周 宇，陳東霞，2，于佳靜，李 齊

(1.廈門大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，福建 廈門 361005； 2.廈門市交通基礎(chǔ)設(shè)施智能管養(yǎng)工程技術(shù)研究中心，福建 廈門 361005； 3.常州市建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司，江蘇 常州 213000)

1 研究背景

花崗巖殘積土是燕山早期花崗巖在亞熱帶干濕、冷熱交替條件下經(jīng)過長期的物理化學(xué)風(fēng)化作用形成后未經(jīng)搬運(yùn)殘存于原地的碎屑物。這類特殊土遇水易發(fā)生軟化崩解，對工程實(shí)踐造成了諸多困擾，如崩塌、滑坡、沉降等?；◢弾r殘積土邊坡表面土體的崩解可加劇土體的滲透性，加快土體表面水的入滲。同時(shí)邊坡表面花崗巖殘積土的崩解會產(chǎn)生大量的松散堆積物，降低了邊坡抗沖刷性，在降雨作用下將引起邊坡坡形的重塑以及坡體的侵蝕，對邊坡穩(wěn)定性的影響非常顯著。另外，在我國東南沿海地區(qū)一些采用花崗巖殘積土填筑的鐵路或公路路基運(yùn)營后，由于施工時(shí)填土的含水率和壓實(shí)度控制不良，在交通荷載和崩解等共同作用下易形成粗細(xì)顆粒夾層，使得路基產(chǎn)生不均勻沉降，導(dǎo)致路基不平順、基床翻漿冒泥等病害。因此，研究花崗巖殘積土遇水崩解特性及其機(jī)理對地質(zhì)災(zāi)害的防治及工程建設(shè)的安全等具有重要的意義和價(jià)值。

已有關(guān)于土體的崩解試驗(yàn)研究主要集中在壓實(shí)度、含水率及粒徑分布等崩解因素影響，并從土體的成分和結(jié)構(gòu)性等角度分析其崩解機(jī)理。在崩解影響因素方面，李善梅等[1]發(fā)現(xiàn)不同壓實(shí)度黃土的崩解特性不完全相同，崩解率隨壓實(shí)度增大而增大。尹松等[2]從花崗巖殘積土崩解試驗(yàn)研究中得到試樣完全崩解時(shí)間隨著壓實(shí)度的增大而逐漸增大，含水率越低，崩解速率越大；也有學(xué)者用土的有效孔隙比表征壓實(shí)度和含水量的影響，建立了有效孔隙比與崩解速率的非線性關(guān)系[3]。土體的崩解率隨壓實(shí)度的增大而增大。Chan等[4]對英國和澳大利亞的幾類土進(jìn)行了浸水和板面濕潤試驗(yàn)，得到了土的崩解率與其含水量、粒徑分布和基質(zhì)吸力的線性增長關(guān)系。近年來，有一些學(xué)者觀察到了殘積土在氣候環(huán)境作用下的工程性質(zhì)劣化現(xiàn)象，開展了干濕循環(huán)下的大氣崩解試驗(yàn)與浸水崩解試驗(yàn)，得出干濕循環(huán)次數(shù)的增加致使崩解率及崩解速率的增大[5]。柴肇云等[6]對干濕循環(huán)作用下泥巖崩解的形態(tài)特征和崩解量的變化規(guī)律進(jìn)行試驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)泥巖崩解量差異與礦物蒙脫石含量密切相關(guān)。在崩解機(jī)理方面，張抒等[7]從試驗(yàn)研究中得到崩解的主要控制因素為孔隙氣壓和基質(zhì)吸力。吳能森[8]從土體結(jié)構(gòu)性與損傷角度研究，認(rèn)為花崗巖殘積土崩解的根本原因是軟化；王幼麟等[9]通過對鈣-泥質(zhì)粉砂巖開展室內(nèi)崩解及電鏡掃描試驗(yàn)，提出了關(guān)于這種粉砂巖的“水化-分散性或膨脹性軟化、崩解”與“吸附-楔裂軟化、崩解”的兩種崩解機(jī)理。此外，還有一些學(xué)者[10-12]對殘積土崩解特性的改良進(jìn)行了研究，為相關(guān)工程問題提供了有效的解決方案。

