壓實花崗巖殘積土軟化特性試驗研究

賴榕洲， 吳能森， 徐 青

(福建農(nóng)林大學(xué)交通與土木工程學(xué)院， 福建 福州 350002)

花崗巖殘積土是花崗巖經(jīng)過物理風(fēng)化和化學(xué)風(fēng)化后殘留在原地的碎屑物，具有特殊的成分和結(jié)構(gòu)特征，被《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021-2001)[1]認定為一種特殊土，在我國南方山地廣泛分布[2]．隨著山地的大量開發(fā)建設(shè)，越來越多的工程利用開挖的花崗巖殘積土進行高速公路、鐵路的路基填筑及開發(fā)區(qū)填方造地，因此開展有關(guān)的理論與工程應(yīng)用研究十分必要，如杜江等進行的路用性能室內(nèi)試驗研究[3]．作為填筑土料，含水率是施工控制的關(guān)鍵參數(shù)，同時含水率的變化必然引起填筑體強度和壓縮性的改變．為此以最優(yōu)含水率為基準，對3種不同含水率花崗巖殘積土試樣進行了固結(jié)排水三軸試驗，研究各含水率條件下壓實花崗巖殘積土的強度和變形指標，分析含水率增大所導(dǎo)致的軟化效應(yīng)．

1 土樣制備與試驗

1.1 原狀土樣

結(jié)合實際工程采集原狀土樣，用薄壁取土器取自福州晉安區(qū)鶴林新城二區(qū)某地塊，鉆探取土深度為12.3～16.8 m，土樣呈褐黃、肉紅色，濕-稍濕，硬塑狀態(tài)．經(jīng)測試[4]，土樣的物理性質(zhì)指標如下：天然密度ρ=1.84 g/cm3，天然含水率ω=30.1%，土粒相對密度ds=2.72，天然孔隙比e=0.976，液限ωL=41.1%，塑限ωP=27.3%，塑性指數(shù)Ip=13.8．經(jīng)篩分[4]，土樣各粒組的分布情況為：10～5 mm占1.4%，5～2 mm占17.4%，2～1 mm占7.3%，1～0.5 mm占9.8%，0.5～0.25 mm占8.2%，0.25～0.1 mm占10.6%，0.1 mm以下占45.3%．

1.2 試驗土樣

取花崗巖殘積土原狀土樣約5 kg，經(jīng)過風(fēng)干、碾碎后，測定土樣的含水率，然后進行標準擊實試驗[4]，測得土樣的最優(yōu)含水率ωop=17.4%．實驗試樣含水率以最優(yōu)含水率為基準，上下相差4%左右，經(jīng)取整分別為13%、17%、21%．考慮三軸實驗的試樣較小，故先用孔徑2 mm篩子將風(fēng)干、碾碎土樣的粗顆粒篩除，然后根據(jù)設(shè)計的含水率，依等壓實度原則按擊實法制作試樣．試樣直徑39.1 mm，高80 mm．

1.3 試驗儀器與方法

試驗儀器為SLB-1型應(yīng)力～應(yīng)變控制式三軸剪切滲透試驗儀，采用固結(jié)排水三軸壓縮試驗(CD試驗)[4]，試驗固結(jié)圍壓σ3分別取100 kPa、200 kPa、300 kPa，當(dāng)體積讀數(shù)變化微小或長時間保持不變時認為試樣完成固結(jié)．固結(jié)完成后，在圍壓σ3保持不變的情況下，采用應(yīng)變控制方式，以0.012%/min剪切速率增加軸向壓力進行排水剪切，直至試樣軸向應(yīng)變值達到15%時停止試驗，試驗過程中排水閥始終保持開啟狀態(tài)．自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠在試驗過程中采集試驗數(shù)據(jù)并繪制相關(guān)曲線．

2 試驗結(jié)果分析

2.1 含水率對土體強度影響

實驗表明，各含水率試樣在軸向應(yīng)變達到15%時呈比較明顯的鼓狀變形，但尚未發(fā)生剪切破壞，各試樣的偏應(yīng)力(σ1﹣σ3)f～軸向應(yīng)變ε1關(guān)系曲線如圖1所示．根據(jù)各含水率試樣的圍壓σ3和試樣破壞時的偏應(yīng)力(σ1﹣σ3)f試驗數(shù)據(jù)，分別繪制破壞應(yīng)力圓強度包線(略)，得到不同含水率的花崗巖殘積土抗剪強度指標c、φ值．各含水率試樣破壞時的應(yīng)力及c、φ值見表1．

(a) ω=13%

(b)ω=17%

(c) ω=21%圖 1 (σ1﹣σ3)～ε1關(guān)系曲線

由表1顯見，隨著含水率的增大，土抗剪強度降低，具體表現(xiàn)在以下三方面：1)抗剪強度指標．隨著含水率的增大，抗剪強度指標c、φ值隨之降低，但含水率對c、φ值的影響差異顯著，在同等條件下，c值降幅達φ值的30倍以上，或者說，相對于c而言，含水率對φ的影響可以忽略不計．其原因是土中水主要對細粒土發(fā)生作用，而花崗巖殘積土粗顆粒含量高，內(nèi)摩擦角取決于粗粒土；2)c的軟化效應(yīng)．含水率在13%～17%時，含水率每增大1%，c值平均減小6.4%；含水率在17%～21%時，含水率每增大1%，c值平均減小13.3%，約是前者的2.1倍，軟化效應(yīng)成倍增大；3)破壞偏應(yīng)力．隨著含水率的增大，破壞偏應(yīng)力(σ1﹣σ3)f值隨之降低，其中圍壓較小(σ3=100 kPa)時，其降低率較顯著，而圍壓較大時則不明顯．根據(jù)摩爾-庫倫條件[5]，當(dāng)把土的內(nèi)摩擦角φ視為定值時，其偏應(yīng)力(σ1﹣σ3)f的大小取決于圍壓σ3和粘聚力c，即

(σ1-σ3)f=k1σ3+k2c.

