王志兵，麥棠坤，齊 程

(1.廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004; 2.桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

我國(guó)南方地區(qū)(廣東、廣西、香港、福建等)華力西-印支期、燕山期花崗巖分布廣泛，由于氣候炎熱潮濕，形成可達(dá)數(shù)十米深的花崗巖風(fēng)化殼，且在垂直剖面上風(fēng)化序列完整，一般可分為殘積土帶、全風(fēng)化帶、強(qiáng)風(fēng)化帶、中風(fēng)化帶、微風(fēng)化帶、未風(fēng)化帶等六個(gè)風(fēng)化帶。其中靠近地表的花崗巖殘積土和全風(fēng)化花崗巖是南方地區(qū)典型的筑路材料，常常具有高液限、結(jié)構(gòu)性、遇水軟化、易崩解性等特性而被當(dāng)作特殊性巖土體，并引起不少學(xué)者關(guān)注[1～2]。

許多風(fēng)化花崗巖填筑物的病害與其填料的壓實(shí)度和干濕狀態(tài)有關(guān)系，花崗巖殘積土的天然含水率往往大于擊實(shí)曲線上的最佳含水率，給其填筑施工中壓實(shí)度的控制帶來(lái)困難，當(dāng)花崗巖殘積土填料的壓實(shí)度不夠時(shí)常常引起路基病害或一些災(zāi)害發(fā)生。如在2015年12月20日廣東深圳光明新區(qū)發(fā)生的一起嚴(yán)重的造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失的廢土填埋場(chǎng)滑坡的填筑體主要為風(fēng)化花崗巖砂土，其壓實(shí)度僅為69.83%～82.68%，土體處于松散狀態(tài)[3]。在香港地區(qū)，施工規(guī)范對(duì)風(fēng)化花崗巖填料不夠重視或受施工和技術(shù)條件限制，作為填坡材料的風(fēng)化花崗巖未經(jīng)過(guò)專門的碾壓或夯實(shí)，填料處于松散狀態(tài)，常常在雨季時(shí)發(fā)生嚴(yán)重的滑坡災(zāi)害[4]。廣佛肇高速公路以花崗巖殘積土作為路堤邊坡的路段多處出現(xiàn)淺層滑移、崩塌、水毀現(xiàn)象[5]。

在花崗巖殘積土或風(fēng)化花崗巖的力學(xué)強(qiáng)度特征方面，陳曉平等[1]研究了華南高液限花崗巖殘積土中粗粒含量與天然含水率、天然狀態(tài)指標(biāo)與抗剪強(qiáng)度參數(shù)之間的規(guī)律特征。龍志東等[5]分析初始干密度、顆粒成分對(duì)花崗巖殘積土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響。趙建軍等[6]通過(guò)三軸試驗(yàn)與直剪試驗(yàn)對(duì)比研究花崗巖殘積土的力學(xué)性能，認(rèn)為兩種試驗(yàn)方式都一致地反映出花崗巖殘積土的剪脹剪縮特性。Rahardjo[7]研究了新加坡不同埋深與不同風(fēng)化程度花崗巖殘積土抗剪強(qiáng)度特。吳迪等[8]通過(guò)環(huán)剪試驗(yàn)研究了殘積土在較大剪切應(yīng)變范圍內(nèi)的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度特征，得到了含水率與殘余強(qiáng)度指標(biāo)之間的關(guān)系。李凱等[9]認(rèn)為風(fēng)化花崗巖土具有一個(gè)最優(yōu)飽和度使其抗剪強(qiáng)度最高。湯連生等[10]考慮非飽和花崗巖殘積土的粒間聯(lián)結(jié)作用，建立的脆彈塑性膠結(jié)損傷模型較好地反映了非飽和花崗巖殘積土的獨(dú)特的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。Hossain等[11]使用改進(jìn)的吸力控制的直剪儀，測(cè)試了風(fēng)化花崗巖重塑樣的非飽和抗剪強(qiáng)度特征。這些研究對(duì)于通過(guò)試驗(yàn)從不同角度認(rèn)識(shí)風(fēng)化花崗巖原狀樣或重塑樣的力學(xué)強(qiáng)度特征。

