广州东部地区花岗岩残积土物理力学指标统计分析

梁仕华，周世宗，张 朗，王 蒙

(广东工业大学土木与交通工程学院，广东广州510006)

花岗岩残积土是指新鲜花岗岩岩层在物理风化作用和化学风化作用下形成的物质，其结构、成分和性质已产生不同程度的变异，当风化程度较强时，形成土状物，且没有受到搬运营力的水平及垂直搬运，并保持其原岩所在位置［1］.花岗岩残积土与其他沉积土相比，在物理力学性质、结构性、扰动性、软化性等方面存在着较大的差异性［2］.由于母岩物质组成及后期的气候、风化环境和所处的地形地貌不同，不同区域的花岗岩残积土无论是物质组成还是物理力学特性都存在一定的差异性，因此对不同区域的花岗岩残积土的物理力学参数进行统计分析具有较大的工程指导意义.国内许多学者对花岗岩残积土展开多方面的研究，王清［3-4］、陈洪江［5］对花岗岩残积土的工程地质特征研究;胡红梅［6］、陈洪江［7］、阳发清［8］等对花岗岩残积土的物理力学特征与工程性质研究;张永波［9］对花岗岩残积土的工程分类研究;魏克和［10］、张永波［11］等对花岗岩残积土的抗剪强度与地基承载力研究;朱德昌［12］对花岗岩残积土的试验和测试研究.

本文以广州东部地区花岗岩残积土为研究对象，选取最常用的几个工程应用指标进行统计分析，给出了该区花岗岩残积土物理力学指标的统计值、变化范围，研究了各指标之间的相关性，建立土性参数间的经验关系式，最终得出该地区花岗岩残积土的一般特性.

1 花岗岩残积土的粒度组成

表1为广州东部地区花岗岩残积土粒度分布.从表1看出，花岗岩残积土的粒度呈“两头多、中间少”的分布特征，即粒度分布在粗砂以上粒组和粉、黏粒粒组比较集中，而中、细砂及粉砂的含量少得多，这与文献［13］统计的花岗岩残积土的粒度平均组成情况一致.

表1 广州东部地区花岗岩残积土粒度分布Tab.1 Granularity distribution of granite residual soil in eastern Guangzhou

上述的粒度组成，决定了花岗岩残积土的组构:由粗粒(砾粒、粗砂及部分中砂)构成土骨架，粗粒之间主要由游离氧化物包裹及填充实现联结或来自原岩矿物晶粒间的残存联结，而由于填充粗粒骨架的中细砂及粉砂的含量少，因此孔隙比较大，这与文献［14］的SEM图像分析结果一致.

2 花岗岩残积土物理力学性质指标研究

在广州东部地区，广泛分布着燕山期花岗岩残积层，在萝岗、天河、增城等多个场地对其进行了物理力学试验与分析，研究表明:广州东部地区花岗岩残积土以黏粒和石英砂粒为主，呈灰黄、褐黄、灰白等花斑色，残积土厚度变化比较大，一般是埋深越深，厚度越大，颗粒含量随母岩的不同而有较大变化.以砂质黏性土为代表，通过土工试验得到该地区花岗岩残积土的物理力学指标(天然密度ρ、含水量w、孔隙比e、压缩系数a1-2、压缩模量Es1-2、内摩擦角φ、黏聚力c、塑性指数Ip、液性指数IL、标贯击数N等)统计分析如表2所示.这些指标能够反映花岗岩残积土的主要物理力学性质，是工程应用中最常用和最重要的试验指标.

本次勘察的岩土物理力学性质指标值，主要是通过钻孔采取的岩土样作室内试验确定，运用数理统计方法对其进行统计分析.从表2可以看出，土的天然密度变异系数最小，只有0.02，说明土的天然密度值本身就相差很小，另一方面也与试验方法有很大关系，天然密度的测量值是两个或多个试件平行试验结果的代表性值或平均值，而且试验数据误差也有规定，取样时还要经过选择.这样，其试验结果必然集中，变异系数大幅度减小.

液性指数IL的变异系数最大，主要原因是受天然含水量的影响所致.液性指数IL是据天然含水量ω，塑限ωp和液限ωL按式(1)算出.

由于气候条件的影响，残积土的天然含水量随深度的变化比较大，因而液性指数也随深度而变化.

4个力学指标中，压缩系数和压缩模量变异系数稍小，而内摩擦角和黏聚力的变异系数均较大，说明钻探取样及试验操作等扰动对4个力学指标的影响是不同的，这与文献［15］的结论是一致的.

从表2还可知，广州东部地区花岗岩残积土的平均孔隙在0.8左右，而平均含水量为25%～30%内，土体多处于硬塑～可塑状态，其压缩模量一般都接近4MPa，具中高压缩性.另外，花岗岩残积土的黏聚力和内摩擦角都较大，也就是抗剪强度高.对一般土来说，大孔隙比与高压缩性是正常的因果关系，但不会同时具高压缩性和高抗剪强度.黏聚力较大是因为土的微结构通常不会完全破坏，而且通常花岗岩残积土中黏、粉粒的含量很高，而内摩擦角较大是由于土中粗粒组含量较高，这说明花岗岩积土既有黏土的性质，也有砂土的性质.

