开展容县花岗岩残积土的颗分试验与直剪试验，利用数理统计方法，分析残积土粒度组成与力学性质，并探讨粒度组成与力学性质的变异性及其成因，以期为后续深入探究滑坡空间分布差异及其变异性对滑坡形成机理的影响奠定基础。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区域

容县(110°15′00″E～110°53′00″E、22°27′00″N～23°07′00″N)面积约2 257 km2，处在亚热带季风气候区。多年年平均降雨量为1 737.4 mm，每年4～9月为多雨期[1,16]。区域经历加里东、华力西、印支、燕山及喜马拉雅山4个构造发展阶段。温暖湿润的气候条件致使表层花岗岩严重风化，孕育了丰富的花岗岩残积土。本文的花岗岩残积土取自滑坡易发区—六王镇[19]的6个滑坡点：古里村、陈村、六王村、龙头村、思良村、龙头大园村。试验土样是经钻孔取得的原状土，样本量为43，干密度为1.30～1.40 g/cm3。

1.2 研究方法

① 颗分试验

试验仪器为震击式标准振筛机(型号ZBSX，92A)。颗分试验严格按照《公路土工试验规程》(JTG E40—2007)的操作步骤。为保证试验结果的可靠性，1个样本至少开展3次平行试验。根据《土工试验规程》(SL 237—1999)和粒径d，粒组分为：细砾(5.000 mm≥d>2.000 mm)、粗砂(2.000 mm≥d>0.500 mm)、中砂(0.500 mm≥d>0.250 mm)、细砂(0.250 mm≥d>0.075 mm)、细粒(d≤0.075 mm)。粗砂、中砂和细砂统称为砂粒组。

② 直剪试验

试验仪器为ZJ型应变控制式直剪仪。试验完全遵照《公路土工试验规程》(JTG E40—2007)的步骤。1个样本用于开展原状土和饱和土的快剪试验(剪切速率均为12 r/min)，其中，1组试验有4个试样，对应的垂直压力分别为100、200、300、400 kPa。内摩擦角和粘聚力是通过拟合抗剪强度与垂直压力的关系获得。饱和土的制备采用真空饱和法，即先用重叠式饱和器对原状土样抽气，满足饱和度95%的要求后，再将试样浸水24 h。直剪试验土样如图1所示。

图1 直剪试验土样

③ 数学方法

本文运用数理统计学的计算方法[6]，即公式(1)，计算残积土粒组含量、粘聚力和内摩擦角的标准差；然后将标准差代入式公式(2)，算出相应的变异系数，以便后续讨论6个取样点残积土粒组含量、粘聚力和内摩擦角的变异性。

(1)

式中，σ为标准差；n为样本数量；Xi为样本个体；X为样本平均值。

(2)

2 结果

2.1 颗粒级配

花岗岩残积土平均粒度组成见表1。根据《土工试验规程》(SL 237—1999)的划分标准，6个取样点的残积土均属于粗粒土，又因砾粒含量小于50%，因此，皆定名为砂类土。此外，根据《公路工程地质勘察规范》(JTG C20—2011)的分类原则，六王和龙头的残积土被定名为砾质粘性土，而其他取样点的残积土应为砂质粘性土。

由表1可知，六王和龙头残积土的砂粒含量相近，且细砾含量和细粒含量的差距微小，因此，六王和龙头残积土的粒度组成具有极高的相似度；古里、陈村、龙头大园这3个取样点的细砾含量、细粒含量均较为接近，虽然砂粒含量的差距较细砾和细粒的稍大，但是最大差值也仅为4.33%。然而，思良残积土的粒度组成与其他5个取样点略微不同，主要表现为：在6个取样点中，思良的砂粒含量最大，为60.08%，而其细砾和细粒含量却均排倒数第二。通过对比6个取样点残积土的粒度组成发现：细粒含量的变化范围最小，为25.79%(六王)～32.68%(龙头大园)；细砾和砂粒含量的变化范围稍大，分别为13.02%(陈村)～22.52%(六王)、51.69%(六王)～60.08%(思良)；六王的细砾含量最高，而细粒含量最低，因此，土质最为粗糙；龙头残积土也较为粗糙。此外，古里、陈村、龙头大园细砾含量较低，细粒含量较高，因此，土质较六王、龙头的细腻，土体结构更为致密。结果表明：容县花岗岩残积土中砂粒含量最高，细粒含量次之，细砾含量最小；花岗岩残积土主要由砂粒与细粒组成。以上粒度特征是残积土具备砂性和粘性双重力学性状的原因[20]。

