胡煥校，孫端陽，周 丁

(中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長沙 410006)

花崗巖殘積土路用性能影響因素研究

胡煥校，孫端陽，周 丁

(中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長沙 410006)

為了分析花崗巖殘積土路用特性，從影響因素入手研究。取湖南境內(nèi)花崗巖殘積土進(jìn)行室內(nèi)試驗，通過薄片和XRD試驗，得到殘積土礦物成分及基本結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)云母含量較高且呈疊片狀結(jié)構(gòu)；通過大量統(tǒng)計與試驗，從粒徑組成、擊實功、含水率三個因素出發(fā)，研究殘積土路用特性變化。結(jié)果表明：細(xì)砂對殘積土含水性影響關(guān)鍵，粗粒含量與CBR強度呈指數(shù)關(guān)系，特定粒徑組成對殘積土路用特性有利；以黏土質(zhì)砂為試驗對象，擊實功增加，最大干密度增速“兩頭大、中間小”，最優(yōu)含水率降速“兩頭小、中間大”，最大CBR值先線性增加后基本不受影響；結(jié)合擊實功進(jìn)行分析，含水率存在wcr，小于wcr，擊實功與CBR正相關(guān)，反之負(fù)相關(guān)。

路用性能；影響因素；室內(nèi)試驗；花崗巖殘積土

花崗巖殘積土在我國南方地區(qū)廣泛分布，由于其特殊性，對該類土的利用仍然是一個重要議題，尤其是在道路交通領(lǐng)域。花崗巖殘積土路用特性主要包括含水性、擊實性和CBR強度(加州承載比)，如果直接對路用特性指標(biāo)進(jìn)行分析，意義不大也難以發(fā)現(xiàn)規(guī)律，但是結(jié)合其影響因素進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)規(guī)律，并且通過系統(tǒng)地分析其影響機(jī)理，則對于合理利用該類土具有重要意義。

花崗巖殘積土地層自上而下砂礫含量增加[1]，細(xì)粒成分主要成分為高嶺石、伊利石、絹云母等黏土礦物，粗粒成分主要是長石、石英、云母等成巖礦物及其風(fēng)化程度不高的產(chǎn)物，含極少量的鐵質(zhì)礦物。國內(nèi)外學(xué)者從不同角度、不同方面對花崗巖殘積土展開了研究。在理論方面，湯連生等[2]、顏波等[3]根據(jù)吸力理論，分別解釋了非飽和花崗巖殘積土應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征及水穩(wěn)性機(jī)理和花崗巖風(fēng)化土的軟化崩解和崩崗機(jī)制；Hossain等[4]則從控制吸力出發(fā)，研究抗剪強度變化；龍志東等[5]分析軸壓、初始干密度、粒徑組成對抗剪強度的影響。這些研究對于從力學(xué)、本構(gòu)角度認(rèn)識花崗巖殘積土具有重要意義。

殘積土微觀結(jié)構(gòu)方面研究較少，湖廣地區(qū)花崗巖殘積土微觀結(jié)構(gòu)主要有團(tuán)粒狀結(jié)構(gòu)、片狀結(jié)構(gòu)、細(xì)粒狀等結(jié)構(gòu)[6]，與其它如紅黏土[7]、全風(fēng)化花崗巖[8]有所不同。在含水性方面，湯連生等[9]采用滲析法進(jìn)行花崗巖殘積土水土特征曲線試驗，并詳細(xì)分析了試驗操作和結(jié)果，Hu等[10]以廈門花崗巖殘積土為對象，研究含水率對其應(yīng)力應(yīng)變、強度的影響，Kim等[11]進(jìn)行類似研究，并考慮了含水率對水土特征曲線和基質(zhì)吸力影響；陳曉平等[12]針對華南高液限花崗巖殘積土中粗粒顆粒含量對其含水率的影響，發(fā)現(xiàn)：d>0.075 mm粗粒含量對天然含水率的影響呈“低大高小”的趨勢。對于花崗巖殘積土路用性能的研究，鐵路路用特性[13]與道路不同，陳杰等[14]分析花崗巖殘積土道路路用特性并提出一種路基壓實控制方法；Ramasubbarao等[15]基于多種回歸模型和大量數(shù)據(jù)分析，嘗試通過粒組組成、液限、塑限、最大干密度和最優(yōu)含水量等5個因素擬合細(xì)粒土CBR值。此外，廖浩成等[16]、李建新等[17]、Niu等[18]對強風(fēng)化、全風(fēng)化花崗巖進(jìn)行研究，對于花崗巖殘積土的研究具有借鑒意義，但是花崗巖殘積土具有特殊性，國內(nèi)現(xiàn)有研究很少系統(tǒng)地分析影響路用特性的因素，也就難以把握其工程性質(zhì)。

