花岗岩残积土路用性能影响因素研究

胡焕校，孙端阳，周 丁

(中南大学地球科学与信息物理学院，湖南 长沙 410006)

花岗岩残积土路用性能影响因素研究

胡焕校，孙端阳，周 丁

(中南大学地球科学与信息物理学院，湖南 长沙 410006)

为了分析花岗岩残积土路用特性，从影响因素入手研究。取湖南境内花岗岩残积土进行室内试验，通过薄片和XRD试验，得到残积土矿物成分及基本结构，发现云母含量较高且呈叠片状结构；通过大量统计与试验，从粒径组成、击实功、含水率三个因素出发，研究残积土路用特性变化。结果表明：细砂对残积土含水性影响关键，粗粒含量与CBR强度呈指数关系，特定粒径组成对残积土路用特性有利；以黏土质砂为试验对象，击实功增加，最大干密度增速“两头大、中间小”，最优含水率降速“两头小、中间大”，最大CBR值先线性增加后基本不受影响；结合击实功进行分析，含水率存在wcr，小于wcr，击实功与CBR正相关，反之负相关。

路用性能；影响因素；室内试验；花岗岩残积土

花岗岩残积土在我国南方地区广泛分布，由于其特殊性，对该类土的利用仍然是一个重要议题，尤其是在道路交通领域。花岗岩残积土路用特性主要包括含水性、击实性和CBR强度(加州承载比)，如果直接对路用特性指标进行分析，意义不大也难以发现规律，但是结合其影响因素进行研究，发现规律，并且通过系统地分析其影响机理，则对于合理利用该类土具有重要意义。

花岗岩残积土地层自上而下砂砾含量增加[1]，细粒成分主要成分为高岭石、伊利石、绢云母等黏土矿物，粗粒成分主要是长石、石英、云母等成岩矿物及其风化程度不高的产物，含极少量的铁质矿物。国内外学者从不同角度、不同方面对花岗岩残积土展开了研究。在理论方面，汤连生等[2]、颜波等[3]根据吸力理论，分别解释了非饱和花岗岩残积土应力-应变曲线特征及水稳性机理和花岗岩风化土的软化崩解和崩岗机制；Hossain等[4]则从控制吸力出发，研究抗剪强度变化；龙志东等[5]分析轴压、初始干密度、粒径组成对抗剪强度的影响。这些研究对于从力学、本构角度认识花岗岩残积土具有重要意义。

残积土微观结构方面研究较少，湖广地区花岗岩残积土微观结构主要有团粒状结构、片状结构、细粒状等结构[6]，与其它如红黏土[7]、全风化花岗岩[8]有所不同。在含水性方面，汤连生等[9]采用渗析法进行花岗岩残积土水土特征曲线试验，并详细分析了试验操作和结果，Hu等[10]以厦门花岗岩残积土为对象，研究含水率对其应力应变、强度的影响，Kim等[11]进行类似研究，并考虑了含水率对水土特征曲线和基质吸力影响；陈晓平等[12]针对华南高液限花岗岩残积土中粗粒颗粒含量对其含水率的影响，发现：d>0.075 mm粗粒含量对天然含水率的影响呈“低大高小”的趋势。对于花岗岩残积土路用性能的研究，铁路路用特性[13]与道路不同，陈杰等[14]分析花岗岩残积土道路路用特性并提出一种路基压实控制方法；Ramasubbarao等[15]基于多种回归模型和大量数据分析，尝试通过粒组组成、液限、塑限、最大干密度和最优含水量等5个因素拟合细粒土CBR值。此外，廖浩成等[16]、李建新等[17]、Niu等[18]对强风化、全风化花岗岩进行研究，对于花岗岩残积土的研究具有借鉴意义，但是花岗岩残积土具有特殊性，国内现有研究很少系统地分析影响路用特性的因素，也就难以把握其工程性质。

本文在分析花岗岩残积土矿物成分、基本结构的基础上，从粒径组成、击实功、含水率等3个方面考虑，研究残积土路用特性的变化，其中粒径组成对含水性、击实性、CBR强度均有影响，击实功和含水率则分别或交叉对击实性、CBR强度产生影响。进一步分析影响结果和影响机理，为该类土合理利用提供指导。