本文以廣西玉林市容縣某典型花崗巖殘積土邊坡填料為研究對(duì)象，選取花崗巖殘積土擊實(shí)曲線上不同含水率對(duì)應(yīng)相同壓實(shí)度的土樣及最佳含水率對(duì)應(yīng)的最大干密度土樣分別進(jìn)行室內(nèi)直剪試驗(yàn)測(cè)試力學(xué)特性，并通過(guò)掃描電鏡和壓汞試驗(yàn)分析其微結(jié)構(gòu)特性，分析影響壓實(shí)花崗巖殘積土力學(xué)性質(zhì)差異的內(nèi)在原因。

1 花崗巖殘積土的基本性質(zhì)

所用土樣取自廣西玉林市容縣某路基路塹邊坡，開挖的土體用于路堤填土，屬于花崗巖地表殘積土。研究區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫為21.5 ℃左右，冬短而暖，夏長(zhǎng)而熱。全年雨量充沛，降雨類型主要有局地強(qiáng)降雨和臺(tái)風(fēng)降雨，年平均降雨量超過(guò)1 800 mm，地貌類型為低山山地和丘陵山地，境內(nèi)河流眾多，水網(wǎng)密布，植被繁茂。研究區(qū)地處北東方向的博白—岑溪大斷裂帶，且是三組斷裂的交匯點(diǎn)。濕熱氣候和地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境有利于花崗巖的風(fēng)化進(jìn)程，并形成了深厚的風(fēng)化殼。

容縣山坡地表花崗巖殘積土的厚度較薄，3～4 m，呈磚紅、棕紅色，原巖結(jié)構(gòu)基本破壞，土質(zhì)黏聚力較好。此外，可明顯見(jiàn)到白色石英顆粒殘留在花崗巖殘積土中，石英顆粒粒徑在1 mm左右。

1.1 顆粒級(jí)配

由花崗巖殘積土顆粒篩分試驗(yàn)(圖1)可知，花崗巖殘積土細(xì)粒多，黏粒、粉粒含量高，粒徑小于0.075 mm的含量超過(guò)了50%，說(shuō)明花崗巖殘積土的細(xì)粒部分較多。Kim等[12]認(rèn)為風(fēng)化花崗巖填料的細(xì)粒含量(過(guò)200目篩，即粒徑小于0.075 mm)不超過(guò)30%時(shí)，用其填筑的路基才會(huì)較細(xì)粒含量高于30%的路基更加穩(wěn)定。

圖1 顆粒級(jí)配曲線圖Fig.1 Particle size distributions of the granite residual soil

按現(xiàn)行的《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行分類，花崗巖殘積土屬于粉質(zhì)黏土，不均勻系數(shù)為82，曲率系數(shù)小于1，屬于級(jí)配不良土。

1.2 物理參數(shù)

花崗巖殘積土的主要物理參數(shù)列于表1，液限為45.8%，靠近低、高液限分界線50%，但屬于低液限土。相對(duì)于同為濕熱區(qū)的廣東地區(qū)花崗巖殘積土的液限[1]要低。

1.3 物質(zhì)成分

取花崗巖殘積土的土樣充分碾碎至足以過(guò)0.075 mm篩為止，然后對(duì)其進(jìn)行了X射線衍射分析，從試驗(yàn)結(jié)果(圖2)可知花崗巖殘積土礦物組成主要為高嶺石、伊利石、石英等；黏土礦物主要構(gòu)成：高嶺石占85%，伊利石占15%。X射線衍射圖譜中已無(wú)明顯的長(zhǎng)石衍射峰，即土樣中基本不含原生礦物長(zhǎng)石，說(shuō)明殘積土是花崗巖高度風(fēng)化的產(chǎn)物。

表1 花崗巖殘積土基本物理參數(shù)Table 1 Physical parameters of the granite residual soil

圖2 花崗巖殘積土的X射線衍射圖譜Fig.2 XRD pattern of the granite residual soil

1.4 原狀樣微觀結(jié)構(gòu)

