張 瑞 敏

(鄭州工商學(xué)院 工學(xué)院, 河南 鄭州 451400)

玄武巖殘積土是由玄武巖完全風(fēng)化后，殘留原地或經(jīng)過短途搬運(yùn)后堆積的特殊土。我國西南地區(qū)分布著大量玄武巖殘積土，由于受到冬干夏濕、多雨、亞熱帶高原氣候的影響，其風(fēng)化物具有穩(wěn)定性差、孔隙比大、液塑限高、強(qiáng)度低等特性，導(dǎo)致路堤與路基易發(fā)生工程事故和地質(zhì)災(zāi)害。因此，開展玄武巖殘積土的物理力學(xué)特性研究，并在此基礎(chǔ)上提出工程治理方案，很有必要。在貴州省境內(nèi)，貴州紅黏土的鐵鋁含量從西部的高原地區(qū)向東部的山地丘陵地區(qū)逐漸減少[1-3]，不同地區(qū)的玄武巖殘積土具有不同的特性，依據(jù)塑性指標(biāo)，玄武巖殘積土一般分為黏土、粉質(zhì)黏土[4]。蘇盛偉等[5]雷州半島某風(fēng)電場玄武巖殘積土進(jìn)行土工試驗(yàn)，揭示該地區(qū)土的工程地質(zhì)特性。馮春燕等[6]對?？诿捞m國際機(jī)場研究玄武巖殘積土的物理力學(xué)特性通過進(jìn)行室內(nèi)常規(guī)土工試驗(yàn)、膨脹及收縮試驗(yàn)。王國華等[7-8]對雷州半島的玄武巖殘積土的物理特性進(jìn)行了研究，得出殘積土在天然狀態(tài)下風(fēng)化比較強(qiáng)烈，具有高液塑限性、高孔隙比、高含水率、高壓縮性等特性。謝春慶等[9]以滇西的全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化玄武巖為基礎(chǔ)，對其分布特征、力學(xué)性能、粒度成分、塑性指標(biāo)、壓實(shí)性能以及CBR值進(jìn)行了研究，建立了不同指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系，并對玄武巖殘積土作為填料的工程性質(zhì)進(jìn)行了評價(jià)。劉振華等[10]通過物理擊實(shí)實(shí)驗(yàn)，得出水泥穩(wěn)定碎石最佳含水率和最大干密度線性相關(guān)性能。慕煥東等[11]基于室內(nèi)壓縮實(shí)驗(yàn)，研究不同砂粒含量對砂質(zhì)黃土力學(xué)性質(zhì)的影響；而玄武巖殘積土因特殊的氣候，導(dǎo)致玄武巖殘積土具有特殊物理力學(xué)特性，故對玄武巖殘積土進(jìn)行物理試驗(yàn)和壓縮試驗(yàn)，分析其物理力學(xué)性能，了解玄武巖殘積土的特性及本質(zhì)。

1 玄武巖殘積土的物理試驗(yàn)

試驗(yàn)土樣取自赫章縣畢節(jié)高速路段代表性土樣，以棕紅色和黃褐色風(fēng)干混合土樣為例，如圖1所示。

圖1 棕紅色和黃褐色殘積土土樣

將取得的土樣混合，放置通風(fēng)處風(fēng)干，然后在橡皮板上碾碎，分別取一定量的土過5 mm、2 mm和0.5 mm的篩，為物理力學(xué)特性和治理試驗(yàn)做準(zhǔn)備。利用烘干法測定其風(fēng)干含水率，完成三個平行試驗(yàn)，取其平均值，結(jié)果ω=4.5%。

試驗(yàn)操作方法和制作工程嚴(yán)格按照《土工試驗(yàn)規(guī)程》[12](SL 237—1999)，展開殘積土的物理試驗(yàn)，其內(nèi)容包括：界限含水率試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)、比重試驗(yàn)、顆粒分析試驗(yàn)。

1.1 界限含水率試驗(yàn)

取過0.5 mm篩的風(fēng)干殘積土200 g，放入器皿中，添加蒸餾水至浸透土樣，用調(diào)土刀調(diào)勻，放置24 h，采用LP-100型光電式液塑限聯(lián)合測定儀測定，測定儀圓錐質(zhì)量為76 g。然后求其液限、塑限、塑性指數(shù)。平行試驗(yàn)2組，取平均值，結(jié)果如表1所示。

表1 界限含水率

由表1可知，玄武巖殘積土的液限大于40，塑性指數(shù)在10～17范圍內(nèi)，可知?dú)埛e土屬于粉質(zhì)黏土。

1.2 比重試驗(yàn)

