容县压实花岗岩残积土的力学性质与微结构特性研究

王志兵，麦棠坤，齐 程

(1.广西岩土力学与工程重点实验室，广西 桂林 541004; 2.桂林理工大学土木与建筑工程学院，广西 桂林 541004)

我国南方地区(广东、广西、香港、福建等)华力西-印支期、燕山期花岗岩分布广泛，由于气候炎热潮湿，形成可达数十米深的花岗岩风化壳，且在垂直剖面上风化序列完整，一般可分为残积土带、全风化带、强风化带、中风化带、微风化带、未风化带等六个风化带。其中靠近地表的花岗岩残积土和全风化花岗岩是南方地区典型的筑路材料，常常具有高液限、结构性、遇水软化、易崩解性等特性而被当作特殊性岩土体，并引起不少学者关注[1～2]。

许多风化花岗岩填筑物的病害与其填料的压实度和干湿状态有关系，花岗岩残积土的天然含水率往往大于击实曲线上的最佳含水率，给其填筑施工中压实度的控制带来困难，当花岗岩残积土填料的压实度不够时常常引起路基病害或一些灾害发生。如在2015年12月20日广东深圳光明新区发生的一起严重的造成人员伤亡和财产损失的废土填埋场滑坡的填筑体主要为风化花岗岩砂土，其压实度仅为69.83%～82.68%，土体处于松散状态[3]。在香港地区，施工规范对风化花岗岩填料不够重视或受施工和技术条件限制，作为填坡材料的风化花岗岩未经过专门的碾压或夯实，填料处于松散状态，常常在雨季时发生严重的滑坡灾害[4]。广佛肇高速公路以花岗岩残积土作为路堤边坡的路段多处出现浅层滑移、崩塌、水毁现象[5]。

在花岗岩残积土或风化花岗岩的力学强度特征方面，陈晓平等[1]研究了华南高液限花岗岩残积土中粗粒含量与天然含水率、天然状态指标与抗剪强度参数之间的规律特征。龙志东等[5]分析初始干密度、颗粒成分对花岗岩残积土抗剪强度指标的影响。赵建军等[6]通过三轴试验与直剪试验对比研究花岗岩残积土的力学性能，认为两种试验方式都一致地反映出花岗岩残积土的剪胀剪缩特性。Rahardjo[7]研究了新加坡不同埋深与不同风化程度花岗岩残积土抗剪强度特。吴迪等[8]通过环剪试验研究了残积土在较大剪切应变范围内的峰值强度和残余强度特征，得到了含水率与残余强度指标之间的关系。李凯等[9]认为风化花岗岩土具有一个最优饱和度使其抗剪强度最高。汤连生等[10]考虑非饱和花岗岩残积土的粒间联结作用，建立的脆弹塑性胶结损伤模型较好地反映了非饱和花岗岩残积土的独特的应力-应变关系。Hossain等[11]使用改进的吸力控制的直剪仪，测试了风化花岗岩重塑样的非饱和抗剪强度特征。这些研究对于通过试验从不同角度认识风化花岗岩原状样或重塑样的力学强度特征。

本文以广西玉林市容县某典型花岗岩残积土边坡填料为研究对象，选取花岗岩残积土击实曲线上不同含水率对应相同压实度的土样及最佳含水率对应的最大干密度土样分别进行室内直剪试验测试力学特性，并通过扫描电镜和压汞试验分析其微结构特性，分析影响压实花岗岩残积土力学性质差异的内在原因。

1 花岗岩残积土的基本性质

所用土样取自广西玉林市容县某路基路堑边坡，开挖的土体用于路堤填土，属于花岗岩地表残积土。研究区属于亚热带季风气候区，年平均气温为21.5 ℃左右，冬短而暖，夏长而热。全年雨量充沛，降雨类型主要有局地强降雨和台风降雨，年平均降雨量超过1 800 mm，地貌类型为低山山地和丘陵山地，境内河流众多，水网密布，植被繁茂。研究区地处北东方向的博白—岑溪大断裂带，且是三组断裂的交汇点。湿热气候和地质构造环境有利于花岗岩的风化进程，并形成了深厚的风化壳。

容县山坡地表花岗岩残积土的厚度较薄，3～4 m，呈砖红、棕红色，原岩结构基本破坏，土质黏聚力较好。此外，可明显见到白色石英颗粒残留在花岗岩残积土中，石英颗粒粒径在1 mm左右。

