水库花岗岩残积土三轴剪切力学特征的试验研究

李东旭

(深圳市鹏城水务技术有限公司,广东 深圳 518100)

0 前 言

花岗岩残积土是母岩经历长时间的风化作用后残留在原地的松散碎屑物，广泛分布于中国闽粤沿海地区(湘南、赣南地区也有分布)[1]。地质勘察表明，厦门地区的花岗岩残积土约占行政区域的35%，具有厚度起伏大、风化不均的特点，其最大厚度超过70 m；残积土中往往含有球形风化岩，呈现出各向异性和不均匀性的特征，显著有别于一般的黏性土或者全强风化岩的工程性质[2-3]。花岗岩的矿物成分主要以石英、钾长石和斜长石为主，且含有少量黑云母和角闪石。风化过程中石英的性质较为稳定且不易风化，因此作为硬质粗粒保留在残积土中使其具有砂性土的性质，长石和云母等则风化为高岭土和伊利石，这使得残积土表现出黏性土性质[4]。矿物间的不均匀风化使得花岗岩残积土内部裂隙发育、各向异性、遇水软化、遇水崩解以及显著的结构性等，在宏观上呈现出抗剪强度高和压缩性强度的矛盾特性影响了花岗岩残积土的物理力学性质[5]。

本文选取某水库工程花岗岩残积土为研究对象，采用室内三轴固结排水剪切试验和室内三轴固结不排水剪切试验，分别对原状样和重塑样进行三轴剪切力学测试，研究分析土体结构性对花岗岩岩残积土强度特征、剪胀(剪缩)特性的影响，以期为类似工程围岩体施工提供理论指导。

1 工程概述

某水库工程库区地形相对高差100～150 m，岸坡多见悬崖陡壁；区域河流主要沿东向发育，河谷基本上属“V”型分布。地质勘查表明，水库场区内存在2层厚度不等的花岗岩残积土，如图1(a)所示，主要为1花岗岩残积砂质黏性土、2花岗岩残积砾质黏性土。场区花岗岩残积土工程地质特征如表1所示。两层花岗岩残积土的的基本物理参数如表2所示。经筛分试验，试验土体的典型级配曲线如图1(b)所示。

表1 场区花岗岩残积土工程地质特征

表2 场区花岗岩残积土的基本物理参数

图1 残积土及筛分曲线

2 试验概述

2.1 试样制备

2.1.1原状样取样

试样分为原状样重塑样，试验前选取场区15个取样钻孔，将钻孔钻除至花岗岩残积土新鲜土层，原状样采取双重管静压方式进行，即通过钻探取样管内置PVC管。以1 cm/s的速率将试管均匀压力花岗岩残积土土层中，取出试样后立即用胶带封装以避免水分蒸发，运输过程中采用减震措施。重塑样直接从钻探样管扰动样中采取新鲜样品，装入密封塑胶袋。现场取样，如图2(a)所示。

图2 三轴试验系统及现场取样

2.1.2原状样制备

首先，采用钢丝锯将封装PVC锯开，取出圆柱形完整原状土样，观察试样以确保试样颜色呈均匀分布、土性均质，无明显裂缝或层次分离，无明显的软弱夹层。然后，将试样放置于切土器上，采用削土刀对土样修整，制作成直径为39.10 mm、高度为80 mm的圆柱体试样。削切过程中，如果局部由于遇砾石刮削导致的孔洞，可以容许采用削切下的余土填补。其次，测试切削下的土体中的含水量，每个试样测试3次求取平均值以确定土样的含水量。

2.1.3重塑样制备

参照GB/T 50123-2019《土工试验方法标准》[6]规定对试样进行分层击实(分3层击实)，为保证击实试样的整体性，在每层土料的击实表面进行刮毛处理，制作的重塑试样的目标含水量、试验尺寸与原状试样一致。

2.2 试验方法

图2(b)为标准应力路径三轴试验系统STDTTS，该试验设备由经典应力路径三轴压力室、GDS压力、体积控制器及采集系统构成。试验时，通过压力室底座的液压控制锤直接激励产生轴向应力，GDS压力、体积控制器由3个压力控制器组成，分别控制轴向应力(位移)、围压及体积。参考《土工试验方法标准》对试样进行组装，测试时通过GDSLAB数据采集软件自动完成试样的超孔隙水压力、轴向压力、轴向应变和径向应变记录，可同步生成应力应变曲线。

