通城花崗巖殘積土的物理力學(xué)特性及工程安全性對比研究

戴 航，晏鄂川，譚延嗣，柳萬里

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

花崗巖殘積土是花崗巖風(fēng)化后殘留在原來位置的松散土體，在我國南方地區(qū)分布較為廣泛，具有孔隙比大、密度低、壓縮性大、遇水軟化、易崩解、結(jié)構(gòu)性強等特征[1-2]。目前對花崗巖殘積土的研究多集中在我國東南沿海一帶[3-4],而其在湘、桂、贛三省的出露面積占總面積的10%～20%[5]，特別是在湘贛鄂交界的通城地區(qū)分布了較大范圍的花崗巖殘積土，因氣候與東南沿海地區(qū)具有明顯的差異，花崗巖殘積土的紅土化程度稍弱，花崗巖殘積土邊坡普遍存在崩崗、滑塌等不良工程地質(zhì)現(xiàn)象?；◢弾r殘積土作為重要的填筑材料，常用于填筑路基，但在擾動和降雨入滲下易發(fā)生崩解和軟化，造成強度明顯降低，易發(fā)生路基邊坡失穩(wěn)，威脅工程建設(shè)的安全；同時擾動的花崗巖殘積土壓縮性較大，易導(dǎo)致填筑的路基或地基沉降變形過大，影響道路及建筑的安全[6-7]。因此，有必要針對通城地區(qū)所存在的不同類型的花崗巖殘積土開展對比研究，探究其物理力學(xué)特性的差異及其影響因素，從而對比該地區(qū)花崗巖殘積土的工程安全性。

對于花崗巖殘積土的物理力學(xué)特性，國內(nèi)外學(xué)者從多個方面對花崗巖風(fēng)化過程的相關(guān)機制進行了探究，并總結(jié)了該類型花崗巖殘積土的基本特征[8-11]。如尹松等[12]對壓實花崗巖殘積土在最優(yōu)含水率和飽和條件下進行了循環(huán)加載試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)花崗巖殘積土在最優(yōu)含水率下單位和累積塑性應(yīng)變均最小，動力變形穩(wěn)定性較好，其含水率增加會增大土體的塑性變形；趙建軍等[13]研究發(fā)現(xiàn)原狀花崗巖土樣的先期固結(jié)壓力在垂向上出現(xiàn)上大下小的異常值，其特殊的化學(xué)、礦物成分以及結(jié)構(gòu)強度是產(chǎn)生這種固結(jié)特性的主要原因；王志兵等[14]利用掃描電鏡對壓實花崗巖殘積土的微觀結(jié)構(gòu)特征進行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同含水狀態(tài)下花崗巖殘積土有不同的孔隙和組構(gòu)特征，導(dǎo)致其抗剪強度產(chǎn)生差異；湯連生等[15]建立了非飽和花崗巖殘積土脆彈塑性膠結(jié)損傷模型，并通過試驗進行了驗證；盧有謙等[16]對不同風(fēng)化程度的花崗巖土持水特性進行了研究，并通過礦物成分和孔隙結(jié)構(gòu)分析，探討了其對花崗巖土持水能力的影響；闕云等[17]通過控制圍壓、含水率、三軸剪切方式等對福建非飽和花崗巖殘積土的強度特性進行了試驗研究。

以上研究表明，花崗巖殘?zhí)胤e土的物理力學(xué)特性與其礦物成分、顆粒大小、微觀結(jié)構(gòu)、孔隙特征、含水狀態(tài)等多個因素有關(guān)，這些因素又受花崗巖殘積土的類型、風(fēng)化程度等控制。為此，本文以鄂東南通城地區(qū)所選取的兩類花崗巖殘積土為研究對象，通過開展土工試驗、X射線衍射試驗和三軸剪切試驗，對兩類花崗巖殘積土的物理力學(xué)性質(zhì)、礦物組成、固結(jié)壓縮特性和抗剪強度特性等進行了對比研究，并分析了兩類花崗巖殘積土的工程安全性，以為合理選用花崗巖殘積土進行工程建設(shè)提供指導(dǎo)。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景及花崗巖殘積土的分類

