化學成分對花崗巖殘積土抗拉張力學特性的影響*

孫銀磊，湯連生

（1.中山大學地球科學與工程學院，廣東廣州510275；2.廣東省地質過程與礦產資源探查重點實驗室，廣東廣州510275）

抗拉強度是花崗巖殘積土一個比較重要的力學性質，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，因此，對花崗巖殘積土抗拉強度進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，其結構性對土的工程性質有著顯著的影響，研究表明：土體結構的宏觀變形現(xiàn)象都是土體微觀結構改變的結果[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構的特殊性。吳能森[3]針對花崗巖殘積土的遇水崩解及軟化造成其微觀結構變化特性，全面分析了土體崩解的結構性機制，在此基礎上，將花崗巖殘積土的崩解過程劃分成擾動性、結構性及溶解性3個階段。周小文[4]利用不同圍壓下的三軸排水試驗對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，利用孔隙比和結構脆性參數(shù)來構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損傷模型。Alias等[6]通過直接剪切及三軸試驗研究了重塑花崗巖殘積土的有效剪切強度參數(shù)。國內外對花崗巖殘積土抗剪強度和結構性方面已經取得了較多的研究成果，而對其抗拉強度及結構性的研究相對較少，歸根結底是在傳統(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，主要是因為土的抗拉強度通常較小或幾乎被視為零，因此，在實際工程中土體的抗拉強度通常被忽略，相對于抗壓和抗剪強度，對花崗巖殘積土抗拉強度的研究較少[7]。而抗拉強度但是種種的工程及自然破壞現(xiàn)象表明，忽略抗拉張強度不利于對花崗巖殘積土的強度特征進行全面認識。同時，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、崩塌等地質災害，表觀上來看這些地質災害（拉張破壞）與土體的pH值相關，從深層來說，花崗巖殘積土的抗拉強度與其化學成分是否有一定的聯(lián)系？

本文結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度測試儀，對鹽酸處理前后不同粒組土樣進行不同含水量下的單軸抗拉強度試驗，基于微觀層析成像技術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度的主要影響因素及變化規(guī)律。

1 試驗方法

1.1 試驗樣品

試驗土樣取自廣州地鐵21號線鎮(zhèn)龍站某一邊坡，根據(jù)現(xiàn)場勘察資料，此淺埋段為全風化花崗巖殘積土，試驗室測其濕密度為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，勘察報告揭示土樣為可塑狀砂質花崗巖殘積土。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）。對于花崗巖殘積土來說，顆粒之間的膠結物對其抗拉強度影響較大，為了研究膠結物的化學成分對抗拉強度的影響，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備用[10]。利用D-MAX 2200VPC型X射線粉末衍射儀對鹽酸處理前后的土樣分別進行測試分析，Cu靶，Kα輻射，掃描范圍 10°～80°，掃描步長0.2°。為了能夠準確對比鹽酸處理前后，土樣中礦物成分的變化情況，放入鹽酸前稱取土樣質量m，鹽酸浸泡并離心干燥后的土樣質量為n，進行XRD測試時候，采集的鹽酸處理前土樣質量為k，那么采集的鹽酸處理后的土樣質量為kn/m。

1.2 拉張試驗

分別將處理前后的土樣加蒸餾水，采用分層擊實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℃的儲樣柜中48 h，使土樣中水分均勻分布。利用自制土體直拉強度測試儀（專利號：CN201310546003.0）進行拉張試驗（見圖2a）。為了保證土樣的拉張破壞過程，本次試驗采用滴水的方法進行加載，液滴的速度為120滴/min。拉張試驗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、細砂、粉土及黏土對應的Peek管的內徑為5，3，1，0.5，0.5 mm（由于后期對粉土與黏土樣品進行微觀掃描采用相同分辨率的鏡頭，該分辨率對Peek內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是利用上海光源BL13W1線站進行μCT掃描，該掃描系統(tǒng)主要由射線源、樣品臺、探測器和計算機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成。樣品臺位于射線源和探測器之間，X射線源發(fā)射的X射線在穿過樣品時與樣品發(fā)生相互作用，放射性X射線穿過物體時，其能量由于被部分被吸收，而發(fā)生強度衰減。本次試驗的分辨率為3.25μm（砂粒）和0.325μm（粉粒和黏粒），光線能量為19.5 keV，在進行μCT掃描時，樣品沿軸向旋轉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，因此將得到樣品在不同角度的μCT掃描，并等角度間隔采集。本次試驗的時間間隔為0.25°，最后得到720幅二維投影。這些二維投影，經過Pitre軟件進行圖像處理，將一組連續(xù)的二維圖像排列重構，就構成了一個三維的數(shù)據(jù)場[11]，見圖2b所示。利用三維可視化軟件Avizo軟件進行顯示分析，對圖像進行圖像分割，將所有孔隙空間對應的體素頂點都標記為1（或0），而所有土顆粒對應體素頂點都標記為0（或者1）[12]。由于掃描時間限制（1 h/樣，申請周期為半年），本次試驗只進行了含水量為15%的土樣掃描試驗，包括鹽酸處理前后的土樣。

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

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

2 結果與討論

2.1 X射線衍射（XRD）測試結果

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成分，圖譜中顯示5種粒組的花崗巖殘積土樣主要的化學成分是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 抗拉強度結果