花崗巖殘積土崩解試驗(yàn)展現(xiàn)的是花崗巖殘積土崩解過程的宏觀現(xiàn)象，而遇水后花崗巖殘積土微結(jié)構(gòu)的變化是崩解的主要原因。目前，光學(xué)顯微鏡、X射線衍射等技術(shù)和微觀定量研究方法已被廣泛應(yīng)用于土的微觀結(jié)構(gòu)研究。Collins和McGown[13]、Mitchell[14]分析研究了多種不同類型土的微觀結(jié)構(gòu)，并對其進(jìn)行了歸納整理與分類。孔令偉等[15]研究了瓊州海峽軟土的物理力學(xué)性質(zhì)與微觀結(jié)構(gòu)特征，對其微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的分析結(jié)果表明土體的工程性質(zhì)同其礦物成分、孔隙及顆粒的結(jié)構(gòu)與排列關(guān)系密切。施斌[16]運(yùn)用SEM圖片微觀定量測試技術(shù)，從黏性土微觀結(jié)構(gòu)單元體的形態(tài)、大小及分布等對微結(jié)構(gòu)的分類提出定量分析方法和標(biāo)準(zhǔn)。李中森等[17]、楊鵬飛等[18]通過CT成像獲得了花崗巖殘積土顆粒及大孔隙的三維空間形態(tài)與分布特征，對高嶺石片狀黏土礦物顆粒接觸關(guān)系概化為面-面、面-球、面-棱等形式。已有的電鏡掃描研究使人們對花崗巖殘積土的微觀結(jié)構(gòu)有了直觀的了解，但對于微結(jié)構(gòu)的演化過程研究少且不夠深入，未能很好地進(jìn)行崩解機(jī)理的微觀解釋。

目前，針對干濕循環(huán)下花崗巖殘積土崩解特性的研究成果較少。用作路基填料的花崗巖殘積土崩解問題尚未引起足夠的重視，且其崩解機(jī)理與控制缺乏深入研究。因此，本文以花崗巖殘積土為研究對象，進(jìn)行干濕循環(huán)作用下的崩解試驗(yàn)，著重研究壓實(shí)度與干濕循環(huán)次數(shù)對其崩解特性與崩解參數(shù)指標(biāo)的影響。并對試樣進(jìn)行電鏡掃描，研究干濕循環(huán)作用下土體的微觀結(jié)構(gòu)變化，對其崩解機(jī)理作出微觀解釋。

2 花崗巖殘積土的崩解試驗(yàn)

試驗(yàn)以廈門地區(qū)花崗巖殘積土為試驗(yàn)對象，取土來自廈門市某基坑工程，根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)通過含水率試驗(yàn)、密度試驗(yàn)、界限含水率試驗(yàn)、顆粒級配試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)等測定花崗巖殘積土的基本物理性質(zhì)，如表1所示。

表1 花崗巖殘積土的基本物理性質(zhì)Table 1 Basic physical properties of granite residual soil

本次崩解試驗(yàn)采用SHY-1型土壤濕化試驗(yàn)儀，由浮筒、網(wǎng)板、玻璃筒組成，如圖1所示。

圖1 濕化儀Fig.1 Disintegration instrument

為研究壓實(shí)度和干濕循環(huán)效應(yīng)對花崗巖殘積土崩解特性的影響，制備壓實(shí)度分別為80%、90%、95%的試樣，分別經(jīng)歷0～5次干濕循環(huán)后進(jìn)行浸水崩解試驗(yàn)。在試驗(yàn)中通過控制含水率來模擬殘積土的干濕循環(huán)過程，將干濕含水率控制在飽和含水率(濕潤狀態(tài))和10%(干燥狀態(tài))之間。通過將試樣進(jìn)行真空飽和模擬雨水浸潤過程，將試樣置于50 ℃的烘箱中模擬自然日照狀態(tài)，完成以上兩個(gè)步驟計(jì)為一次干濕循環(huán)過程。

本文采用崩解率、平均崩解速率來評價(jià)花崗巖殘積土的崩解特性，崩解率計(jì)算公式為

(1)

