循环荷载作用下花岗岩残积土累积变形与湿化特性试验研究

周德泉，谭焕杰，徐一鸣，周毅，孙义

(1. 长沙理工大学 岩土与隧道工程系，湖南 长沙，410004；2. 广东省长大公路工程有限公司，广东 广州，510620)

花岗岩残积土是花岗岩经风化而残留在原地的残留物，其孔径分布、颗粒组成和矿物成分变化大[1]，在较理想的风化环境条件下，经过长期的风化作用后，可形成一种较理想的垂向风化剖面，从上至下分别为残积黏性土、残积砂质黏性土、残积砂砾质土3层，构成所谓的3层结构，可以粗砂粒(粒径＞0.5 mm)质量分数为15%和35%作为界限[2]，其主要特点是云母质量分数高，结构松散，黏结力小，地区差异性明显。香港九龙[3]的花岗岩残积土石英质量分数变化范围小，长石和黏土矿物变化幅度大，属于砾石土、砂砾土、含砾土、细砂土或者亚砂土；东南沿海地区[4]花岗岩残积土各项指标的变异性差别较大，所统计的指标中其变异系数平均值小于0.3的有5项(含水量(质量分数)、重度、孔隙比、塑性指数、内摩擦角)；大于0.3的有4项(液性指数、黏聚力、标贯击数、压缩系数)，其中重度的变异性很小；湖南临长(临湘—长沙)高速公路[5-6]、浏醴(浏阳—醴陵)高速公路[7]和大浏(大围山—浏阳)高速公路[8]的花岗岩残积土属于砂类土。作为路基填料，其路用性能倍受人们关注[5-10]，通常加入适量水泥[11]或者石灰[12-13]进行改良，直接作为填料填筑路基的情况较少，对其压实工艺和机理研究更少。湖南浏醴(浏阳—醴陵)高速公路[7]根据现场试验研究不同摊铺厚度、不同碾压次数下的路基压实效果，认为花岗岩残积土可直接作为高速公路下路堤(93区)路基填料，在填料含水率控制在最优含水率±2%、摊铺厚度30 cm、采用光轮静压1遍+强振3遍+静压1遍压实，效果最佳；湖南大浏(大围山—浏阳)高速公路[8]认为压实5遍可以达到93%的压实度。但是，土体在多遍压实(相当于多次压缩-回弹)过程中的沉降具有明显时间效应，工地现场测试条件较差，测试精度难以保证。广东省云浮至罗定高速公路西段分布大量的花岗岩残积土，路堑开挖弃碴量大，若能直接填筑路基，则可以节约投资，保护环境。从该高速公路第4标段K64+440～K64+580取得花岗岩残积土样，进行矿物成分分析、室内土工实验，通过室内压缩试验和模型槽载荷试验对比，研究其累积变形与湿化规律，以便为现场压实质量控制提供试验依据。

1 花岗岩残积土的工程性质

1.1 矿物成分与物理力学性质

进行X线衍射试验分析花岗岩残积土样品的矿物成分，结果见图1。从图1可见：样品中石英质量分数为37%，白云母-伊利石为35%，高岭石约占27%，另外还有少量绿泥石。云母浸水后多处于游移状态，易于剥分，使路基产生松弛效应；黏土矿物含量较高，降低路基水稳性。

图1 花岗岩残积土样品X线衍射图谱Fig. 1 X-ray diffraction patterns of samples

依据现行规范对原样依次进行了颗粒分析，过 2 mm筛后进行液塑限联合测定，过5 mm筛后进行击实和直剪等实验，结果见表1和表2。从表1和表2可见：2 mm筛和0.075 mm筛通过率分别为35.96%和1.64%，该土属于细粒土质砾(砾类土)，渗透性强；不均匀系数Cu为1.38，曲率系数 Cc为39.07，颗粒级配不良，不利于压实；最大干密度(ρdm)为1.78 g/cm-3，最优含水率(wo)为 17.9%，液限(wL)为 44.01%，该土属于低液限土。土样内摩擦角(φq)较大，黏聚力(cq)小，表明土体结构松散，砂土特征明显。

