孫銀磊，湯連生

（1.中山大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，廣東廣州510275；2.廣東省地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源探查重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510275）

抗拉強(qiáng)度是花崗巖殘積土一個(gè)比較重要的力學(xué)性質(zhì)，許多自然現(xiàn)象及工程破壞，如土坡崩崗、崩塌及土壩、堤防、路基破壞都與土的抗拉特性有關(guān)，因此，對(duì)花崗巖殘積土抗拉強(qiáng)度進(jìn)行深入研究具有重要的工程意義[1]。

花崗巖殘積土作為一種在華南地區(qū)廣泛分布的特殊土，其結(jié)構(gòu)性對(duì)土的工程性質(zhì)有著顯著的影響，研究表明：土體結(jié)構(gòu)的宏觀變形現(xiàn)象都是土體微觀結(jié)構(gòu)改變的結(jié)果[2]，因此，花崗巖殘積土工程特性的決定因素歸根到底是其結(jié)構(gòu)的特殊性。吳能森[3]針對(duì)花崗巖殘積土的遇水崩解及軟化造成其微觀結(jié)構(gòu)變化特性，全面分析了土體崩解的結(jié)構(gòu)性機(jī)制，在此基礎(chǔ)上，將花崗巖殘積土的崩解過程劃分成擾動(dòng)性、結(jié)構(gòu)性及溶解性3個(gè)階段。周小文[4]利用不同圍壓下的三軸排水試驗(yàn)對(duì)比分析了原狀和重塑花崗巖殘積土的剪切屈服特性。湯連生[5]基于堆砌體模型的思路，利用孔隙比和結(jié)構(gòu)脆性參數(shù)來構(gòu)建花崗巖殘積土損傷過程函數(shù)，建立了能夠反映非飽和花崗巖殘積土脆彈塑性膠結(jié)損傷模型。Alias等[6]通過直接剪切及三軸試驗(yàn)研究了重塑花崗巖殘積土的有效剪切強(qiáng)度參數(shù)。國內(nèi)外對(duì)花崗巖殘積土抗剪強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)性方面已經(jīng)取得了較多的研究成果，而對(duì)其抗拉強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)性的研究相對(duì)較少，歸根結(jié)底是在傳統(tǒng)巖土工程研究過程中，通常不將花崗巖殘積土作為抗拉材料使用，主要是因?yàn)橥恋目估瓘?qiáng)度通常較小或幾乎被視為零，因此，在實(shí)際工程中土體的抗拉強(qiáng)度通常被忽略，相對(duì)于抗壓和抗剪強(qiáng)度，對(duì)花崗巖殘積土抗拉強(qiáng)度的研究較少[7]。而抗拉強(qiáng)度但是種種的工程及自然破壞現(xiàn)象表明，忽略抗拉張強(qiáng)度不利于對(duì)花崗巖殘積土的強(qiáng)度特征進(jìn)行全面認(rèn)識(shí)。同時(shí)，花崗巖殘積土作為華南及西南地區(qū)的一種特殊土，受工業(yè)及生活排氣的影響，在一些區(qū)域降雨的pH值會(huì)呈現(xiàn)酸性[8]，在該區(qū)域往往發(fā)生土坡崩崗、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害，表觀上來看這些地質(zhì)災(zāi)害（拉張破壞）與土體的pH值相關(guān)，從深層來說，花崗巖殘積土的抗拉強(qiáng)度與其化學(xué)成分是否有一定的聯(lián)系？

本文結(jié)合花崗巖殘積土的受拉特性，將花崗巖殘積土篩分成不同粒徑范圍的土樣，通過濃鹽酸處理，利用XRD光譜分析處理前后土樣礦物成分的變化情況。利用自制土體直拉強(qiáng)度測試儀，對(duì)鹽酸處理前后不同粒組土樣進(jìn)行不同含水量下的單軸抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，基于微觀層析成像技術(shù)分析鹽酸處理前后不同粒組土樣顆粒的變化情況，探討花崗巖殘積土抗拉強(qiáng)度的主要影響因素及變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)樣品

