赣南花岗岩残积土基本物理特性与路用性能研究

田朋飞，简文星，宋 治，蒋天娇，林雨秋

(中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉 430074)

0 引言

我国东南地区花岗岩出露较多，经过多年的风化作用，常在地表形成厚层状乃至巨厚层的风化土层。由于母岩性质与风化程度的差异，花岗岩残积土外观一般呈黄褐色至红褐色，既具有黏性土的一般特性，又具有粗粒土的某些特性[1]。我国南方地区铁路、公路、市政等各类工程建设中经常遇到花岗岩残积土的处治问题，其结构性明显且物理力学指标空间变异性大，具有卸荷易崩解、遇水易软化等特点[2]，往往给工程建设特别是线性工程带来较大风险。郭林坪[3]、陈秋南[4]、孙银磊[5]、肖晶晶[6]、戴继[7]等对厦门、湖南、广州、深圳、海南等地花岗岩残积土的粒径组成、结构特征与力学性质等进行了深入研究。结果表明，花岗岩残积土的颗粒级配与结构特征对其压缩特性、崩解特性及剪切特性等具有显著影响，从而导致其工程性质的地区性差异，工程建设中需要结合区域特征及土样试验结果对其进行合理的处治与利用。

赣南山区位于江西省南部，区内湿热多雨，花岗岩广泛出露，风化剥蚀作用强烈，是江西花岗岩残积土的主要分布区。赣南地势广阔，区内多条公路的新建、改扩建还在陆续进行，与东南沿海地区花岗岩残积土大量试验成果及工程实践相比，目前针对赣南地区花岗岩残积土路用性能及路基填筑问题的系统研究尚少。为获取赣南花岗岩残积土的基本路用性能，解决区内花岗岩残积土的合理利用问题，本研究依托赣南安远至定南段高速公路项目，采用资料统计分析、室内试验以及野外调研等手段，获取赣南不同类型花岗岩残积土的结构特性及路用性能，提出区内花岗岩残积土处治利用原则与路基填筑方案。相关成果可为赣南乃至我国南方地区花岗岩残积土填料的合理处治利用以及路基病害防治提供重要的技术参考。

1 花岗岩残积土成因

赣南地形地貌以山地、丘陵和盆地为主，其中山地和丘陵区域占该区总面积的83%。该区位于我国亚热带南部地区，属于夏季高温多雨，冬季干燥少雨的亚热带季风气候。据赣南安远至定南段高速公路项目勘察、施工及运营期间的降雨量统计结果(2014—2018年)，区内暴雨频繁，月降雨量最高可达570 mm(2015年5月)，雨季主要集中在每年的4—6月份，且春夏两季的累计降雨量可占整年降雨量的近80%。

赣南花岗岩主要为加里东期花岗岩和燕山期花岗岩，其中加里东期花岗岩以富斜花岗岩、中-粗粒斜长花岗岩为主，燕山期花岗岩则以黑云母花岗岩、二长花岗岩以及二云母花岗岩为主。区内花岗岩主要矿物成分为石英、钾长石和酸性斜长石，由于石英和长石膨胀系数相差近一倍，且该地区地处中亚热带南缘，气温较高，岩石内往往滋生很多裂隙，无疑为花岗岩的物理风化和化学风化提供了良好的侵入渠道。野外调研发现，赣州南部县区的花岗岩残积土最为发育，区内雨量十分充沛，溪水密布，河流纵横，形成了良好的地表径流和地下径流条件，地表或接近地表的花岗岩在温度变化、水分、大气及生物的作用下产生物理和化学变化，往往在低山、丘陵地貌中形成巨厚层状的红褐色残积土风化层。

2 基本物理特性

2.1 粒度特征及矿物成分

选取赣州南部县区10处花岗岩残积土发育较好的地点进行取样，包括信丰县(1，2，4号取样点)、龙南县(3号取样点)、寻乌县(5号取样点)与定南县(6～10号取样点)，取样深度为0.5～2 m。

