花崗巖殘積土的強(qiáng)度研究范文

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《湖南科技大學(xué)學(xué)報(bào)》2016年第一期

摘要:

直接將花崗巖殘積土用作路基填筑，易產(chǎn)生溜坍、滑坡等病害．為了消除花崗巖殘積土不良特性，對湖南省南岳地區(qū)花崗巖殘積土粒徑級配進(jìn)行研究，得出該地區(qū)花崗巖殘積土為砂質(zhì)粘性土，為了提高其填筑路基的性能，采用不同摻入量的水泥對其進(jìn)行改良，在壓實(shí)度均為90%的條件下，利用SLB－1型應(yīng)力應(yīng)變控制式三軸剪切滲透試驗(yàn)儀和自制崩解儀對各組試樣分別進(jìn)行三軸試驗(yàn)和崩解試驗(yàn)．改良的花崗巖殘積土的抗剪強(qiáng)度和崩解試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著水泥摻量的增加，其抗剪強(qiáng)度逐步提高，遇水崩解狀況得到逐步改善，當(dāng)水泥摻入量達(dá)到6%時(shí)，能大幅提高花崗巖殘積土的抗剪強(qiáng)度，其耐崩解性也得到了大幅度的提高和改善，可達(dá)到實(shí)際工程中改良當(dāng)?shù)鼗◢弾r殘積土的目的．

關(guān)鍵詞:

花崗巖殘積土，崩解性，土體改良，水泥摻入量

花崗巖殘積土是母巖在溫暖潮濕的環(huán)境下經(jīng)過一系列的物理化學(xué)風(fēng)化作用而形成的覆蓋于母巖之上的殘積土體［1］．我國湖南省南岳地區(qū)旅游業(yè)旺盛，各類基礎(chǔ)建設(shè)尚需大力開展，此處花崗巖資源豐富，露頭較多，小型構(gòu)造發(fā)育．這類花崗巖受氣候條件、水文地質(zhì)條件及地形條件的不同影響，經(jīng)過各種物理、化學(xué)、生物等風(fēng)化作用形成了不同厚度的殘積土．若直接將花崗巖殘積土用作路基填筑，受地下水或地表水影響容易軟化，受振動(dòng)時(shí)液化現(xiàn)象十分嚴(yán)重，抗變形能力及水穩(wěn)性差，易產(chǎn)生溜坍、滑坡等病害，對工程建設(shè)存在潛在破壞性．因此，開展花崗巖殘積土的改良研究十分必要．

國內(nèi)外很多學(xué)者對該領(lǐng)域進(jìn)行了相應(yīng)的研究工作，并取得了一定成果．陳洪江等［2］對花崗巖殘積土物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行了概率統(tǒng)計(jì)分析;湯連生等［3］采用滲析法測定了花崗巖殘積土的水土特征曲線，得出其持水能力較強(qiáng);周德泉等［4］研究了循環(huán)荷載作用下花崗巖殘積土的累積變形與濕化特性;張?zhí)旒t等［5］對軟粘土進(jìn)行水泥改良室內(nèi)試驗(yàn)，分析發(fā)現(xiàn):水泥的摻入可有效提高土體的強(qiáng)度;楊廣慶等［6］以粉質(zhì)粘土為研究對象，通過動(dòng)三軸試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn):水泥改良土存在臨界動(dòng)應(yīng)力，改良后的水泥土試樣的累積塑性變形與動(dòng)應(yīng)力的大小和作用次數(shù)有關(guān);周援衡等［7］對全風(fēng)化花崗巖改良土路基進(jìn)行了循環(huán)加載試驗(yàn)研究，證實(shí)了全風(fēng)化花崗巖經(jīng)過改良后可用于高速鐵路無砟軌道基床底層和路基本體填筑．本文針對南岳地區(qū)花崗巖殘積土進(jìn)行水泥改良，利用SLB－1型應(yīng)力應(yīng)變控制式三軸剪切滲透試驗(yàn)儀和自制崩解儀研究其力學(xué)特性和崩解特性．

1南岳地區(qū)花崗巖殘積土級配特性

用于本文試驗(yàn)的花崗巖殘積土土樣取自湖南省衡山縣店門鎮(zhèn)繁榮村國道旁的某新開挖邊坡處，由于此處殘積土覆蓋層較薄，根據(jù)現(xiàn)場土層實(shí)際情況，認(rèn)真勘察，取樣處離邊坡坡頂2m左右．這樣既避免了采集到的土樣經(jīng)雨水淋濾礦物成分離失，又避免了采集到的土樣非花崗巖殘積土，而是花崗巖殘積土與全風(fēng)化花崗巖之間的過渡層．將采集的花崗巖殘積土擾動(dòng)土樣置于向陽通風(fēng)處風(fēng)干，使其達(dá)到易于研磨狀態(tài)，用“四分法”進(jìn)行取樣．將取得的風(fēng)干土樣放置在橡膠板上用橡膠杵進(jìn)行研磨．為了避免篩出的粗顆粒表面附帶有過多的粉土細(xì)顆粒過篩時(shí)卡孔，在篩分試驗(yàn)之前將研磨好的土樣放到105℃的烘箱中烘8h，冷卻后用新標(biāo)準(zhǔn)土壤篩進(jìn)行篩分，篩分結(jié)果如表1所示．根據(jù)花崗巖殘積土試樣篩分結(jié)果分析可得:南岳地區(qū)花崗巖殘積土中所含顆粒主要集中于粒徑0．250～0．075mm和粒徑小于0．075mm的級配區(qū)間．其中，顆粒粒徑0．25～0．075mm占土樣質(zhì)量的33．23%～38．95%，粒徑小于0．075mm的顆粒占土樣質(zhì)量的31．56%～33．30%．根據(jù)巖土工程勘察規(guī)范(GB500212001)［8］，可將南岳地區(qū)花崗巖殘積土定義為砂性粘土．南岳地區(qū)花崗巖殘積土顆粒粒徑分的分布不均、膠結(jié)物較少，是造成其極易崩解的主要因素．