試驗(yàn)土樣取自廣州地鐵21號(hào)線鎮(zhèn)龍站某一邊坡，根據(jù)現(xiàn)場勘察資料，此淺埋段為全風(fēng)化花崗巖殘積土，試驗(yàn)室測其濕密度為1.87 g/cm3，天然含水量為23.7%，液限為36.5%，塑限為23.7%，塑性指數(shù)為12.8，勘察報(bào)告揭示土樣為可塑狀砂質(zhì)花崗巖殘積土。根據(jù) 《ISSSsoil particle size limit classification》[9]按直徑（d/mm）大小將土樣篩分成5種不同粒徑范圍土樣：小于0.002，0.002～0.02，0.02～0.2，0.2～1.0，1.0～2.0（如圖1）。對(duì)于花崗巖殘積土來說，顆粒之間的膠結(jié)物對(duì)其抗拉強(qiáng)度影響較大，為了研究膠結(jié)物的化學(xué)成分對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響，選取不同粒徑范圍的土樣500 g浸泡在φ為37.5%的鹽酸中24 h，在80℃的環(huán)境下恒溫3 h，然后離心，蒸餾水洗至pH約為7，105℃下烘干，研磨過篩后放入干燥器內(nèi)備用[10]。利用D-MAX 2200VPC型X射線粉末衍射儀對(duì)鹽酸處理前后的土樣分別進(jìn)行測試分析，Cu靶，Kα輻射，掃描范圍 10°～80°，掃描步長0.2°。為了能夠準(zhǔn)確對(duì)比鹽酸處理前后，土樣中礦物成分的變化情況，放入鹽酸前稱取土樣質(zhì)量m，鹽酸浸泡并離心干燥后的土樣質(zhì)量為n，進(jìn)行XRD測試時(shí)候，采集的鹽酸處理前土樣質(zhì)量為k，那么采集的鹽酸處理后的土樣質(zhì)量為kn/m。

1.2 拉張?jiān)囼?yàn)

分別將處理前后的土樣加蒸餾水，采用分層擊實(shí)的方法制成不同含水量的拉張土樣，含水量分別為 5%、7.5%、10%、12.5%、15%、17.5%、20%、22.5%，誤差為±0.2%。將制作成的拉張土樣利用保鮮膜密封，放入4℃的儲(chǔ)樣柜中48 h，使土樣中水分均勻分布。利用自制土體直拉強(qiáng)度測試儀（專利號(hào)：CN201310546003.0）進(jìn)行拉張?jiān)囼?yàn)（見圖2a）。為了保證土樣的拉張破壞過程，本次試驗(yàn)采用滴水的方法進(jìn)行加載，液滴的速度為120滴/min。拉張?jiān)囼?yàn)完畢后取拉斷面附近的微觀土樣，主要是利用Peek管插入土中，粗砂、中砂、細(xì)砂、粉土及黏土對(duì)應(yīng)的Peek管的內(nèi)徑為5，3，1，0.5，0.5 mm（由于后期對(duì)粉土與黏土樣品進(jìn)行微觀掃描采用相同分辨率的鏡頭，該分辨率對(duì)Peek內(nèi)徑的要求是不能超過0.65 mm）。將制成的土樣利用液氮冷凍并在冷凍干燥儀中進(jìn)行干燥處理24 h，干燥過程中保持真空度在90%以上，冷干溫度在-45℃以下。

1.3 微觀層析成像

本次微觀層析成像試驗(yàn)是利用上海光源BL13W1線站進(jìn)行μCT掃描，該掃描系統(tǒng)主要由射線源、樣品臺(tái)、探測器和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成。樣品臺(tái)位于射線源和探測器之間，X射線源發(fā)射的X射線在穿過樣品時(shí)與樣品發(fā)生相互作用，放射性X射線穿過物體時(shí)，其能量由于被部分被吸收，而發(fā)生強(qiáng)度衰減。本次試驗(yàn)的分辨率為3.25μm（砂粒）和0.325μm（粉粒和黏粒），光線能量為19.5 keV，在進(jìn)行μCT掃描時(shí)，樣品沿軸向旋轉(zhuǎn)180°，光束以X射線源和探測器中心連線方向射向樣品。由于樣品在不斷旋轉(zhuǎn)，因此將得到樣品在不同角度的μCT掃描，并等角度間隔采集。本次試驗(yàn)的時(shí)間間隔為0.25°，最后得到720幅二維投影。這些二維投影，經(jīng)過Pitre軟件進(jìn)行圖像處理，將一組連續(xù)的二維圖像排列重構(gòu)，就構(gòu)成了一個(gè)三維的數(shù)據(jù)場[11]，見圖2b所示。利用三維可視化軟件Avizo軟件進(jìn)行顯示分析，對(duì)圖像進(jìn)行圖像分割，將所有孔隙空間對(duì)應(yīng)的體素頂點(diǎn)都標(biāo)記為1（或0），而所有土顆粒對(duì)應(yīng)體素頂點(diǎn)都標(biāo)記為0（或者1）[12]。由于掃描時(shí)間限制（1 h/樣，申請周期為半年），本次試驗(yàn)只進(jìn)行了含水量為15%的土樣掃描試驗(yàn)，包括鹽酸處理前后的土樣。