表1 花岗岩残积土平均粒度组成

2.2 剪切强度

2.2.1 粘聚力

花岗岩残积土粘聚力统计值见表2，由表2可知，在快剪试验中，龙头大园的粘聚力最大，平均值为35.2 kPa；古里的粘聚力最小，平均值为21.7 kPa；其余4处粘聚力的平均值都在30 kPa左右。在饱和快剪试验中，龙头大园的粘聚力最大，平均值为24.3 kPa；古里、陈村的粘聚力最小，均为11.1 kPa；余下三处的粘聚力均小于20 kPa，其中，六王的粘聚力仅为12.5 kPa。结果表明：当天然状态残积土的含水率(同下文的含水量)介于14.80%～19.80%，残积土具有较高的粘聚强度。当残积土吸水饱和后，粘聚力会急剧下降，下降幅度较大，为31.00%～64.80%，平均下降幅度为45.80%。

表2 花岗岩残积土粘聚力统计值

2.2.2 内摩擦角

花岗岩残积土内摩擦角统计值见表3，由表3可知，在快剪试验中，古里的内摩擦角最大，平均值为22.9°；龙头的内摩擦角最小，平均值为18.5°。在饱和快剪试验中，古里的内摩擦角最大，平均值为17.0°；思良的内摩擦角最小，平均值为13.8°。显然，天然和饱和状态条件下残积土的内摩擦角相差不大。结果表明：天然状态的残积土具有较高的摩擦强度，然而，残积土饱和后内摩擦角会出现一定幅度的减小，但减小幅度相对较小，为13.50%～36.20%，平均下降幅度为24.80%。对比发现，6个取样点残积土的内摩擦角减小幅度均小于粘聚力的减小幅度。

表3 花岗岩残积土内摩擦角统计值

综上可见，天然状态残积土的粘聚力和内摩擦角均较大，粘聚力基本接近或超过30 kPa，内摩擦角均在20°上下，因而，天然状态残积土的抗剪强度较高，这一结果与已有文献[7,21]的结论相吻合。然而，残积土饱和后，粘聚力和内摩擦角会急剧减小，而粘聚力的减小幅度相对于内摩擦角的更大。以上现象的主要原因有：①花岗岩残积土是经花岗岩物理、化学风化作用后在原地堆积而成，未经二次搬运及大的扰动，因此，自然状态的土体结构性完整，加之，含水量较小，孔隙水压力小，故抗剪强度较高[21]；②虽然花岗岩残积土粘土矿物中含量极高的高岭石和伊利石的亲水性不如蒙脱石强[3,7]，但是水的浸润作用能打破土体内部的力学平衡，从而产生应力集中导致结构迅速破坏[22-23]，因而残积土遇水易崩解[7, 16, 24]；③残积土粗细颗粒混杂的粒度组成特点致使残积土具有特殊的孔隙结构，孔隙之间含有丰富的游离氧化物，因此，残积土具有较强的持水能力[3]，这对其崩解性有促进作用。

3 讨论

由2.1节可知，砂粒与细粒是容县花岗岩残积土的两大粒度组成。实际上，6个取样点细砾含量仍为13.02%(陈村)～22.52%(六王)，且六王的细砾含量与细粒含量已十分接近，可见，细砾在一定程度上可能仍会影响残积土的粒度组成，其主要成分是石英与少量岩屑。

现有研究[4, 20]表明：花岗岩残积土的粒度分布多呈“两头大，中间小，粗细均衡“的分布特征。虽然容县花岗岩残积土的粒度组成也具备上述特征，但是却略有不同，表现在：粒径>0.500 mm的粗颗粒含量较高，而粒径≤0.075 mm的细粒与粒径0.075～0.500 mm的中间颗粒含量却较低，两者含量较为接近；此外，细粒与粒径0.075～0.500 mm的颗粒含量之和大于粒径>0.500 mm的颗粒含量。可见，容县残积土仍具备粗细颗粒均匀混杂的粒度组成特征，但相对于其他地区，如福建花岗岩残积土“细砂和中砂含量低，细粒含量高”[20]、深圳市龙华新区花岗岩残积土“粗粒含量较高”[25]等特点，砂粒却是容县残积土主要的粒度组成。

《岩土工程勘察规范》(GB 50021—94)中参数变异性划分标准见表4。花岗岩残积土的粒组含量变化如图2所示。由图2可知，细砾、砂粒和细粒含量的变异系数分别为0.145～0.564、0.043～0.168、0.080～0.280。其中，陈村细砾含量的变异系数为0.564，这说明陈村细砾含量的变异性较强。除陈村细砾含量外，其他5个取样点中三个粒组含量的变异系数并不大，变异性均低于中等变异水平。研究区的花岗岩具有中粗、中粒、中细粒、细粒等不同结构[16]，这是花岗岩残积土粒度组成存在变异性的本质原因。然而，细砾含量、砂粒含量和细粒含量的变异性整体不高，这可能是因为粒组含量受母岩与风化气候环境等自然因素影响，具有较强的空间自相关性。花岗岩主要由长石与石英构成，长石含量约占矿物总量的2/3，石英含量约占20.00%～30.00%[7]。石英物理化学性质稳定，不易风化，仍能以颗粒形态存在于残积土中；而长石物理化学性质的稳定性差，在温暖潮湿的气候条件下，易化学风化为粘土矿物[21]。因此，砂粒和细粒是容县花岗岩残积土的主要粒度组成，这在一定程度上折射出该地区花岗岩物理化学风化的连续性和不彻底性[7,21]。