由于玄武巖殘積土的粒徑小于5 mm，故選用比重瓶法測定。取3組平行試驗(yàn)，測定結(jié)果根據(jù)計(jì)算公式(1)所得。

(1)

式中：Gs為土粒比重；ms為干土重，g；m1為瓶水總重，g；m2為瓶水土總重，g；Gwt為t℃時(shí)蒸餾水的比重，g。

由公式(1)得出，殘積土的比重為2.729，則可知玄武巖殘積土屬于粉質(zhì)黏土，也為細(xì)粒土。土的比重主要由其礦物成分決定的，不同地區(qū)土中所含礦物成分不同，則土的比重就不同，但是一般變化幅度不是太大。

1.3 顆分試驗(yàn)

一般地，不同地區(qū)的土，具有不同的顆粒級配，需要對土樣進(jìn)行顆粒級配。試驗(yàn)取土樣800 g，由于土粒較細(xì)，首先把800 g土樣先用蒸餾水進(jìn)行洗土，得到大于0.075 mm的土顆粒不到10%，故將小于0.075 mm的土顆粒進(jìn)行烘干，取30 g用密度計(jì)法進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn)，結(jié)果曲線圖如2所示。

圖2 顆粒分布曲線

由圖2可以看出，玄武巖殘積土的顆粒主要集中于0.005 mm以下的黏粒，黏粒含量達(dá)67.83%以上，而粉粒0.005 mm

殘積土粒組成分主要以黏粒為主，粉粒次之。當(dāng)土處在塑性狀態(tài)時(shí)，含水率的變化引起的土體體積變化，小于0.002 mm的膠粒含量越高，土與水的相互作用越強(qiáng)烈，故含水率對玄武巖殘積土的影響比較大，

1.4 擊實(shí)試驗(yàn)

在路基填料施工中，填料的最大干密度和最優(yōu)含水率是控制路基填筑質(zhì)量的必要條件，故對殘積土進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，得到殘積土的最大干密度和最優(yōu)含水率，掌握填料的壓實(shí)特性。

根據(jù)規(guī)范[12]，試驗(yàn)采用重型擊實(shí)儀進(jìn)行，配五種含水率的土樣，密封24 h后進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)。試驗(yàn)采用小擊實(shí)筒，每個試樣分五層進(jìn)行擊實(shí)，每層27擊，單位體積的擊實(shí)功為2 687 kJ，試筒體積為997 cm3。往擊實(shí)筒添加土料之前，在筒內(nèi)壁均勻涂抹一薄層凡士林，是為了避免擊實(shí)筒內(nèi)壁與土體摩擦對試驗(yàn)結(jié)果造成影響。擊實(shí)錘從規(guī)定的高度自由下落，保證擊實(shí)均勻，余土高度嚴(yán)格控制在4 mm范圍內(nèi)，擊實(shí)完成后，削平擊實(shí)筒外的土[13]。試驗(yàn)數(shù)據(jù)根據(jù)公式(2)得到最大干密度和最優(yōu)含水率，然后進(jìn)行第2次擊實(shí)，配制第1次擊實(shí)所得的最優(yōu)含水率的土樣，然后以最優(yōu)含水率左右各升降1%配制土樣，再次進(jìn)行擊實(shí)。試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

(2)

式中：ρd為干密度，g/cm3；ρ為濕密度，g/cm3；ω為含水率。

從圖3中可知，殘積土的最優(yōu)含水率為25.5%，最大干密度為1.61 g/cm3。在開始階段，隨著含水率的增大，土的干密度也隨著逐漸增大，當(dāng)達(dá)到最大含水率時(shí)，土的干密度也達(dá)到了最大值，之后土的干密度隨著含水率的增大而呈現(xiàn)快速降低的趨勢。曲線在最優(yōu)含水率的左側(cè)，上升比較緩慢，右側(cè)迅速下降，呈現(xiàn)不對稱分布，這說明土對含水率的變化有較強(qiáng)的敏感性。在擊實(shí)試驗(yàn)中，當(dāng)含水率較小時(shí)，土體松散，較難壓實(shí)，土顆粒易從擊實(shí)筒中濺出；隨著含水率增大時(shí)，試樣出現(xiàn)“彈簧”現(xiàn)象，也是較難擊實(shí)，并且擊實(shí)過程中筒底底部有水溢出，試樣較難從擊實(shí)筒中取出。由于殘積土的最優(yōu)含水率(25.5%)與其塑限(塑限為37.7%)相差很多，表明擊實(shí)曲線與飽和曲線相差很遠(yuǎn)，并且土樣即使達(dá)到了最大干密度，土的飽和度仍然比較低，孔隙也比較大。