1 花岗岩残积土矿物成分及结构

本文依托湖南省某在建高速公路项目，对花岗岩残积土路用特性及其影响因素进行研究。工程位于湖南省中部，本区原岩为准铝质花岗岩[20]，主要成分是长石、石英、黑云母、角闪石等，从残积土表观剖面观察，花岗岩残积土应由具斑状、似斑状的中粗粒花岗岩风化而来。本区气候属于亚热带季风性湿润气候，全年雨水充沛，年平均降雨量超过1 500 mm，严寒期短，暑热期长，地形以丘陵、岗地为主，水网密布，植被繁茂，形成有利于花岗岩风化的气候和地质环境，经过长期冲刷和淋滤作用保留残积土。在调查花岗岩残积土分布基础上，试验所用土样选取该高速公路沿线多个取土点，取土深度为地表以下2～3 m，取土时间间隔短。

分别取具有代表性的花岗岩残积土：含砂高液限黏土①和黏土质砂②进行矿物成分和结构分析，前者取土部位表面以暗红色为主，后者取土部位呈黄色、暗红色，并有黑色斑状，风化程度前者较后者高。对2个土样进行薄片和XRD粉晶衍射试验，薄片试验取大块原状土样磨片后采用偏光显微镜观察，衍射试验取土样充分研磨后采用D/max 2500X射线衍射仪分析，试验结果见图1和图2。

图1 土样①薄片扫描及矿物成分Fig.1 Thin section observation and mineral composition of soil sample 1

图2 土样②薄片扫描及矿物成分Fig.2 Thin section observation and mineral composition of soil sample 2

从现场剖面和试验结果可以看出：(1)细粒土黏土矿物明显多于粗粒土，但两种土中云母含量均达到三成，但是云母粒径不同，说明云母对该花岗岩残积土有比较重要的影响，片状结构的云母含量增多，强度下降[19]；(2)细粒土和粗粒土均是以粗颗粒为骨架，主要呈叠片状结构，细颗粒以集合体方式填充在骨架中，形成残积土原状结构；(3)从细粒土样中看出粗颗粒间少见接触，基本“悬浮”细颗粒中，小孔隙很少，且集中在粗颗粒较多部位，微孔隙较多；粗粒土取土剖面可

见由中粗粒斑状结构，粗颗粒形成骨架，较大粒径云母片堆叠形成架空结构，层面间点、边接触较多，面接触较少，或有细粒集合体充填其中，在空间上形成较多的大、中空隙。

矿物成分及结构对残积土路用特性有一定影响，对于含水性，粗粒土具有叠片状架空结构及良好的储水空间，而细粒土黏土矿物含量多，水化能力较粗粒土强，导致二者天然含水率基本相同。对于击实性和CBR强度而言，粗粒土的优势则比较明显。

2 花岗岩残积土路用特性影响因素

花岗岩残积土含水性、击实性、CBR强度受很多因素影响，排除试验操作等，含水性主要受矿物组成及结构、粒径组成影响，击实性主要受粒径组成、击实功、含水率影响，CBR强度也受到粒径组成、击实功、含水率影响，下面着重研究粒径组成、击实功、含水率三个因素。

2.1粒径组成

细粒土包括含砂高液限粉土(MHS)和含砂高液限黏土(CHS)，粗粒土包括粉土质砂(SM)和黏土质砂(SC)，根据规范[21]进行了大量的含水率、液塑限、筛分、击实、承载比等试验(表1)。

表1 土的基本性质Table 1 Basic properties of granite residual soils

注：本区花岗岩残积土中低液限土很少，以高液限土为主；CBR为压实度100%时的值。

2.1.1粒径组成对含水性的影响

(1)花岗岩残积细粒土

对于细粒土而言，粗颗粒主要起到调节土体孔隙和提高土体强度的作用，图3(a,b,c)显示砂粒、细砂、细粒对天然含水率的影响。分析图3(a,b,c)可知，在细粒土中砂粒含量P对土含水率的影响存在极大值，极大值时砂粒含量在30%左右，含水率与细砂含量基本呈线性相关。随着细粒增加，天然含水率先保持不变后下降，转折点处细粒超过62%。