表4 参数变异性划分标准

粘聚力取决于土粒间的各种物理化学作用力，受土颗粒间的胶结作用和静电引力效应等因素影响[26]。特别是对于非结构性和弱结构性土，粘粒含量越高，粘聚力越大[4]。试验结果表明：细粒含量大小顺序为：龙头大园>古里>陈村>龙头>思良>六王，而粘聚力的大小顺序为：龙头大园>陈村>思良>龙头>六王>古里。虽然古里的细粒含量位居第二，但粘聚力却反而最小。再者，虽然思良的细粒含量倒数第二，但是粘聚力却排第三。可见，细粒含量不是粘聚力的主要决定因素，粘聚力并不完全随细粒含量的增大而一味增大，这可能与花岗岩残积土具有较为显著的结构性[4,27]有关，而这类结构性与残积土中含有由游离氧化铁、可溶性盐等胶结物质组成的胶结集聚体有关[3]。对于6个取样点的天然状态残积土，粘聚力的离散性较大，而内摩擦角的离散性却较小，数值在20°上下浮动。这一结果可能是6个取样点的残积土的粒度组成存在相似特征所引起，即各取样点的粗粒组含量均较高，且细砾和砂粒含量之和相差不大。残积土饱和后，其粘聚力与内摩擦角均减小，而粘聚力的减小幅度相对较大，这一现象与他人的研究结论一致[28]。

花岗岩残积土的粘聚力变化和花岗岩残积土的内摩擦角变化分别如图3和图4所示，由图3和图4可知，快剪试验粘聚力和内摩擦角的变异系数分别为0.086～0.339、0.096～0.278,饱和快剪试验粘聚力和内摩擦角的变异系数依次是0.08～0.337、0.06～0.315。可见，粘聚力的变异水平高于内摩擦角的变异水平，但土体饱和后内摩擦角的变异系数范围有所扩大，而粘聚力的变异系数范围几乎不变。通过比较内摩擦角、粘聚力与粒组含量的变异系数发现，粘聚力与内摩擦角的变异性整体大于粒组含量的变异性，这一规律同样存在于其他土体中[29]。相比于其他5个取样点，天然和饱和状态下龙头残积土的粘聚力和内摩擦角的变异水平较高，但两种状态下抗剪强度的起伏相对较小，这可能与龙头残积土的成土微地形和矿物成分有着直接关系，还可能与试验对土的扰动程度有关[4,20]。

(a) 粘聚力及其变异系数

(a) 内摩擦角及其变异系数

虽然粘聚力和内摩擦角整体的变异水平较高，但是仍然存在极低变异性。这一现象体现出残积土的不均匀性，根本原因是残积土含有不同的矿物成分以及游离氧化物[24]。天然和饱和的残积土，粘聚力的变异水平整体都高于内摩擦角的变异水平。虽然颗粒组成、矿物成分和化学成分是影响粘聚力的内因，但是粘聚力主要取决于土粒间的各种物理化学作用力[26]，因此，粘聚力的影响机制十分复杂，这也是快剪试验结果离散性较大的原因。含水量的增大致使残积土软化崩解，导致了残积土结构性损伤，最终内摩擦角和粘聚力出现不同幅度的减小。然而，内摩擦角的减小幅度较粘聚力的小，可见，含水量对粘聚力的影响较大，但对内摩擦角的影响并不显著[28]。

4 结论

本研究通过开展颗分试验和直剪试验，分析桂东南容县花岗岩残积土的粒度组成、力学性质及其变异性。研究结论如下：

① 容县花岗岩残积土中粒径>0.500 mm的颗粒含量较高，而粒径≤0.075 mm的细粒与粒径0.075～0.500 mm的中间颗粒含量较低，两者含量较为接近，细粒与粒径0.075～0.500 mm的颗粒含量之和大于粒径>0.500 mm的颗粒含量。容县残积土仍具备粗细颗粒均匀混杂的粒度组成特征，但相对于其他地区的残积土，砂粒却是容县残积土主要的粒度组成。

② 天然状态下粘聚力的离散性较大，而内摩擦角的离散性较小。土体饱和后粘聚力与内摩擦角均减小，但是粘聚力的下降幅度相对较大，含水量对粘聚力的影响更为显著。

③ 粒组含量的整体变异水平较低，粘聚力和内摩擦角的变异水平均高于粒组含量的变异水平，同时粘聚力的变异水平高过内摩擦角。

④ 花岗岩具有中粗粒、中粒、中细粒、细粒等结构特点是容县残积土粒度组成存在变异性的本质原因。内摩擦角和粘聚力的变异性受土体结构、颗粒组成、矿物成分和含水量等多种因素影响。