干湿循环下花岗岩残积土的崩解试验与微观机理研究

周 宇，陈东霞，2，于佳静，李 齐

(1.厦门大学 建筑与土木工程学院，福建 厦门 361005； 2.厦门市交通基础设施智能管养工程技术研究中心，福建 厦门 361005； 3.常州市建筑科学研究院集团股份有限公司，江苏 常州 213000)

1 研究背景

花岗岩残积土是燕山早期花岗岩在亚热带干湿、冷热交替条件下经过长期的物理化学风化作用形成后未经搬运残存于原地的碎屑物。这类特殊土遇水易发生软化崩解，对工程实践造成了诸多困扰，如崩塌、滑坡、沉降等。花岗岩残积土边坡表面土体的崩解可加剧土体的渗透性，加快土体表面水的入渗。同时边坡表面花岗岩残积土的崩解会产生大量的松散堆积物，降低了边坡抗冲刷性，在降雨作用下将引起边坡坡形的重塑以及坡体的侵蚀，对边坡稳定性的影响非常显著。另外，在我国东南沿海地区一些采用花岗岩残积土填筑的铁路或公路路基运营后，由于施工时填土的含水率和压实度控制不良，在交通荷载和崩解等共同作用下易形成粗细颗粒夹层，使得路基产生不均匀沉降，导致路基不平顺、基床翻浆冒泥等病害。因此，研究花岗岩残积土遇水崩解特性及其机理对地质灾害的防治及工程建设的安全等具有重要的意义和价值。

已有关于土体的崩解试验研究主要集中在压实度、含水率及粒径分布等崩解因素影响，并从土体的成分和结构性等角度分析其崩解机理。在崩解影响因素方面，李善梅等[1]发现不同压实度黄土的崩解特性不完全相同，崩解率随压实度增大而增大。尹松等[2]从花岗岩残积土崩解试验研究中得到试样完全崩解时间随着压实度的增大而逐渐增大，含水率越低，崩解速率越大；也有学者用土的有效孔隙比表征压实度和含水量的影响，建立了有效孔隙比与崩解速率的非线性关系[3]。土体的崩解率随压实度的增大而增大。Chan等[4]对英国和澳大利亚的几类土进行了浸水和板面湿润试验，得到了土的崩解率与其含水量、粒径分布和基质吸力的线性增长关系。近年来，有一些学者观察到了残积土在气候环境作用下的工程性质劣化现象，开展了干湿循环下的大气崩解试验与浸水崩解试验，得出干湿循环次数的增加致使崩解率及崩解速率的增大[5]。柴肇云等[6]对干湿循环作用下泥岩崩解的形态特征和崩解量的变化规律进行试验分析，发现泥岩崩解量差异与矿物蒙脱石含量密切相关。在崩解机理方面，张抒等[7]从试验研究中得到崩解的主要控制因素为孔隙气压和基质吸力。吴能森[8]从土体结构性与损伤角度研究，认为花岗岩残积土崩解的根本原因是软化；王幼麟等[9]通过对钙-泥质粉砂岩开展室内崩解及电镜扫描试验，提出了关于这种粉砂岩的“水化-分散性或膨胀性软化、崩解”与“吸附-楔裂软化、崩解”的两种崩解机理。此外，还有一些学者[10-12]对残积土崩解特性的改良进行了研究，为相关工程问题提供了有效的解决方案。

花岗岩残积土崩解试验展现的是花岗岩残积土崩解过程的宏观现象，而遇水后花岗岩残积土微结构的变化是崩解的主要原因。目前，光学显微镜、X射线衍射等技术和微观定量研究方法已被广泛应用于土的微观结构研究。Collins和McGown[13]、Mitchell[14]分析研究了多种不同类型土的微观结构，并对其进行了归纳整理与分类。孔令伟等[15]研究了琼州海峡软土的物理力学性质与微观结构特征，对其微观结构参数的分析结果表明土体的工程性质同其矿物成分、孔隙及颗粒的结构与排列关系密切。施斌[16]运用SEM图片微观定量测试技术，从黏性土微观结构单元体的形态、大小及分布等对微结构的分类提出定量分析方法和标准。李中森等[17]、杨鹏飞等[18]通过CT成像获得了花岗岩残积土颗粒及大孔隙的三维空间形态与分布特征，对高岭石片状黏土矿物颗粒接触关系概化为面-面、面-球、面-棱等形式。已有的电镜扫描研究使人们对花岗岩残积土的微观结构有了直观的了解，但对于微结构的演化过程研究少且不够深入，未能很好地进行崩解机理的微观解释。