表1 土样基本物理力学指标Table 1 Basic physical mechanical indexes of samples

表2 不同含水率(w)下土样的剪切强度指标Table 2 Shearing strength indexes of samples under different water contents (w)

1.2 侧限压缩试验条件下累积变形与湿化特性

为研究侧限条件下单位体积虚铺土体承受不同荷载作用下的压缩、回弹变形规律，承受相同荷载作用下重复加载次数与沉降量的关系，以及承受一定荷载作用下遇水湿化后的沉降变形规律，使用三联固结仪对花岗岩残积土进行侧限压缩与湿化试验。

将土样过2 mm筛分成4组，额定最大荷载分别为50，100，200和400 kPa；用漏斗将土样(天然含水率)自然疏松地铺到经过标定后的固结仪中并振动，使各组土样具有相同的孔隙比；模拟机械静压工序，将荷载1次加至最大荷载，以加荷5 min后的读数作为该级荷载下的变形稳定值，然后逐级卸荷，每级卸荷5min后的读数作为稳定值；对卸除至最小荷载后的土样再次加至最大荷载，重复压缩共5次；最后一次加载至最大荷载后，分别向固结盒内注入30 mL水，12 h后记录湿化变形量，逐级卸载至0 kPa。

1.2.1 不同压力下5次压缩-回弹曲线特征

4种压力下5次压缩-回弹曲线如图2所示(e为孔隙比，p为荷载，下同)。从图2可见：首次压缩曲线均比较陡峻，2～5次压缩曲线均接近平行、平缓，说明不同压力下第1次压缩量最大；所有回弹曲线均呈下凹型、较平缓，卸载产生的弹性变形恢复较晚；不同压力下5次压缩-回弹曲线呈现出相似的形态；2～5次压缩-回弹的总变形和永久变形均较小；第i+1次压缩-回弹曲线均位于第i次曲线下方，线性相似，说明加载产生的变形包括弹性变形和永久变形。

1.2.2 不同压力下永久变形随加载次数的变化

在不同荷载下，土样卸荷完毕后的永久变形量(与土样高度成反比)对比结果如图3所示。从图3可见：土样高度随荷载的增大而减小；随着加载次数的增加，土样高度减小的幅度不大。这说明额定最大荷载对永久变形量的影响较大。

1.2.3 压实度随荷载的变化

实验结束后测得土样压实度及其随额定荷载的变化规律，见图4。从图4可见：压实度随荷载增大而增大；当荷载小于200 kPa时，增长率较大；当荷载大于200 kPa时，增长率较小。说明土样压缩后所产生的塑性变形绝大部分由额定最大荷载决定。

图2 固结仪中的土样在不同荷载下5次压缩回弹e-p曲线Fig. 2 Five times compression and rebound e-p curves of samples under different loads in consolidometer

图3 土样高度与加载次数的关系Fig. 3 Relationship between height of samples and loading frequency

1.2.4 不同压力下的湿化规律

4种压力下的5次压缩-回弹与湿化e-p曲线如图5所示。由图5可知：土样经过5次压缩，除首次压缩造成孔隙比大幅减小外，其余4次循环后的压缩量均很小；而当土样遇水湿化后，孔隙比再次出现较大幅度减小，且湿化后的回弹规律与未湿化的回弹规律相似。这是由于土体受荷后竖向压力传递是通过一系列和最大主应力方向大致平行的传力路径来实现的[9]，位于这些路径上土颗粒接触点和接触面上的应力之和决定最大主应力的大小和方向。在加载过程中，土样中的孔隙随空气和微量水分的排出而减小；随着荷载和压缩遍数的增加，土颗粒逐渐被压碎，进一步造成孔隙比减小。加水后，土样中云母和黏土矿物等颗粒成分遇水软化，使土颗粒间接触点、面间发生破坏，削弱了颗粒间的咬合作用，并在水的润滑下重新排列，导致湿化土的孔隙比急剧减小。

图4 压实度与荷载的关系Fig. 4 Relationship between compactness and load

图5 固结仪中的土样在不同荷载下5次压缩回弹与湿化e-p曲线Fig. 5 Five times compression-rebound and humidification e-p curves under different loads in consolidometer

