腾冲地区玄武岩残积粘土物理力学性能研究

杨荣美,陈安,槐以高,眭素刚

(1.昆明理工大学国土资源工程学院,昆明 650093;2.中国有色金属工业昆明勘察设计研究院,昆明 650051)

玄武岩残积土具有稳定性差、孔隙比高、高液限、低强度等特性,早在1992年,唐大雄等[1]发现雷琼地区玄武岩残积红土土质不均匀,且有高压缩性和弱抗水性;张丽、林英华[2]建议在玄武岩残积土场地进行勘察或施工时,要着重关注标准贯入试验;李洪建等[3]根据国内外有关岩体风化划分的参数值,研究获取了风化程度不同的岩体裂隙间距值的指标界线;王国华等[4]发现雷州半岛玄武岩残积土含水率、液限和孔隙比较高,SiO2含量和密度较低,在水中容易崩解,还给出相应参数的特征值建议;龙焕林[5]研究并且评价了琼北地区玄武岩残积土的物理及力学性质;王参松[6-7]、张瑞敏[8]等对贵州二叠系峨眉山玄武岩残积土开展了研究,并且得知土体含水率变大的同时抗剪强度就会变小;张先伟等[9-10]从化学和物理等角度进行研究,发现雷州半岛玄武岩残积土的主要粘土矿物为高岭石、伊利石和三水铝石,化学成分以Fe2O3和Al2O3为主;陈洁等[11-12]以重塑红棕色玄武岩残积土为例,对干密度和含水率均不同的玄武岩残积土在不同加载方式下进行多级环剪试验来研究其残余强度;张浪[13]等通过抗剪试验发现重塑红棕色玄武岩残积土含水率固定时,土的抗剪强度随干密度的增大而增大,干密度一定时,土的抗剪强度随含水率的增大而减小;冯春燕等[14]对美兰机场玄武岩残积土进行承载力、变形特性及物理力学特性的研究,结果表明玄武岩残积土土层具有上细下粗的分布特点,未受扰动的玄武岩残积土密实度较好,地基承载力较高;师壮[15]通过研究腾冲市曲石生态小镇玄武岩残积土发现玄武岩残积土在压应力作用下会引起孔隙压缩而引起土体变形从而导致地基沉降。

目前针对腾冲地区玄武岩残积土的研究较少,本文通过室内土工试验,从氧化物成分与含量、矿物成分、密度、比重、孔隙比、剪切强度等方面对腾冲玄武岩残积粘土进行分析,并对其工程特性进行判断,为玄武岩残积土地区工程建设及灾害治理提供基础性资料。

1 玄武岩残积粘土分布特征及化学成分

腾冲隶属云南省,坐落于滇西边陲,发育很多深大断裂,地壳极不稳定,境内分布有大量的第四系火山,火山地震活动频繁,而作为基性喷出岩的玄武岩,大量分布在腾冲境内。

腾冲地区玄武岩风化后形成的残积土在外观上与碳酸盐红黏土相似,但色泽稍暗,呈灰黄色、褐黄色、褐红色,一般呈可塑-硬塑状态,玄武岩原地风化以后经过长时间的堆积和残留形成较为松散的玄武岩风化层,风化层向上逐渐过渡为土壤层,向下逐渐过渡为风化基岩层,随着深度增加,粉土及粗砾增多而成为粉质粘土、碎石土。粘土层与玄武岩接触带一般含较多的母岩风化碎石土,粘土层在空间展布上表现出层厚差异较大,在颗粒组成上也表现出较大的差异。

腾冲地区玄武岩残积粘土层结构特征如下:黄褐、褐色及褐灰色,可塑状态,局部硬塑状态,稍湿,有光泽,无摇振反应,干强度及韧性中等,局部含玄武岩风化碎块,厚度一般为0.60～10.30 m。

玄武岩残积粘土的主要矿物为高岭石,其化学成分主要为SiO2、Al2O3和Fe2O3(表1)。

表1 玄武岩残积粘土与碳酸岩类红粘土化学成分对比表

从表1中可以看出,腾冲玄武岩残积粘土与雷州半岛玄武岩残积土化学成分相似。两地玄武岩残积土与碳酸盐类红粘土相比较,两类土中SiO2、Al2O3和Fe2O3这3种化学成分含量较高,共占总含量的80%左右。不同的是,玄武岩残积土中SiO2、CaO及K2O的含量均低于红粘土,但Al2O3和Fe2O3的含量相比于红粘土要高一些。