式中：At為試樣在t時(shí)刻的崩解率(%)；R0為t=0時(shí)浮筒齊水面處的瞬間穩(wěn)定讀數(shù)(cm)；Rt為t時(shí)刻浮筒齊水面處的讀數(shù)(cm)；Rc為方格網(wǎng)板空載時(shí)浮筒齊水面處的讀數(shù)(cm)。

平均崩解速率是用來表征土體某一時(shí)段崩解快慢的指標(biāo)，計(jì)算公式為

(2)

3 崩解試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 崩解試驗(yàn)過程與結(jié)果

花崗巖殘積土的崩解試驗(yàn)是一種劇烈的物理化學(xué)反應(yīng)，其崩解過程可分為兩個(gè)階段，如圖2所示：第一階段為劇烈崩解階段，試樣浸入水體后，表層大量的土顆粒崩散于水中，使得試樣的棱角變圓、形狀消失，產(chǎn)生大量氣泡，水質(zhì)渾濁；第二階段為穩(wěn)定崩解階段，試樣持續(xù)崩解但崩解速率明顯變緩，土顆粒散落減少或崩解成幾個(gè)稍大的土塊，試樣表面偶有氣泡產(chǎn)生，水中懸浮土顆粒逐漸沉淀、水質(zhì)逐漸變清，該過程持續(xù)至試樣完全崩解。

圖2 花崗巖殘積土的崩解過程Fig.2 Disintegration process of granite residual soil

不同壓實(shí)度和干濕循環(huán)次數(shù)的試樣完全崩解所需要的總時(shí)間如表2所示。

表2 花崗巖殘積土試樣的完全崩解時(shí)間Table 2 Time required for complete disintegration of granite residual soil

由表2可知，花崗巖殘積土試樣完全崩解所需時(shí)間與試樣的壓實(shí)度、經(jīng)歷的干濕循環(huán)次數(shù)相關(guān)。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，試樣完全崩解所需時(shí)間縮短。干濕循環(huán)3次后不同壓實(shí)度下的崩解時(shí)間分別縮短了25.7、28.6、61.5 min，其中壓實(shí)度越大，試樣完全崩解時(shí)間的縮短就越多；相比于未經(jīng)歷干濕循環(huán)試樣，3種壓實(shí)度下的完全崩解時(shí)間分別下降了95%、87%、88%，說明前3次干濕循環(huán)對于完全崩解時(shí)間的影響最為明顯。在干濕循環(huán)3次后，不同壓實(shí)度試樣所需完全崩解時(shí)間的變化規(guī)律不盡相同，壓實(shí)度80%試樣先減小后增大，壓實(shí)度90%試樣逐漸減小，壓實(shí)度95%試樣增大。但是相比于未經(jīng)歷干濕循環(huán)試樣的完全崩解時(shí)間，變化幅度很小，故在3次干濕循環(huán)后，試樣所需要完全崩解時(shí)間基本保持穩(wěn)定。另外，對比不同干濕循環(huán)次數(shù)下的完全崩解時(shí)間，隨著壓實(shí)度的增大，試樣完全崩解時(shí)間逐漸增大。

3.2 壓實(shí)度對崩解特性的影響

壓實(shí)度是路基填料的主要控制指標(biāo)之一，壓實(shí)度不同，土體內(nèi)部的孔隙大小及分布也不相同，崩解特性也會改變[19]。經(jīng)過對花崗巖殘積土崩解試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理可得不同壓實(shí)度試樣的崩解率曲線，如圖3所示。

由圖3可以直觀地看出，不同干濕循環(huán)次數(shù)下的崩解率曲線都呈現(xiàn)出斜率先較大，后逐漸減小，最后基本保持不變。崩解率曲線的斜率代表了崩解速率的快慢，斜率越大崩解速率越快，斜率越小崩解速率越慢。故表明了試樣崩解開始時(shí)崩解速率較大，屬于試樣劇烈崩解過程，而后逐漸減小，最后崩解速率基本維持不變，進(jìn)入平穩(wěn)崩解過程，直到試樣完全崩解。這也佐證了3.1節(jié)中關(guān)于崩解過程分為兩個(gè)階段的結(jié)論。