目前，针对干湿循环下花岗岩残积土崩解特性的研究成果较少。用作路基填料的花岗岩残积土崩解问题尚未引起足够的重视，且其崩解机理与控制缺乏深入研究。因此，本文以花岗岩残积土为研究对象，进行干湿循环作用下的崩解试验，着重研究压实度与干湿循环次数对其崩解特性与崩解参数指标的影响。并对试样进行电镜扫描，研究干湿循环作用下土体的微观结构变化，对其崩解机理作出微观解释。

2 花岗岩残积土的崩解试验

试验以厦门地区花岗岩残积土为试验对象，取土来自厦门市某基坑工程，根据《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)通过含水率试验、密度试验、界限含水率试验、颗粒级配试验、击实试验等测定花岗岩残积土的基本物理性质，如表1所示。

表1 花岗岩残积土的基本物理性质Table 1 Basic physical properties of granite residual soil

本次崩解试验采用SHY-1型土壤湿化试验仪，由浮筒、网板、玻璃筒组成，如图1所示。

图1 湿化仪Fig.1 Disintegration instrument

为研究压实度和干湿循环效应对花岗岩残积土崩解特性的影响，制备压实度分别为80%、90%、95%的试样，分别经历0～5次干湿循环后进行浸水崩解试验。在试验中通过控制含水率来模拟残积土的干湿循环过程，将干湿含水率控制在饱和含水率(湿润状态)和10%(干燥状态)之间。通过将试样进行真空饱和模拟雨水浸润过程，将试样置于50 ℃的烘箱中模拟自然日照状态，完成以上两个步骤计为一次干湿循环过程。

本文采用崩解率、平均崩解速率来评价花岗岩残积土的崩解特性，崩解率计算公式为

(1)

式中：At为试样在t时刻的崩解率(%)；R0为t=0时浮筒齐水面处的瞬间稳定读数(cm)；Rt为t时刻浮筒齐水面处的读数(cm)；Rc为方格网板空载时浮筒齐水面处的读数(cm)。

平均崩解速率是用来表征土体某一时段崩解快慢的指标，计算公式为

(2)

3 崩解试验结果及分析

3.1 崩解试验过程与结果

花岗岩残积土的崩解试验是一种剧烈的物理化学反应，其崩解过程可分为两个阶段，如图2所示：第一阶段为剧烈崩解阶段，试样浸入水体后，表层大量的土颗粒崩散于水中，使得试样的棱角变圆、形状消失，产生大量气泡，水质浑浊；第二阶段为稳定崩解阶段，试样持续崩解但崩解速率明显变缓，土颗粒散落减少或崩解成几个稍大的土块，试样表面偶有气泡产生，水中悬浮土颗粒逐渐沉淀、水质逐渐变清，该过程持续至试样完全崩解。

图2 花岗岩残积土的崩解过程Fig.2 Disintegration process of granite residual soil

不同压实度和干湿循环次数的试样完全崩解所需要的总时间如表2所示。

表2 花岗岩残积土试样的完全崩解时间Table 2 Time required for complete disintegration of granite residual soil

由表2可知，花岗岩残积土试样完全崩解所需时间与试样的压实度、经历的干湿循环次数相关。随着干湿循环次数的增加，试样完全崩解所需时间缩短。干湿循环3次后不同压实度下的崩解时间分别缩短了25.7、28.6、61.5 min，其中压实度越大，试样完全崩解时间的缩短就越多；相比于未经历干湿循环试样，3种压实度下的完全崩解时间分别下降了95%、87%、88%，说明前3次干湿循环对于完全崩解时间的影响最为明显。在干湿循环3次后，不同压实度试样所需完全崩解时间的变化规律不尽相同，压实度80%试样先减小后增大，压实度90%试样逐渐减小，压实度95%试样增大。但是相比于未经历干湿循环试样的完全崩解时间，变化幅度很小，故在3次干湿循环后，试样所需要完全崩解时间基本保持稳定。另外，对比不同干湿循环次数下的完全崩解时间，随着压实度的增大，试样完全崩解时间逐渐增大。

3.2 压实度对崩解特性的影响

压实度是路基填料的主要控制指标之一，压实度不同，土体内部的孔隙大小及分布也不相同，崩解特性也会改变[19]。经过对花岗岩残积土崩解试验数据的处理可得不同压实度试样的崩解率曲线，如图3所示。

由图3可以直观地看出，不同干湿循环次数下的崩解率曲线都呈现出斜率先较大，后逐渐减小，最后基本保持不变。崩解率曲线的斜率代表了崩解速率的快慢，斜率越大崩解速率越快，斜率越小崩解速率越慢。故表明了试样崩解开始时崩解速率较大，属于试样剧烈崩解过程，而后逐渐减小，最后崩解速率基本维持不变，进入平稳崩解过程，直到试样完全崩解。这也佐证了3.1节中关于崩解过程分为两个阶段的结论。

