含水率对花岗岩残积土强度影响研究

朱丽霞,袁望新

(广州市城市规划勘测设计研究院，广东 广州 510060)

0 引言

花岗岩残积土是一种非饱和的特殊土，它遇水易发生软化崩解，对工程实践造成了诸多困扰，如崩塌、滑坡、沉降等，尤其对于大型基坑边坡，在降雨作用下土体强度降低，影响边坡稳定性导致边坡坍塌，造成对支护结构的破坏。广州地区花岗岩残积土广泛分布，母岩多为燕山期花岗岩。受地域分布、季节交替及气候变化等多方面因素影响，花岗岩残积土强度因含水率的不同呈现不同的物理力学特性。对于花岗岩残积土，许多专家学者主要注重在其崩解特性研究，张抒[1]通过配置不同含水率、不同压实度的重塑土样，在不同水温下进行土的崩解试验，得出花岗岩残积土崩解是从表到里渐进式的破坏过程；近年来，有一些学者针对气候变化开展了干湿循环下的大气崩解试验与浸水崩解试验，得出干湿循环次数对崩解及其崩解速率的影响[2]；吴能森[3]从土体结构性与损伤角度研究，认为花岗岩残积土崩解的根本原因是软化；简文彬[4]通过对福建地区花岗岩残积土开展室内试验，得出干湿循环下花岗岩残积土黏聚力前期衰减趋势明显，后期衰减趋势减缓，并逐渐趋于稳定;而内摩擦角却未呈现明显的变化规律，大小变化不定。目前，对于广州地区花岗岩残积土的强度特性研究较少，为清楚了解该地区不同含水率条件下花岗岩残积土的特性，本文对土的试验数据进行了相关的统计分析研究。

1 花岗岩残积土分类

花岗岩残积土是物质组成和地质结构较复杂的综合地质体，土的类型不同，产生的工程地质问题和地质灾害的种类和可能性也不同。通常，工程建设中多以粒径d>2 mm颗粒含量(质量分数)为分类主因素对花岗岩残积土进行定量分类：颗粒含量(质量分数)大于20%为砾质黏性土；颗粒含量(质量分数)大于0小于20%为砂质黏性土；颗粒含量(质量分数)等于0为黏性土(见表1)。

表1 花岗岩残积土分类表

本文对广州黄埔、萝岗等区域的花岗岩残积土近2 400组数据进行分析统计，得到了不同含水率状态下不同类别花岗岩残积土物理、强度指标的变化趋势，并进行了归纳整理，初步理出了该地区不同类别花岗岩残积土随含水率变化的规律与发展趋势。我们将砂质黏性土和砾质黏性土按含水率(质量分数)不大于20%、含水率(质量分数)介于20%～30%、含水率(质量分数)介于30%～40%、含水率(质量分数)大于40%四个等级进行统计；考虑到黏性土内含粗颗粒较少，土中细粒较多，土的分散度较大，土体内部含水率会越大，因此，黏性土以含水率(质量分数)不大于30%、含水率(质量分数)介于30%～40%、含水率(质量分数)介于40%～50%、含水率(质量分数)大于50%来统计。

2 物理指标分析

2.1 砂质黏性土

选取含水率(质量分数)小于20%样本99个，含水率(质量分数)介于20%～30%样本766个，含水率(质量分数)介于30%～40%样本400个，含水率(质量分数)大于40%样本53个，物理指标皆取平均值，详情见表2。由表2可知，砂质黏性土比重介于2.68～2.69之间，颗粒组成较均匀，随着含水率增大，天然密度从1.89 g/cm3下降到1.69 g/cm3；土体饱和度随含水率增大而增加，在含水率(质量分数)大于30%左右时，土体饱和度可达85%；土体孔隙比介于0.688～1.298之间，随含水率增大依次增加；当含水率(质量分数)小于30%时，土体呈硬塑～坚硬状态，其余多为可塑状态。压缩系数随含水率增大逐渐减小，压缩模量变化幅度在0.3 MPa～0.5 MPa之间。