基于试验目的及测试内容，试验主要开展三轴固结排水剪切试验、三轴固结不排水剪切试验，进而研究不同加载等级条件下花岗岩残积土的应力应变的变化过程，试验围压设置为100、200、300、400 kPa。测试原状样及重塑样均分为8组，花岗岩残积土三轴试验数量及加载等级见表3。

表3 花岗岩残积土三轴试验数量及加载等级

3 试验结果与分析

3.1 重塑样三轴试验成果分析

图3(a)为重塑样三轴固结排水剪切试验的应力σ-应变ε曲线，可以看出不同围压等级下的花岗岩残积土的应力σ-应变ε曲线均表现出明显的非线性，试样受力即快速进入塑性变形阶段，并随围压的增加试样的峰值剪切应力也不断增大，表明加载围压的提高可以有效改善土体的抗剪强度。在加载初期，不同围压下的试样均表现为应力硬化，在达到峰值剪切应力后则表现出微弱的应变软化。围压为100 kPa时，软化应变为15.60%；围压为200 kPa时，软化应变为20.10%；围压为300 kPa时，软化应变为22.30%；围压为400 kPa时，软化应变为23.60%。由此表明，随着加载围压的提高，土体产生破坏(应力软化)时的应变值越大，使得土体出现一定的“延性”，有利于通过控制土体变形保证土体安全，尽管围压增量为等增量，但是软化应变的增量则不相等。

图3(b)为重塑样三轴固结排水剪切试验的体积应变εv-应变ε曲线，可以看出不同围压等级下花岗岩残积土的应变εv-应变ε曲线在加载初期，应变ε<2.5%时，均表现出线性相关的变化规律；应变ε>2.5%后，均表现出非线性相关的变化规律。在围压为100 kPa时，随着应变的不断增加土样发生剪缩，应变达到ε=14.9%后，则出现明显的“相变”，即土样发生显著剪胀；在围压为200 kPa时，土样发生剪缩至剪胀转变的“相变点”为ε=21.9%，但剪胀现象较微弱；围压为300 kPa和400 kPa时，土体只发生剪缩。由此表明，在低围压状态下花岗岩残积土重塑样容易发生剪胀现象，高围压状态下则以剪缩现象为主。

图3 重塑样三轴固结排水剪切应力-应变曲线

图4(a)为重塑样三轴固结不排水剪切试验的应力σ-应变ε曲线，可以看出不同围压等级下的花岗岩残积土的应力σ-应变ε曲线均表现为应变硬化型，加载初期均呈现出明显的线性(应变ε<2.0%)；随后进入塑性变形阶段并在达到应变ε=6.0%以后，应力随应变的增速放缓；随围压的增加，试样的峰值剪切应力也不断增大，相同围压等级下的峰值剪切应力均小于三轴固结排水剪切试验的峰值剪切应力。图4(b)为重塑样三轴固结不排水剪切试验的孔隙水压力Δu-应变ε曲线，可以看出在应变ε<2.0%时，不同围压等级下的孔隙水压力均呈线性增加，随后呈现非线性变化；应变ε>6.0%后，呈现逐渐减小趋势。

图4 重塑样三轴固结不排水剪切应力、孔隙水压-应变曲线

图5为重塑样三轴固结不排水剪切试验的应力路径曲线，可以看出不同围压等级下重塑样的应力路径曲线变化规律大致相同。加载剪切过程中，应力随着平均有效应力(p)的增加呈先不断减小后出现拐点，而后逐渐增加，最后所有围压下应力路径均趋向于截距为零的直线。

图5 重塑样三轴固结不排水剪切应力路径曲线

3.2 原状样三轴试验成果分析

图6(a)为原状三轴固结排水剪切试验的应力-应变曲线，可以看出不同围压等级下的花岗岩残积土的应力σ-应变ε曲线均表现出明显的非线性，为应变软化型。对应的软化点围压为100 kPa时，软化应变为5.4%；围压为200 kPa时，软化应变为10.6%；围压为300 kPa时，软化应变为13.4%；围压为400 kPa时，软化应变为17.6%。由此表明，随着加载围压的提高，土体产生软化点对应的应变值也越大，尽管围压为线性增量，但软化应变的增量则逐渐减小。随着加载围压的增大，花岗岩残积土的原状样峰值剪切强度也不断增大。