由图3(a)可知，在开始时的剧烈崩解阶段，崩解率曲线斜率最大为压实度80%试样，其次为压实度90%的试样，压实度95%试样的崩解率曲线斜率最小。在图3(b)—图3(f)中不同干湿循环次数下的崩解率曲线也可以观察到相同的规律，试样的压实度越低，在剧烈崩解阶段的崩解率越大。在图3(a) 中试样剧烈崩解阶段结束时，80%压实度试样达到的崩解率约为80%，90%压实度试样达到的崩解率约为55%，95%压实度试样达到的崩解率约为40%。对比图3(b)—图3(f)可以发现相同的规律，压实度越低，在剧烈崩解阶段结束时所达到的崩解率越高。此外，将3种压实度试样的完全崩解时间进行对比，不难发现随着压实度增大，试样完全崩解时间逐渐缩短。相关研究表明[20]，花岗岩残积土处于低压实状态时，土体结构松散，多支架孔隙；土体压实度的增加，使得土颗粒孔隙被填充，内部结构孔隙减小，有些孔隙成为封闭孔隙，可以容许水流及气体通过的孔隙通道更加曲折，水相和气相流动路径增长，阻力增大，气相逸出困难，水也很难渗入，渗透性减小，崩解率降低。

图3 不同压实度试样的崩解率曲线Fig.3 Curves of disintegration rate of samples with different degrees of compaction

3.3 干湿循环次数对崩解特性的影响

花岗岩残积土在增湿-脱水过程中存在高岭石等黏土矿物吸水膨胀、失水收缩的现象，这增加了颗粒裂隙，增大了粒间空隙，引起崩解特性变化。经过对花岗岩残积土崩解试验数据的处理可得经历不同次数干湿循环的试样崩解的崩解率曲线，如图4所示。

从图4可知，经历过干湿循环试样的崩解率曲线相对集中，并且远离未经历干湿循环的崩解率曲线，说明干湿循环作用对于试样的崩解特性影响较大。此外，未经历干湿循环试样崩解率曲线的斜率均明显小于经历干湿循环后的崩解曲线的斜率，表明经历干湿循环后试样的崩解率增大。此外，图4可见未经历干湿循环试样的完全崩解时间远远大于经历干湿循环试样的完全崩解时间，干湿循环作用加速了土体发生崩解的进程。这是由于干湿循环作用引起土体中的细颗粒流失，促进土体内部孔隙连通及微裂隙、微裂缝的发育扩张，水分子入侵土体的速度加快，加速花岗岩残积土的崩解进程。

图4 不同干湿循环次数试样的崩解率曲线Fig.4 Curves of disintegration rate of samples with different dry-wet cycles

3.4 干湿循环下花岗岩残积土的崩解模型

根据式(2)可计算得到不同压实度试样在经历不同干湿循环次数的平均崩解速率，如表3所示。

表3 不同干湿循环次数试样的平均崩解速率Table 3 Average disintegration rate of samples with different drying and wetting cycles

(3)

式中：b、d为拟合参数；v0为未经过干湿循环的平均崩解速率。

图5 平均崩解速率与干湿循环次数的拟合关系Fig.5 Fitted relationship between average disintegration rate and number of dry-wet cycles

b=0.52λ+1.37 ，

d=0.26λ-0.02 。

(4)

由式(3)、式(4)可得

(5)

图6 参数b、d与压实度的关系Fig.6 Relation curves of parameters b and d versus degree of compaction

从图5中可以看出3条拟合曲线的决定系数R2均>0.96，说明此拟合公式可以比较准确地描述土体平均崩解速率随干湿循环次数的变化规律。同时，同一压实度试样的平均崩解速率在第一次干湿循环后的增幅最大，之后增长幅度逐步减小。图5 中曲线在第3次干湿循环后逐渐趋于平稳，说明相同压实度下再次增加干湿循环次数对于平均崩解速率影响较小。对比不同压实度影响下的平均崩解速率变化趋势，高压实度下土体平均崩解速率增长幅度小于低压实度影响，变化幅度分别为0.81 %/min、0.39 %/min 和0.08 %/min，说明压实度越大，土体的平均崩解速率增长幅度越小。

4 扫描电镜试验结果及分析

4.1 花岗岩残积土试样的微观结构

扫描电子显微镜(SEM)测试技术是研究土的微观结构的最常用手段之一，其基本原理是通过二次电子信号成像获得样品微观尺度下的表面形态。本文利用德国ZEISS Sigma扫描电镜，对花岗岩残积土进行电镜扫描。为保证扫描电镜真空系统的真空度，用自然风干法对样品进行干燥处理，并在样品表面喷镀铂膜增强导电性，以提高成像质量。