由圖4可知，對于鹽酸處理前各粒組的土樣，隨著含水量的增大，其抗拉強度均先增大后減小，存在一個 “凸峰”現(xiàn)象。即在含水量變化過程中存在一個臨界含水量，當含水量小于此臨界含水量時，抗拉強度隨含水量的增大而增大；當含水量大于臨界含水量時，抗拉強度隨含水量的增大而減小。并且隨著含水量的增大，在臨界含水量左側的抗拉強度增長率要大于在臨界含水量右側的抗拉強度減小率。在臨界含水量右側，隨著含水量的增大，抗拉強度逐漸減小，并趨于某一穩(wěn)定值，即隨著含水量的增大，抗拉強度并不會一直減小，而是減小到某一程度后將趨于穩(wěn)定，存在某殘余抗拉強度。此規(guī)律與Tang等[13]對黏土抗拉強度的試驗結果類似，這說明當含水量超過臨界含水量后，抗拉強度隨著含水量的增大而減小并趨于某一穩(wěn)定的殘余抗拉強度，并不是一個單獨的現(xiàn)象，很可能是一個普遍存在的現(xiàn)象。對于鹽酸處理后的不同粒組花崗巖殘積土樣的抗拉強度，其隨含水量的變化趨勢與鹽酸處理前的抗拉強度變化趨勢大致相同。對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 三維微觀結構重建結果

本次進行三維結構重建的土樣只有含水率為15%，包括五種不同粒組的土樣。經過Pitre軟件進行切片處理后，利用Avizo三維可視化軟件對不同粒組的土樣進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，經過鹽酸處理后的顆粒尺寸相應減小了，處理后的顆粒整體上呈現(xiàn)相對碎散的狀態(tài)，顆粒與顆粒之間的膠結情況較少。而鹽酸處理前的顆粒之間都有一定的膠結，特別是當顆粒尺寸較小的時候，顆粒的膠結情況最為明顯。

2.4 抗拉強度影響因素分析

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性質。倍半氧化物對抗拉強度的影響主要表現(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殘積土中的結構單元體是由游離鐵、鋁膠質通過較強靜電作用形成的基本團粒單元，其外圍被鐵鍋質包裹[15]?；◢弾r殘積土結構單元體主要包括較為穩(wěn)固的蜂窩狀及絮凝狀結構，這些結構主要是由土體自身化學性質相對穩(wěn)定的游離鐵、鋁膠結物以及硅溶膠膠結而形成的，且這些結構單元體外圍覆蓋一層結合水膜，加強了彼此間的膠結作用，最終結構單元體形成團聚體結構，因此花崗巖殘積土具有較高的抗拉強度。相比較而言，當顆粒中黏土含量越高，這種膠結作用越強。

圖4 鹽酸處理前后土樣的抗拉強度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，而Fe2O3和Al2O3卻易溶于HCl，且與之發(fā)生化學反應，生成溶于水的 FeCl3和 AlCl3，F(xiàn)e3＋和 Al3＋離子經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成分的變質，其化學反應方程式如下所示：

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)結作用力包括范德華力、雙電層引力、膠結力、顆粒之間的咬合力、結合水的黏結力、濕吸力等[13]，它們都對顆粒之間的抗拉承擔責任。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、膠結力、顆粒之間的咬合力、結合水的黏滯力（圖7）。它們是與土顆粒自身的化學成分、孔隙液成分、土體結構等因素有關，這一部分正是結構吸力。相比濕吸力，花崗巖殘積土的結構吸力對其抗拉強度影響更大。結構吸力是土體內與結構性質相關的內拉應力的總和，包括膠結力、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)了土的結構特征，主要包含土的骨架、孔隙、顆粒以及成分等特征。而土的抗拉強度之所以能夠存在其本質是因為顆粒之間有聯(lián)結力，它來源于范德華力、雙電層引力、膠結力、毛細吸力等。土體之所以被拉斷，就是由于土顆粒之間的聯(lián)結力被克服了。利用鹽酸浸泡花崗巖殘積土，HCl與鐵鋁氧化物等發(fā)生化學反應，消耗掉包裹在花崗巖殘積土基本團粒單元外圍的鐵、鋁膠質，與此同時也損耗了連接各結構單元體的膠結物質，使得花崗巖殘積土團粒粒徑變小，其微觀結構遭到破壞；團粒內的礦物成分也含有鐵鋁氧化物，隨著化學反應的進行，團粒結構也將遭到HCl的侵蝕破壞，進一步分散成更為細碎的物質，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、填充作用的膠結物質被溶蝕后生成的易溶鹽以及細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殘積土團聚體失去膠結物質等的約束，顆粒之間的粒間吸力，特別是結構吸力的減小造成鹽酸處理后的土樣在拉應力的作用下容易被拉斷。相對而言，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，其抗拉強度減小的幅度較大。

3 結 論

1）經過鹽酸浸泡處理后，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度隨著含水量的增大均呈現(xiàn)先增大后減小趨勢。對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）通過對不同粒組進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，特別是當顆粒尺寸較小的時候，顆粒的膠結情況最為明顯。經過鹽酸處理后的顆粒尺寸相應減小了，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)生化學反應，消耗掉包裹在花崗巖殘積土基本團粒單元外圍的鐵、鋁膠質，與此同時也損耗了連接各結構單元體的膠結物質，使得花崗巖殘積土團粒粒徑變小，其微觀結構遭到破壞，花崗巖殘積土團聚體失去膠結物質等的約束，顆粒之間的粒間吸力，特別是結構吸力的減小造成鹽酸處理后的土樣在拉應力的作用下容易被拉斷。

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