本文在分析花崗巖殘積土礦物成分、基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，從粒徑組成、擊實功、含水率等3個方面考慮，研究殘積土路用特性的變化，其中粒徑組成對含水性、擊實性、CBR強度均有影響，擊實功和含水率則分別或交叉對擊實性、CBR強度產(chǎn)生影響。進(jìn)一步分析影響結(jié)果和影響機(jī)理，為該類土合理利用提供指導(dǎo)。

1 花崗巖殘積土礦物成分及結(jié)構(gòu)

本文依托湖南省某在建高速公路項目，對花崗巖殘積土路用特性及其影響因素進(jìn)行研究。工程位于湖南省中部，本區(qū)原巖為準(zhǔn)鋁質(zhì)花崗巖[20]，主要成分是長石、石英、黑云母、角閃石等，從殘積土表觀剖面觀察，花崗巖殘積土應(yīng)由具斑狀、似斑狀的中粗粒花崗巖風(fēng)化而來。本區(qū)氣候?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)性濕潤氣候，全年雨水充沛，年平均降雨量超過1 500 mm，嚴(yán)寒期短，暑熱期長，地形以丘陵、崗地為主，水網(wǎng)密布，植被繁茂，形成有利于花崗巖風(fēng)化的氣候和地質(zhì)環(huán)境，經(jīng)過長期沖刷和淋濾作用保留殘積土。在調(diào)查花崗巖殘積土分布基礎(chǔ)上，試驗所用土樣選取該高速公路沿線多個取土點，取土深度為地表以下2～3 m，取土?xí)r間間隔短。

分別取具有代表性的花崗巖殘積土：含砂高液限黏土①和黏土質(zhì)砂②進(jìn)行礦物成分和結(jié)構(gòu)分析，前者取土部位表面以暗紅色為主，后者取土部位呈黃色、暗紅色，并有黑色斑狀，風(fēng)化程度前者較后者高。對2個土樣進(jìn)行薄片和XRD粉晶衍射試驗，薄片試驗取大塊原狀土樣磨片后采用偏光顯微鏡觀察，衍射試驗取土樣充分研磨后采用D/max 2500X射線衍射儀分析，試驗結(jié)果見圖1和圖2。

圖1 土樣①薄片掃描及礦物成分Fig.1 Thin section observation and mineral composition of soil sample 1

圖2 土樣②薄片掃描及礦物成分Fig.2 Thin section observation and mineral composition of soil sample 2

從現(xiàn)場剖面和試驗結(jié)果可以看出：(1)細(xì)粒土黏土礦物明顯多于粗粒土，但兩種土中云母含量均達(dá)到三成，但是云母粒徑不同，說明云母對該花崗巖殘積土有比較重要的影響，片狀結(jié)構(gòu)的云母含量增多，強度下降[19]；(2)細(xì)粒土和粗粒土均是以粗顆粒為骨架，主要呈疊片狀結(jié)構(gòu)，細(xì)顆粒以集合體方式填充在骨架中，形成殘積土原狀結(jié)構(gòu)；(3)從細(xì)粒土樣中看出粗顆粒間少見接觸，基本“懸浮”細(xì)顆粒中，小孔隙很少，且集中在粗顆粒較多部位，微孔隙較多；粗粒土取土剖面可

見由中粗粒斑狀結(jié)構(gòu)，粗顆粒形成骨架，較大粒徑云母片堆疊形成架空結(jié)構(gòu)，層面間點、邊接觸較多，面接觸較少，或有細(xì)粒集合體充填其中，在空間上形成較多的大、中空隙。