1.1 颗粒级配

由花岗岩残积土颗粒筛分试验(图1)可知，花岗岩残积土细粒多，黏粒、粉粒含量高，粒径小于0.075 mm的含量超过了50%，说明花岗岩残积土的细粒部分较多。Kim等[12]认为风化花岗岩填料的细粒含量(过200目筛，即粒径小于0.075 mm)不超过30%时，用其填筑的路基才会较细粒含量高于30%的路基更加稳定。

图1 颗粒级配曲线图Fig.1 Particle size distributions of the granite residual soil

按现行的《公路路基设计规范》进行分类，花岗岩残积土属于粉质黏土，不均匀系数为82，曲率系数小于1，属于级配不良土。

1.2 物理参数

花岗岩残积土的主要物理参数列于表1，液限为45.8%，靠近低、高液限分界线50%，但属于低液限土。相对于同为湿热区的广东地区花岗岩残积土的液限[1]要低。

1.3 物质成分

取花岗岩残积土的土样充分碾碎至足以过0.075 mm筛为止，然后对其进行了X射线衍射分析，从试验结果(图2)可知花岗岩残积土矿物组成主要为高岭石、伊利石、石英等；黏土矿物主要构成：高岭石占85%，伊利石占15%。X射线衍射图谱中已无明显的长石衍射峰，即土样中基本不含原生矿物长石，说明残积土是花岗岩高度风化的产物。

表1 花岗岩残积土基本物理参数Table 1 Physical parameters of the granite residual soil

图2 花岗岩残积土的X射线衍射图谱Fig.2 XRD pattern of the granite residual soil

1.4 原状样微观结构

花岗岩残积土原状样扫描电镜试验的结果如图3所示，花岗岩残积土原岩结构基本被完全破坏，但还可偶见书本状高岭石残留(图3a)。整体而言，高岭石矿物聚合体渐碎片化，即大的晶体片(粒径50 μm以上)逐渐变为细小黏土颗粒，且显得杂乱无章。土粒间微小孔隙(仅为数微米)普遍存在，与后文压汞试验揭示的主要孔径尺寸分布范围相一致。

图3 花岗岩残积土原状样电镜扫描结果Fig.3 SEM photographs of the undisturbed granite residual soil

2 不同状态下的力学性质

由于花岗岩残积土填料在填筑时的含水率对土体的压实状态有较大影响，填料的含水率越接近最佳含水率时，土体的压实度越高，其力学强度也就越大，因此在填筑花岗岩残积土时应尽量控制其含水率在最佳干密度附近。由于花岗岩残积土的天然含水率要大于击实曲线上的最佳含水率，在工程实践中常常难以控制其填筑时的含水率，如陈杰[13]提出以最大承载力为目标的花岗岩残积土路基的压实控制方法，以浸水加州承载比(CBR)峰值含水率作为路基压实控制含水率。因此，压实花岗岩残积土状态选取原则为：取击实曲线峰值点以及在左、右两侧各取一状态点制样，分别称之为最佳、干侧和湿侧状态，且后两者状态具有相同压实度，但含水率不同。

2.1 击实试验及状态选取

花岗岩残积土的击实试验一般可以采用干法或湿法制样[14]。本文采用标准重型3层、98击/层方法，干法制样。花岗岩残积土的击实曲线如图4所示，最佳含水率为18.9%，最大干密度为1.65 g/cm3，花岗岩残积土的最佳含水率要低于天然含水率。

特别地，取湿侧状态下花岗岩残积土的含水率等于其天然含水率，为26.2%，对应的干密度为1.46 g/cm3，取干侧干密度为1.46 g/cm3，干侧状态下的对应的含水率为13.8%。干侧和湿侧花岗岩残积土的压实度一样，都为88.5%。然后将3种状态下的花岗岩残积土分别进行直剪强度和微观结构特征研究，探究花岗岩残积土在3种不同状态下力学性能的差异。

图4 花岗岩残积土击实曲线及状态选择Fig.4 Compaction curves of the granite residual soil and determinations of three states