1. 1 研究區(qū)地質(zhì)背景

研究區(qū)位于湖北省通城縣，在大地構(gòu)造上屬揚子準(zhǔn)地臺的江南地軸北緣，地形以中低山和丘陵地貌為主，屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫約為15.5℃，降雨量較為充沛，多年平均降雨量為1 554.9 mm。境內(nèi)河流水系眾多，植被茂盛。研究區(qū)80%以上的面積分布著燕山期花崗巖，巖性包括二長花崗巖、閃長巖、黑云母斜長花崗巖、黑云母花崗閃長巖等。研究區(qū)內(nèi)分布有北東向展布的較大規(guī)模的斷裂，其性質(zhì)主要為壓扭性，使得區(qū)內(nèi)花崗巖巖體多呈碎裂結(jié)構(gòu)特征。濕熱的氣候和地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境為花崗巖的風(fēng)化提供了有利的條件，在區(qū)內(nèi)形成了較厚的花崗巖殘積土層。

1. 2 花崗巖殘積土的分類

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)內(nèi)花崗巖殘積土主要分為兩種類型:一類為紅褐色花崗巖殘積土[見圖1(a)]，土體具有一定的黏性，無層理，手握可成團，表層土中有機質(zhì)含量較高，分布有植物根系；另一類為灰白色花崗巖殘積土[見圖1(b)]，土體顆粒較大，夾雜有強風(fēng)化碎塊石塊，密實性較差，稍有黏性，常見有風(fēng)化未完全的石英、云母等礦物，手搓有砂質(zhì)感。研究區(qū)兩類花崗巖殘積土在地形上均存在一定的崩崗現(xiàn)象，紅色花崗巖殘積土斜坡常見整體錯落和滑動，白色花崗巖殘積土斜坡多見坡面沖刷破壞和崩解，表明區(qū)內(nèi)兩類花崗巖殘積土的工程地質(zhì)性質(zhì)存在明顯的差異。

圖1 研究區(qū)內(nèi)兩類花崗巖殘積土工程地質(zhì)性質(zhì)的差異Fig.1 Difference of the two types of granite residual soil in engineering geological property in the study area

2 研究區(qū)花崗巖殘積土的工程地質(zhì)性質(zhì)分析

2.1 兩類花崗巖殘積土的基本物理性質(zhì)參數(shù)和礦物組成分析

2.1.1 兩類花崗巖殘積土的基本物理性質(zhì)參數(shù)對比分析

研究區(qū)兩種類型花崗巖殘積土分別取自通城縣兩開挖邊坡，按照《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—1999)，對兩類花崗巖殘積土進行了土工試驗，獲得了其基本物理性質(zhì)參數(shù)，見表1。

由表1可知，研究區(qū)兩類花崗巖殘積土的相對密度相近，相較于白色花崗巖殘積土，紅色花崗巖殘積土的孔隙比e更低、密度更大、天然含水率更高，但其飽和含水率偏低，同時紅色花崗巖殘積土表現(xiàn)出更強的塑性特征。

2.1.2 兩類花崗巖殘積土的顆粒級配對比分析

為了降低試樣誤差，對研究區(qū)兩類花崗巖殘積土各取2組試樣進行了顆粒級配分析。先將花崗巖殘積土試樣烘干以提高其崩解性，用水對其進行充分沖洗，使試樣中黏結(jié)的土顆粒完全散開；然后綜合采用密度計法和篩析法測得兩類花崗巖殘積土試樣的粒徑級配，并繪制其不同粒徑顆粒含量曲線和不同粒徑顆粒累計含量曲線(見圖2)，且對獲得的兩類花崗巖殘積土顆粒級配分析參數(shù)取平均值，見表1。

表1 研究區(qū)兩類花崗巖殘積土的基本物理性質(zhì)參數(shù)和顆粒級配分析參數(shù)

圖2 研究區(qū)兩類花崗巖殘積土的顆粒級配分析曲線Fig.2 Particle size distribution curves of the two types of granite residual soil in the study area