由圖3(a)可知，在開始時(shí)的劇烈崩解階段，崩解率曲線斜率最大為壓實(shí)度80%試樣，其次為壓實(shí)度90%的試樣，壓實(shí)度95%試樣的崩解率曲線斜率最小。在圖3(b)—圖3(f)中不同干濕循環(huán)次數(shù)下的崩解率曲線也可以觀察到相同的規(guī)律，試樣的壓實(shí)度越低，在劇烈崩解階段的崩解率越大。在圖3(a) 中試樣劇烈崩解階段結(jié)束時(shí)，80%壓實(shí)度試樣達(dá)到的崩解率約為80%，90%壓實(shí)度試樣達(dá)到的崩解率約為55%，95%壓實(shí)度試樣達(dá)到的崩解率約為40%。對比圖3(b)—圖3(f)可以發(fā)現(xiàn)相同的規(guī)律，壓實(shí)度越低，在劇烈崩解階段結(jié)束時(shí)所達(dá)到的崩解率越高。此外，將3種壓實(shí)度試樣的完全崩解時(shí)間進(jìn)行對比，不難發(fā)現(xiàn)隨著壓實(shí)度增大，試樣完全崩解時(shí)間逐漸縮短。相關(guān)研究表明[20]，花崗巖殘積土處于低壓實(shí)狀態(tài)時(shí)，土體結(jié)構(gòu)松散，多支架孔隙；土體壓實(shí)度的增加，使得土顆粒孔隙被填充，內(nèi)部結(jié)構(gòu)孔隙減小，有些孔隙成為封閉孔隙，可以容許水流及氣體通過的孔隙通道更加曲折，水相和氣相流動路徑增長，阻力增大，氣相逸出困難，水也很難滲入，滲透性減小，崩解率降低。

圖3 不同壓實(shí)度試樣的崩解率曲線Fig.3 Curves of disintegration rate of samples with different degrees of compaction

3.3 干濕循環(huán)次數(shù)對崩解特性的影響

花崗巖殘積土在增濕-脫水過程中存在高嶺石等黏土礦物吸水膨脹、失水收縮的現(xiàn)象，這增加了顆粒裂隙，增大了粒間空隙，引起崩解特性變化。經(jīng)過對花崗巖殘積土崩解試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理可得經(jīng)歷不同次數(shù)干濕循環(huán)的試樣崩解的崩解率曲線，如圖4所示。

從圖4可知，經(jīng)歷過干濕循環(huán)試樣的崩解率曲線相對集中，并且遠(yuǎn)離未經(jīng)歷干濕循環(huán)的崩解率曲線，說明干濕循環(huán)作用對于試樣的崩解特性影響較大。此外，未經(jīng)歷干濕循環(huán)試樣崩解率曲線的斜率均明顯小于經(jīng)歷干濕循環(huán)后的崩解曲線的斜率，表明經(jīng)歷干濕循環(huán)后試樣的崩解率增大。此外，圖4可見未經(jīng)歷干濕循環(huán)試樣的完全崩解時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于經(jīng)歷干濕循環(huán)試樣的完全崩解時(shí)間，干濕循環(huán)作用加速了土體發(fā)生崩解的進(jìn)程。這是由于干濕循環(huán)作用引起土體中的細(xì)顆粒流失，促進(jìn)土體內(nèi)部孔隙連通及微裂隙、微裂縫的發(fā)育擴(kuò)張，水分子入侵土體的速度加快，加速花崗巖殘積土的崩解進(jìn)程。

圖4 不同干濕循環(huán)次數(shù)試樣的崩解率曲線Fig.4 Curves of disintegration rate of samples with different dry-wet cycles

3.4 干濕循環(huán)下花崗巖殘積土的崩解模型

根據(jù)式(2)可計(jì)算得到不同壓實(shí)度試樣在經(jīng)歷不同干濕循環(huán)次數(shù)的平均崩解速率，如表3所示。

表3 不同干濕循環(huán)次數(shù)試樣的平均崩解速率Table 3 Average disintegration rate of samples with different drying and wetting cycles

(3)