为观察花岗岩残积土(未经历干湿循环95%压实度的试样)的微观结构，对花岗岩残积土试样进行电镜扫描，获得了大量不同倍率下花岗岩残积土试样的SEM照片，取有代表性的3张，如图7所示。

图7 花岗岩残积土试样不同倍率下的扫描电镜照片Fig.7 SEM images of granite residual soil at different magnifications

根据图7中的电镜扫描照片，可观察到花岗岩残积土的微观结构。图7(a)可见大量片状颗粒及依附其上的细小颗粒，颗粒间存在大小不同、形状不一的孔隙，但颗粒间孔隙面积较小。图7(b)可见片状颗粒在空间中面-面接触，定向排列，以层叠结构形成团聚体。由图7(c)可见呈层叠状的团聚体在空间上交错排列、接触，形成花岗岩残积土的骨架结构，孔隙较大，团聚体之间的接触形式多呈点-面接触。故花岗岩残积土微观结构是由许多片状颗粒以面-面接触形式紧密排列，堆叠形成团聚体，团聚体在空间中互相混杂堆积，形成土的骨架结构。

4.2 干湿循环对花岗岩残积土试样微观结构的影响

对压实度95%的花岗岩残积土试样进行电镜扫描试验，采用的放大倍数为5 000倍，得到不同干湿循环次数下花岗岩残积土试样的电镜扫描照片，如图8所示。

从图8(a)—图8(f)可以观察到：随着干湿循环次数的增加，片状颗粒间的层叠结构遭到破坏，颗粒的团聚性减弱，部分片状颗粒开始分离，片状颗粒在空间的面-边、面-点接触逐渐增加，颗粒间的间距增大，结构更加疏松。经过5次干湿循环后，部分片状颗粒甚至有脱落趋向。干湿循环作用后土体颗粒间的粘结作用减弱，团聚体中部分颗粒分离、脱落，结构趋向疏松，致使土体内的微小孔隙向大孔隙演变，从而加速土体的崩解。

图8 花岗岩残积土试样不同干湿循环次数的电镜扫描图像(5 000倍)Fig.8 SEM images of samples at different dry-wet cycles(magnified by 5 000 times)

对经过不同次数干湿循环的试样进行电镜扫描，将得到的SEM照片导入PCAS软件，通过调整阈值获得SEM照片的二值化图像，再经过识别、分析可得到经历不同干湿循环次数试样的土体颗粒及孔隙几何参数和统计参数。图9为花岗岩残积土试样经历不同次数干湿循环后的SEM图像二值化处理图像。

图9 花岗岩残积土试样二值化处理后的SEM图像Fig.9 SEM images after binarization processing

平面孔隙率是孔隙面积除以颗粒面积及孔隙面积之和。由PCAS软件得出的花岗岩残积土试样不同干湿循环次数下微观结构观测的平面孔隙率，如表4所示。

表4 花岗岩残积土试样的平面孔隙率Table 4 Plane porosity of granite residual soil samples

从表4中可知，干湿循环的作用可以增大孔隙的表面积，从而相应减少土体颗粒所占的面积，土体结构趋于疏松；并且还能削弱颗粒间的黏结性，因而减弱了土体结构的团聚性，使得大孔隙增多，颗粒间的间距增大，为水分的入侵创造了条件，加速了土体的崩解进程。

5 结 论

(1)花岗岩残积土试样崩解主要分为两个阶段：第一阶段为剧烈崩解阶段，崩解速率较快；第二阶段为稳定崩解阶段，崩解速率变慢。试样的压实度越小，在剧烈崩解阶段结束时的崩解率越高，试样完全崩解时间也越短。干湿循环后试样的完全崩解时间缩短，第1次干湿循环后试样的完全崩解时间缩短最大；在3次干湿循环后，随着干湿循环次数的增加，试样的完全崩解时间基本保持不变。

(2)花岗岩残积土试样的平均崩解速率与压实度、干湿循环次数成非线性关系。同一压实度试样的平均崩解速率在第1次干湿循环后的增幅最大，之后随干湿循环次数增长，平均崩解速率增幅减小。在干湿循环作用后，高压实度试样的平均崩解速率增长幅度小于低压实度的平均崩解速率增长幅度。

(3)花岗岩残积土试样的微观结构是由许多片状颗粒在空间的面-面接触，定向排列，以层叠结构形成团聚体；团聚体在空间中互相混杂堆积，形成土的骨架结构。随着干湿循环次数增加，片状颗粒间的层叠结构遭到破坏，颗粒的团聚性减弱，部分片状颗粒开始分离，试样的平面孔隙率增大，水分入侵更加容易，加速了花岗岩残积土的崩解进程。