2水泥改良后的花崗巖殘積土的強(qiáng)度特性

為研究水泥改良后的花崗巖殘積土的強(qiáng)度特性，利用SLB－1型應(yīng)力應(yīng)變控制式三軸剪切滲透試驗(yàn)儀進(jìn)行三軸固結(jié)排水剪切(CD)試驗(yàn)．試樣的制備過程:第一步:考慮到105℃烘干條件對土體的膠結(jié)物影響較大，改良土的重塑試樣均采用風(fēng)干土．首先將風(fēng)干土碾碎，并過2mm的標(biāo)準(zhǔn)土壤篩，測出篩分后土樣的含水率，在此基礎(chǔ)上計(jì)算出配置一定量的最佳含水率土樣的需水量．第二步:取步驟一中篩分后的土體，加入總需水量的80%，充分拌合后放入塑料袋中浸潤24h．第三步:待土樣充分浸潤后加入所需的水泥拌合均勻，然后再加入總需水量的20%并攪拌均勻．第四步:采用5層壓實(shí)方法制備試樣．用天平稱土樣，將各組土樣均分為5份，并將其倒入打樣器內(nèi)，且依次采用90%的壓實(shí)度進(jìn)行擊實(shí)，制成試樣直徑3．91cm，高8．0cm的試樣．考慮水泥的初凝時(shí)間，在4h內(nèi)完成制樣．在第四步中每層土樣擊實(shí)完畢后刮毛，以使各層土體充分接觸，減少分層程度．每次擊實(shí)之后要靜置一段時(shí)間，以減少回彈變形．試樣制備好后在濕度大于90%的室溫條件下養(yǎng)護(hù)7d．根據(jù)文獻(xiàn)介紹水泥良試驗(yàn)中水泥摻入量常集中于2%～8%的范圍之間［9－12］．本實(shí)驗(yàn)采用2%，3%，4%，5%和6%5種水泥摻入量對花崗巖殘積土進(jìn)行改良，在花崗巖殘積土的最佳含水量23．85%的狀態(tài)下來研究改良后的花崗巖殘積土的力學(xué)特性．不同水泥含量的重塑試樣各3個(gè)，分別在圍壓為50kPa，100kPa和150kPa的條件下進(jìn)行CD試驗(yàn)，按照15%的軸向變形或在此之前出現(xiàn)的剪切峰值作為破壞準(zhǔn)則，通過SLB－1型應(yīng)力應(yīng)變控制式三軸剪切滲透試驗(yàn)儀進(jìn)行三軸固結(jié)排水剪切(CD)試驗(yàn)，所得數(shù)據(jù)如表2所示:以((σ1+σ3)/2，0)為圓心，(σ1－σ3)/2為半徑繪制不同圍壓下的莫爾應(yīng)力圓，并繪制不同抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線，未改良的花崗巖殘積土和水泥改良后的花崗巖殘積土重塑試樣的摩爾強(qiáng)度包絡(luò)線分別如圖2和圖3所示:經(jīng)計(jì)算可得，在90%的壓實(shí)度和最佳含水量的條件下，不同水泥含量的花崗巖殘積土重塑試驗(yàn)的破壞強(qiáng)度參數(shù)c，φ值如表3所示。由表3繪制摻入水泥花崗巖殘積土重塑式樣強(qiáng)度參數(shù)曲線圖。由以上試驗(yàn)結(jié)果可知，壓實(shí)度為90%的重塑土試樣在相同圍壓下，其剪切峰值會(huì)隨著水泥含量的增多而明顯提高;相同水泥含量的土樣，其剪切峰值會(huì)隨著圍壓的增大而明顯提高．土體的抗剪強(qiáng)度可用抗剪強(qiáng)度參數(shù)來表示，水泥含量不同，重塑土試樣的參數(shù)也會(huì)隨之改變，由上述對2%，3%，4%，5%和6%5種水泥摻入量的花崗巖殘積土重塑試樣，分別在50kPa，100kPa和150kPa3種不同圍壓的條件下求出的c，φ進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)其黏聚力c隨著水泥摻入量的增大而增大，內(nèi)摩擦角φ隨著水泥摻入量的增大而小幅度減小．當(dāng)水泥摻入量達(dá)到6%時(shí)，能大幅提高花崗巖殘積土的抗剪強(qiáng)度，可達(dá)到實(shí)際工程中改良當(dāng)?shù)鼗◢弾r殘積土的目的．

