花崗巖殘積土抗剪強度與微觀結構特征

李揚波 李如玥 石熊 陳懌旸 吳波 林煉偉

摘要：對不同水的質量分數（含水率）及不同壓實度的花崗巖殘積土試樣開展三軸試驗和電鏡掃描試驗，探究土樣的抗剪強度特性與微觀孔隙結構之間的關系，從微觀角度揭示花崗巖殘積土的抗剪強度衰減機理。試驗結果表明：花崗巖殘積土試樣的應力-應變曲線呈現(xiàn)應變硬化特征，抗剪強度隨著含水率的升高而降低，隨著壓實度的增加而增加，且在圍壓應力較低時，花崗巖殘積土試樣對含水率及壓實度的敏感性更強；從微觀角度，花崗巖殘積土試樣的中孔隙和大孔隙的占比隨著含水率的升高而增加，隨著壓實度的增加而減少。

關鍵詞：花崗巖殘積土；抗剪強度；微觀結構；水的質量分數（含水率）；壓實度

中圖分類號：TU 411. 7文獻標志碼：A

文章編號：1000-5013（2024）03-0332-07

Shear Strength and Microstructure Characteristics of Granite Residual Soil

LI Yangbo¹，LI Ruyue¹，SHI Xiong²，CHEN Yiyang³，WU Bo¹，LIN Lianwei¹

（1. School of Civil and Architectural Engineering，East China University of Technology，Nanchang 330013，China；2. School of Architecture and Transportation Engineering，Guilin University of Elctronic Technology，Guilin 541004，China；3. Jiangxi Communications Design and Research Institute Limited Company，Nanchang 330052，China）

Abstract：The triaxial test and electron microscopy scanning test are conducted on the granite residual soil sample with different water mass fractions （water content） and different compaction degrees. The relationship between the shear strength characteristic and the microscopic pore structure of the soil samples are explored，and the shear strength attenuation mechanism of the granite residual soil is revealed from microscopic view. The experiment results show that the stress-strain curves of the granite residual soil sample have the strain hardening characteristic. The shear strength decreases with the increase of water content and increases with the increase of compaction degree. Under the low confining pressure stress，the granite residual soil samples are more sensitive to the water content and the compaction degree. From microscopic view，the proportion of mesopores and macropores in granite residual soil samples increases with increasing water content and decreases with increasing compaction degree.

Keywords：granite residual soil；shear strength；microstructure；water mass fraction （water content）；compaction degree

隨著公路和鐵路等交通網布局逐步完善，我國東南部花崗巖殘積土地區(qū)面臨大量的工程建設?；◢弾r殘積土是一種遇水易崩解、軟化的區(qū)域性特殊土^[1]?；◢弾r殘積土結構特點介于砂性土和黏性土之間，力學特性比一般黏性土或砂性土更復雜^[2]。劉嘉^[3]對花崗巖殘積砂質黏性土的蠕變特性進行研究。賴榕洲等^[4]為了研究花崗巖殘積土的軟化效應，對等壓實度下不同含水率的花崗巖殘積土進行三軸試驗。尹松等^[5]研究發(fā)現(xiàn)花崗巖殘積土受氣候和動荷載影響較大，對花崗巖殘積土作為路基填料的適用性進行了研究。田朋飛等^[6]對花崗巖殘積土路基常見病害進行調研，并提出了防治措施。Wang等^[7]研究循環(huán)荷載下花崗巖殘積土的累積塑性變形特征。Liu等^[8]研究干濕循環(huán)對花崗巖殘積土的微觀特征和力學特征的影響。

巖土體的微觀結構對宏觀力學性質起重要作用，通過巖土體的微觀結構能定性定量地解釋其宏觀力學特性^[9-10]。目前，已有多種微觀探測方式被應用于巖土體微觀結構的檢測^[11-12]。劉寬等^[13]結合電鏡掃描實驗（SEM）和核磁共振試驗（NMR）對干濕循環(huán)條件下膨脹土的微觀孔隙發(fā)展規(guī)律進行研究。王志兵等^[14]結合SEM試驗和壓泵試驗（MIP）對全風化花崗巖的顆粒和孔隙的形態(tài)及分布特征進行定量分析。水的質量分數（含水率）和壓實度是控制路基填筑的關鍵參數，結合微觀角度分析含水率和壓實度對花崗巖殘積土力學性質影響的研究還較少。為了進一步了解花崗巖殘積土的工程特性，本文對花崗巖殘積土抗剪強度與微觀結構特征進行研究。