将试样在负荷不变条件下因湿化而产生的沉降定义为湿化量。在图5基础上得图6。湿化试验完成之后，测量各试样的含水率，其变化规律见图7。从图6和图7可见：湿化量和含水率增量与荷载的关系曲线出现了微峰，整体上表现为额定荷载越大，湿化量和含水率增量越小。因为额定荷载越大，土体孔隙比和渗透性越小，压实度越高。50 kPa时湿化量和含水率增量与100 kPa时的相比略小，可能是实验误差所致。

图6 湿化量与荷载关系的曲线Fig. 6 Relationship between wetting deformation and load

图7 湿化量与含水率增量关系的曲线Fig. 7 Relationship between wetting deformation and increment of water content

1.3 平板载荷试验条件下累积变形与湿化特性

获得侧限压缩试验条件下累积变形与湿化特性后，在模型槽内给花岗岩残积土填土重复加载、卸载，通过平板载荷试验模拟工地现场压实过程，探究土体沉降量与不同额定荷载及重复压卸循环次数之间的关系。试验方案如下。

(1) 准备工作。清理模型槽(尺寸见图8)，摊铺试验土体(厚度为30 cm)，标定压力传感器，设置荷载平台(配重约 8×104N)。

图8 模型槽平面布置图Fig. 8 Layout of model groove

(2) 安装数据收集系统。测点处放置直径为 300 mm的承压板、千斤顶、压力传感器，其间隙由实际情况加减钢板垫块进行调节；在承压板左右两侧对称设置2个大量程百分表，并与承压板保持垂直。

(3) 读取数据。对测点土体进行分级加载卸载(额定荷载分别为50，100，300和400 kPa)共5个循环，第6次进行超载加、卸压。

(4) 加水湿化。取出承压板，在测点中心加入1 L水，12 h后完成1次加、卸载循环。

1.3.1 不同压力下土体重复压缩-回弹曲线特征

4种压力下花岗岩残积土6次压缩-回弹曲线如图9所示。其中：图 9(a)，(c)，(e)和(g)所示分别表示4种压力下进行5次等压循环和1次超压循环曲线。为了详细了解5次循环曲线特征，作出5次等压循环和1 次超压曲线(局部放大)，见图 9(b)，(d)，(f)和(h)。从图9可以看出：土体压缩曲线均呈上凸型，这与戈壁填料和空隙岩体[14]压缩曲线呈上凸型、下凹型和直线型不同，土体经首次压缩之后出现了明显沉降；回弹曲线均呈下凹型，这与戈壁填料回弹曲线相同；在卸载初期，弹性变形很小，一般到最后1～2级荷载才产生明显的弹性变形，卸载完毕时无法回到加载前的水平；第i+1次压缩回弹曲线均位于第i次曲线下方，线性相似，这说明花岗岩残积土填土为非理想弹性体，荷载作用下发生的变形由弹性变形和塑性变形2部分组成；同样压缩回弹5遍，额定荷载越大，造成土体沉降就越大；当第6次循环最大荷载超过前5次最大额定荷载时，加压曲线将回归到第1次压缩曲线的延伸，即具有记忆效应，并且引起较大沉降。说明实际土体碾压过程中，采用轻、重机具组合碾压，能使土体的压实程度明显提高。

图9 不同荷载下6次压缩-回弹曲线Fig. 9 Multiple compression-rebound curves of six times under different loads

表3 不同荷载下土样的累计总变形、累计永久变形、单次总变形、单次永久变形Table 3 Accumulative and single total and permanent deformation under different loads

1.3.2 不同压力下变形随加载次数的变化

定义最大荷载作用下的沉降量为总变形，卸载至0 kPa时的沉降量为永久变形，总变形大于永久变形，则某次加卸载循环就有某次总变形和某次永久变形，累积加卸载循环就有累积总变形和累积永久变形，试验结果见表3。土体某次总变形变化见图10。从图10可见：无论荷载大小，第1次加载造成的总变形和永久变形均最大，之后便随次数增加，某次总变形和永久变形均有所减小，但减小幅度不明显，线型接近直线，变形量最大不超过 5 mm；荷载越大，某次总变形和永久变形也越大，其曲线越靠下。此特性与土样在侧限条件下的试验结果类似，说明土体压缩后所产生的某次永久变形绝大部分由额定最大荷载决定，并且第1次压缩量最大。