2.2 直剪试验与力学特性

直剪试验采用的土样使用前文选定的含水率进行配土水，击实仪制样后使用环刀取样，然后利用四联直剪仪进行室内直接剪切试验，试验结果如图5所示。由图5可知，3种状态下(最佳、湿侧、干侧)花岗岩残积土的应力-应变曲线都无明显峰值，类似于正常固结土或松砂的曲线形状，稍稍呈现出应变硬化的趋势；其抗剪强度取应力-应变曲线中剪切位移4 mm处对应的剪应力值，并通过拟合τ-σ关系求得花岗岩残积土的抗剪强度指标c，φ值(表2)。

图5 不同状态下花岗岩残积土的应力-应变曲线Fig.5 Stress-strain curves of the compacted granite residual soil in three states (optimum, wet, dry)

土样状态干密度/(g·cm-3)含水率/%压实度/%黏聚力c/kPa内摩擦角φ/(°)最佳1.651910015.2028.6干侧1.4613.888.55.1128.1湿侧1.4626.288.58.6527.4

从表2可知，花岗岩残积土在最佳状态下的抗剪强度最大，在湿侧和干侧状态时两者的抗剪强度相差不大，但干侧和湿侧的具体强度指标内摩擦角φ值和黏聚力c值略有差异；在3种状态时花岗岩残积土的内摩擦角φ值非常接近，黏聚力c值在最佳状态时最大，干侧状态、湿侧状态较最佳状态分别下降66.4%和43.1%。

已有不少学者发现影响压实风化花岗岩的应力-应变特性的因素较多，如Park等[15]通过三轴试验认为风化花岗岩的应力-应变特性受颗粒级配、风化程度、矿物成分、颗粒破碎的影响。牛玺荣等[16]认为黏土含量、颗粒破碎等因素对吕梁山压实花岗岩风化土的物理力学性能有重要影响。胡焕校[17]等认为压实花岗岩残积土的粒粗粒组成、矿物成分及结构、含水量对其路用性能有重要影响。

本研究采用土样在细粒含量、颗粒级配、风化程度、矿物成分等情况基本相同且颗粒破碎不明显的情况下，不同压实程度土体组构特征差异是影响其力学性能的最主要因素。在不同压实状态下，花岗岩残积土颗粒及其团聚体以及它们之间孔隙的大小、分布及联结等特性有较大的差异。P. Delage等[18]研究发现不同压实度黏土的微观结构差异较大。据此，可从不同压实花岗岩残积土的微观组构特征方面能更深刻认识其力学性质的差异原因。

3 微观结构与讨论

为进一步研究造成花岗岩残积土在不同状态下的力学特性的微观结构，通过剪切后取样通过扫描电镜观测微结构，通过压汞试验测试孔隙分布特征，对比分析花岗岩残积土在三种状态下的微观机制。

3.1 扫描电镜观测

扫描电镜用试样分别源自于对应状态下击实试验得到的土样。由扫描电镜结果(图6)可知，3种状态下土样微观结构特征有较明显的区别。

图6 花岗岩残积土在不同状态时的微观形态Fig.6 SEM micrographs of the compacted granite residual soil in three states (optimum, wet, dry)

在最佳含水量状态下，压实花岗岩残积土样在较低放大倍数下呈现致密结构(图6a)，在较高放大倍数下，可见土样中高岭石薄片定向排列明显，以面-面接触为主(图6b)，颗粒分布紧密，呈胶结块状，粒间孔隙尺寸大都不足1 μm。在湿侧状态下，土样中高岭石薄片形成团聚体，团聚体之间构成架空结构，团聚体大小为5～15 μm，架空孔隙尺寸为1～4 μm(图6c，d)。在干侧状态下，土样中高岭石薄片普遍形成片架结构，薄片之间以点接触、线-面接触为主(图6e，f)。

3.2 压汞试验

通过压汞试验得到不同状态下花岗岩残积土的孔隙分布情况如图7所示，压实花岗岩残积土和原状花岗岩残积土的孔径分布范围基本都分布在0.01～200 μm之间，在湿侧状态下的累积孔隙体积最大，在干侧状态下的累积孔隙体积最小，并非是通常认为的在最大干密度状态下总孔隙体积最少，说明干侧状态下花岗岩残积土可连通的孔隙最少，从扫描电镜的结果中也得到了体现，即干侧状态下的花岗岩残积土的片架结构构成的不连通孔隙较多。也与文献[19]所说明的一致，即压汞试验测试的孔隙结果并不能完全反映出土样的实际孔隙分布，需要压汞试验和扫描电镜综合分析。