3水泥改良后的花崗巖殘積土的崩解特性

土的崩解是指粘性土浸水而發(fā)生碎裂、散體的現(xiàn)象，這是一個(gè)在水的滲入作用下土體顆粒之間膠結(jié)喪失，土體結(jié)構(gòu)由于粒間斥力超過引力，產(chǎn)生應(yīng)力集中而瓦解的一個(gè)不可逆的物理過程．崩解產(chǎn)生必須具備以下充分條件:①土體表面存在水的滲入通道，或土體表面易于在動(dòng)水力的作用下快速產(chǎn)生滲入到內(nèi)部的通道;②土中顆粒膠結(jié)可被水滲入后產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力集中現(xiàn)象破壞，且破壞是不可逆的;③膠結(jié)物的水穩(wěn)性不強(qiáng)，浸水易溶解．另外，假如土體沒有臨空面，側(cè)向應(yīng)力卸荷、失水干縮等損傷以及動(dòng)水力作用也就不復(fù)存在，因此，臨空面的存在是土體發(fā)生崩解的必要條件［13］．花崗巖殘積土中粘性土含量較少，粘結(jié)性極差，遇水極易發(fā)生崩解．本文通過在花崗巖殘積土中摻入水泥，利用水泥顆粒的水化作用和水解作用，使土顆粒與水泥水化物的離子交換，發(fā)生團(tuán)粒化作用、硬凝反應(yīng)和碳酸化作用，形成有機(jī)物的聚合，增加了土體中的膠結(jié)顆粒，并大大增強(qiáng)膠結(jié)物的水穩(wěn)定性，破壞了土體的崩解條件，達(dá)到改良的目的．考慮現(xiàn)場的實(shí)際情況，長期暴曬下的干燥土體遇暴雨極易發(fā)生滑坡災(zāi)害，因此模擬現(xiàn)場情況，將改良后的花崗巖殘積土重塑試樣置于30℃的烘箱中2d(經(jīng)實(shí)測，2d后試樣的含水量基本穩(wěn)定，認(rèn)為達(dá)到干燥狀態(tài))，取出試樣稱重并記錄數(shù)據(jù)．將此試樣放置在自制的崩解儀中，充分浸水，待試樣達(dá)到穩(wěn)定不再崩解時(shí)取出試樣，晾干后再次置于烘箱中，如此循環(huán)3次，所得數(shù)據(jù)如表4所示．通過數(shù)據(jù)和圖表分析可得:改良后花崗巖殘積土的重塑試樣的崩解率會(huì)隨著循環(huán)次數(shù)的增加而增大，但增幅隨著循環(huán)次數(shù)的增大而減小，崩解率增加趨勢趨于穩(wěn)定;2%和3%的水泥摻入量對于花崗巖殘積土的耐崩解性無明顯提高，且相互之間無明顯差別，但是當(dāng)水泥摻入量大于3%時(shí)，耐崩解性得到改善，崩解率隨著水泥摻入量的增加而減小，特別是水泥摻入量達(dá)到6%時(shí)，改良效果尤為明顯．

4結(jié)論

1)南岳地區(qū)花崗巖殘積土定義為砂性粘土，其顆粒粒徑分布不均、膠結(jié)物較少是其崩解性強(qiáng)的主要因素，因此，這類土水穩(wěn)性差、易產(chǎn)生溜坍、滑坡等病害，不宜直接用作路基填料，需進(jìn)行一定程度的改良加固．2)采用水泥改良花崗巖殘積土，其固化機(jī)理促使土顆粒的表面發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)作用，充填了土的間隙，增強(qiáng)了土粒的相互結(jié)合力，使得改良后的花崗巖殘積土具有較高的強(qiáng)度和剛度．改良后的花崗巖殘積土的黏聚力c隨著水泥摻入量的增大而增大，內(nèi)摩擦角φ隨著水泥摻入量的增大而小幅度減小．3)在花崗巖殘積土中摻入水泥可增強(qiáng)土體中膠結(jié)物的水穩(wěn)定性，破壞其崩解的必要條件，達(dá)到了改良目的．水泥改良后的花崗巖殘積土的崩解率會(huì)隨著水泥摻入量的增加而減小，特別是水泥摻入量達(dá)到6%時(shí)，改良效果尤為明顯，而且崩解趨勢隨著循環(huán)次數(shù)的增加而趨于穩(wěn)定．4)考慮到經(jīng)濟(jì)、施工工藝、強(qiáng)度以及崩解性等多方面因素，本文認(rèn)為在實(shí)際工程中可采用6%的水泥摻入量來改良花崗巖殘積土地區(qū)的路基、地基和邊坡等工程．

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作者：劉文駿 陳秋南 趙磊軍 周翔 單位：湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院