2.1.1粒度特征与分类

采用筛析法和密度计法联合测定各花岗岩残积土土样的粒度成分，测试结果见图1。

图1 赣南花岗岩残积土的粒径分布曲线图Fig.1 Particle size distribution curves of granite residual soil in Southern Jiangxi Province

由图1可以看出，各取样点花岗岩残积土的粒度特征差异明显。如4号点的细砾含量约为30%，1，2号点土样不含细砾；2号点的黏粒含量高达25%，而9号点的黏粒含量仅为5.5%。颗粒级配往往是残积土力学性质的关键影响因素[8]，部分粗粒土中、细砂含量较少，粒度组成呈现“两头多、中间少”的不良级配特征，不利于施工压实；各取样点处花岗岩残积土的粗粒和细粒含量都很多，且有7处花岗岩残积土的粗粒质和细粒质量同时超过了土样全部质量的40%，区内花岗岩残积土将同时具有黏性土与粗粒土力学特征。

由于地域分布与工程建设要求的差异，我国的花岗岩残积土按照工程性质、区域特征等存在多种分类方法[9]。本研究根据上述花岗岩残积土粒度特征的分析结果，考虑到各采样点土样均同时含有较多的粗颗粒和细颗粒成分，因此可参照公路工程领域广泛使用的《公路工程地质勘察规范》(JTG C20—2011)推荐方法[10]，将赣南花岗岩残积土定名为黏性土(1、2号取样点)、砂质黏性土(3，7，9，10号取样点)和砾质黏性土(4，5，6，8号取样点)。

2.1.2矿物成分

获取赣南地区3种类型的花岗岩残积土的代表性土样，利用X射线衍射仪对每种试验样品进行3组扫描，根据X射线粉晶衍射图可以得到花岗岩残积土的主要矿物成分含量，结果如图2所示。

图2 不同类型花岗岩残积土的矿物成分Fig.2 Mineral composition of different types of granite residual soil

从图2可以看出，赣南花岗岩残积土的主要矿物成分为石英以及高岭石、伊利石等黏土矿物，与闽、粤地区相比，高岭石含量稍少，风化程度稍低。黏性土中黏土矿物(高岭石与伊利石)含量最高，平均含量达到了80%；砾质黏性土中石英矿物含量则相对较高，平均含量约为38.5%。总体来看，各类土样中的黏土矿物的含量均超过60%，而花岗岩残积土中的黏土矿物普遍存在浸水膨胀、崩解与失水干缩等特点[2]，填料的含水情况将对其路用工程特性造成较大影响。

2.2 结构特征

2.2.1宏观结构

不同类型花岗岩残积土样品的颜色、颗粒粗细和原生结构(孔隙)特征如下：

黏性土土样均呈红棕色，颗粒细，肉眼可见少量细小石英颗粒嵌挤在土体中，具有红黏土的表观特征；土颗粒之间黏结性较好，呈团块状结构，用手搓揉土块土颗粒不易剥落，但切削过程中有掉块现象，土体内部存在部分微裂隙。

砂质黏性土样品呈棕褐色，颜色较深，肉眼可见烟灰色石英与云母，颗粒大小不一，呈斑状结构；土体中可见大量风化严重的长石颗粒，用手可揉搓为粉末；土样整体上表现得较为松散，但部分土块黏聚较好，呈明显的砂性与黏性复合特征。

砾质黏性土样品呈棕黄色，肉眼可见大量的石英颗粒嵌挤在土体中，颗粒粗细分布不均，部分石英颗粒较粗，达到5 mm及以上，具有粗碎屑结构；偶见长石颗粒，但受风化作用影响明显，用手搓揉变为粉末状；原生孔隙较多且贯通性强，表面颗粒易剥落，手可捏碎。

2.2.2微观结构

利用超高分辨扫描透射电子显微镜对花岗岩残积土微观结构进行扫描，获得3类赣南花岗岩残积土的微观结构，如图3所示。其中3(a)，(c)，(e)为放大1 000倍电镜图片，3(b)，(d)，(f)为放大2 000倍电镜图片。