2 腾冲玄武岩残积粘土物理性质

对腾冲地区玄武岩风化土进行室内土工物理试验,包括含水率试验、密度试验、液塑限试验、颗粒分析试验、比重试验、固结试验及原位试验等。比重试验结果如表2所示。

表2 玄武岩残积粘土物理性质指标(比重)

玄武岩残积粘土天然含水率变化大,因为土体表面风化后会产生裂隙,裂隙壁周围快速失水,裂隙发育的残积土表层的含水率一般比较深土层处的含水率低,天然含水率也会产生一定区间范围的波动。腾冲地区玄武岩残积土的天然含水率、孔隙比变化范围如表3所示。

表3 玄武岩残积粘土物理性质指标

从表3可以看出玄武岩残积粘土的含水率、孔隙比等指标波动范围较大,且天然含水率较高,孔隙比较大。玄武岩残积粘土水理性试验结果如表4所示。

表4 玄武岩残积粘土物理性质指标(水理性)

根据表4可以看出,粘土的液塑限含水率高,塑性指数大于17,天然状态为可塑状态。土体含水率和孔隙比均较高,属高液限粘土。

土的颗粒级配是指土中所含各粒组的相对含量,以土粒总重的百分数表示。土的颗粒级配曲线:纵坐标表示小于某土粒的累计质量百分比,横坐标则是用对数值表示的土的粒径。一般用土的不均匀系数Cu(按公式1计算)、曲率系数Cc(按公式2计算)来表示土的颗粒级配情况。规范规定:Cu≥5且Cc=1～3的土为级配良好,不同时满足则为级配不良。

(1)

(2)

式中,d10为级配曲线上纵坐标为10%所对应的粒径,也称为有效粒径;d30为级配曲线上纵坐标为30%所对应的粒径,也称为中值粒径;d60为级配曲线上纵坐标为60%所对应的粒径,也称为限定粒径。

玄武岩残积粘土的不同粒组质量百分比如表5所示,级配曲线如图1所示。

表5 玄武岩残积粘土物理性指标(粒度分析)

图1 玄武岩残积粘土级配曲线图

通过表5及图1可知,玄武岩残积粘土的粒径以0.075～0.01 mm的颗粒占总含量的60%,不均匀系数Cu为30,曲率系数Cc为1.875,颗分曲线较为平缓,级配良好。腾冲玄武岩残积粘土的物理试验参数如表6所示。

表6 腾冲地区玄武岩残积层风化土物理试验参数汇总表

腾冲地区玄武岩残积粘土相较于贵州和雷州半岛玄武岩残积土,物理指标相似,差别不大,总体上表现为天然含水率、孔隙比、饱和度较高,而密度、渗透性较低。

3 腾冲玄武岩残积粘土的力学性质

本次研究粘土完成了767组固结试验,以50～400 kPa分级测定其孔隙比、压缩系数及压缩模量值。图2为玄武岩残积粘土e-p曲线,玄武岩残积粘土的变形参数如表7所示。

由图2可知随着压力增大,土样孔隙比减小,剧烈变化段集中在200 kPa前;由表7可以看出,粘土孔隙比较大,压缩系数大于0.5 MPa-1,属高压缩性土。

图2 玄武岩风化残积粘土e-p曲线图

本文以腾冲各工程项目的室内剪切试验为依托,分析统计了在不同试验条件下的玄武岩残积粘土抗剪强度。通过标准固结试验得到玄武岩风化土在各荷载作用下的孔隙比见表8。

通过试验数据表8可知,粘土的黏聚力较高,与粘土的粘粒含量较高有关,内摩擦角较低,与粘土的粗粒土含量稍低有关。相较于直剪快剪,固结快剪的黏聚力提高了12.52 kPa,内摩擦角增大了10.21°,这是由于固结快剪提供了一定时间排水,充分排水后,孔隙水压力完全消散,改善了土体情况,提高了土体强度。

表7 玄武岩残积粘土变形试验参数统计

表8 玄武岩残积粘土强度试验指标

腾冲地区共进行现场原位试验1 259次,其中标准贯入试验794次,重型圆锥动力触探试验465次,室内试验及原位测试成果见表9、表10。通过现场试验,估算腾冲地区玄武岩风化土的强度和密实度,评定腾冲地区地基的均匀性。腾冲地区玄武岩残积粘土力学参数如表11所示。