式中：b、d為擬合參數(shù)；v0為未經(jīng)過干濕循環(huán)的平均崩解速率。

圖5 平均崩解速率與干濕循環(huán)次數(shù)的擬合關(guān)系Fig.5 Fitted relationship between average disintegration rate and number of dry-wet cycles

b=0.52λ+1.37 ，

d=0.26λ-0.02 。

(4)

由式(3)、式(4)可得

(5)

圖6 參數(shù)b、d與壓實(shí)度的關(guān)系Fig.6 Relation curves of parameters b and d versus degree of compaction

從圖5中可以看出3條擬合曲線的決定系數(shù)R2均>0.96，說明此擬合公式可以比較準(zhǔn)確地描述土體平均崩解速率隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律。同時(shí)，同一壓實(shí)度試樣的平均崩解速率在第一次干濕循環(huán)后的增幅最大，之后增長幅度逐步減小。圖5 中曲線在第3次干濕循環(huán)后逐漸趨于平穩(wěn)，說明相同壓實(shí)度下再次增加干濕循環(huán)次數(shù)對于平均崩解速率影響較小。對比不同壓實(shí)度影響下的平均崩解速率變化趨勢，高壓實(shí)度下土體平均崩解速率增長幅度小于低壓實(shí)度影響，變化幅度分別為0.81 %/min、0.39 %/min 和0.08 %/min，說明壓實(shí)度越大，土體的平均崩解速率增長幅度越小。

4 掃描電鏡試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 花崗巖殘積土試樣的微觀結(jié)構(gòu)

掃描電子顯微鏡(SEM)測試技術(shù)是研究土的微觀結(jié)構(gòu)的最常用手段之一，其基本原理是通過二次電子信號成像獲得樣品微觀尺度下的表面形態(tài)。本文利用德國ZEISS Sigma掃描電鏡，對花崗巖殘積土進(jìn)行電鏡掃描。為保證掃描電鏡真空系統(tǒng)的真空度，用自然風(fēng)干法對樣品進(jìn)行干燥處理，并在樣品表面噴鍍鉑膜增強(qiáng)導(dǎo)電性，以提高成像質(zhì)量。

為觀察花崗巖殘積土(未經(jīng)歷干濕循環(huán)95%壓實(shí)度的試樣)的微觀結(jié)構(gòu)，對花崗巖殘積土試樣進(jìn)行電鏡掃描，獲得了大量不同倍率下花崗巖殘積土試樣的SEM照片，取有代表性的3張，如圖7所示。

圖7 花崗巖殘積土試樣不同倍率下的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.7 SEM images of granite residual soil at different magnifications

根據(jù)圖7中的電鏡掃描照片，可觀察到花崗巖殘積土的微觀結(jié)構(gòu)。圖7(a)可見大量片狀顆粒及依附其上的細(xì)小顆粒，顆粒間存在大小不同、形狀不一的孔隙，但顆粒間孔隙面積較小。圖7(b)可見片狀顆粒在空間中面-面接觸，定向排列，以層疊結(jié)構(gòu)形成團(tuán)聚體。由圖7(c)可見呈層疊狀的團(tuán)聚體在空間上交錯(cuò)排列、接觸，形成花崗巖殘積土的骨架結(jié)構(gòu)，孔隙較大，團(tuán)聚體之間的接觸形式多呈點(diǎn)-面接觸。故花崗巖殘積土微觀結(jié)構(gòu)是由許多片狀顆粒以面-面接觸形式緊密排列，堆疊形成團(tuán)聚體，團(tuán)聚體在空間中互相混雜堆積，形成土的骨架結(jié)構(gòu)。

4.2 干濕循環(huán)對花崗巖殘積土試樣微觀結(jié)構(gòu)的影響

對壓實(shí)度95%的花崗巖殘積土試樣進(jìn)行電鏡掃描試驗(yàn)，采用的放大倍數(shù)為5 000倍，得到不同干濕循環(huán)次數(shù)下花崗巖殘積土試樣的電鏡掃描照片，如圖8所示。