图3 不同类型花岗岩残积土的SEM图片Fig.3 SEM images of different types of granite residual soil

由SEM试验结果可知，黏性土的高岭石叠聚体往往被大量的胶结物质所包裹，其上附着少数微碎屑颗粒，整体表现为凝块状结构(图3(a))，凝块间以面-面接触和边-边接触的形式紧密排列在一起，较为致密，仅含少量的孔隙和裂隙，且孔隙贯通性较差，多被胶结物质所填充(图3(b))。

砂质黏性土中以粉粒居多，胶结物质有所减少，微裂隙已较为明显(图3(c))。图中层次明显的丝缕状物质初步判断为伊利石与高岭石，二者构成的叠聚体以混层的形式构成较大的团聚体，表现为团聚结构，结构体含较多孔隙和裂隙，其上还附着有一些微碎屑颗粒(图3(d))。

砾质黏性土中高岭石矿物薄片相对较小，其构成的叠聚体呈团片状(图3(e))，但叠聚体内部存在明显的孔隙，推测为溶蚀形成的微孔隙；片状的高岭石叠聚体则以面-面接触的形式堆叠在一起，形成大量的架空孔隙。整体上来看，砾质黏性土的土颗粒表现出蜂窝状结构，含有大量的细微孔隙，贯通性良好，结构松散(图3(f))。

结合其他地区花岗岩残积土的SEM试验成果分析可知[4,11]，赣南地区花岗岩残积土中的黏性土与广州地区花岗岩残积土较为类似，风化程度高、结构致密；而赣南分布最为广泛的砂、砾质黏性土与湖南地区相近，风化程度稍低，具有明显的叠层状与蜂窝状的微观结构，连通性好，易于崩解。

花岗岩残积土的工程性质的特殊性主要体现在浸水饱和及应力变化条件下颗粒迅速崩解与强度的急剧衰减，而土样“结构性”的破坏正是这种特殊性的根源[7,12]。赣南不同类型花岗岩残积土的宏、微观结构均存在明显差异，不仅影响其原状样的破坏模式，也会引起重塑样的应力应变特性[6]，在工程建设中需要根据结构特征进行分类研究与处治。

3 路用性能

根据路基设计规范[13]对填料性质的规定及路基填筑实践，一般认为花岗岩残积土路用性能的主要评价指标为天然含水率、击实性能与CBR强度。同时，也应考虑花岗岩残积土崩解性对其路用工程性质的重要影响。

3.1 天然含水率

根据赣南安远至定南段高速公路勘察报告提供的基本物理力学指标，按取样先后顺序进行编号，将其中150余组土样的天然含水率数据进行汇总处理，形成图4。

从图4可以看出，不同类型的花岗岩残积土，其天然含水率存在明显差异，但大多处于20%～30%之间。数据分析结果显示，152组土样的天然含水率均值为25.04%，且近半数土样天然含水率高于25%，而花岗岩残积土的最优含水率一般在10%～22%，即多数天然状态的花岗岩残积土施工时将难以压实，需要采取相应的处治措施。

以上含水率指标未将土样进行分类，为获取不同类型花岗岩残积土天然含水情况及其他物理性质指标的差异，将赣州南部10处取样点土样的天然物理性质指标进行了测试与统计，见表1。

表1 不同类型花岗岩残积土的天然物理性质指标

从表1可以发现，黏性土的天然含水率均在25%以上，渗透性能差，具有红黏土特征；而砂质黏性土与砾质黏性土，由于结构松散，天然密度相对较小，孔隙度与饱和渗透系数较大。风化程度相对较低的砂、砾质残积土的土骨架间孔隙较多，表现出较大的孔隙度与饱和渗透系数，这两类填料的雨水疏排性能较好，天然含水率明显低于黏性土。