由圖2可見，紅色花崗巖殘積土的不同粒徑顆粒累計曲線表現(xiàn)為上凸形，白色花崗巖殘積土的不同粒徑顆粒累計曲線表現(xiàn)為下凹形，前者的細(xì)粒組分(<0.025 mm)含量更占優(yōu)勢，而后者則在粗粒組分(>0.5 mm)含量上更占優(yōu)；兩類花崗巖殘積土的兩個不同粒徑顆粒含量曲線都表現(xiàn)出花崗巖殘積土特有的雙峰值特征，白色花崗巖殘積土的兩個峰值含量相近，而紅色花崗巖殘積土的兩個峰值呈不對稱分布，且細(xì)粒組分含量遠高于粗粒組分含量，試驗數(shù)據(jù)表明紅色花崗巖殘積土的黏粒含量高達22.8%，而白色花崗巖殘積土的黏粒含量僅為2.6%，根據(jù)花崗巖殘積土的綜合分類法[18],該紅色花崗巖殘積土為含砂黏土，白色花崗巖殘積土為粉土質(zhì)砂礫。

2.1.3 兩類花崗巖殘積土的礦物組成對比分析

土的礦物成分對其工程地質(zhì)性質(zhì)有較大的影響，通過X射線衍射(XRD)試驗，獲取土的礦物成分信息，有助于揭示同一地區(qū)形成兩種顏色花崗巖殘積土的成因，也有助于分析其力學(xué)性質(zhì)的差異。

對研究區(qū)兩類花崗巖殘積土均取3組試樣進行XRD試驗，每組試樣分別取自同一斜坡的不同位置，其土樣狀態(tài)相近，最終獲得研究區(qū)兩類花崗巖殘積土的典型XRD圖譜，見圖3。

圖3 研究區(qū)兩類花崗巖殘積土的X射線衍射(XRD)圖譜Fig.3 X-ray diffraction (XRD) pattern of the two types of granite residual soil in the study area

由圖3可見，研究區(qū)兩類花崗巖殘積土的主要礦物成分均為石英、正長石、云母以及黏土礦物高嶺石，其中白色花崗巖殘積土中還含少量鈉長石；除石英有明顯的衍射強度峰值外，其余礦物均無顯著的衍射強度峰值。

對研究區(qū)兩類花崗巖殘積土各礦物含量進行統(tǒng)計，其結(jié)果見表2。

表2 研究區(qū)兩類花崗巖殘積土的礦物成分半定量分析

由表2可知，相較于白色花崗巖殘積土，紅色花崗巖殘積土的正長石和云母含量偏低，石英含量水平相當(dāng)，但高嶺石含量更高；研究區(qū)兩類花崗巖殘積土原巖均為花崗巖，石英、長石和云母為其原生礦物，而高嶺石等黏土礦物是原生硅酸鹽礦物完全風(fēng)化的產(chǎn)物，主要是長石等在水、氧、二氧化碳作用下發(fā)生化學(xué)作用而形成[19]，同時化學(xué)組分中的低價鐵向高價鐵轉(zhuǎn)化成為游離氧化鐵，并以針鐵礦和赤鐵礦的形式賦存下來。上述化學(xué)風(fēng)化作用越強，長石向高嶺石轉(zhuǎn)變的程度越大，花崗巖殘積土中高嶺石含量就越高。對比研究區(qū)兩類花崗巖殘積土中長石和高嶺石的相對含量，紅色花崗巖殘積土中長石向高嶺石轉(zhuǎn)變的程度更大，指示其風(fēng)化程度更高，相應(yīng)的游離氧化鐵賦存含量也更高，含較多Fe3+的赤鐵礦使得花崗巖殘積土呈紅褐色，而白色花崗巖殘積土因石英、長石等含量更高而呈灰白色。

另外，由表2還可知，同一類花崗巖殘積土斜坡不同位置處礦物含量稍有不同，表明同一斜坡的不同部位花崗巖殘積土的風(fēng)化程度有差異，這可能與花崗巖原巖裂隙的發(fā)育情況有關(guān)，節(jié)理裂隙周圍含水條件越好，巖石風(fēng)化程度越強，黏土礦物的含量越高，而無節(jié)理裂隙部位的巖石風(fēng)化程度較弱，最終在礦物含量上產(chǎn)生明顯的差異。