该类花岗岩残积土矿物成分主要是绢云母和不易水化的黏土矿物，而其结构上微孔隙多储水空间小，导致细粒含量很大而含水率减小。另一方面，粗粒增多，土体孔隙受到调节，中、小孔隙增多，含水率必然先增后降，在此过程中细砂兼具粗粒、细粒特点，对含水性影响最大。

(2)花岗岩残积粗粒土

花岗岩粗粒土中粒径大于0.075 mm的颗粒超过50%，分析其中砾粒、细粒、细砂对粗粒土天然含水率的影响如图3(d,e,f)所示。含水率随着砾粒增加而快速降低，随着细粒增加而缓慢增加，随细砂+细粒的增加呈抛物线变化，抛物线极值处细砂+细粒含量在50%左右。对比图4(e)和图4(f)，细砂对含水率变化起到关键作用。

无论粗粒土还是细粒土，细砂对于含水性起到关键影响。对于细粒土含水性，细粒含量大于60%，砂粒含量小于30%，其中细砂含量小于10%，土的天然含水率保持较低水平。对于粗粒土含水性，砾粒含量约15%，细粒含量小于35%，细砂含量大于15%，土的天然含水率较低。

图3 不同粒径含量对天然含水率的影响Fig.3 Influences of different grain content on natural moisture content

2.1.2粒径组成对击实性的影响

击实试验均采用标准重型98击方法，结果如图4、图5所示。从图4可以看出，粗粒土击实性对粗砂含量的敏感程度大于细粒，二者击实性曲线趋势相反，而且粗砂含量大于23%后，粗粒土击实性明显改善。对于细粒土(图5)，当砂粒含量达到30%后，最优含水率变化不明显，最大干密度一直增加，而随着细粒增多，最大干密度下降趋势减缓，最优含水率上升趋势增强。整体而言，砂粒尤其是粗砂含量对残积土的击实性影响很大。

图4 不同粒径含量对粗粒土最大干密度、最优含水率影响Fig.4 Influences of different sand content on MDD and OMC for coarse grained soil

图5 不同粒径含量对细粒土最大干密度、最优含水率影响Fig.5 Influences of fine grain content on MDD and OMC for the fine grained soil

2.1.3粒径组成对CBR强度的影响

从试验结果看，粗粒土CBR值明显大于细粒土CBR值，这主要是由于粗颗粒含量的增加，试样对浸水敏感度降低[22]，而表现出的CBR强度以粗颗粒间咬合摩擦为主。统计细粒土、粗粒土中粗粒含量与CBR强度关系如图6所示。图中以50%为界限，左侧是细粒土曲线，右侧是粗粒土曲线，曲线呈指数增长趋势，但在粗粒含量超过某一值Pcr时，CBR不再变化，本文花岗岩残积土的Pcr约为75%。经拟合，残积土粗粒含量与CBR强度值存在指数关系，可作为判别通过筛分试验估计残积土CBR强度的方法：

图6 不同粒径含量对CBR值的影响Fig.6 Influence of different grain content on CBR value

由于细粒土CBR强度很低，试验结果离散性大，所以研究粗粒土CBR强度意义更大。粗粒是CBR变化趋势的主控因素，进一步考虑砂粒含量对粗粒土CBR

值的影响(图6b)。随着砂粒增多，CBR值先增后缓，并且拟合曲线有平缓趋势，主要原因可能是砂粒含量过大而起到土中粒组的代表性作用，土样整体上表现为砂粒特性，内摩擦角趋近于砂粒自身的内摩擦角代表值，CBR强度变化则表现为先增大后平稳。

