花岗岩残积土的强度研究范文

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《湖南科技大学学报》2016年第一期

摘要:

直接将花岗岩残积土用作路基填筑，易产生溜坍、滑坡等病害．为了消除花岗岩残积土不良特性，对湖南省南岳地区花岗岩残积土粒径级配进行研究，得出该地区花岗岩残积土为砂质粘性土，为了提高其填筑路基的性能，采用不同掺入量的水泥对其进行改良，在压实度均为90%的条件下，利用SLB－1型应力应变控制式三轴剪切渗透试验仪和自制崩解仪对各组试样分别进行三轴试验和崩解试验．改良的花岗岩残积土的抗剪强度和崩解试验结果表明，随着水泥掺量的增加，其抗剪强度逐步提高，遇水崩解状况得到逐步改善，当水泥掺入量达到6%时，能大幅提高花岗岩残积土的抗剪强度，其耐崩解性也得到了大幅度的提高和改善，可达到实际工程中改良当地花岗岩残积土的目的．

关键词:

花岗岩残积土，崩解性，土体改良，水泥掺入量

花岗岩残积土是母岩在温暖潮湿的环境下经过一系列的物理化学风化作用而形成的覆盖于母岩之上的残积土体［1］．我国湖南省南岳地区旅游业旺盛，各类基础建设尚需大力开展，此处花岗岩资源丰富，露头较多，小型构造发育．这类花岗岩受气候条件、水文地质条件及地形条件的不同影响，经过各种物理、化学、生物等风化作用形成了不同厚度的残积土．若直接将花岗岩残积土用作路基填筑，受地下水或地表水影响容易软化，受振动时液化现象十分严重，抗变形能力及水稳性差，易产生溜坍、滑坡等病害，对工程建设存在潜在破坏性．因此，开展花岗岩残积土的改良研究十分必要．

国内外很多学者对该领域进行了相应的研究工作，并取得了一定成果．陈洪江等［2］对花岗岩残积土物理力学指标进行了概率统计分析;汤连生等［3］采用渗析法测定了花岗岩残积土的水土特征曲线，得出其持水能力较强;周德泉等［4］研究了循环荷载作用下花岗岩残积土的累积变形与湿化特性;张天红等［5］对软粘土进行水泥改良室内试验，分析发现:水泥的掺入可有效提高土体的强度;杨广庆等［6］以粉质粘土为研究对象，通过动三轴试验研究发现:水泥改良土存在临界动应力，改良后的水泥土试样的累积塑性变形与动应力的大小和作用次数有关;周援衡等［7］对全风化花岗岩改良土路基进行了循环加载试验研究，证实了全风化花岗岩经过改良后可用于高速铁路无砟轨道基床底层和路基本体填筑．本文针对南岳地区花岗岩残积土进行水泥改良，利用SLB－1型应力应变控制式三轴剪切渗透试验仪和自制崩解仪研究其力学特性和崩解特性．

1南岳地区花岗岩残积土级配特性

用于本文试验的花岗岩残积土土样取自湖南省衡山县店门镇繁荣村国道旁的某新开挖边坡处，由于此处残积土覆盖层较薄，根据现场土层实际情况，认真勘察，取样处离边坡坡顶2m左右．这样既避免了采集到的土样经雨水淋滤矿物成分离失，又避免了采集到的土样非花岗岩残积土，而是花岗岩残积土与全风化花岗岩之间的过渡层．将采集的花岗岩残积土扰动土样置于向阳通风处风干，使其达到易于研磨状态，用“四分法”进行取样．将取得的风干土样放置在橡胶板上用橡胶杵进行研磨．为了避免筛出的粗颗粒表面附带有过多的粉土细颗粒过筛时卡孔，在筛分试验之前将研磨好的土样放到105℃的烘箱中烘8h，冷却后用新标准土壤筛进行筛分，筛分结果如表1所示．根据花岗岩残积土试样筛分结果分析可得:南岳地区花岗岩残积土中所含颗粒主要集中于粒径0．250～0．075mm和粒径小于0．075mm的级配区间．其中，颗粒粒径0．25～0．075mm占土样质量的33．23%～38．95%，粒径小于0．075mm的颗粒占土样质量的31．56%～33．30%．根据岩土工程勘察规范(GB500212001)［8］，可将南岳地区花岗岩残积土定义为砂性粘土．南岳地区花岗岩残积土颗粒粒径分的分布不均、胶结物较少，是造成其极易崩解的主要因素．