图10 土体某次变形变化曲线Fig. 10 Deformation – time curves

图11所示为4种荷载作用下累积变形与压缩遍数规律。从图11可见：各级荷载作用下，累积总变形均位于累积永久变形的下方，累积变形均随遍数的增加而增加，且荷载越大，累积变形斜率越大，即下降速度越快。说明在实际土体碾压过程中，采用轻型机械连续碾压效果不明显，重型机械连续碾压效果较好。

图11 土体累计变形-压缩遍数曲线Fig. 11 Relationship between accumulative deformation and loading frequency

1.3.3 不同压力下残余变形比变化

为了考察土体中永久变形占总变形的比例，定义残余变形比为：

式中：η为残余变形比；s0为荷载退零后的残余沉降值(mm)；s为最大荷载下的沉降值(mm)。

累积残余变形比与压缩遍数关系曲线见图12。从图12可见：随着压缩遍数的增加，累积残余变形比呈整体增大趋势，且额定荷载越大，累积残余变形比越大。这说明土体经过多次压缩回弹之后，累积塑性变形由急剧减小逐渐发展成缓慢减小，最终趋于平稳。单次残余变形比与压缩遍数关系曲线见图13。从图13可见：额定荷载大的单次残余变形比较大，且单次塑性变形随遍数的增加分2阶段变化，其中，第1阶段从第1遍压缩回弹结束至第2遍压缩回弹结束为急剧减小阶段，此时土体被迅速压实；第2阶段从第2遍结束开始至最终结束为平稳发展阶段，土体变形主要由弹性变形主导。这说明现场压实过程中，单靠增加压实遍数来增加压实效果是有限的。综合图 9～13可知：现场压实效果主要靠提供较大荷载的高能量压路机实现。

图12 土体累计残余变形比与压实遍数的关系Fig. 12 Relationship between accumulative residual deformation rate and loading frequency

图13 土体单次残余变形比与压实遍数的关系Fig. 13 Relationship between single residual deformation rate and loading frequency

1.3.4 不同压力下湿化土的压缩回弹规律

湿化后的压缩-回弹曲线如图 14所示。从图 14可见：湿化土的压缩曲线呈下凹型，与未湿化土的压缩曲线呈上凸型不同；最大荷载大，湿化土的压缩沉降小。曲线方程可设为 p=f(s)，则 dp/ds(刚度)和变形模量随着p的增大而增大，d2p/ds2＞0，曲线呈下凹型。这说明6次加、卸载循环后，土颗粒形状和接触点、面破坏，加水后在孔隙中形成自由水，土颗粒重新润滑排列，白云母、伊利石、高岭石与H+和OH-发生电化学反应，再受压时，孔隙中自由水先轻松排出，故低压阶段压缩曲线较陡，继续加压时，粒间引力较大，结合水的排出非常困难，故压缩曲线较平缓。

图14 湿化土的压缩-回弹曲线Fig. 14 Compression-rebound curves of wetted samples

2 结论

(1) 该花岗岩残积土中白云母-伊利石质量分数约占35%，高岭石约占27%，属于细粒土质砾，级配不良。

(2) 花岗岩残积土填土的压缩曲线呈上凸型，回弹曲线呈下凹型；第i+1次压缩-回弹曲线均位于第i次曲线下方，线形相似；等载压实遍数增加，沉降增量递减、累积沉降增大；超载压缩曲线将回归到首次压缩曲线的延长线上，具有记忆效应。永久变形主要由最大荷载和第1次压缩决定。

(3) 花岗岩残积土单次永久变形的发展随遍数的增加分快速发展和平稳发展2个阶段，总变形由弹性变形主导。循环荷载越大，某次压缩总变形和永久变形也越大。

(4) 压实填土遇水产生湿化沉降；湿化土的压缩-回弹曲线均呈下凹型；超载越大，湿化土的水稳定性越强。

(5) 在现场压实过程中，增加压路机能量或者轻重机具组合比增加压实遍数可取得较好的压实效果。建议通过工地试验确定不同压实区的碾压工艺。

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