2 玄武巖原狀殘積土的壓縮試驗(yàn)

土的壓縮是指土在外荷載作用下，體積減小，引起土體變形和壓縮。試驗(yàn)通過壓縮試驗(yàn)，測定原狀土樣(棕紅色和黃褐色兩種)的e-p曲線和e-lgp曲線，得出土的壓縮系數(shù)和回彈指數(shù)。

2.1 試驗(yàn)制樣及試驗(yàn)步驟

采用環(huán)刀切取原狀土，環(huán)刀內(nèi)徑為61.8 mm，高度為20 mm，首先用刀將整塊的原狀土修成大于環(huán)刀直徑的柱狀，然后輕輕下壓，等環(huán)刀裝滿之后，用刮刀刮平，在環(huán)刀切削過程中，保證試樣的受壓方向與天然土層受荷方向是相同，并且細(xì)心觀察試樣并記錄其層次、顏色以及有無雜質(zhì)。

按照加載—卸載—再加載的方法進(jìn)行壓縮試驗(yàn)。具體試驗(yàn)步驟如下：

(1) 首先涂抹一層凡士林沿環(huán)刀外壁，然后以刀口方向向下裝入護(hù)環(huán)內(nèi)，同時(shí)在側(cè)限壓縮儀底座由下到上依次放入透水石、濾紙，之后將帶有土樣的環(huán)刀對準(zhǔn)底座放入容器濾紙上，接著環(huán)刀中的試樣進(jìn)行擠壓，取出環(huán)刀，在試樣上面依次放入濾紙、透水石，放入加壓框架正中。

(2) 然后裝上加壓裝置，保證各部件平穩(wěn)，接觸良好，裝好百分表，開始預(yù)加壓，壓力為1 kPa，記錄初始讀數(shù)。

(3) 初始讀數(shù)記錄之后，卸壓，將百分表讀數(shù)調(diào)整為0，開始加第一級荷載25 kPa。試驗(yàn)采用加載比為1∶0.5，初始荷載從25 kPa開始，則加載大小及順序按照表2進(jìn)行。開動秒表，讀取0 s、15 s、1 min、2 min、4 min、6 min、9 min、12 min、16 min、20 min、25 min、30 min、36 min、42 min、49 min、64 min、100 min、200 min、400 min、23 h、24 h……直至穩(wěn)定為止的讀數(shù)，一般穩(wěn)定時(shí)間需要為24 h左右。

表2 壓縮試驗(yàn)的加卸載方式

(4) 在試驗(yàn)中，需要用濕棉紗圍住透水面的四周，避免水分蒸發(fā)[12,14-15]。

試驗(yàn)時(shí)，隨著豎向壓力pi不斷施加，試樣出現(xiàn)不同程度變形，用百分表測出土體穩(wěn)定時(shí)的數(shù)據(jù)根據(jù)式(4)求沉降量Si，這樣按式(5)可求出各級荷載作用下的孔隙比ei。從而繪出e-p曲線和e-lgp曲線，由式(6)和式(7)求得壓縮系數(shù)和回彈模量。

將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，首先計(jì)算試驗(yàn)開始時(shí)的孔隙比：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：e0、e1、e2、ei均為孔隙比，e0為開始孔隙比；e1為p=0.1 MPa荷載下壓縮穩(wěn)定后的孔隙比；e2為孔隙比ei的荷載p=0.2 MPa的孔隙比，ei為某一荷載作用下穩(wěn)定后的孔隙比，計(jì)算至0.01；ρs為土粒的密度，g/cm3；ρ0為開始時(shí)試樣的密度，g/cm3；Si為某一級荷載下的沉降量，mm/m；ΣΔhi為某一級荷載下的總變形量，mm；h0為試驗(yàn)起始高度，mm；a為壓縮系數(shù)，MPa-1；Cc為壓縮指數(shù)；Cs為回彈指數(shù)；p1、p2分別為孔隙比e1、e2所加荷載，kPa。

2.2 玄武巖殘積土e-p曲線和e-lg p曲線結(jié)果分析

根據(jù)玄武巖殘積原狀土的壓縮試驗(yàn)，按式(3)、式(4)、式(5)對數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算后，得到e-p曲線和e-lgp曲線，分別如圖4和圖5所示。

圖4 殘積原狀土e-p曲線

圖5 殘積原狀土e-lg p曲線

由圖4可知，試樣在開始時(shí)，在相同荷載作用下，棕紅色殘積土的孔隙比比黃褐色的孔隙比大，在開始的加載-卸載中，孔隙比下降的較快，卸載后的孔隙比有回彈現(xiàn)象，但是卸載再加載，孔隙比隨著壓力增大出現(xiàn)下降趨勢，并逐漸趨于平緩。紅棕色殘積土的孔隙比與黃褐色下降的幅度相當(dāng)。