2水泥改良后的花岗岩残积土的强度特性

为研究水泥改良后的花岗岩残积土的强度特性，利用SLB－1型应力应变控制式三轴剪切渗透试验仪进行三轴固结排水剪切(CD)试验．试样的制备过程:第一步:考虑到105℃烘干条件对土体的胶结物影响较大，改良土的重塑试样均采用风干土．首先将风干土碾碎，并过2mm的标准土壤筛，测出筛分后土样的含水率，在此基础上计算出配置一定量的最佳含水率土样的需水量．第二步:取步骤一中筛分后的土体，加入总需水量的80%，充分拌合后放入塑料袋中浸润24h．第三步:待土样充分浸润后加入所需的水泥拌合均匀，然后再加入总需水量的20%并搅拌均匀．第四步:采用5层压实方法制备试样．用天平称土样，将各组土样均分为5份，并将其倒入打样器内，且依次采用90%的压实度进行击实，制成试样直径3．91cm，高8．0cm的试样．考虑水泥的初凝时间，在4h内完成制样．在第四步中每层土样击实完毕后刮毛，以使各层土体充分接触，减少分层程度．每次击实之后要静置一段时间，以减少回弹变形．试样制备好后在湿度大于90%的室温条件下养护7d．根据文献介绍水泥良试验中水泥掺入量常集中于2%～8%的范围之间［9－12］．本实验采用2%，3%，4%，5%和6%5种水泥掺入量对花岗岩残积土进行改良，在花岗岩残积土的最佳含水量23．85%的状态下来研究改良后的花岗岩残积土的力学特性．不同水泥含量的重塑试样各3个，分别在围压为50kPa，100kPa和150kPa的条件下进行CD试验，按照15%的轴向变形或在此之前出现的剪切峰值作为破坏准则，通过SLB－1型应力应变控制式三轴剪切渗透试验仪进行三轴固结排水剪切(CD)试验，所得数据如表2所示:以((σ1+σ3)/2，0)为圆心，(σ1－σ3)/2为半径绘制不同围压下的莫尔应力圆，并绘制不同抗剪强度包络线，未改良的花岗岩残积土和水泥改良后的花岗岩残积土重塑试样的摩尔强度包络线分别如图2和图3所示:经计算可得，在90%的压实度和最佳含水量的条件下，不同水泥含量的花岗岩残积土重塑试验的破坏强度参数c，φ值如表3所示。由表3绘制掺入水泥花岗岩残积土重塑式样强度参数曲线图。由以上试验结果可知，压实度为90%的重塑土试样在相同围压下，其剪切峰值会随着水泥含量的增多而明显提高;相同水泥含量的土样，其剪切峰值会随着围压的增大而明显提高．土体的抗剪强度可用抗剪强度参数来表示，水泥含量不同，重塑土试样的参数也会随之改变，由上述对2%，3%，4%，5%和6%5种水泥掺入量的花岗岩残积土重塑试样，分别在50kPa，100kPa和150kPa3种不同围压的条件下求出的c，φ进行分析，可以发现其黏聚力c随着水泥掺入量的增大而增大，内摩擦角φ随着水泥掺入量的增大而小幅度减小．当水泥掺入量达到6%时，能大幅提高花岗岩残积土的抗剪强度，可达到实际工程中改良当地花岗岩残积土的目的．

3水泥改良后的花岗岩残积土的崩解特性

土的崩解是指粘性土浸水而发生碎裂、散体的现象，这是一个在水的渗入作用下土体颗粒之间胶结丧失，土体结构由于粒间斥力超过引力，产生应力集中而瓦解的一个不可逆的物理过程．崩解产生必须具备以下充分条件:①土体表面存在水的渗入通道，或土体表面易于在动水力的作用下快速产生渗入到内部的通道;②土中颗粒胶结可被水渗入后产生的内应力集中现象破坏，且破坏是不可逆的;③胶结物的水稳性不强，浸水易溶解．另外，假如土体没有临空面，侧向应力卸荷、失水干缩等损伤以及动水力作用也就不复存在，因此，临空面的存在是土体发生崩解的必要条件［13］．花岗岩残积土中粘性土含量较少，粘结性极差，遇水极易发生崩解．本文通过在花岗岩残积土中掺入水泥，利用水泥颗粒的水化作用和水解作用，使土颗粒与水泥水化物的离子交换，发生团粒化作用、硬凝反应和碳酸化作用，形成有机物的聚合，增加了土体中的胶结颗粒，并大大增强胶结物的水稳定性，破坏了土体的崩解条件，达到改良的目的．考虑现场的实际情况，长期暴晒下的干燥土体遇暴雨极易发生滑坡灾害，因此模拟现场情况，将改良后的花岗岩残积土重塑试样置于30℃的烘箱中2d(经实测，2d后试样的含水量基本稳定，认为达到干燥状态)，取出试样称重并记录数据．将此试样放置在自制的崩解仪中，充分浸水，待试样达到稳定不再崩解时取出试样，晾干后再次置于烘箱中，如此循环3次，所得数据如表4所示．通过数据和图表分析可得:改良后花岗岩残积土的重塑试样的崩解率会随着循环次数的增加而增大，但增幅随着循环次数的增大而减小，崩解率增加趋势趋于稳定;2%和3%的水泥掺入量对于花岗岩残积土的耐崩解性无明显提高，且相互之间无明显差别，但是当水泥掺入量大于3%时，耐崩解性得到改善，崩解率随着水泥掺入量的增加而减小，特别是水泥掺入量达到6%时，改良效果尤为明显．