3.2 击实性能

室内击实试验均采用湿法风干制样，按照标准重型击实方法进行击实试验，以获取其最优含水率与最大干密度，结果见表2。

由表2可知，不同类型的花岗岩残积土的天然含水率与原状样的孔隙度有明显差异。黏性土有着较高的天然含水率，呈凝块结构，击实效果最差；砾质黏性土的土体骨架呈蜂窝状，孔隙大、贯通性好，天然含水率低且疏水效果明显，击实效果较好，最优含水率最低；砂质黏性土的天然含水率与孔隙特征介于以上二者之间，但颗粒级配较好，得到的最大干密度接近于砾质黏性土。

根据路基设计要求[13]及填筑实践，一般要求填料的含水率控制在最优含水率±2%左右(粗粒土可据实际填筑情况控制在±3%～±5%)，可以达到较好的压实效果。天然状态下，黏性土与砂质黏性土均无法达到填筑要求，需要采取处治措施；而砾质黏性土只需机械翻拌后即可用于填筑。需要注意的是，部分砾质黏性土与砂质黏性土级配较差，过度碾压将引起土样结构损伤，路肩部分的砂、砾质填料容易松散，反而引起压实度降低，施工时要注意压实效果的实时检测；黏性土达到某一压实效果(高于90%压实度)后，继续增大压实遍数，其内摩擦角、黏聚力、承载能力等基本无变化[14]，因此可根据现场试验结果适当调整黏性土压实标准。

表2 不同类型花岗岩残积土的击实试验结果

3.3 CBR强度

CBR强度反映了路基填料在局部荷载作用下的承载能力，路基填料适宜性评价的重要指标。徐立红等[15]对赣南安远至定南段高速沿线30处花岗岩残积土进行了最优含水率条件下的CBR强度试验，结果表明：(1)压实度为93%时，CBR值小于4%的土样占试样总数的78.56%；(2)压实度为94%时，CBR值位大于4%的占试样总数的78.58%，其中CBR值位于4%～6%的土样占试样总数的57.14%；(3)压实度为96%时，所有土样的CBR值均大于5%，但仅有28.58%的土样CBR值超过8%。

从上述试验结果可知，在最佳含水率状态下的花岗岩残积土大多可用于路堤以及下路床的填筑，但无法满足高等级公路上路床填料的要求。填料翻晒条件是南方多雨地区路基施工质量的关键影响因素[16]，然而由于气象条件及工程进度的限制，赣南路基填料多在天然含水率附近填筑，因此应当考虑填料在实际填筑含水率下的CBR强度。利用CBR-1型承载比试验仪，分别测试了3种类型花岗岩残积土在天然含水率附近的CBR强度，见表3。

表3 天然含水率下花岗岩残积土CBR强度

从表3可以看出，在天然含水率附近将土样充分击实后，砾质黏性土的CBR均值仍有5.4%，可用于路堤及下路床填筑；砂质黏性土的CBR强度均值仅为2.2%，处治后方可用于路堤填筑；而天然含水率下的黏性土在击实及贯入过程中有明显的“弹簧”现象，具有典型的高液限红黏土特征[15]。

总体而言，砾质黏性土的路用性能较好，机械翻拌后即可直接填筑；而天然状态下的砂质黏性土与黏性土则应采取相应的处治措施。但部分含水率过高、CBR值较低的部分黏性土，填筑压实困难，承载能力与水稳能力较差且处治代价较大，不宜用于路基填筑。

3.4 崩解特性

为获取赣南不同类型花岗岩残积土崩解特性及其差异，制备3种类型的花岗岩残积土在天然含水率附近的重塑样品，分别在室内使用静水崩解试验仪器进行崩解性能测试。试验以破碎土样能否通过底部金属网板作为崩解的标准，以试样的重量损失率作为崩解率指标，结果如图5所示。

图5 花岗岩残积土崩解时间-崩解率关系曲线Fig.5 Curves of disintegration time vs. disintegration rate of granite residual soil