花崗巖殘積土原狀樣掃描電鏡試驗(yàn)的結(jié)果如圖3所示，花崗巖殘積土原巖結(jié)構(gòu)基本被完全破壞，但還可偶見(jiàn)書本狀高嶺石殘留(圖3a)。整體而言，高嶺石礦物聚合體漸碎片化，即大的晶體片(粒徑50 μm以上)逐漸變?yōu)榧?xì)小黏土顆粒，且顯得雜亂無(wú)章。土粒間微小孔隙(僅為數(shù)微米)普遍存在，與后文壓汞試驗(yàn)揭示的主要孔徑尺寸分布范圍相一致。

圖3 花崗巖殘積土原狀樣電鏡掃描結(jié)果Fig.3 SEM photographs of the undisturbed granite residual soil

2 不同狀態(tài)下的力學(xué)性質(zhì)

由于花崗巖殘積土填料在填筑時(shí)的含水率對(duì)土體的壓實(shí)狀態(tài)有較大影響，填料的含水率越接近最佳含水率時(shí)，土體的壓實(shí)度越高，其力學(xué)強(qiáng)度也就越大，因此在填筑花崗巖殘積土?xí)r應(yīng)盡量控制其含水率在最佳干密度附近。由于花崗巖殘積土的天然含水率要大于擊實(shí)曲線上的最佳含水率，在工程實(shí)踐中常常難以控制其填筑時(shí)的含水率，如陳杰[13]提出以最大承載力為目標(biāo)的花崗巖殘積土路基的壓實(shí)控制方法，以浸水加州承載比(CBR)峰值含水率作為路基壓實(shí)控制含水率。因此，壓實(shí)花崗巖殘積土狀態(tài)選取原則為：取擊實(shí)曲線峰值點(diǎn)以及在左、右兩側(cè)各取一狀態(tài)點(diǎn)制樣，分別稱之為最佳、干側(cè)和濕側(cè)狀態(tài)，且后兩者狀態(tài)具有相同壓實(shí)度，但含水率不同。

2.1 擊實(shí)試驗(yàn)及狀態(tài)選取

花崗巖殘積土的擊實(shí)試驗(yàn)一般可以采用干法或濕法制樣[14]。本文采用標(biāo)準(zhǔn)重型3層、98擊/層方法，干法制樣。花崗巖殘積土的擊實(shí)曲線如圖4所示，最佳含水率為18.9%，最大干密度為1.65 g/cm3，花崗巖殘積土的最佳含水率要低于天然含水率。

特別地，取濕側(cè)狀態(tài)下花崗巖殘積土的含水率等于其天然含水率，為26.2%，對(duì)應(yīng)的干密度為1.46 g/cm3，取干側(cè)干密度為1.46 g/cm3，干側(cè)狀態(tài)下的對(duì)應(yīng)的含水率為13.8%。干側(cè)和濕側(cè)花崗巖殘積土的壓實(shí)度一樣，都為88.5%。然后將3種狀態(tài)下的花崗巖殘積土分別進(jìn)行直剪強(qiáng)度和微觀結(jié)構(gòu)特征研究，探究花崗巖殘積土在3種不同狀態(tài)下力學(xué)性能的差異。

圖4 花崗巖殘積土擊實(shí)曲線及狀態(tài)選擇Fig.4 Compaction curves of the granite residual soil and determinations of three states

2.2 直剪試驗(yàn)與力學(xué)特性

直剪試驗(yàn)采用的土樣使用前文選定的含水率進(jìn)行配土水，擊實(shí)儀制樣后使用環(huán)刀取樣，然后利用四聯(lián)直剪儀進(jìn)行室內(nèi)直接剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，3種狀態(tài)下(最佳、濕側(cè)、干側(cè))花崗巖殘積土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線都無(wú)明顯峰值，類似于正常固結(jié)土或松砂的曲線形狀，稍稍呈現(xiàn)出應(yīng)變硬化的趨勢(shì)；其抗剪強(qiáng)度取應(yīng)力-應(yīng)變曲線中剪切位移4 mm處對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力值，并通過(guò)擬合τ-σ關(guān)系求得花崗巖殘積土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c，φ值(表2)。