1 試驗方案

1.1 基本物理性質

試驗土樣取自江西省贛州市某高速公路，花崗巖殘積土呈黃褐色，夾雜少量云母和石英，有砂感，具有黏性和砂性的復合特征。土樣的最大干密度為1.67 g·cm^-3；最優(yōu)含水率為21%；塑限為25.92%；液限為47.27%；塑性指數為21.35。

取粒徑小于0.075 mm的土樣做X射線衍射試驗，對所取土樣的礦物成分進行分析，結果顯示，土樣主要礦物成分為石英和高嶺石，次要礦物成分為伊利石和綠泥石。

1.2 試驗方法

1.2.1 三軸試驗 將從現(xiàn)場取回的土樣風干后碾碎，過2 mm篩備用。為研究壓實度對花崗巖殘積土抗剪強度的影響，設置試樣壓實度分別為92%，94%，96%，100%，含水率均為最優(yōu)含水率（21%）。

為研究含水率對花崗巖殘積土的影響，設置試樣含水率分別為15%，17%，19%，21%，23%，壓實度均為96%。采用TSZ型全自動三軸儀進行不固結不排水三軸試驗，設置4個不同圍壓應力（25，50，100，150 kPa），剪切速率為0.08 mm·min^-1，軸向應變達到16%時，試驗結束。

每組試驗均設置兩組平行試驗以消除試驗結果的不確定性。

1.2.2 掃描電鏡試驗 SEM試驗采用Nova NANOSEM450型掃描電鏡，將三軸試驗結束后的試樣先用小刀切成小長條塊，干燥后用手小心的掰斷，在斷面濺射鍍金，觀察斷裂面，放大800倍進行觀察，圖片采用Image J軟件進行分析處理，參考已有的圖像定量分析經驗^[15]，對圖像進行調整亮度、對比度，去除圖像噪點后進行二值化處理，提取孔隙周長、面積和傾角等數據。

2 實驗結果與分析

2.1 含水率對花崗巖殘積土抗剪強度的影響

2.1.1 應力-應變曲線特征分析 對壓實度為96%，含水率分別為15%，17%，19%，21%，23%的花崗巖殘積土試樣進行三軸壓縮試驗。不同含水率（w）花崗巖殘積土的應力-應變曲線，如圖1所示。圖1中：σ₁為軸向應力；σ₃為圍壓應力；ε為應變。

由圖1可知：含水率分別為15%，17%，19%，21%試樣在低圍壓應力下（25 kPa）的應力-應變曲線表現(xiàn)為理想塑性，隨著圍壓應力的升高，試樣的應力-應變曲線逐漸由理想塑性轉向弱應變硬化型，最終轉為強應變硬化型；含水率為23%試樣在低圍壓應力下（25 kPa）的應力-應變曲線表現(xiàn)為理想塑性，隨著圍壓應力的升高，逐漸轉為弱應變硬化型。

2.1.2 抗剪強度變化曲線分析 偏應力峰值為抗剪強度，當無明顯偏應力峰值時，定義應變?yōu)?5%時，對應的偏應力值為抗剪強度?？辜魪姸入S著含水率變化曲線，如圖2所示。圖2中：σ_m為抗剪強度。由圖2可知以下6點結論：

1）當圍壓一定時，隨著含水率的升高，試樣的抗剪強度顯著降低；

2）當圍壓為50 kPa時，抗剪強度在含水率為17%時有明顯突變點，出現(xiàn)顯著下降；

3）當圍壓為150 kPa 時，抗剪強度突變點出現(xiàn)在含水率為19%；

4）在圍壓為100 kPa 時，抗剪強度突變點不明顯，在含水率17%和19%時都有明顯下降，推測其突變點出現(xiàn)在含水率17%～19%之間；

5）在圍壓較高的情況下，花崗巖殘積土抗剪強度對含水率的敏感性隨著含水率的升高而增強；

6）相較于含水率為15%的試樣抗剪強度，含水率為23%的試樣抗剪強度在25，50，100，150 kPa分別下降了57.80%，67.31%，65.51%，5.16%，表明在圍壓較低時（小于100 kPa），土體受到水的軟化作用更明顯。