图7 花岗岩残积土孔隙体积-孔径曲线Fig.7 Cumulative pore area-aperture curves of the granite residual soils

在孔隙体积分布方面，湿侧状态花岗岩残积土的孔隙体积分布呈现双峰孔隙特征，即主要分布在0.02～0.1 μm和10～45 μm之间，前者属于颗粒内孔隙，后者属于团粒内孔隙和团粒间孔隙；随着土样含水率的降低，双峰孔隙特征逐渐变得不明显。

3.3 讨论

压实花岗岩残积土在3种状态下呈现出不同的微结构特征。在最佳含水率状态下，花岗岩残积土三相处于适当的平衡状态，适当的水分使得高岭石片表面水膜增厚，对其表面静电斥力起到抑制作用，高岭石片之间的连结以面-面接触为主，同时自由水较少，颗粒之间呈现紧密排列，且有较好的定向性，粒间孔隙尺寸较小(图8a)，因此，颗粒间黏结与摩擦作用都较强，在直剪试验中有最高的抗剪强度。

在湿侧状态下，压实花岗岩残积土中游离的胶态氧化物以极细的粒状分布在高岭石薄片表面或者薄片之间，起着一定胶结作用，使得土颗粒黏聚成大小不等的团聚体，团聚体之间填充有较多的自由水，团聚体之间普遍形成架空结构(图8b)，并在压汞试验中体现为双峰孔隙特征。在湿侧状态下孔隙体积较多、团聚体之间的黏结不强，是导致土样黏聚力c偏低的原因；然而团聚体间的孔隙曲折，增加了孔壁的粗糙程度，且在剪切过程中架空结构有利于颗粒破碎之后的重填充和重排列，使得土颗粒之间的摩擦效应较大，因此内摩擦角φ仍较大。

图8 3种状态下花岗岩残积土的结构简图Fig.8 Schematic representation of the compacted granite residual soil in three states (optimum, wet, dry)

在干侧状态时，土体处于水少气多状态，胶态的游离氧化物少而不足以抑制黏土表面静电斥力，同时较多的孔隙气体存在，使得土体中颗粒联结不够紧密，以点接触和线-面接触为主，高岭石片之间形成了片架结构(图8c)，土体孔隙多以颗粒内孔隙为主。同时土体中片架结构构成了较多的封闭不连通孔隙，在压汞试验中体现为累积孔隙体积最少。土颗粒排列相对最佳状态的定向性较差，分布比较杂乱，从而黏聚力c偏低；但颗粒间杂乱分布及较强的咬合作用会导致剪切面的摩阻力较大，因而内摩擦角φ仍然较大。

由前文分析可知，压实花岗岩残积土在3种不同状态下抗剪强度指标内摩擦角φ值的大小较为接近，黏聚力c值差别较大，在最佳状态下的黏聚力c值大于湿侧和干侧状态。压实花岗岩残积土在3种状态下的微观结构差别较大，正是因为压实花岗岩残积土在3种不同状态下表现出不同的微观特征是导致其力学性质差异的内在原因。

4 结论

(1)广西容县花岗岩残积土属于粉质黏土，为级配不良土，主要黏土矿物为高岭石，其次为伊利石，含有一定量的石英；原状样中高岭石矿物聚合体逐渐碎片化，孔隙主要是孔径为数微米的微小孔隙。

(2)3种状态下压实花岗岩残积土应力-应变曲线形状相似，都无明显峰值，在最佳状态下的抗剪强度最大。其中，内摩擦角φ值在3种状态下相差不大；黏聚力c值在最佳状态时最大，干侧状态、湿侧状态比最佳状态分别下降66.4%和43.1%。

(3)扫描电镜观察与压汞试验结果所展现的微观形态与孔隙分布解释了花岗岩残积土在不同状态下力学差异的微观机制。即花岗岩残积土在最佳状态下组构最密，定向性强；在干侧状态下组构呈片架结构，土体累积孔隙体积最小；在湿侧状态下土体组构呈架空结构，土体累积孔隙体积最大，孔隙呈明显的双峰分布特性。压实花岗岩残积土在不同状态下组构特征差异是导致其抗剪强度差异的内在原因。