圖5 不同狀態(tài)下花崗巖殘積土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Stress-strain curves of the compacted granite residual soil in three states (optimum, wet, dry)

土樣狀態(tài)干密度/(g·cm-3)含水率/%壓實(shí)度/%黏聚力c/kPa內(nèi)摩擦角φ/(°)最佳1.651910015.2028.6干側(cè)1.4613.888.55.1128.1濕側(cè)1.4626.288.58.6527.4

從表2可知，花崗巖殘積土在最佳狀態(tài)下的抗剪強(qiáng)度最大，在濕側(cè)和干側(cè)狀態(tài)時(shí)兩者的抗剪強(qiáng)度相差不大，但干側(cè)和濕側(cè)的具體強(qiáng)度指標(biāo)內(nèi)摩擦角φ值和黏聚力c值略有差異；在3種狀態(tài)時(shí)花崗巖殘積土的內(nèi)摩擦角φ值非常接近，黏聚力c值在最佳狀態(tài)時(shí)最大，干側(cè)狀態(tài)、濕側(cè)狀態(tài)較最佳狀態(tài)分別下降66.4%和43.1%。

已有不少學(xué)者發(fā)現(xiàn)影響壓實(shí)風(fēng)化花崗巖的應(yīng)力-應(yīng)變特性的因素較多，如Park等[15]通過(guò)三軸試驗(yàn)認(rèn)為風(fēng)化花崗巖的應(yīng)力-應(yīng)變特性受顆粒級(jí)配、風(fēng)化程度、礦物成分、顆粒破碎的影響。牛璽榮等[16]認(rèn)為黏土含量、顆粒破碎等因素對(duì)呂梁山壓實(shí)花崗巖風(fēng)化土的物理力學(xué)性能有重要影響。胡煥校[17]等認(rèn)為壓實(shí)花崗巖殘積土的粒粗粒組成、礦物成分及結(jié)構(gòu)、含水量對(duì)其路用性能有重要影響。

本研究采用土樣在細(xì)粒含量、顆粒級(jí)配、風(fēng)化程度、礦物成分等情況基本相同且顆粒破碎不明顯的情況下，不同壓實(shí)程度土體組構(gòu)特征差異是影響其力學(xué)性能的最主要因素。在不同壓實(shí)狀態(tài)下，花崗巖殘積土顆粒及其團(tuán)聚體以及它們之間孔隙的大小、分布及聯(lián)結(jié)等特性有較大的差異。P. Delage等[18]研究發(fā)現(xiàn)不同壓實(shí)度黏土的微觀結(jié)構(gòu)差異較大。據(jù)此，可從不同壓實(shí)花崗巖殘積土的微觀組構(gòu)特征方面能更深刻認(rèn)識(shí)其力學(xué)性質(zhì)的差異原因。

3 微觀結(jié)構(gòu)與討論

為進(jìn)一步研究造成花崗巖殘積土在不同狀態(tài)下的力學(xué)特性的微觀結(jié)構(gòu)，通過(guò)剪切后取樣通過(guò)掃描電鏡觀測(cè)微結(jié)構(gòu)，通過(guò)壓汞試驗(yàn)測(cè)試孔隙分布特征，對(duì)比分析花崗巖殘積土在三種狀態(tài)下的微觀機(jī)制。

3.1 掃描電鏡觀測(cè)

掃描電鏡用試樣分別源自于對(duì)應(yīng)狀態(tài)下?lián)魧?shí)試驗(yàn)得到的土樣。由掃描電鏡結(jié)果(圖6)可知，3種狀態(tài)下土樣微觀結(jié)構(gòu)特征有較明顯的區(qū)別。

圖6 花崗巖殘積土在不同狀態(tài)時(shí)的微觀形態(tài)Fig.6 SEM micrographs of the compacted granite residual soil in three states (optimum, wet, dry)