(1)

式中，k1、k2為取決于φ的系數(shù)．當(dāng)φ為定值時，k1、k2為同數(shù)量級常系數(shù)．因此c值減小引起(σ1﹣σ3)f的降低率取決于σ3大小，σ3越大，同樣的c減小值引起的(σ1﹣σ3)f的降低率就越小，反之亦然．

表1 各含水率試樣破壞應(yīng)力及c、φ 值

2.2 含水率對土體壓縮性影響

由圖1可見，試樣的應(yīng)力～應(yīng)變曲線形狀呈非線性的加工硬化型，符合鄧肯-張模型的應(yīng)用條件．為此，擬通過鄧肯-張模型的變形模量來分析含水率對壓縮性影響．

鄧肯-張模型的切線變形模量[6]

(2)

其中Ei為初始切線模量，且

(3)

式中：Rf為破壞應(yīng)力比，K為無量綱基數(shù)，n為無量綱指數(shù)，K、n均為試驗常數(shù)，Pa為大氣壓力(取101.4 kPa)．經(jīng)(σ1-σ3)～ε1試驗數(shù)據(jù)的處理及計算[5-7]，可得到鄧肯-張模型參數(shù)Rf、K、n(略)．

從圖1同時可見，土樣的應(yīng)變硬化主要發(fā)生在ε1為0～5%范圍內(nèi)，為此選取ε1為0、2.5%、5%對應(yīng)的切線變形模量Ei、Et0.025、Et0.05作為土體壓縮性指標的代表值，不妨統(tǒng)稱為特征變形模量．

為分析含水率對土體壓縮性的影響，考慮工程實際取圍壓σ3=100 kPa，利用已知的模型參數(shù)及試驗數(shù)據(jù)，由式(2)、(3)可計算得到各含水率時的特征變形模量，如表2和圖2所示．

表2 σ3=100 kPa時各含水率土的特征變形模量

圖 2 特征變形模量隨含水率變化

由表2及圖2可知，在等壓實度條件下，壓實花崗巖殘積土特征變形模量隨著含水率的增大而減小，其中Ei隨含水率減小較顯著，而Et0.025、Et0.05隨含水率減小不明顯，同時Ei值約是Et0.025值的4～5倍，約是Et0.05值的9～11倍，因此Ei值的變化基本可以代表土中水對土體壓縮性的影響．此外，對Ei而言，含水率在13%～17%時，含水率每增大1%，Ei值平均減小3.52%；含水率在17%～21%時，含水率每增大1%，Ei值平均減小5.72%，是前者的1.63倍．可見隨著含水率的增大，土中水對壓實花崗巖殘積土的軟化效應(yīng)隨之增大．

3 結(jié)論

綜上研究可知，土中水對壓實花崗巖殘積土具有較顯著的軟化作用，即隨著含水率的增大，土的強度降低、壓縮性增大，具體如下：

1) 等壓實度花崗巖殘積土，土中水對強度的軟化作用主要表現(xiàn)為粘聚力c的顯著減小，而且隨著含水率的增大，其軟化效應(yīng)成倍放大；而內(nèi)摩擦角φ受土中水影響相對很小，在含水率增大幅度不太大的情況下，可以忽略不計．

2) 由于內(nèi)摩擦角φ值變化相對微小，土樣破壞偏應(yīng)力的大小取決于圍壓σ3和粘聚力c，因此，土中水的軟化效應(yīng)在破壞偏應(yīng)力上的體現(xiàn)程度不一，圍壓小較顯著，反之不明顯．在實際工程中，填筑體的圍壓通常在100 kPa以下，因此土中水對破壞偏應(yīng)力的影響也是比較顯著的．

3) 壓實花崗巖殘積土試樣的應(yīng)力～應(yīng)變曲線呈加工硬化型，符合鄧肯-張模型的應(yīng)用條件，即其壓縮性可以鄧肯-張模型的特征變形模量來體現(xiàn)，其中Ei值的變化基本可以代表土中水對其壓縮性的影響．而且同粘聚力c相似，土中水對Ei產(chǎn)生的軟化效應(yīng)隨含水率的增大呈放大趨勢．

致謝：本研究得到福建省自然科學(xué)基金項目、福建農(nóng)林大學(xué)創(chuàng)新(培育)團隊建設(shè)項目等資助，在此表示感謝．同時感謝福建省現(xiàn)代工程勘察院在鉆探取樣方面的支持與幫助，感謝福建農(nóng)林大學(xué)交通與土木工程學(xué)院給予本研究的幫助、關(guān)心與支持！

[參考文獻]

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[3] 杜 江，陳 熙，羅 潔．風(fēng)化花崗巖殘積土路用性能室內(nèi)試驗研究[J]．公路工程,2012，37(06)：105-108．

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