圖1 花崗巖殘積土顆粒級(jí)配及鹽酸處理Fig.1 Grain size distributions and HCL treating of the granite residual soils

圖2 拉張及掃描試驗(yàn)Fig.2 Tensile and scanning methods

2 結(jié)果與討論

2.1 X射線衍射（XRD）測試結(jié)果

土樣原樣的XRD圖譜顯示（圖3a），不同粒徑的花崗巖殘積土的曲線特征大體相似，說明各組土樣中具有相似的化學(xué)成分，圖譜中顯示5種粒組的花崗巖殘積土樣主要的化學(xué)成分是SiO2，其次是Al2Si2O5（OH）4，含有部分游離氧化鐵，如 α-FeO（OH）、Fe3O4、α-Fe2O3等。經(jīng)過濃鹽酸浸泡處理后，土樣中的 α-FeO（OH）、Fe3O4、α-Fe2O3及 Al2Si2O5（OH）4等均不同程度地減少，而SiO2的含量基本維持不變（圖3b）。

圖3 鹽酸處理前后土樣X射線衍射圖Fig.3 X-ray diffraction patterns of the granite residual soils before and after HCL treatment

2.2 抗拉強(qiáng)度結(jié)果

由圖4可知，對(duì)于鹽酸處理前各粒組的土樣，隨著含水量的增大，其抗拉強(qiáng)度均先增大后減小，存在一個(gè) “凸峰”現(xiàn)象。即在含水量變化過程中存在一個(gè)臨界含水量，當(dāng)含水量小于此臨界含水量時(shí)，抗拉強(qiáng)度隨含水量的增大而增大；當(dāng)含水量大于臨界含水量時(shí)，抗拉強(qiáng)度隨含水量的增大而減小。并且隨著含水量的增大，在臨界含水量左側(cè)的抗拉強(qiáng)度增長率要大于在臨界含水量右側(cè)的抗拉強(qiáng)度減小率。在臨界含水量右側(cè)，隨著含水量的增大，抗拉強(qiáng)度逐漸減小，并趨于某一穩(wěn)定值，即隨著含水量的增大，抗拉強(qiáng)度并不會(huì)一直減小，而是減小到某一程度后將趨于穩(wěn)定，存在某殘余抗拉強(qiáng)度。此規(guī)律與Tang等[13]對(duì)黏土抗拉強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果類似，這說明當(dāng)含水量超過臨界含水量后，抗拉強(qiáng)度隨著含水量的增大而減小并趨于某一穩(wěn)定的殘余抗拉強(qiáng)度，并不是一個(gè)單獨(dú)的現(xiàn)象，很可能是一個(gè)普遍存在的現(xiàn)象。對(duì)于鹽酸處理后的不同粒組花崗巖殘積土樣的抗拉強(qiáng)度，其隨含水量的變化趨勢與鹽酸處理前的抗拉強(qiáng)度變化趨勢大致相同。對(duì)于同種粒組相同含水量的花崗巖殘積土，鹽酸處理后的抗拉強(qiáng)度比處理前減小的幅度較大，減小幅度為5～10 kPa不等，并且這種規(guī)律隨著顆粒粒徑的減小呈現(xiàn)增大的趨勢。