在最佳含水量狀態(tài)下，壓實(shí)花崗巖殘積土樣在較低放大倍數(shù)下呈現(xiàn)致密結(jié)構(gòu)(圖6a)，在較高放大倍數(shù)下，可見(jiàn)土樣中高嶺石薄片定向排列明顯，以面-面接觸為主(圖6b)，顆粒分布緊密，呈膠結(jié)塊狀，粒間孔隙尺寸大都不足1 μm。在濕側(cè)狀態(tài)下，土樣中高嶺石薄片形成團(tuán)聚體，團(tuán)聚體之間構(gòu)成架空結(jié)構(gòu)，團(tuán)聚體大小為5～15 μm，架空孔隙尺寸為1～4 μm(圖6c，d)。在干側(cè)狀態(tài)下，土樣中高嶺石薄片普遍形成片架結(jié)構(gòu)，薄片之間以點(diǎn)接觸、線-面接觸為主(圖6e，f)。

3.2 壓汞試驗(yàn)

通過(guò)壓汞試驗(yàn)得到不同狀態(tài)下花崗巖殘積土的孔隙分布情況如圖7所示，壓實(shí)花崗巖殘積土和原狀花崗巖殘積土的孔徑分布范圍基本都分布在0.01～200 μm之間，在濕側(cè)狀態(tài)下的累積孔隙體積最大，在干側(cè)狀態(tài)下的累積孔隙體積最小，并非是通常認(rèn)為的在最大干密度狀態(tài)下總孔隙體積最少，說(shuō)明干側(cè)狀態(tài)下花崗巖殘積土可連通的孔隙最少，從掃描電鏡的結(jié)果中也得到了體現(xiàn)，即干側(cè)狀態(tài)下的花崗巖殘積土的片架結(jié)構(gòu)構(gòu)成的不連通孔隙較多。也與文獻(xiàn)[19]所說(shuō)明的一致，即壓汞試驗(yàn)測(cè)試的孔隙結(jié)果并不能完全反映出土樣的實(shí)際孔隙分布，需要壓汞試驗(yàn)和掃描電鏡綜合分析。

圖7 花崗巖殘積土孔隙體積-孔徑曲線Fig.7 Cumulative pore area-aperture curves of the granite residual soils

在孔隙體積分布方面，濕側(cè)狀態(tài)花崗巖殘積土的孔隙體積分布呈現(xiàn)雙峰孔隙特征，即主要分布在0.02～0.1 μm和10～45 μm之間，前者屬于顆粒內(nèi)孔隙，后者屬于團(tuán)粒內(nèi)孔隙和團(tuán)粒間孔隙；隨著土樣含水率的降低，雙峰孔隙特征逐漸變得不明顯。

3.3 討論

壓實(shí)花崗巖殘積土在3種狀態(tài)下呈現(xiàn)出不同的微結(jié)構(gòu)特征。在最佳含水率狀態(tài)下，花崗巖殘積土三相處于適當(dāng)?shù)钠胶鉅顟B(tài)，適當(dāng)?shù)乃质沟酶邘X石片表面水膜增厚，對(duì)其表面靜電斥力起到抑制作用，高嶺石片之間的連結(jié)以面-面接觸為主，同時(shí)自由水較少，顆粒之間呈現(xiàn)緊密排列，且有較好的定向性，粒間孔隙尺寸較小(圖8a)，因此，顆粒間黏結(jié)與摩擦作用都較強(qiáng)，在直剪試驗(yàn)中有最高的抗剪強(qiáng)度。

在濕側(cè)狀態(tài)下，壓實(shí)花崗巖殘積土中游離的膠態(tài)氧化物以極細(xì)的粒狀分布在高嶺石薄片表面或者薄片之間，起著一定膠結(jié)作用，使得土顆粒黏聚成大小不等的團(tuán)聚體，團(tuán)聚體之間填充有較多的自由水，團(tuán)聚體之間普遍形成架空結(jié)構(gòu)(圖8b)，并在壓汞試驗(yàn)中體現(xiàn)為雙峰孔隙特征。在濕側(cè)狀態(tài)下孔隙體積較多、團(tuán)聚體之間的黏結(jié)不強(qiáng)，是導(dǎo)致土樣黏聚力c偏低的原因；然而團(tuán)聚體間的孔隙曲折，增加了孔壁的粗糙程度，且在剪切過(guò)程中架空結(jié)構(gòu)有利于顆粒破碎之后的重填充和重排列，使得土顆粒之間的摩擦效應(yīng)較大，因此內(nèi)摩擦角φ仍較大。