表2 砂质黏性土不同含水率物理力学性质指标

2.2 砾质黏性土

选取含水率(质量分数)小于20%样本69个，含水率(质量分数)介于20%～30%样本300个，含水率(质量分数)介于30%～40%样本95个，含水率(质量分数)大于40%样本6个，各物理指标皆取平均值，详情见表3。由表3可知，砾质黏性土比重介于2.68～2.69，天然密度随含水率(质量分数)增加由1.89 g/cm3下降至1.67 g/cm3；土体饱和度随含水率增大而增加，在含水率(质量分数)大于30%左右时，土体饱和度可达85%；土体孔隙比介于0.691～1.277之间，随含水率增大依次增加；当含水率(质量分数)小于30%时，土体呈坚硬状态，其余多为硬塑状态。压缩系数随含水率增大逐渐减小，压缩模量变化幅度在0.1 MPa～0.7 MPa之间，当含水率(质量分数)大于40%时，压缩模量下降较多。总之，砾质黏性土的物理指标与相同含水率状态下砂质黏性土的物理指标数值相差不大，随含水率变化的规律也一致。

表3 砾质黏性土不同含水率物理力学性质指标

2.3 黏性土

选取含水率(质量分数)小于30%样本7个，含水率(质量分数)介于30%～40%样本13个，含水率(质量分数)介于40%～50%样本19个，含水率(质量分数)大于50%样本10个，物理指标皆取平均值，详情见表4。由表4可知，黏性土比重介于2.67～2.69，天然密度随含水率(质量分数)增大由1.92 g/cm3下降至1.61 g/cm3，涵盖幅度较大；土体饱和度随含水率增大而增加，所取土体样品饱和度可达85%以上，即所有统计的黏性土样品都处于饱和状态；土体孔隙比介于0.733～1.607之间，比相同含水率条件下的砂质黏性土与砾质黏性土孔隙比都大，并随含水率增大而依次增加；Ip>10且大多大于17，土体黏性较强，当土体含水率(质量分数)小于40%时，土体大多呈硬塑～坚硬状态，其余多为可塑状态。压缩系数随含水率增大逐渐减小，压缩模量变化幅度在0.5 MPa～0.6 MPa之间，较为均衡。

表4 黏性土不同含水率物理力学性质指标

2.4 综合分析

该地区花岗岩残积土多为砂质黏性土，砾质黏性土次之，黏性土最少。砂质黏性土内部粗细颗粒含量分布均匀，各物理指标随着含水率增加成比例增加或降低趋势；砾质黏性土由于内部粗颗粒与细颗粒含量比例增大，其空隙内部填充多为砂砾，压缩时主要体现在内部粗颗粒间的挤密，由于砂砾富水性较差，而水对土的影响多体现在细粒上，因此，含水率对其物理指标的影响较小，其压缩模量在含水率(质量分数)小于40%时几乎不变，而其他指标则随含水率增加而有相应的增大或减小；相同含水率时，黏性土空隙比比砂质黏性土和砾质黏性土都大，且随含水率增加而减小的幅度也比砂质黏性土和砾质黏性土的减小幅度大，其压缩模量在含水率较小时变化较小，但是随含水率的继续增加而出现骤降趋势。

3 强度指标分析

3.1 砂质黏性土

从强度值分布范围来看，该地区的砂质黏性土强度参数c值在含水率的增大过程中前期下降速率较快，下降比接近20%；随着含水率的继续增大，c值降低速率有所减缓，下降比几乎维持在12%～13%左右；而φ值在初期湿水时，含水率呈突降模式，下降比约11%，而后期数值下降微小，下降比约为2%，仅为前期φ值下降比的1/4～1/5。当对砂质黏性土经过固结后，土体内孔隙变小，孔隙率降低，土体变得致密，颗粒之间充分接触，颗粒间摩擦增大，同时，土体内含水率降低，使得土体抗剪强度增大，尤其强度在c值上有显著增大，而φ值的增大则没有那么显著，数值上与固结状态之前相差不大，几乎保持在20°左右。由此可见，砂质黏性土的固结对其强度的影响主要还是作用在c值的提高上，和湿水时c值的显著下降呈反向趋势，对于φ值，固结状态对其影响较小(见表5，图1)。