表10 标准贯入试验成果统计表

表11 腾冲地区玄武岩残积粘土力学试验参数汇总表

由表11可知,腾冲地区玄武岩残坡积粘土在天然状态下自由膨胀率为15%,基本无膨胀性。相较之下,雷州半岛玄武岩残积土自由膨胀率较高,当含水率增至液限时,存在较强的收缩性。腾冲玄武岩残积粘土的压缩性比于雷州半岛及贵州玄武岩残坡积土高,压缩模量稍小,属于高压缩性土;其黏聚力高于雷州半岛及贵州玄武岩残坡积土,但抗剪强度明显小于后两者。

颗粒间的胶结力会影响土体的粘聚力,而内摩擦角则主要与颗粒的排列方式有关,腾冲地区玄武岩残积粘土的化学成分以Fe2O3、Al2O3和SiO2为主,铁铝氧化物增强了土颗粒间的胶结能力,因此黏聚力较大。腾冲地区玄武岩残积粘土孔隙比较大,天然含水率较高,使得土体结构更加疏松,土颗粒间的阻力减弱,因此内摩擦角较小。

4 腾冲玄武岩残积粘土的工程特性

腾冲地区玄武岩残积粘土化学成分以SiO2、Al2O3、Fe2O3为主,亲水性较弱,宏观结构为似团块状结构,微观结构形态以凝块结构和团粒结构为主,溶孔发育。残积粘土的天然含水量、液限、塑限及塑性指数较高,液性指数较低,呈可塑-硬塑状态,天然密度较小,孔隙比较大,在0.48～2.56之间。可塑状态的玄武岩残积粘土重型圆锥动力触探试验锤击数平均值为7.57击,标贯实测锤击数为2～19击。玄武岩残积粘土的塑性指数Ip变化范围较大,按Ip分类属粘土;液限范围为23%～100%,平均61.68%,属高液限粘土,不适宜做天然地基,若作为填土基础必须进行改良;渗透系数平均值为1.47×10-5cm/s,在天然状态下具有弱透水性,这是由于其粘粒含量较高且主要成分为蒙脱石。

腾冲玄武岩残积粘土自由膨胀率为15%,小于40%界限,该残积粘土无膨胀性。分析其化学成分,游离氧化物含量较多,胶结作用较强,粘土矿物的亲水性较差,在水理性质上亦表现为无膨胀性。腾冲地区玄武岩残积粘土的含水率较高,且腾冲地区经常有雨,空气潮湿,降低了玄武岩残积土的强度。玄武岩风化土强度受土体的含水率的制约,含水率较大则土体抗剪强度较小,玄武岩风化土对水的作用极为敏感,遇水后强度下降很快,这个特性对工程稳定性来说非常不利。降雨作用后,边坡土体抗剪强度会明显降低,严重影响其稳定性。腾冲玄武岩残积粘土属于高压缩性土,其物理力学性质空间变化较大,土质不均匀,个别场地物理、力学指标变异系数较高。总体上残积粘土强度相对较低。

5 结论

(1) 腾冲地区玄武岩残积粘土层厚差异较大,在地层分布上表现出残积粘土层与玄武岩层交错分布的现象;化学成分以SiO2、Al2O3和Fe2O3为主,总占比可达80%左右。

(2) 腾冲地区玄武岩残积粘土天然密度较小,孔隙比在0.48～2.56之间,塑性指数在4～48之间,液限范围为23～100,平均61.68,天然状态为可塑状态,其重型圆锥动力触探试验击数平均值为7.57击,标贯实测锤击数为2～19击,渗透系数为1.47×10-5cm/s,在天然状态下具有弱透水性;粘土颗粒级配良好,土质不均匀。

(3) 腾冲地区玄武岩风化形成的粘土含水率介于14%～95%之间,平均值为49.44%,孔隙比介于0.48～2.56之间,平均为1.44,饱和度介于46～100之间,平均值为92.52,湿密度介于1.36～2.13,平均值为1.68;与一般的玄武岩残积土相似,均表现为高含水率、高孔隙比、高饱和度和低密度等特性。

(4) 腾冲地区玄武岩风化残积粘土压缩系数a1-2为0.67 MPa-1,属高压缩性土,土体稳定性差,含水率变化对土体的整体抗剪影响较大,土体含水率越大,强度越低。