礦物成分及結(jié)構(gòu)對殘積土路用特性有一定影響，對于含水性，粗粒土具有疊片狀架空結(jié)構(gòu)及良好的儲水空間，而細(xì)粒土黏土礦物含量多，水化能力較粗粒土強，導(dǎo)致二者天然含水率基本相同。對于擊實性和CBR強度而言，粗粒土的優(yōu)勢則比較明顯。

2 花崗巖殘積土路用特性影響因素

花崗巖殘積土含水性、擊實性、CBR強度受很多因素影響，排除試驗操作等，含水性主要受礦物組成及結(jié)構(gòu)、粒徑組成影響，擊實性主要受粒徑組成、擊實功、含水率影響，CBR強度也受到粒徑組成、擊實功、含水率影響，下面著重研究粒徑組成、擊實功、含水率三個因素。

2.1粒徑組成

細(xì)粒土包括含砂高液限粉土(MHS)和含砂高液限黏土(CHS)，粗粒土包括粉土質(zhì)砂(SM)和黏土質(zhì)砂(SC)，根據(jù)規(guī)范[21]進(jìn)行了大量的含水率、液塑限、篩分、擊實、承載比等試驗(表1)。

表1 土的基本性質(zhì)Table 1 Basic properties of granite residual soils

注：本區(qū)花崗巖殘積土中低液限土很少，以高液限土為主；CBR為壓實度100%時的值。

2.1.1粒徑組成對含水性的影響

(1)花崗巖殘積細(xì)粒土

對于細(xì)粒土而言，粗顆粒主要起到調(diào)節(jié)土體孔隙和提高土體強度的作用，圖3(a,b,c)顯示砂粒、細(xì)砂、細(xì)粒對天然含水率的影響。分析圖3(a,b,c)可知，在細(xì)粒土中砂粒含量P對土含水率的影響存在極大值，極大值時砂粒含量在30%左右，含水率與細(xì)砂含量基本呈線性相關(guān)。隨著細(xì)粒增加，天然含水率先保持不變后下降，轉(zhuǎn)折點處細(xì)粒超過62%。

該類花崗巖殘積土礦物成分主要是絹云母和不易水化的黏土礦物，而其結(jié)構(gòu)上微孔隙多儲水空間小，導(dǎo)致細(xì)粒含量很大而含水率減小。另一方面，粗粒增多，土體孔隙受到調(diào)節(jié)，中、小孔隙增多，含水率必然先增后降，在此過程中細(xì)砂兼具粗粒、細(xì)粒特點，對含水性影響最大。

(2)花崗巖殘積粗粒土

花崗巖粗粒土中粒徑大于0.075 mm的顆粒超過50%，分析其中礫粒、細(xì)粒、細(xì)砂對粗粒土天然含水率的影響如圖3(d,e,f)所示。含水率隨著礫粒增加而快速降低，隨著細(xì)粒增加而緩慢增加，隨細(xì)砂+細(xì)粒的增加呈拋物線變化，拋物線極值處細(xì)砂+細(xì)粒含量在50%左右。對比圖4(e)和圖4(f)，細(xì)砂對含水率變化起到關(guān)鍵作用。

無論粗粒土還是細(xì)粒土，細(xì)砂對于含水性起到關(guān)鍵影響。對于細(xì)粒土含水性，細(xì)粒含量大于60%，砂粒含量小于30%，其中細(xì)砂含量小于10%，土的天然含水率保持較低水平。對于粗粒土含水性，礫粒含量約15%，細(xì)粒含量小于35%，細(xì)砂含量大于15%，土的天然含水率較低。

圖3 不同粒徑含量對天然含水率的影響Fig.3 Influences of different grain content on natural moisture content