在實際工程建設中，土體被用作填筑材料時，受到圍壓往往小于100 kPa，所以，水對花崗巖殘積土的軟化作用是不可忽視的。

2.2 壓實度對花崗巖殘積土抗剪強度的影響

2.2.1 應力-應變曲線特征分析 對含水率為21%，壓實度（k）為92%，94%，96%和100%的花崗巖殘積土試樣進行三軸壓縮試驗。不同壓實度花崗巖殘積土的應力-應變曲線，如圖3所示。由圖3可知：在低圍壓應力（25 kPa）時，不同壓實度試樣應力-應變曲線表現(xiàn)為弱應變硬化型；隨著圍壓應力的升高，各壓實度試樣的應力-應變曲線逐漸由弱應變硬化型向強應變硬化型轉換。

2.2.2 抗剪強度變化曲線分析 抗剪強度與壓實度關系曲線，如圖4所示。由圖4可知：當圍壓應力一定時，壓實度逐漸增加，試樣抗剪強度也隨之提升；

當圍壓應力為25 kPa時，壓實度為100%試樣較壓實度為92%試樣的抗剪強度由122.39 kPa增加到了200.34 kPa，增加了約63.38%，而在圍壓應力100，150 kPa時，壓實度為100%試樣的抗剪強度較壓實度為92%試樣的抗剪強度由246.07和327.17 kPa增加到347.50和458.83 kPa，分別增加了約41.22%，40.24%，說明在低圍壓應力下（25 kPa），花崗巖殘積土的抗剪強度對壓實度的敏感性更強。

2.3 微觀結構定性分析

不同含水率花崗巖殘積土試樣SEM圖像，如圖5所示。由圖5可知：在含水率較低時（15%，17%），試樣的微觀結構有明顯的粗顆粒，粗顆粒為不規(guī)則的片狀和塊狀，可見殘留的骨架及黏土礦物的填充結構，由于經歷了三軸試驗，顆粒間的小孔隙含量較多；隨著含水率的升高，試樣中的顆粒排列表現(xiàn)出雜亂無序的特征，難以分清粗顆粒骨架和填充的黏土礦物結構，黏土礦物吸水后粘結成較大的團粒，

原本片狀和塊狀的顆粒吸水后表現(xiàn)為凝絮狀，顆粒排列雜亂，無明顯的定向性。

不同壓實度花崗巖殘積土試樣SEM圖像，如圖6所示。由圖6可知：試樣顆粒因吸水粘結成團狀，在低壓實度下（k=92%），試樣存在明顯的大孔隙；隨著壓實度的增加，大孔隙顯著減少，轉為以微小孔隙為主，各壓實度下顆粒均排列無序，相互粘結成團粒，呈凝絮狀，無法辨別骨架與充填結構。

2.4 微觀結構定量分析

2.4.1 孔隙分布特征 采用孔隙等效直徑對孔隙大小進行定量分析，孔隙等效直徑（D）表達式為

式（1）中：A為孔隙的面積。

在150 kPa的圍壓應力下，不同含水率花崗巖殘積土試樣孔徑分布，如圖7所示。由圖7可知：花崗巖殘積土試樣均以D<1 μm的孔隙為主，D>20 μm的孔隙含量很少，接近于0；隨著含水率的增高，D<1 μ m的孔隙減少，1 μm≤D＜2 μm及 2 μm≤D＜5 μm的孔隙有所上升且上升得較為明顯，D>20 μm的部分也有所上升但上升不明顯；在加載的應力的作用下，大的孔隙會先被壓縮、填充，故大孔隙含量最少，而D<5 μm的孔隙含量最多。