4结论

1)南岳地区花岗岩残积土定义为砂性粘土，其颗粒粒径分布不均、胶结物较少是其崩解性强的主要因素，因此，这类土水稳性差、易产生溜坍、滑坡等病害，不宜直接用作路基填料，需进行一定程度的改良加固．2)采用水泥改良花岗岩残积土，其固化机理促使土颗粒的表面发生复杂的物理化学作用，充填了土的间隙，增强了土粒的相互结合力，使得改良后的花岗岩残积土具有较高的强度和刚度．改良后的花岗岩残积土的黏聚力c随着水泥掺入量的增大而增大，内摩擦角φ随着水泥掺入量的增大而小幅度减小．3)在花岗岩残积土中掺入水泥可增强土体中胶结物的水稳定性，破坏其崩解的必要条件，达到了改良目的．水泥改良后的花岗岩残积土的崩解率会随着水泥掺入量的增加而减小，特别是水泥掺入量达到6%时，改良效果尤为明显，而且崩解趋势随着循环次数的增加而趋于稳定．4)考虑到经济、施工工艺、强度以及崩解性等多方面因素，本文认为在实际工程中可采用6%的水泥掺入量来改良花岗岩残积土地区的路基、地基和边坡等工程．

参考文献:

［1］颜波，汤连生，胡辉，等．花岗岩风化土崩岗破坏机制分析［J］．水文地质工程地质，2009，6:68－71，84．

［2］陈洪江．花岗岩残积土物理力学指标的概率统计分析［J］．华中科技大学学报(自然科学版)，2001，29(5):95－97．

［3］汤连生，颜波，李振嵩，等．花岗岩残积土水土特征曲线的试验研究［J］．水文地质工程地质，2008，4:62－65，79．

［4］周德泉，谭焕杰，徐一鸣．循环荷载作用下花岗岩残积土累积变形与湿化特性试验研宄［J］．中南大学学报(自然科学版)，2013，44(4):1657－1665．

［5］张天红，周易平，叶阳升，等．水泥土的强度及影响因素初探［J］．中国铁道科学，2003，24(6):53－55．

［6］杨广庆．水泥改良土的动力特性试验研究［J］．岩石力学与工程学报，2003，22(7):1156－1160．

［7］周援衡，王永和，卿启湘，等．全风化花岗岩改良土高速铁路路基填料的适宜性试验研究［J］．岩石力学与工程学报，2011，30(3):625－634．

［8］中华人民共和国建设部．GB500212001，岩土工程勘察规范［S］．北京:中国建筑工业出版社，2009．

［9］欧明喜，刘新荣，曾芳金．水泥土应变软化特性三轴试验研究［J］．工程勘察，2011(6):1－7．

［10］周丽萍，申向东．水泥土力学性能的试验研究［J］．硅酸盐通报，2009，28(4):359－364．

［11］王建华，高玉琴．干湿循环过程导致水泥改良土强度衰减机理的研究［J］．中国铁道科学，2006，27(5):23－27．

［12］王天亮，刘建坤，彭丽云，等．冻融循环作用下水泥改良土的力学性质研究［J］．中国铁道科学，2010，31(6):7－13．

［13］曾鹏．花岗岩残积土的压实特性及崩解特性研究［D］．广州:华南理工大学，2012．

作者：刘文骏 陈秋南 赵磊军 周翔 单位：湖南科技大学 土木工程学院