2.2 兩類花崗巖殘積土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線特征分析

本次通過三軸剪切試驗對研究區(qū)兩類花崗巖殘積土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征進行對比研究。

2.2.1 三軸剪切試驗方案

將研究區(qū)兩類花崗巖殘積土試樣烘干研磨并過2 mm篩，根據(jù)試驗設(shè)置的含水率調(diào)制試樣，采用規(guī)格為φ39.1 mm×h80 mm三軸制樣儀，將調(diào)制后的試樣分4層裝入制樣桶，每層均勻壓實，錘擊25下，最后一層壓實后，取下護桶并刮平表面，將試樣裝入橡皮套密封，兩端依次放入濾紙和透水石，完成試樣制作。

試驗采用的儀器為華勘KTG-08型全自動三軸壓縮儀(見圖4)，對研究區(qū)兩類花崗巖殘積土開展固結(jié)不排水(CU)三軸剪切試驗。為了探究不同含水狀態(tài)對兩類花崗巖殘積土力學(xué)性質(zhì)的影響，并考慮兩類花崗巖殘積土的天然含水率和飽和含水率，對兩類花崗巖殘積土分別設(shè)置了3組不同含水率ω，紅色花崗巖殘積土含水率分別設(shè)置為18.0%、22.0%和25.8%，白色花崗巖殘積土含水率分別設(shè)置為13.80%、22.00%和31.36%，每組試驗設(shè)定4級圍壓σ3(100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa)，以0.05%/min的恒定軸向應(yīng)變速率進行加載，直至試樣明顯破壞或軸向應(yīng)變達15%時結(jié)束試驗。

2.2.2 兩類花崗巖殘積土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線特征對比分析

通過分析土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，可以對土的力學(xué)性質(zhì)進行研究。對不同含水率和圍壓下研究區(qū)兩類花崗巖殘積土進行三軸剪切試驗，獲得了兩類花崗巖殘積土相應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，見圖5和圖6。

圖5 不同含水率和圍壓下紅色花崗巖殘積土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.5 Stress-strain curves of red granite residual soil with different moisture content and confining pressure

圖6 不同含水率和圍壓下白色花崗巖殘積土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.6 Stress-strain curves of white granite residual soil with different moisture content and confining pressure

由圖5和圖6可以看出：

(1) 從應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線的形態(tài)可見：在低圍壓(100 kPa、200 kPa)下，紅色花崗巖殘積土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線表現(xiàn)出應(yīng)變軟化的特征，初始階段近似呈線性增長，應(yīng)力達到峰值后，隨著軸向應(yīng)變的增加，應(yīng)力出現(xiàn)一定程度的降低，而在高圍壓(300 kPa、400 kPa)下，紅色花崗巖殘積土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線形態(tài)表現(xiàn)為應(yīng)變硬化型；白色花崗巖殘積土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線形態(tài)在不同圍壓下均表現(xiàn)出應(yīng)變硬化的特征，線性階段不明顯，在達到屈服階段后，應(yīng)力仍隨軸向應(yīng)變的增加呈小幅增長。

(2) 在相同圍壓下，紅色花崗巖殘積土的峰值應(yīng)力均高于白色花崗巖殘積土，但隨著圍壓的升高，兩者之間的差異逐漸減?。辉谕患墖鷫合?，隨著含水率的增加，兩類花崗巖殘積土的峰值應(yīng)力均呈降低趨勢，但紅色花崗巖殘積土的峰值應(yīng)力降低值明顯高于白色花崗巖殘積土。

紅色花崗巖殘積土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線隨著圍壓的增加出現(xiàn)應(yīng)變轉(zhuǎn)型現(xiàn)象，白色花崗巖殘積土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線隨著圍壓的增加則一直表現(xiàn)為應(yīng)變硬化型，而此類紅色花崗巖殘積土出現(xiàn)的應(yīng)變轉(zhuǎn)型現(xiàn)象普遍存在于土體中，與土體類別、密實度、排水條件、應(yīng)力歷史等因素有關(guān)[20]。這是由于紅色花崗巖殘積土中黏土顆粒等細(xì)粒組分含量較高，粗顆粒間不能相互接觸，在低圍壓下，片狀高嶺石和云母顆粒產(chǎn)生定向排列，伴隨著應(yīng)變的局部弱化和剪切帶的形成，土體的強度降低，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線表現(xiàn)為應(yīng)變軟化型，而隨著圍壓的升高，土體被壓密，粗顆粒間形成接觸，土體內(nèi)應(yīng)力主要由粗顆粒形成的骨架支撐，片狀顆粒的定向作用降低，土體強度增大，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)變硬化型；白色花崗巖殘積土中砂粒組分含量占優(yōu)，應(yīng)力和變形始終由粗顆粒組成的骨架承擔(dān)，在剪切加載過程中顆粒間接觸緊密，土體強度增大，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線表現(xiàn)為應(yīng)變硬化型。