2.3 三維微觀結(jié)構(gòu)重建結(jié)果

本次進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)重建的土樣只有含水率為15%，包括五種不同粒組的土樣。經(jīng)過Pitre軟件進(jìn)行切片處理后，利用Avizo三維可視化軟件對(duì)不同粒組的土樣進(jìn)行二維及三維圖像分析，見圖5所示。從圖中可以看出，無論是黏土顆粒還是砂土顆粒，經(jīng)過鹽酸處理后的顆粒尺寸相應(yīng)減小了，處理后的顆粒整體上呈現(xiàn)相對(duì)碎散的狀態(tài)，顆粒與顆粒之間的膠結(jié)情況較少。而鹽酸處理前的顆粒之間都有一定的膠結(jié)，特別是當(dāng)顆粒尺寸較小的時(shí)候，顆粒的膠結(jié)情況最為明顯。

2.4 抗拉強(qiáng)度影響因素分析

花崗巖殘積土中的Fe2O3和Al2O3是其主要的倍半氧化物，經(jīng)過鹽酸處理后他們大量地減少與消失，直接影響著花崗巖殘積土的拉張力學(xué)性質(zhì)。倍半氧化物對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響主要表現(xiàn)在它們可以起到包裹的作用，以 “包膜”的形式將土顆粒包?。▓D6），也可以起到膠結(jié)的作用，以 “橋”的形式將土顆粒連接起來形成聚集體[14]，還可以起到充填的作用，以 “填充物”的形式將土顆粒之間的孔隙填塞，可見倍半氧化物是花崗巖殘積土中最為重要的組分之一?；◢弾r殘積土中的結(jié)構(gòu)單元體是由游離鐵、鋁膠質(zhì)通過較強(qiáng)靜電作用形成的基本團(tuán)粒單元，其外圍被鐵鍋質(zhì)包裹[15]。花崗巖殘積土結(jié)構(gòu)單元體主要包括較為穩(wěn)固的蜂窩狀及絮凝狀結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)主要是由土體自身化學(xué)性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定的游離鐵、鋁膠結(jié)物以及硅溶膠膠結(jié)而形成的，且這些結(jié)構(gòu)單元體外圍覆蓋一層結(jié)合水膜，加強(qiáng)了彼此間的膠結(jié)作用，最終結(jié)構(gòu)單元體形成團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，因此花崗巖殘積土具有較高的抗拉強(qiáng)度。相比較而言，當(dāng)顆粒中黏土含量越高，這種膠結(jié)作用越強(qiáng)。

圖4 鹽酸處理前后土樣的抗拉強(qiáng)度Fig.4 Tensile strength of granite residual soils before and after HCL treatment

圖5 鹽酸處理前后土樣的抗拉強(qiáng)度Fig.5 Tensile strength of granite residual soils before and after HCL treatment

花崗巖殘積土中的SiO2不與 HCl反應(yīng)，而Fe2O3和Al2O3卻易溶于HCl，且與之發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成溶于水的 FeCl3和 AlCl3，F(xiàn)e3＋和 Al3＋離子經(jīng)過水洗及離心干燥后隨之排出土體，如圖6所示，造成了花崗巖殘積土化學(xué)成分的變質(zhì)，其化學(xué)反應(yīng)方程式如下所示：