2.1.2粒徑組成對擊實性的影響

擊實試驗均采用標(biāo)準(zhǔn)重型98擊方法，結(jié)果如圖4、圖5所示。從圖4可以看出，粗粒土擊實性對粗砂含量的敏感程度大于細(xì)粒，二者擊實性曲線趨勢相反，而且粗砂含量大于23%后，粗粒土擊實性明顯改善。對于細(xì)粒土(圖5)，當(dāng)砂粒含量達(dá)到30%后，最優(yōu)含水率變化不明顯，最大干密度一直增加，而隨著細(xì)粒增多，最大干密度下降趨勢減緩，最優(yōu)含水率上升趨勢增強。整體而言，砂粒尤其是粗砂含量對殘積土的擊實性影響很大。

圖4 不同粒徑含量對粗粒土最大干密度、最優(yōu)含水率影響Fig.4 Influences of different sand content on MDD and OMC for coarse grained soil

圖5 不同粒徑含量對細(xì)粒土最大干密度、最優(yōu)含水率影響Fig.5 Influences of fine grain content on MDD and OMC for the fine grained soil

2.1.3粒徑組成對CBR強度的影響

從試驗結(jié)果看，粗粒土CBR值明顯大于細(xì)粒土CBR值，這主要是由于粗顆粒含量的增加，試樣對浸水敏感度降低[22]，而表現(xiàn)出的CBR強度以粗顆粒間咬合摩擦為主。統(tǒng)計細(xì)粒土、粗粒土中粗粒含量與CBR強度關(guān)系如圖6所示。圖中以50%為界限，左側(cè)是細(xì)粒土曲線，右側(cè)是粗粒土曲線，曲線呈指數(shù)增長趨勢，但在粗粒含量超過某一值Pcr時，CBR不再變化，本文花崗巖殘積土的Pcr約為75%。經(jīng)擬合，殘積土粗粒含量與CBR強度值存在指數(shù)關(guān)系，可作為判別通過篩分試驗估計殘積土CBR強度的方法：

圖6 不同粒徑含量對CBR值的影響Fig.6 Influence of different grain content on CBR value

由于細(xì)粒土CBR強度很低，試驗結(jié)果離散性大，所以研究粗粒土CBR強度意義更大。粗粒是CBR變化趨勢的主控因素，進(jìn)一步考慮砂粒含量對粗粒土CBR

值的影響(圖6b)。隨著砂粒增多，CBR值先增后緩，并且擬合曲線有平緩趨勢，主要原因可能是砂粒含量過大而起到土中粒組的代表性作用，土樣整體上表現(xiàn)為砂粒特性，內(nèi)摩擦角趨近于砂粒自身的內(nèi)摩擦角代表值，CBR強度變化則表現(xiàn)為先增大后平穩(wěn)。

綜合考慮粒徑組成對含水性、擊實性和CBR強度的影響，對于細(xì)粒土，細(xì)粒含量在60%～65%之間，砂粒含量不超過28%，其中細(xì)砂含量不超過10%，土體含水率較低，擊實性和CBR強度均較好；對于粗粒土，粗粒含量在65%～75%之間(即細(xì)粒含量不超過35%，粗粒含量不超過75%)，其中礫粒含量約15%，粗砂超過23%，細(xì)砂超過15%，土體含水率較低，擊實性良好，CBR強度較高。

2.2擊實功(擊實次數(shù))

本試驗所用花崗巖殘積土基本性質(zhì)為：黏土質(zhì)砂，w0=23%～25%，Gs=2.70，wP=24%～27%，wL=52%～53%，ρmax=1.812 g/cm3，wop=14.3%。細(xì)粒含量約30%，砂粒含量約56%，礫粒含量約14%。

試驗所用儀器全斷面循環(huán)9擊/次，采用擊實擊數(shù)為(1 202.0 kJ/m3)/44擊、(1 447.9 kJ/m3)/53擊、(1 693.7 kJ/m3)/62擊、(1 939.6 kJ/m3)/71擊、(2 185.5 kJ/m3)/80擊，每個擊實功下不同含水率擊實試樣設(shè)3個平行試驗，得到試驗結(jié)果。針對擊實和承載比試驗，對含水率進(jìn)行控制，結(jié)果見表2。