在150 kPa的圍壓應力下，不同壓實度花崗巖殘積土試樣孔徑分布，如圖8所示。

由圖8可知：不同壓實度三軸試驗后試樣的孔隙均以D<1 μm的微孔為主，三軸試驗后，隨著壓實度的增加，D<1 μm的孔隙占孔隙總量的比例增加，而5 μm＜D≤20 μm與D>20 μm的孔隙占孔隙總量的比例減少；試樣壓實度越低，試樣所存在的孔隙中大孔隙占比更多，在荷載作用下大孔隙優(yōu)先被壓縮充填，故在相同荷載下，大孔隙占比更多的低壓實度試樣更容易產生變形、破壞，在宏觀三軸試驗中呈現(xiàn)出抗剪強度更低的特點。

2.4.2 孔隙形態(tài)特征 采用孔隙豐度（C）對孔隙的形態(tài)特征進行定量分析，其定義為孔隙的短軸與長軸之比，其比值越小，孔隙越接近狹長形；其比值越接近于1，孔隙越接近等軸形，形狀越趨近于圓。不同含水率、壓實度試樣孔隙豐度分布，如表1，2所示。如表1，2中：ξ為孔隙豐度界限的占比。

由表1可知：三軸試驗后的試樣孔隙豐度都以0.4≤C＜0.6的長條形為主，隨著含水率的增加，等軸形的孔隙有小幅度增加，長條形的孔隙有所減少；在較高含水率下，孔隙豐度整體偏高，表明在高含水率下，孔隙微觀結構由長條形向等軸形發(fā)展，與SEM圖像所呈現(xiàn)出的結果一致。結合SEM圖像分析可知，造成這一現(xiàn)象的原因是含水率較高時，黏土礦物吸水膨脹，形成了蜂窩狀的孔隙。

由表2可知：隨著壓實度的增加，孔隙豐度變化不大，孔隙形態(tài)變化趨勢不明顯，說明試樣孔隙形態(tài)特征受壓實度影響較小，孔隙形態(tài)特征主要受含水率的影響。

3 花崗巖殘積土抗剪強度特性的微觀機制

花崗巖殘積土是由花崗巖風化形成的，主要成分為石英和高嶺石，雖然含水率較高時，高嶺石等黏土礦物吸水變?yōu)槟鯛?，軸向加載作用下，粗顆粒石英骨架依舊表現(xiàn)出較強支撐作用，使試樣在較大的變形下依然表現(xiàn)出較高的強度，使花崗巖殘積土花崗巖的應力-應變曲線為應變硬化型。

較高質量分數的黏土礦物會吸水導致體積膨脹，在含水率較高的情況下，花崗巖殘積土中吸水膨脹的黏土礦物占比增多，導致試樣原本的充填結構被破壞，并且黏土礦物相互粘結，使臨近的孔隙相互貫通，使中、大孔隙的占比增加，導致試樣整體結構被破壞（圖6），從而使試樣強度降低。

在壓實度較低的情況下，粗顆粒石英骨架難以形成致密的結構，花崗巖殘積土的中、大孔隙占比更多，在軸向加載作用下，中、大孔隙會優(yōu)先被壓縮，故壓實度較低試樣更容易產生變形、破壞，表現(xiàn)出強度降低的特點。

4 結論

1）當圍壓應力一定時，試樣含水率超過19%時，抗剪強度下降更明顯；花崗巖殘積土試樣的抗剪強度隨著含水率的升高而降低；并且在低圍壓應力下（小于100 kPa）時，水對土體的軟化作用更明顯。

2）當圍壓應力一定時，隨著壓實度的降低，花崗巖殘積土試樣的抗剪強度呈現(xiàn)劣化趨勢，并且在低圍壓應力下，花崗巖殘積土的抗剪強度對壓實度的敏感性更強。

3）從微觀孔隙結構發(fā)現(xiàn)，含水率較高時黏土礦物吸水膨脹，導致小孔隙相互貫通形成更大的孔隙。

4）在含水率較高及壓實度較低時，試樣中、大孔隙占比更多，在荷載作用下，試樣的大孔隙優(yōu)先被壓縮，故高含水率及低壓實度的花崗巖殘積土更易變形、破壞，在宏觀角度上表現(xiàn)出強度劣化的特點。

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（責任編輯：陳志賢 ?英文審校：方德平）