根據(jù)湯連生提出的非飽和土粒間吸力理論，土顆粒之間的聯(lián)結(jié)作用力包括范德華力、雙電層引力、膠結(jié)力、顆粒之間的咬合力、結(jié)合水的黏結(jié)力、濕吸力等[13]，它們都對(duì)顆粒之間的抗拉承擔(dān)責(zé)任。如果將這些力分為兩組：①濕吸力，由表面張力引起的作用于土顆粒之間的力（圖7）；②范德華力、雙電層引力、膠結(jié)力、顆粒之間的咬合力、結(jié)合水的黏滯力（圖7）。它們是與土顆粒自身的化學(xué)成分、孔隙液成分、土體結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)，這一部分正是結(jié)構(gòu)吸力。相比濕吸力，花崗巖殘積土的結(jié)構(gòu)吸力對(duì)其抗拉強(qiáng)度影響更大。結(jié)構(gòu)吸力是土體內(nèi)與結(jié)構(gòu)性質(zhì)相關(guān)的內(nèi)拉應(yīng)力的總和，包括膠結(jié)力、靜電力、磁性力以及咬合力等，以上提到的各力均受含水量、土顆粒堆積方式以及孔隙水溶液化學(xué)成分的影響，但受各因素的影響程度不同。它充分體現(xiàn)了土的結(jié)構(gòu)特征，主要包含土的骨架、孔隙、顆粒以及成分等特征。而土的抗拉強(qiáng)度之所以能夠存在其本質(zhì)是因?yàn)轭w粒之間有聯(lián)結(jié)力，它來源于范德華力、雙電層引力、膠結(jié)力、毛細(xì)吸力等。土體之所以被拉斷，就是由于土顆粒之間的聯(lián)結(jié)力被克服了。利用鹽酸浸泡花崗巖殘積土，HCl與鐵鋁氧化物等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，消耗掉包裹在花崗巖殘積土基本團(tuán)粒單元外圍的鐵、鋁膠質(zhì)，與此同時(shí)也損耗了連接各結(jié)構(gòu)單元體的膠結(jié)物質(zhì)，使得花崗巖殘積土團(tuán)粒粒徑變小，其微觀結(jié)構(gòu)遭到破壞；團(tuán)粒內(nèi)的礦物成分也含有鐵鋁氧化物，隨著化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，團(tuán)粒結(jié)構(gòu)也將遭到HCl的侵蝕破壞，進(jìn)一步分散成更為細(xì)碎的物質(zhì)，這也解釋了圖6中鹽酸處理后的顆粒呈現(xiàn)碎散狀態(tài)的原因；最終起到包裹、連接、填充作用的膠結(jié)物質(zhì)被溶蝕后生成的易溶鹽以及細(xì)小顆粒被沖洗的蒸餾水帶走，使花崗巖殘積土顆粒之間的孔隙增大，并將紅土顆粒架空?；◢弾r殘積土團(tuán)聚體失去膠結(jié)物質(zhì)等的約束，顆粒之間的粒間吸力，特別是結(jié)構(gòu)吸力的減小造成鹽酸處理后的土樣在拉應(yīng)力的作用下容易被拉斷。相對(duì)而言，黏土受鹽酸處理的影響較大，顆粒越小，顆粒之間的 “橋”的消失現(xiàn)象越為明顯，其抗拉強(qiáng)度減小的幅度較大。

3 結(jié) 論

1）經(jīng)過鹽酸浸泡處理后，5種粒組花崗巖殘積土樣中的 α-FeO（OH）、α-Fe2O3、Fe3O4及 Al2Si2O5（OH）4等均不同程度的減少，而SiO2的含量基本上維持不變。

圖6 鹽酸作用下花崗巖殘積土團(tuán)聚體變化情況Fig.6 The changes of granite residual soil aggregates before and after HCL treatment

圖7 土顆粒之間的聯(lián)結(jié)作用力Fig.7 The coupling force between soil particles

2）鹽酸處理前后各粒組的土樣的抗拉強(qiáng)度隨著含水量的增大均呈現(xiàn)先增大后減小趨勢。對(duì)于同種粒組相同含水量的花崗巖殘積土，鹽酸處理后的抗拉強(qiáng)度比處理前減小的幅度較大，減小幅度為5～10 kPa不等，并且這種規(guī)律隨著顆粒粒徑的減小呈現(xiàn)增大的趨勢。

3）通過對(duì)不同粒組進(jìn)行微觀層析成像分析，無論是黏土顆粒還是砂土顆粒，鹽酸處理前的顆粒之間都有一定的膠結(jié)，特別是當(dāng)顆粒尺寸較小的時(shí)候，顆粒的膠結(jié)情況最為明顯。經(jīng)過鹽酸處理后的顆粒尺寸相應(yīng)減小了，處理后的顆粒整體上呈現(xiàn)碎散狀態(tài)，顆粒與顆粒之間的膠結(jié)情況較少。

4）HCl與花崗巖殘積土中的鐵、鋁氧化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，消耗掉包裹在花崗巖殘積土基本團(tuán)粒單元外圍的鐵、鋁膠質(zhì)，與此同時(shí)也損耗了連接各結(jié)構(gòu)單元體的膠結(jié)物質(zhì)，使得花崗巖殘積土團(tuán)粒粒徑變小，其微觀結(jié)構(gòu)遭到破壞，花崗巖殘積土團(tuán)聚體失去膠結(jié)物質(zhì)等的約束，顆粒之間的粒間吸力，特別是結(jié)構(gòu)吸力的減小造成鹽酸處理后的土樣在拉應(yīng)力的作用下容易被拉斷。

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