2.3 兩類花崗巖殘積土的變形及抗剪強度參數(shù)特征分析

2.3.1 兩類花崗巖殘積土的固結(jié)體積變化特征對比分析

土體的壓縮和固結(jié)特性是土的工程地質(zhì)性質(zhì)之一，在土體試驗的固結(jié)階段，試樣存在明顯的體積減小，試樣排出水的體積即為土體固結(jié)變化體積，即花崗巖殘積土固結(jié)時體積壓縮量。不同含水率和圍壓下研究區(qū)兩類花崗巖殘積土的固結(jié)變化體積見表3和表4，在各級圍壓下兩類花崗巖殘積土的固結(jié)變化體積隨含水率的變化曲線見圖7。

表3 不同含水率和圍壓下紅色花崗巖殘積土的固結(jié)變化體積

表4 不同含水率和圍壓下白色花崗巖殘積土的固結(jié)變化體積

由表3和表4可知，在低含水率下，紅色花崗巖殘積土和白色花崗巖殘積土在各級圍壓下的固結(jié)變化體積均較?。辉谕幱陲柡蜖顟B(tài)時，紅色花崗巖殘積土的含水率(25.8%)低于白色花崗巖殘積土(31.36%)，但其固結(jié)變化體積均大于白色花崗巖殘積土，說明紅色花崗巖殘積土固結(jié)時的壓縮程度對含水率更敏感，且其具有更大的壓縮性。此外，還可以從土粒粒度、成分和土體結(jié)構(gòu)來討論兩類花崗巖殘積土的固結(jié)壓縮特性。紅色花崗巖殘積土中黏土等細(xì)粒含量多，在固結(jié)壓力下，黏土顆粒間的水膜易被擠薄，土粒間也易相對滑移達到較密實狀態(tài)，同時扁平狀的黏土顆粒在壓力下會產(chǎn)生撓曲變形，因此紅土有更大的固結(jié)體積變化；而白色花崗巖殘積土中粗粒的石英、長石含量較多，土體呈單粒結(jié)構(gòu)，在固結(jié)壓力下，土粒間因發(fā)生滑動或滾動而壓縮變形，此類土的變形量小于黏性土的壓縮變形量。

從表1中可以看出，本文算法的定位正確率是最高的。對于CASIA-IrisV2人眼庫，文獻[15]和文獻[16]的方法都有較好的定位精度，但文獻[15]平均耗時明顯高于其它算法，對于自采集數(shù)據(jù)集，文獻[16]的方法準(zhǔn)確率明顯下降，本文的方法仍能保持97.54%的正確率。這充分說明了本文算法的魯棒性[17-19]。本文算法充分考慮了各種影響定位精度的因素，很好的平衡了精度和速度。

圖7 研究區(qū)兩類花崗巖殘積土固結(jié)變化體積隨 含水率的變化曲線Fig.7 Change curves of consolidation volume of the two types of granite residual soil with moisture content in the study area

此外，由圖7可見，在同一圍壓下，紅色花崗巖殘積土和白色花崗巖殘積土的固結(jié)變化體積均隨含水率的增大呈先緩后陡的增長趨勢，在低含水率(小于22.0%)下，兩類花崗巖殘積土的固結(jié)變化體積增長量較小，在高含水率(大于22.0%)下兩類花崗巖殘積土的固結(jié)變化體積迅速增長，且紅色花崗巖殘積土的固結(jié)變化體積增長速率高于白色花崗巖殘積土；對于同一種花崗巖殘積土試樣，不同圍壓下其固結(jié)變化體積隨含水率的增長曲線斜率基本一致，表現(xiàn)為在同一含水率下，圍壓越大，花崗巖殘積土的固結(jié)變化體積越大，且各級圍壓間其固結(jié)變化體積的差值相近。