表2 擊實和承載比試驗結(jié)果Table 2 Results of compaction and CBR tests

2.2.1擊實功對擊實性的影響

擊實功對擊實性的影響可以從兩方面進(jìn)行分析，一是分析擊實功對殘積土擊實性能指標(biāo)(最大干密度和最優(yōu)含水率)，二是結(jié)合含水率，研究殘積土擊實性(壓實度)的變化。

(1)擊實性能指標(biāo)

不同擊實功下，最大干密度和最優(yōu)含水率的變化趨勢明顯不同(圖7)。隨著擊實功增加，最大干密度增速“兩頭大、中間小”，最優(yōu)含水率降速“兩頭小、中間大”，二者曲線均呈臺階狀，第一個臺階拐點擊實功約1 500 kJ/m3，第二個拐點擊實功約2 000 kJ/m3。從結(jié)構(gòu)性角度分析，擊實功作用于花崗巖殘積土，土體在不同擊實功下達(dá)到不同最密狀態(tài)，形成不同擊實功下的結(jié)構(gòu)。如果增大擊實功，形成相應(yīng)結(jié)構(gòu)狀態(tài)，原結(jié)構(gòu)必然起到阻礙作用，所以干密度曲線存在緩沖段，而隨著擊實功增大，原本需要水分“潤滑”才能密實的土體強行被壓密，最優(yōu)含水率下降。

圖7 擊實功對擊實性能的影響Fig.7 Influences of compaction energy on the compaction property

(2)壓實度

壓實度是土體干密度與其標(biāo)準(zhǔn)最大干密度的比值，用于表征土體壓實后的密實狀態(tài)。結(jié)合含水率、擊實功，討論不同組合下土體擊實狀況，也可用壓實度表示。圖8是不同含水率下?lián)魧嵐εc壓實度的關(guān)系，圖9是擊實曲線?？v向上，含水率升高，壓實度先緩慢增長，后快速下降；橫向上，含水率高于19.5%，擊實功對壓實度影響很小，含水率低于19.5%，壓實度受擊實功影響較大。

圖8 不同含水率下?lián)魧嵐?壓實度關(guān)系Fig.8 Relationship between compaction energy and compaction degree under different water content

圖9 不同擊實功下?lián)魧嵡€Fig.9 Compaction curve under different compaction energy

對于高速公路路基填筑[23]，路堤壓實度標(biāo)準(zhǔn)是93%和94%，路床壓實度標(biāo)準(zhǔn)是96%。根據(jù)試驗結(jié)果，滿足路堤填筑壓實度要求的最大含水率為20%(此時擊實功1 700 kJ/m3左右)，含水率在13.5%～19.5%，壓實度基本均能滿足。滿足路床填筑壓實度要求的最大含水率為19%，含水率在16%～18%，且擊實功在1 400 kJ/m3以上，土體滿足路床填筑。

2.2.2擊實功對CBR強度的影響

不同擊實功下，含水率與CBR值存在類似擊實曲線的關(guān)系，取曲線CBR峰值和所對應(yīng)的擊實功得到圖10。根據(jù)擊實功-CBRmax曲線變化情況，擊實功在1 200～2 000 kJ/m3范圍內(nèi)，擊實功與CBRmax二者近似線性關(guān)系。擊實功大于2 000 kJ/m3，CBRmax基本不隨擊實功變化而變化，說明對于該類殘積土，存在臨界擊實功Ecr，此時土體強度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖10 擊實功-最大CBR關(guān)系Fig.10 Relationship between compaction and the maximum CBR value

2.3含水率

考慮到CBR試驗在擊實試驗基礎(chǔ)上進(jìn)行，因此必須結(jié)合擊實功研究含水率對CBR強度的影響。如圖11所示，含水率-CBR關(guān)系與擊實曲線相似，均存在峰值，該曲線最優(yōu)含水率與擊實曲線最優(yōu)含水率變化基本吻合，但是當(dāng)含水率達(dá)到wcr=18.4%左右時，曲線兩側(cè)發(fā)生變化：左側(cè)CBR值隨著擊實功增大而增大，右側(cè)CBR值隨著擊實功增大而減小，即含水率小于18.4%，擊實功與CBR之間存在正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R>0；含水率大于18.4%，擊實功與CBR之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R<0。