從圖5中可看出，兩種土都有明顯拐點(diǎn)，這也說明了土體在壓力增大過程中產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)屈服力。在土的壓縮力低于其屈服力時(shí)，土體呈現(xiàn)自我調(diào)整狀態(tài)，土體比較松散，呈線性變化，土體很快趨于穩(wěn)定；但是當(dāng)壓縮壓力超過土的結(jié)構(gòu)屈服力時(shí)，土體結(jié)構(gòu)逐漸被破壞，土粒間相互作用增大，壓縮到穩(wěn)定的過程也比較緩慢，所以曲線逐漸趨于平緩狀態(tài)。

2.3 壓縮系數(shù)和回彈指數(shù)結(jié)果分析

根據(jù)e-p曲線和e-lgp曲線，其斜率分別是壓縮系數(shù)和回彈指數(shù)，按式(6) 和式(7)求得，得到原狀土的壓縮性指標(biāo)如表3所示。

表3 原狀土樣標(biāo)準(zhǔn)壓縮試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知，黃褐色原狀土的壓縮系數(shù)比紅棕色的大，棕紅色和黃褐色殘積土的壓縮系數(shù)0.1 MPa-1≤a1-2<0.5 MPa-1，均屬于中壓縮性土；而回彈指數(shù)則呈現(xiàn)相反趨勢，棕紅色土較大，說明棕紅色比黃褐色殘積土的回彈大。

由于土的力學(xué)特性是建立在土顆粒組成和結(jié)構(gòu)之上，又與土的狀態(tài)、密實(shí)度密切相關(guān)，壓縮系數(shù)常用來評價(jià)土的壓縮性，壓縮系數(shù)愈大，則土的壓縮性愈高，反之則低，由表可知，黃褐色殘積土的壓縮性比棕紅色的高，且黃褐色殘積土接近高壓縮性土，所以黃褐色殘積土較難壓實(shí)。

2.4 側(cè)限壓縮變形ε-t曲線結(jié)果分析

隨著壓力的增大，其變形也會隨著改變，土體穩(wěn)定變形Si按公式(4)計(jì)算。則兩種原狀土樣天然狀態(tài)的ε-t曲線，如圖6所示。

根據(jù)圖6可知，兩者的應(yīng)變均比較小，且應(yīng)變都在0.1之下棕紅色在連續(xù)兩級加載的變形比黃褐色的大些，同時(shí)也可以看出，隨著時(shí)間的延長，其變形量越大，但是都是在很短的時(shí)間內(nèi)趨于平衡；并且隨著荷載壓力的增大，其變形量逐漸增大。棕紅色殘積土變形量比黃褐色殘積土大的原因，就是由于在剛開始時(shí)，棕紅色殘積土的孔隙比比黃褐色的大些。

圖6 原狀土ε-t曲線

兩者均在壓縮過程中，應(yīng)變曲線在很短的壓縮時(shí)間內(nèi)，由陡變緩，這也表明了其應(yīng)變速率下降的比較快，并且很快趨于平衡。即壓力低時(shí)，應(yīng)變速率變化明顯，但是很快趨于穩(wěn)定，隨著壓力增大，曲線關(guān)系逐漸趨于穩(wěn)定，一般，土體壓縮變形曲線趨勢基本一致，這是因?yàn)橥馏w比較松散，在壓縮時(shí)，只需要克服很小的作用力就會產(chǎn)生滑移，但是很快會趨于平衡，但是土體后期壓縮至穩(wěn)定的過程會相對緩慢些，原因是：隨著壓力增大，土粒間相互作用會變得更大，土體變得越來越密實(shí)。

3 結(jié) 論

(1) 根據(jù)塑性指數(shù)和比重可知，玄武巖殘積土屬于粉質(zhì)黏土，也為細(xì)粒土；玄武巖殘積土的顆粒主要集中于0.005 mm以下的黏粒，黏粒含量達(dá)67.83%，而粉粒0.005 mm

(2) 黃褐色土壓縮系數(shù)較紅棕色大，兩種殘積土均屬于中壓縮性土；而回彈指數(shù)和土體變形量則呈現(xiàn)相反趨勢，棕紅色土比黃褐色殘積土的回彈指數(shù)與變形量大。

通過以上研究，為玄武巖殘積土應(yīng)用于路基中提供參考，也為其進(jìn)一步研究奠定基礎(chǔ)。