花崗巖殘積土作為主要的填土材料，已被廣泛用于路基或地基填筑。通常情況下，優(yōu)質(zhì)的填土材料應(yīng)具有壓縮變形小、滲透性大、水敏性低等特征，根據(jù)本文的研究成果，通城地區(qū)白色花崗巖殘積土的固結(jié)變形更小，因此為預(yù)防地面沉降、塌陷等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，在填土?xí)r可優(yōu)先選用白色花崗巖殘積土；研究區(qū)兩類花崗巖殘積土在低含水率下變形量均很小，因此要控制填土的含水率，并在填筑時分層壓實，以降低花崗巖殘積土的固結(jié)沉降量。

2.3.2 兩類花崗巖殘積土的抗剪強度參數(shù)特征對比分析

根據(jù)不同含水率狀態(tài)下研究區(qū)兩類花崗巖殘積土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，基于莫爾-庫侖理論，以繪制莫爾破損應(yīng)力圓公切線的方法求解兩類花崗巖殘積土的抗剪強度參數(shù)，包括黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ，具體抗剪強度參數(shù)值見表5，兩類花崗巖殘積土的抗剪強度參數(shù)c和φ值隨含水率的變化曲線見圖8。

表5 不同含水率下研究區(qū)兩類花崗巖殘積土的抗剪強度參數(shù)值

圖8 研究區(qū)兩類花崗巖殘積土抗剪強度參數(shù)(c和φ值)隨含水率的變化曲線Fig.8 Curves of shear strength parameter (c and φ) values of the two types of granite residual soil with moisture content in the study area

由表5和圖8可以看出：

(1) 從低含水率到飽和含水率，研究區(qū)兩類殘積土的黏聚力c與含水率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。其中，白色花崗巖殘積土的黏聚力c整體偏低，隨著含水率的增加其以較低速率近似呈線性衰減；紅色花崗巖殘積土的黏聚力c遠高于白色花崗巖殘積土，且隨著含水率的增加其呈突變型衰減，當(dāng)含水率低于22.0%時紅色花崗巖殘積土的黏聚力c以較低速率衰減，當(dāng)含水率高于22.0%時其黏聚力c急劇降低，但其數(shù)值仍高于白色花崗巖殘積土。

(2) 研究區(qū)兩類花崗巖殘積土的內(nèi)摩擦角φ與黏聚力c有相似的變化規(guī)律，當(dāng)含水率低于22.0%時，紅色花崗巖殘積土的內(nèi)摩擦角φ高于白色花崗巖殘積土，當(dāng)含水率高于22.0%時，紅色花崗巖殘積土的內(nèi)摩擦角φ的衰減速率增大，兩類花崗巖殘積土的φ值大小關(guān)系發(fā)生變化。

本文根據(jù)表5中兩類花崗巖殘積土的抗剪強度參數(shù)值，利用庫侖強度公式計算σn=100 kPa時兩類花崗巖殘積土的抗剪強度τ，獲得兩類花崗巖殘積土的抗剪強度τ隨含水率的變化曲線，見圖9。

圖9 σn=100 kPa時研究區(qū)兩類花崗巖殘積土抗剪 強度τ隨含水率的變化曲線Fig.9 Curves of shear strength τ of the two types of granite residual soil with different moisture content when σn=100 kPa in the study area

由圖9可見，在較低的法向應(yīng)力下，兩類花崗巖殘積土的抗剪強度τ隨著含水率的升高而降低，其曲線變化規(guī)律與花崗巖殘積土黏聚力隨含水率的變化曲線的規(guī)律相似，紅色花崗巖殘積土的抗剪強度高于白色花崗巖殘積土。對比圖8和圖9可知，紅色花崗巖殘積土的抗剪強度主要由黏聚力提供，其內(nèi)摩擦角隨含水率增加的降低值對整體抗剪強度的影響不大，而白色花崗巖殘積土的抗剪強度主要由內(nèi)摩擦角提供，其內(nèi)摩擦角隨含水率的增加呈線性降低。