表5 砂质黏性土不同含水率强度指标

3.2 砾质黏性土

对于砾质黏性土，由于其颗粒含量(质量分数)大于20%，更有甚者超过50%，其所含的黏土成分相对较少，其强度多由粗颗粒骨架承担，砂类土的特质更加明显。随着含水率的增加，砾质黏性土抗剪强度呈现出下降趋势，主要体现在c值的下降，φ值几乎无变化。砾质黏性土c值下降趋势与砂质黏性土的规律基本一致，都是随含水率的增大呈现出前期下降迅速，后期下降变缓，其中前期下降达到13%，后期下降约6%～9%；φ值则变化微小，变化比例保持在±3%以内。究其原因，大多为砾质黏性土内部砂质颗粒多，而φ值大多受颗粒组成及其内部均匀性影响，一旦湿水，多为影响砾质黏性土内部的土粒成分，φ值则影响微小。对砾质黏性土经过固结后，c值、φ值都有所增大，其中c值增大较多，φ值则增大1°～2°，变化微小(见表6，图2)。

表6 砾质黏性土不同含水率强度指标

3.3 黏性土

黏性土是花岗岩残积土中比较特殊的一类土，它内部没有粒径大于2 mm的颗粒，从外观来看，它几乎与常规的黏性土无区别，但是在微观角度，由于内部化学成分，它也拥有花岗岩残积土所特有的湿水易软化、崩解的性质。黏性土呈现出黏土类特征，该地区此类花岗岩残积土数量较少，综合统计分析，发现其c值较砂质黏性土和砾质黏性土大，φ值较其他两种残积土低。随着含水率的增加，黏性土抗剪强度呈现出下降趋势，其中c值前期下降较小，下降比约9%，当含水率(质量分数)达到40%左右时，c值呈陡崖式下降，下降比达到30%，而φ值则随含水率(质量分数)变化比例约±1.5%，究其原因，多与黏性土的内部组成和其渗透性有关。对黏性土土样经过固结状态后，c值增大幅度较大，对于有的含水率较高的黏性土，c值可增大至两倍，φ值变化规律同砂质黏性土和砾质黏性土一致，都是变化微小(见表7，图3)。

表7 黏性土不同含水率强度指标

3.4 综合分析

在所有花岗岩残积土的强度指标当中，当含水率相同时，黏性土c值最大，φ值最小，砂质黏性土与砾质黏性土c值较黏性土小、φ值较黏性土大，两者之间则差异较小。当含水率增大时，砂质黏性土与砾质黏性土的变化特征几乎一致，都是c值前期下降迅速，后期呈缓慢下降趋势，而φ值有所变化，但是幅度微小，几乎可以忽略不计；而黏性土则呈现出与它们不同的性质，其c值前期下降缓慢，后期则急速下降，φ值在数值上偏小，含水率对其影响微小。

4 结论

1)对花岗岩残积土按粒径d>2 mm颗粒含量(质量分数)进行定量分类，可分为砾质黏性土、砂质黏性土和黏性土。本次研究了广州黄埔、萝岗地区的花岗岩残积土，其中以砂质黏性土居多，砾质黏性土次之，黏性土最少。

2)从物理指标出发，随着含水率的增大，砂质黏性土的物理指标随着含水率增加成比例增加或降低；砾质黏性土的压缩模量在含水率(质量分数)小于40%时几乎不变；相同含水率时，黏性土空隙比比砂质黏性土和砾质黏性土都大，且物理指标随含水率增加的变化幅度也比砂质黏性土和砾质黏性土大。

3)从强度指标出发，相同含水率时，黏性土c值最大，φ值最小，砂质黏性土与砾质黏性土两者之间的c值、φ值则差异较小。随着含水率的增大，三种残积土的强度都是降低，但是砂质黏性土与砾质黏性土的强度随含水率变化特征几乎一致，都是c值前期下降迅速，后期下降速度减慢，而黏性土却与之相反，表现出前期下降缓慢，后期下降迅速的特征。