表2 砂质粘性土层物理力学性质指标统计表Tab.2 Statistic of physical and mechanical properties of silt sandy clay

3 花岗岩残积土的显著结构性

对非结构性和弱结构性土来说，黏聚力随着土中黏粒含量的增加而增大，即塑性指数越大，黏聚力也越大，从图1看出，黏聚力与塑性系数不仅没有这种相关性，而且有相反趋势;同样，土中黏粒含量增加、黏聚力增大，必与土中粗粒组含量减少、内摩擦角的减少相对应.但图2指出，大多数内摩擦角值都在20°左右，与黏聚力的变化无关.这一方面说明花岗岩残积土具有显著结构性，使土的黏聚力主要取决于结构强度，而黏粒含量的影响较小;另一方面也说明土工试验的各个环节对土样产生了扰动破坏作用，而且扰动程度不尽相同.这一结果也与吴能森［15］在结构性花岗岩残积土的性质及工程问题研究的结论相吻合.

4 花岗岩残积土参数间相互关系分析

花岗岩残积土的物理力学性质指标之间存在内在的联系，研究土参数间的关系，有利于全面认识花岗岩残积土的工程性质，为合理选择岩土参数指标提供依据.通过现场220个花岗岩残积土土样的土工试验报告，进行一元线性回归和非线性回归分析，以剩余均方差最小为最佳拟合，得各土性参数之间的回归方程式如表3和图3所示(限于篇幅，仅列出了部分土性参数相关曲线).

图1 黏聚力与塑性指数关系散点图Fig.1 Relation between cohesion and plastic index

图2 黏聚力与摩擦角关系散点图Fig.2 Relation between cohesion and internal friction angle

表3 花岗岩残积土物理力学性质指标相关关系Tab.3 Correlation of physical and mechanical indexes of granite residual soil

从表3和图3中可得如下结论:

(1)花岗岩残积土的含水量与塑性指数、孔隙比、液限、塑限、压缩系数等正相关性较好，相关指数(R2)的取值范围在0.705 1～0.969 8之间.而随含水量的增大，天然密度和压缩模量却相应减少.

(2)孔隙比与天然重度、压缩模量、压缩系数有较好的相关关系，其中，压缩系数随孔隙比的增大而增大，压缩模量和天然重度随孔隙比的增大而减小.除此之外，液限与塑限之间也有很强的相关关系，相关指数达到0.958 9.

图3 花岗岩残积土物理力学性质指标关系图Fig.3 Correlation of physical and mechanical indexes of granite residual soil

5 花岗岩残积土标准贯入试验

标准贯入试验作为一种成熟的原位测试手段，可对地基土的物理状态、土的强度、变形参数等物理力学参数做出评价，在评价花岗岩残积土性质方面得到普遍使用［16］，大量的试验数据表明，标准贯入试验在花岗岩残积土得到了较好的体现.根据图3可知，它与土的液性指数、孔隙比、黏聚力以及压缩模量都有较好的相关关系，其相关系数都在0.85以上.

液性指数是一项重要的土体物理参数［17］，相对于含水量，它能够更真实地反映土所处的状态.标贯击数与液性指数有较好的相关关系，呈现负相关;土的孔隙比越小，其压实程度一般都较好，图4的标贯击数与孔隙比有较好的线性关系，也呈现负相关;其次，压缩模量与标贯呈很好的线性正比关系，可用标贯来预测地基土的压缩模量;最后，黏聚力与标贯数也有很好的线性关系，呈现正相关，相关系数达到0.95.

6 结论

(1)由于土工试验方法和取样扰动影响的不同，导致花岗岩残积土物理力学指标的变异系数大小不一，其中，内摩擦角、黏聚力、液性指数、塑性指数变异系数较大，而天然密度、含水量、孔隙比、压缩模量和压缩系数等变异系数都较小，可以作为工程应用的参照指标.

(2)花岗岩残积土具有很强的结构性，其物理力学指标与一般的非结构性土有很大的区别，黏聚力除了与黏粒含量有关外，主要取决于土的结构强度.

(3)统计分析指出:花岗岩残积土的含水量与塑性指数、孔隙比、液限、塑限、压缩系数有较好的正相关关系，与天然密度和压缩模量呈现负相关;孔隙比与天然重度、压缩模量、压缩系数有较好的相关关系.根据物理力学指标相互关系得出的线性回归方程可为广州市的基础工程建设提供参考.

(4)花岗岩残积土的标贯试验表明:土的标贯击数与液性指数、黏聚力、压缩模量、孔隙比有较好的相关关系，因此，可以用标贯击数来预测花岗岩残积土的其他物理力学参数指标.

图4 标准贯入击数与物理力学参数指标关系图Fig.4 Correlation of standard penetration blow counts and physical and mechanical properties

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