由以上討論可知，紅色花崗巖殘積土的高抗剪強度主要來自于高黏聚力，且其黏聚力對含水率的變化更為敏感。通過統(tǒng)計得到研究區(qū)兩類花崗巖殘積土中各礦物的平均含量見圖10。

圖10 研究區(qū)兩類花崗巖殘積土中各礦物的平均 含量統(tǒng)計Fig.10 Average mineral content of the two types of granite residual soil in the study area

由圖10可見，研究區(qū)兩類花崗巖殘積土中僅長石和高嶺石礦物的相對含量發(fā)生了較大改變，經(jīng)前文分析，這是由于兩類花崗巖殘積土的風(fēng)化程度不同。紅色花崗巖殘積土中高嶺石的平均含量高達42.46%，由于高嶺石為片狀的黏土顆粒，比表面積很大，顆粒表面通常帶負(fù)電，與水相互作用形成雙電層，即在顆粒外圍形成一層薄膜水，顆粒間通過靜電力或形成公共結(jié)合水膜而產(chǎn)生吸引力，在宏觀上表現(xiàn)為土的黏聚力；當(dāng)土中含水率適中時，顆粒間形成的吸引力很大，土的黏聚力c較大；隨著含水率升高，黏土顆粒表面的水膜厚度增大，顆粒間的吸引力降低，土的黏聚力c也隨之降低，且這種顆粒間吸引力隨含水率的變化是非線性的，因此紅色花崗巖殘積土中因高嶺石含量高而存在很大的黏聚力，而白色花崗巖殘積土中由于高嶺石含量相對較低，其黏聚力c也更小。

通過以上討論可知，紅色花崗巖殘積土相對白色花崗巖殘積土具有更大的黏聚力，且在相同條件下其抗剪強度更高，因此選用紅色花崗巖殘積土作為路基填土，可提高路基邊坡的穩(wěn)定性，降低坡面受降雨的沖刷破壞；同時，紅色花崗巖殘積土對水的敏感性較高，在低含水率下其變形小、強度大，因此路基填土?xí)r應(yīng)控制填土的含水率，并做好邊坡排水，進一步提高填土邊坡的工程安全性。

3 結(jié) 論

本文選取通城花崗巖分布區(qū)形成的兩類花崗巖殘積土為研究對象，通過開展土工試驗、X射線衍射試驗和三軸固結(jié)不排水剪切試驗，對兩類花崗巖殘積土的物理力學(xué)性質(zhì)和礦物成分、固結(jié)壓縮性、抗剪強度特性等進行了對比分析，并對其工程安全性及其應(yīng)用進行了探討，得到以下結(jié)論：

(1) 研究區(qū)紅色花崗巖殘積土的細(xì)粒含量相對較高，分類為含砂黏土，而白色花崗巖殘積土分類為粉土質(zhì)砂礫；兩類花崗巖殘積土的礦物成分均以石英、長石、云母和高嶺石等為主，其中紅色花崗巖殘積土中高嶺石含量相對更高，風(fēng)化程度不同而導(dǎo)致的高嶺石等黏土礦物含量差異是兩類花崗巖殘積土工程地質(zhì)性質(zhì)不同的主要原因。

(2) 研究區(qū)紅色花崗巖殘積土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線形態(tài)隨圍壓的變化存在轉(zhuǎn)型現(xiàn)象，而白色花崗巖殘積土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線始終表現(xiàn)為應(yīng)變硬化型；兩類花崗巖殘積土的固結(jié)變化體積均隨含水率的增加而增大，相同含水率下紅色花崗巖殘積土的固結(jié)壓縮變形更大，故選擇填土?xí)r可優(yōu)先選擇白色花崗巖殘積土。

(3) 研究區(qū)兩類花崗巖殘積土的抗剪強度參數(shù)c、φ值均與含水率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；紅色花崗巖殘積土的抗剪強度高于白色花崗巖殘積土，且水對紅色花崗巖殘積土的影響更為明顯，因此在進行路基邊坡填土?xí)r，可選用低含水率的紅色花崗巖殘積土，以提高邊坡的工程安全性。