圖11 不同擊實功下含水率-CBR關(guān)系Fig.11 Relationship between water content and CBR value under different compaction energy

3 結(jié)論

(1)該花崗巖殘積土黏土礦物為高嶺石、伊利石等礦物，親水膨脹性不強；云母含量較高，呈疊片狀結(jié)構(gòu)，細(xì)粒土細(xì)粒集合體充填孔隙、包裹粗顆粒，粗顆粒架空結(jié)構(gòu)儲水空間良好。

(2)研究粒徑組成對殘積土路用特性的影響，細(xì)砂對含水性起到關(guān)鍵作用。對于細(xì)粒土，細(xì)粒含量在60%～65%之間，砂粒含量不超過28%，其中細(xì)砂含量不超過10%，路用性能較好。對于粗粒土，粗粒含量在65%～75%之間，其中礫粒含量約15%，粗砂超過23%，細(xì)砂超過15%，路用性能優(yōu)良，對于花崗巖殘積土物理改性具有參考意義。

(3)粗粒含量與CBR強度呈分段函數(shù)關(guān)系，粗粒增多，CBR先指數(shù)增加后穩(wěn)定不變，可以通過該關(guān)系估計CBR強度，并且粗粒土砂粒增多，CBR強度趨于穩(wěn)定。

(4)對于黏土質(zhì)砂，隨著擊實功增加，最大干密度增速“兩頭大、中間小”，最優(yōu)含水率降速“兩頭小、中間大”，曲線均呈臺階狀；擊實功與其對應(yīng)最大CBR值之間存在正相關(guān)線性關(guān)系，但達(dá)到臨界擊實功后，CBR基本不受擊實功影響，對于本文黏土質(zhì)砂，臨界擊實功Ecr為2 000 kJ/m3，為該類土合理利用擊實功提供參考。

(5)含水率與CBR關(guān)系與擊實曲線相似，考慮擊實功的影響，對于黏土質(zhì)砂，當(dāng)含水率小于18.4%，擊實功與CBR之間存在正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R>0；含水率大于18.4%，擊實功與CBR之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R<0，合理的擊實功與含水率組合，對于提高土體強度有意義。

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責(zé)任編輯：張明霞

Astudyofinfluencefactorsontheroadcharacteristicsofgraniteresidualsoil

HU Huanxiao, SUN Duanyang, ZHOU Ding

(SchoolofGeoscienceandInfo-Physics,CentralSouthUniversity,Changsha,Hunan410006,China)

In order to analyze the road characteristics of granite residual soil, the influence factors are examined and granite residual soils in Hunan are collected for laboratory tests. Through thin section and XRD experiments, mineral composition and basic structures of granite residual soil are obtained and the results indicates that this kind of granite residual soil has a high content of mica that behaves a laminated structure. Based on a large number of statistics and experiments, this paper studies the change in the road characteristics of the residual soil from three factors, including the particle size composition, compaction energy and water content. The results reveal that the fine sand content is the key influence factor on the soil water-bearing property and the coarse grain content has an exponential relation with CBR. Moreover, the particular particle size composition makes good sense to the road characteristics of granite residual soil. With the rising compaction energy, the head and the tail growth (decent) rate of the maximum dry density are large and the middle is small, contrary to the optimum moisture content. The max CBR value increases linearly and then basically remains unchanged as the compaction energy rises. Combined with the compaction energy, water content has a critical value and is less than this value. CBR is positively correlated with the compaction energy and if not, CBR is negatively correlated with the compaction energy.

road characteristic; influence factor; laboratory test; granite residual soil

TU411.2；TU411.3

A

1000-3665(2017)05-0092-08

孫端陽(1992-)，男，碩士研究生，主要研究方向為巖土工程。E-mail:sundy15@csu.edu.cn

10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.2017.05.15

2017-03-08;

2017-04-06

胡煥校(1968-)，男，博士，教授，博導(dǎo)，主要從事地基與基礎(chǔ)、注漿等的教學(xué)與研究工作。E-mail:hhx@csu.edu.cn