综合考虑粒径组成对含水性、击实性和CBR强度的影响，对于细粒土，细粒含量在60%～65%之间，砂粒含量不超过28%，其中细砂含量不超过10%，土体含水率较低，击实性和CBR强度均较好；对于粗粒土，粗粒含量在65%～75%之间(即细粒含量不超过35%，粗粒含量不超过75%)，其中砾粒含量约15%，粗砂超过23%，细砂超过15%，土体含水率较低，击实性良好，CBR强度较高。

2.2击实功(击实次数)

本试验所用花岗岩残积土基本性质为：黏土质砂，w0=23%～25%，Gs=2.70，wP=24%～27%，wL=52%～53%，ρmax=1.812 g/cm3，wop=14.3%。细粒含量约30%，砂粒含量约56%，砾粒含量约14%。

试验所用仪器全断面循环9击/次，采用击实击数为(1 202.0 kJ/m3)/44击、(1 447.9 kJ/m3)/53击、(1 693.7 kJ/m3)/62击、(1 939.6 kJ/m3)/71击、(2 185.5 kJ/m3)/80击，每个击实功下不同含水率击实试样设3个平行试验，得到试验结果。针对击实和承载比试验，对含水率进行控制，结果见表2。

表2 击实和承载比试验结果Table 2 Results of compaction and CBR tests

2.2.1击实功对击实性的影响

击实功对击实性的影响可以从两方面进行分析，一是分析击实功对残积土击实性能指标(最大干密度和最优含水率)，二是结合含水率，研究残积土击实性(压实度)的变化。

(1)击实性能指标

不同击实功下，最大干密度和最优含水率的变化趋势明显不同(图7)。随着击实功增加，最大干密度增速“两头大、中间小”，最优含水率降速“两头小、中间大”，二者曲线均呈台阶状，第一个台阶拐点击实功约1 500 kJ/m3，第二个拐点击实功约2 000 kJ/m3。从结构性角度分析，击实功作用于花岗岩残积土，土体在不同击实功下达到不同最密状态，形成不同击实功下的结构。如果增大击实功，形成相应结构状态，原结构必然起到阻碍作用，所以干密度曲线存在缓冲段，而随着击实功增大，原本需要水分“润滑”才能密实的土体强行被压密，最优含水率下降。

图7 击实功对击实性能的影响Fig.7 Influences of compaction energy on the compaction property

(2)压实度

压实度是土体干密度与其标准最大干密度的比值，用于表征土体压实后的密实状态。结合含水率、击实功，讨论不同组合下土体击实状况，也可用压实度表示。图8是不同含水率下击实功与压实度的关系，图9是击实曲线。纵向上，含水率升高，压实度先缓慢增长，后快速下降；横向上，含水率高于19.5%，击实功对压实度影响很小，含水率低于19.5%，压实度受击实功影响较大。

图8 不同含水率下击实功-压实度关系Fig.8 Relationship between compaction energy and compaction degree under different water content

图9 不同击实功下击实曲线Fig.9 Compaction curve under different compaction energy

对于高速公路路基填筑[23]，路堤压实度标准是93%和94%，路床压实度标准是96%。根据试验结果，满足路堤填筑压实度要求的最大含水率为20%(此时击实功1 700 kJ/m3左右)，含水率在13.5%～19.5%，压实度基本均能满足。满足路床填筑压实度要求的最大含水率为19%，含水率在16%～18%，且击实功在1 400 kJ/m3以上，土体满足路床填筑。

2.2.2击实功对CBR强度的影响

不同击实功下，含水率与CBR值存在类似击实曲线的关系，取曲线CBR峰值和所对应的击实功得到图10。根据击实功-CBRmax曲线变化情况，击实功在1 200～2 000 kJ/m3范围内，击实功与CBRmax二者近似线性关系。击实功大于2 000 kJ/m3，CBRmax基本不随击实功变化而变化，说明对于该类残积土，存在临界击实功Ecr，此时土体强度达到稳定状态。