從圖8(a)—圖8(f)可以觀察到：隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，片狀顆粒間的層疊結(jié)構(gòu)遭到破壞，顆粒的團(tuán)聚性減弱，部分片狀顆粒開始分離，片狀顆粒在空間的面-邊、面-點(diǎn)接觸逐漸增加，顆粒間的間距增大，結(jié)構(gòu)更加疏松。經(jīng)過5次干濕循環(huán)后，部分片狀顆粒甚至有脫落趨向。干濕循環(huán)作用后土體顆粒間的粘結(jié)作用減弱，團(tuán)聚體中部分顆粒分離、脫落，結(jié)構(gòu)趨向疏松，致使土體內(nèi)的微小孔隙向大孔隙演變，從而加速土體的崩解。

圖8 花崗巖殘積土試樣不同干濕循環(huán)次數(shù)的電鏡掃描圖像(5 000倍)Fig.8 SEM images of samples at different dry-wet cycles(magnified by 5 000 times)

對經(jīng)過不同次數(shù)干濕循環(huán)的試樣進(jìn)行電鏡掃描，將得到的SEM照片導(dǎo)入PCAS軟件，通過調(diào)整閾值獲得SEM照片的二值化圖像，再經(jīng)過識別、分析可得到經(jīng)歷不同干濕循環(huán)次數(shù)試樣的土體顆粒及孔隙幾何參數(shù)和統(tǒng)計(jì)參數(shù)。圖9為花崗巖殘積土試樣經(jīng)歷不同次數(shù)干濕循環(huán)后的SEM圖像二值化處理圖像。

圖9 花崗巖殘積土試樣二值化處理后的SEM圖像Fig.9 SEM images after binarization processing

平面孔隙率是孔隙面積除以顆粒面積及孔隙面積之和。由PCAS軟件得出的花崗巖殘積土試樣不同干濕循環(huán)次數(shù)下微觀結(jié)構(gòu)觀測的平面孔隙率，如表4所示。

表4 花崗巖殘積土試樣的平面孔隙率Table 4 Plane porosity of granite residual soil samples

從表4中可知，干濕循環(huán)的作用可以增大孔隙的表面積，從而相應(yīng)減少土體顆粒所占的面積，土體結(jié)構(gòu)趨于疏松；并且還能削弱顆粒間的黏結(jié)性，因而減弱了土體結(jié)構(gòu)的團(tuán)聚性，使得大孔隙增多，顆粒間的間距增大，為水分的入侵創(chuàng)造了條件，加速了土體的崩解進(jìn)程。

5 結(jié) 論

(1)花崗巖殘積土試樣崩解主要分為兩個(gè)階段：第一階段為劇烈崩解階段，崩解速率較快；第二階段為穩(wěn)定崩解階段，崩解速率變慢。試樣的壓實(shí)度越小，在劇烈崩解階段結(jié)束時(shí)的崩解率越高，試樣完全崩解時(shí)間也越短。干濕循環(huán)后試樣的完全崩解時(shí)間縮短，第1次干濕循環(huán)后試樣的完全崩解時(shí)間縮短最大；在3次干濕循環(huán)后，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，試樣的完全崩解時(shí)間基本保持不變。

(2)花崗巖殘積土試樣的平均崩解速率與壓實(shí)度、干濕循環(huán)次數(shù)成非線性關(guān)系。同一壓實(shí)度試樣的平均崩解速率在第1次干濕循環(huán)后的增幅最大，之后隨干濕循環(huán)次數(shù)增長，平均崩解速率增幅減小。在干濕循環(huán)作用后，高壓實(shí)度試樣的平均崩解速率增長幅度小于低壓實(shí)度的平均崩解速率增長幅度。

(3)花崗巖殘積土試樣的微觀結(jié)構(gòu)是由許多片狀顆粒在空間的面-面接觸，定向排列，以層疊結(jié)構(gòu)形成團(tuán)聚體；團(tuán)聚體在空間中互相混雜堆積，形成土的骨架結(jié)構(gòu)。隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，片狀顆粒間的層疊結(jié)構(gòu)遭到破壞，顆粒的團(tuán)聚性減弱，部分片狀顆粒開始分離，試樣的平面孔隙率增大，水分入侵更加容易，加速了花崗巖殘積土的崩解進(jìn)程。