圖8 3種狀態(tài)下花崗巖殘積土的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.8 Schematic representation of the compacted granite residual soil in three states (optimum, wet, dry)

在干側(cè)狀態(tài)時(shí)，土體處于水少氣多狀態(tài)，膠態(tài)的游離氧化物少而不足以抑制黏土表面靜電斥力，同時(shí)較多的孔隙氣體存在，使得土體中顆粒聯(lián)結(jié)不夠緊密，以點(diǎn)接觸和線-面接觸為主，高嶺石片之間形成了片架結(jié)構(gòu)(圖8c)，土體孔隙多以顆粒內(nèi)孔隙為主。同時(shí)土體中片架結(jié)構(gòu)構(gòu)成了較多的封閉不連通孔隙，在壓汞試驗(yàn)中體現(xiàn)為累積孔隙體積最少。土顆粒排列相對(duì)最佳狀態(tài)的定向性較差，分布比較雜亂，從而黏聚力c偏低；但顆粒間雜亂分布及較強(qiáng)的咬合作用會(huì)導(dǎo)致剪切面的摩阻力較大，因而內(nèi)摩擦角φ仍然較大。

由前文分析可知，壓實(shí)花崗巖殘積土在3種不同狀態(tài)下抗剪強(qiáng)度指標(biāo)內(nèi)摩擦角φ值的大小較為接近，黏聚力c值差別較大，在最佳狀態(tài)下的黏聚力c值大于濕側(cè)和干側(cè)狀態(tài)。壓實(shí)花崗巖殘積土在3種狀態(tài)下的微觀結(jié)構(gòu)差別較大，正是因?yàn)閴簩?shí)花崗巖殘積土在3種不同狀態(tài)下表現(xiàn)出不同的微觀特征是導(dǎo)致其力學(xué)性質(zhì)差異的內(nèi)在原因。

4 結(jié)論

(1)廣西容縣花崗巖殘積土屬于粉質(zhì)黏土，為級(jí)配不良土，主要黏土礦物為高嶺石，其次為伊利石，含有一定量的石英；原狀樣中高嶺石礦物聚合體逐漸碎片化，孔隙主要是孔徑為數(shù)微米的微小孔隙。

(2)3種狀態(tài)下壓實(shí)花崗巖殘積土應(yīng)力-應(yīng)變曲線形狀相似，都無(wú)明顯峰值，在最佳狀態(tài)下的抗剪強(qiáng)度最大。其中，內(nèi)摩擦角φ值在3種狀態(tài)下相差不大；黏聚力c值在最佳狀態(tài)時(shí)最大，干側(cè)狀態(tài)、濕側(cè)狀態(tài)比最佳狀態(tài)分別下降66.4%和43.1%。

(3)掃描電鏡觀察與壓汞試驗(yàn)結(jié)果所展現(xiàn)的微觀形態(tài)與孔隙分布解釋了花崗巖殘積土在不同狀態(tài)下力學(xué)差異的微觀機(jī)制。即花崗巖殘積土在最佳狀態(tài)下組構(gòu)最密，定向性強(qiáng)；在干側(cè)狀態(tài)下組構(gòu)呈片架結(jié)構(gòu)，土體累積孔隙體積最小；在濕側(cè)狀態(tài)下土體組構(gòu)呈架空結(jié)構(gòu)，土體累積孔隙體積最大，孔隙呈明顯的雙峰分布特性。壓實(shí)花崗巖殘積土在不同狀態(tài)下組構(gòu)特征差異是導(dǎo)致其抗剪強(qiáng)度差異的內(nèi)在原因。