对比图6(a)和图3(a)可知，相同围压条件下，原状样的峰值剪切强度均大于重塑样的峰值剪切强度，且前者均为显著的应变软化型，且应力应变关系存在较短暂的线性阶段(应变ε<1.0%)，而后者只表现为微弱的应变软化型，且应力应变关系几乎不存在短暂的线性阶段。由此表明，原状样与重塑样的力学性质、剪胀/剪缩变化规律存在显著不同，这是因为花岗岩残积土原状样保留了母岩的结构性，未受到扰动和破坏的状态下，受到剪切荷载作用下产生剪切变形，导致土体颗粒排列和联结被搅动，削弱了其结构性和刚度。当应力达到峰值剪切应力后，土体天然的结构性被完全破坏，颗粒重新排列；重塑样在取样、试样制备过程中，经受了钻管取样扰动、碾压、击实等各种外荷载，天然的结构性已被破坏遗尽。因此，峰值剪切应力不含有结构性的作用成分，力学性质更接近于一般黏性土。

图6(b)为原状样三轴固结排水剪切试验的体积应变εv-应变ε曲线。可以看出不同围压等级下花岗岩残积土的应变εv-应变ε曲线均表现出相变的变化规律，围压越低，土样的剪胀特征也越显著。在围岩为100 kPa时，应变约ε=11%即达到了初始体积。围压从100 kPa增至400 kPa，“相变点”对应点应变值也由ε=3.3%增加至ε=15.2%。对比图9中软化点的应变值和图10中“相变点”的应变值可知，原状样的剪切屈服和体积屈服并不同步。

图6 原状样三轴固结排水剪切应力-应变曲线

图7为原状样三轴固结不排水剪切试验的应力-应变曲线，可以看出与重塑样三轴固结不排水剪切试验结果一致，不同围压等级下的花岗岩残积土的应力σ-应变ε曲线均表现为应变硬化型；随围压的增加，各试样的峰值剪切应力也不断增大，但相同围压等级下的三轴固结不排水剪切试验，原状样峰值剪切应力均大于重塑样的峰值剪切应力，表明原状样的天然结构性对土体的剪切强度得到明显提升。图11为原状样三轴固结不排水剪切试验的孔隙水压力(Δu)-应变曲线。可以看出，在应变ε<2.0%时，不同围压等级下的孔隙水压力均呈线性增加，随后呈现非线性变化，在应变ε>3.0%后则迅速减小。

图7 原状样三轴固结不排水剪切应力、孔隙水压-应变曲线

图8为原状样三轴固结不排水剪切试验的应力路径曲线，可以看出所有围压下原状样的应力路径均趋向于截距为零的直线，即临界状态线，但与重塑样的区别在于原状样的平均有效应力趋向于临界状态线更为迅速。

图8 原状样三轴固结不排水剪切应力路径曲线

4 结 论

选取某水库工程花岗岩残积土为研究对象，采用室内三轴固结排水、固结不排水剪切试验分别对原状样和重塑样进行测试，分析了应力应变演化规律及力学参数特征，形成结论如下：

(1) 固结排水剪切试验表明，随着加载围压的提高，重塑样的抗剪强度有所提高且土体出现一定的延性特征，表明围压可有效提高改善重塑样的抗剪强度，而峰值剪切应力后出现微弱应变软化现象。低围压下重塑样容易发生剪胀现象，高围压下以剪缩现象为主。

(2) 固结不排水剪切试验表明，重塑样的应力-应变表现为应变硬化型，随着加载进行呈线性(ε<2.0%)、增速放缓(ε>6.0%)的阶段性演化特征。孔隙水压力-应变曲线则呈线性增加(ε<2.0%)、非线性变化(2.0%<ε<6.0%)及逐渐减小(ε>6.0%)的演化特征。

(3) 试验表明，固结排水剪切时原状样应力应变为应变软化型，重塑样则呈前期硬化、后期软化型，原状样具有剪胀现象而重塑样在低围压下存在剪胀现象。固结不排水剪切时，原状样和重塑样的应力应变均为应变硬化型，原状样和重塑样的孔隙水压力变化规律一致，应力路径最终均趋于临界状态线。