从图5中可知，在天然含水率附近3类花岗岩残积土均有明显的浸水崩解性。其中，黏性土完全崩解所用时间最长，约17 min；砂质黏性土与砾质黏性土由于黏土矿物含量相对较少，土颗粒黏聚能力稍差，分别在10 min与7 min左右达到完全崩解；试样崩解过程中均伴随有明显的气泡产生，浸水时间达3 min后，气泡逐渐停止。

结合试验现象认为，赣南花岗岩残积土的崩解多为裂隙扩张引起的崩解。土样细微孔隙吸附效应强，当土体浸没在水中时，水分会以较快的速度被吸入孔隙中，对土骨架进行压迫形成超张应力，致使土体中原结构缺陷发生扩张进而引起试样崩解。考虑到赣南近年来较多持续强降雨气象特点，在花岗岩残积土路基填筑及坡面防护中，均应高度重视填料长时间浸水崩解引起的坡面冲刷及滑塌问题。

3.5 现场填筑效果

为考虑路基填料的实际压实情况，分别选取3处试验路段研究砾质黏性土(ω=20.1%)、砂质黏性土(ω=25.2%)以及黏性土(4%水泥改良)的压实情况。试验路段长100 m，宽3 m，单层松铺厚度20 cm；碾压机具重22 t，速度2.07 km/h，激振力为351 kN，压实效果如图6所示。此外，经8遍振动碾压后，砾质黏性土、砂质黏性土以及改良黏性土路基的实测CBR均值分别为8.7%，3.4%和31.5%。

图6 花岗岩残积土压实效果Fig.6 Compaction effect of granite residual soil

此外，由测试结果可知，填料压实度整体上随碾压遍数逐渐增大。砾质黏性土在振动碾压下填筑效果较好，实测CBR值符合要求，因此实际填筑含水率适当放宽；天然含水率过高的砂质黏性土现场填筑效果很差，填筑使用时必须采取翻晒或改良措施；路用性能较差的黏性土经无机结合料改良后，强度较高且压实均匀性较好，表明掺拌无机结合料能有效处治路基过湿土问题。

由填料的室内试验与现场填筑试验结果可知，不同类型花岗岩残积土的基本物理性质及路用性能差异较大，应进行分类研究与利用；天然状态下部分填料强度不足、水稳性不佳，容易引发路基病害，填筑时须采取相应的处治方案。

4 路基病害与填料处治

4.1 常见路基病害

赣南沟壑纵横，填方路段较多，受降雨因素影响，部分路段填料的实际填筑含水率高于最优含水率，路基强度不足。在降雨等因素影响下，少数路基出现路床开裂、坡面冲刷甚至浅层滑塌等病害。结合区内类似公路的水毁情况调查以及路基修筑初期的工程实践，可将主要的路基病害概括如下：

(1)坡面冲刷破坏：路基边坡冲刷失稳破坏多从坡脚附近开始[17]，且多发生在压实不足的砂质填料层。砂质填料孔隙度大、黏聚力差且级配不良，含水率较高时压实困难，往往在坡体边缘形成欠压实区。加之路基填筑初期排水设施不完善，雨水向低洼处聚集，在坡面薄弱部位形成面蚀，且底部水流能量更大，小冲沟连接成片，导致大面积冲刷破坏，某路基的冲刷破坏如图7(a)、(b)所示。

图7 填方路基坡面冲刷破坏Fig.7 Erosion failure of filled subgrade slope

(2)路床开裂及浅层滑移破坏：砂质黏性土与黏性土中黏土矿物含量高，具有浸水崩解及强度软化的特点。在未铺筑路面的路床表层，细粒花岗岩残积土填料经连续的干湿循环后，容易形成浅层裂缝，并随雨水的侵蚀不断扩大。持续降雨期间，开裂后的路床将进一步向下潜蚀，雨水在裂缝底部浸润聚集，推动压实度不足的路肩填土层，沿软化后的界面垮塌，在路基边缘形成小规模的浅层滑移破坏，其病害情况如图8(a)、(b)所示。