图10 击实功-最大CBR关系Fig.10 Relationship between compaction and the maximum CBR value

2.3含水率

考虑到CBR试验在击实试验基础上进行，因此必须结合击实功研究含水率对CBR强度的影响。如图11所示，含水率-CBR关系与击实曲线相似，均存在峰值，该曲线最优含水率与击实曲线最优含水率变化基本吻合，但是当含水率达到wcr=18.4%左右时，曲线两侧发生变化：左侧CBR值随着击实功增大而增大，右侧CBR值随着击实功增大而减小，即含水率小于18.4%，击实功与CBR之间存在正相关关系，相关系数R>0；含水率大于18.4%，击实功与CBR之间存在负相关关系，相关系数R<0。

图11 不同击实功下含水率-CBR关系Fig.11 Relationship between water content and CBR value under different compaction energy

3 结论

(1)该花岗岩残积土黏土矿物为高岭石、伊利石等矿物，亲水膨胀性不强；云母含量较高，呈叠片状结构，细粒土细粒集合体充填孔隙、包裹粗颗粒，粗颗粒架空结构储水空间良好。

(2)研究粒径组成对残积土路用特性的影响，细砂对含水性起到关键作用。对于细粒土，细粒含量在60%～65%之间，砂粒含量不超过28%，其中细砂含量不超过10%，路用性能较好。对于粗粒土，粗粒含量在65%～75%之间，其中砾粒含量约15%，粗砂超过23%，细砂超过15%，路用性能优良，对于花岗岩残积土物理改性具有参考意义。

(3)粗粒含量与CBR强度呈分段函数关系，粗粒增多，CBR先指数增加后稳定不变，可以通过该关系估计CBR强度，并且粗粒土砂粒增多，CBR强度趋于稳定。

(4)对于黏土质砂，随着击实功增加，最大干密度增速“两头大、中间小”，最优含水率降速“两头小、中间大”，曲线均呈台阶状；击实功与其对应最大CBR值之间存在正相关线性关系，但达到临界击实功后，CBR基本不受击实功影响，对于本文黏土质砂，临界击实功Ecr为2 000 kJ/m3，为该类土合理利用击实功提供参考。

(5)含水率与CBR关系与击实曲线相似，考虑击实功的影响，对于黏土质砂，当含水率小于18.4%，击实功与CBR之间存在正相关关系，相关系数R>0；含水率大于18.4%，击实功与CBR之间存在负相关关系，相关系数R<0，合理的击实功与含水率组合，对于提高土体强度有意义。

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责任编辑：张明霞

Astudyofinfluencefactorsontheroadcharacteristicsofgraniteresidualsoil

HU Huanxiao, SUN Duanyang, ZHOU Ding

(SchoolofGeoscienceandInfo-Physics,CentralSouthUniversity,Changsha,Hunan410006,China)

In order to analyze the road characteristics of granite residual soil, the influence factors are examined and granite residual soils in Hunan are collected for laboratory tests. Through thin section and XRD experiments, mineral composition and basic structures of granite residual soil are obtained and the results indicates that this kind of granite residual soil has a high content of mica that behaves a laminated structure. Based on a large number of statistics and experiments, this paper studies the change in the road characteristics of the residual soil from three factors, including the particle size composition, compaction energy and water content. The results reveal that the fine sand content is the key influence factor on the soil water-bearing property and the coarse grain content has an exponential relation with CBR. Moreover, the particular particle size composition makes good sense to the road characteristics of granite residual soil. With the rising compaction energy, the head and the tail growth (decent) rate of the maximum dry density are large and the middle is small, contrary to the optimum moisture content. The max CBR value increases linearly and then basically remains unchanged as the compaction energy rises. Combined with the compaction energy, water content has a critical value and is less than this value. CBR is positively correlated with the compaction energy and if not, CBR is negatively correlated with the compaction energy.

road characteristic; influence factor; laboratory test; granite residual soil

TU411.2；TU411.3

A

1000-3665(2017)05-0092-08

孙端阳(1992-)，男，硕士研究生，主要研究方向为岩土工程。E-mail:sundy15@csu.edu.cn

10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.2017.05.15

2017-03-08;

2017-04-06

胡焕校(1968-)，男，博士，教授，博导，主要从事地基与基础、注浆等的教学与研究工作。E-mail:hhx@csu.edu.cn