图8 路基开裂及滑移破坏Fig.8 Cracking and slip failure of subgrade

(3)路基不均匀沉降破坏：路基不均匀沉降破坏可分为纵向与横向不均匀沉降。差异沉降大小与填土类型、填方厚度、压实程度等因素有关；含水率较高的黏性土填料往往会加剧路基的塑性变形且不利于路基整体的变形稳定[18]，厚层黏性土填筑路段为路基纵向不均匀沉降的易发区。

4.2 填料处治与填筑方案

4.2.1填料处治原则

根据高等级公路不同层位对填料性质的要求，并结合填料路用性能试验成果以及路基病害成因的分析结果，可对赣南不同类型的花岗岩残积土填料采取相应的处治原则，见表4。

表4 赣南花岗岩残积土处治与利用方案

4.2.2路基填筑方案

多雨地区花岗岩残积土路基病害防治仅靠填料路用性能的改良是不够的，还需结合区域气象特点及路基病害成因，及时调整路基的填筑方案，并采取相应的防护措施，具体如下：

(1)坡面冲刷防护：①排水沟与坡面防护骨架应在路基填筑成型后尽快协调施工，避免坡面冲刷侵蚀的大规模发展；②路基填筑时及时清理路肩边缘及坡面处的松散填料，刷坡时保证坡面平整度，避免出现汇水坑槽；③坡面耕植土换填时应清方整平，并尽量在春季或初夏进行，避开连续降雨时节。

(2)浅层路基处治：①建议陡坡填方路基与填挖交界段均应使用碎石盲沟，设置于下路床地面，必要时包裹透水土工布；②花岗岩残积土路基在干湿循环下具有强崩解性，雨季填筑路基时，如路面无法及时铺筑，上路床填土层均使用无机结合料改良；③路肩部分多为滑塌易发区，施工时要特别注意路肩压实控制，同时也要避免砂土超压；④当坡顶地面出现开裂时，要及时记录其深度、连通性以及充水情况，并及时采取补救措施。

(3)不均匀沉降防治：①高填路段填筑时除振动碾压外，应分层冲击碾压，分层厚度不应超过2 m；②差异沉降严重的桥台锥坡及台背过渡段尽量采用石渣或碎石土填筑，并执行96区压实标准；③半挖半填、填挖交界路槽必须向下超挖1 m以上，并采用2～3层土工格栅加固；④高液限土用于路基填筑时，必须使用无机结合料改良，并且填筑高度不宜大于5 m；⑤土石混填路堤在低于路床0.5 m处应使用符合路床要求的填料，并按96区压实标准填筑。

结合填料分类处治利用方法，将路基填筑方案改进并用于后续填筑实践中，以上多种病害均得到了有效缓解，实现了路基施工的顺利推进以及路基在持续降雨下的安全稳定。

5 结论

本研究对赣南地区广泛分布的花岗岩残积土的结构特征、路用性能及路基病害等问题进行了系统研究，主要得出以下结论：

(1)赣南山区气候湿热、溪流密布，各类花岗岩残积土分布广泛，且均含有较多的黏土矿物；根据粒度特征，可将区内花岗岩残积土分为黏性土、砂质黏性土与砾质黏性土。

(2)黏性土、砂质黏性土与砾质黏性土宏观形貌差异明显，且微观上分别具有凝块结构、团聚结构与蜂窝状结构。填料粒径组成与结构特征决定了填料颗粒间的接触方式、孔隙特征及雨水的滞排效果，并直接导致了其天然含水率、击实效果、CBR强度及崩解特性的差异。

(3)天然状态下，砾质黏性土的击实效果较好、试验路段实测CBR强度较高，而砂质黏性路用性能不佳，需采取相应处治措施；过湿黏性土经掺和水泥改良后，整体填筑效果较好，表明无机结合料能有效处治路基过湿土问题。

(4)区内花岗岩残积土路基病害多与降雨情况及填料性质有关，主要划分为坡面冲刷破坏、路床开裂与浅层滑移破坏，以及路基不均匀沉降破坏。针对区域特点的填料分类处治利用方法与路基填筑方案的改进可有效缓解以上多种路基病害。