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以广州地区原状和扰动花岗岩残积粘性土为研究对象,利用常规直剪四联仪、三轴仪以及固结仪,通过室内试验分别对花岗岩残积粘性土强度和变形特性进行研究。测定了广州地区花岗岩残积粘性土的物理力学参数、颗粒组成、矿物成分以及微观结构;分析了不同含水量和固结压力对花岗岩残积粘性土强度的影响,饱和度与孔隙比以及压缩指标的关系;总结了花岗岩残积粘性土的压缩规律;最后通过加、卸荷试验,研究了花岗岩残积粘性土在加、卸荷状态下的抗剪强度变化趋势及影响因素。
通过颗粒分析试验分析可知,花岗岩残积粘性土颗分曲线基本较陡,说明花岗岩残积粘性土的颗粒大小相差不多,土颗粒较均匀,级配不良。花岗岩残积粘性土的颗粒集中分布在小于0.25mm的范围内,并且粉粒含量相对粘粒较多,燕塘站花岗岩残积粘性土粘粒含量最多。
通过X衍射试验得出花岗岩残积粘性土原生矿物主要为石英,其次为长石;次生矿物主要为高岭石,其次为伊利石;矿物中未见亲水性和胀缩性较强的蒙脱石,而高岭石和伊利石亲水性、胀缩性均较弱,故花岗岩残积粘性土的膨胀与收缩性较小。
花岗岩残积粘性土的微观结构主要有架状结构、絮状结构和充填结构三个类型。梅花园站和新造站放大1000倍的SEM照片具有相似的薄片状构造,且含充填物,而燕塘站放大1000倍的SEM照片具有相似的平面结构特征。上述SEM照片皆反映了花岗岩残积粘性土具有较明显的结构特征,且以梅花园站和新造站的花岗岩残积粘性土与以燕塘站为代表微观结构存在一定的差异。因此,微观SEM照片可以从深层次解释广州地区花岗岩残积粘性土工程性质特别的原因。
土体强度是土体工程特性的体现,并与工程实践密切相关。在华南地区花岗岩残积土是基本建设中遇到的主要土体之一,由于厚度较大,故其强度变化与其含水量的变化密切相关。如何从定量的角度建立含水量与粘聚力及土体强度的关系,对于工程设计及土体稳定性预测具有重要的意义。通过直接剪切试验,以含水量为变量,探讨了花岗岩残积粘性土强度随含水量的变化趋势。目前的试验结果表明含水量与花岗岩残积粘性土的粘聚力并非是简单的线性关系。含水量的变化对花岗岩残积粘性土的粘聚力c值有很大影响,对内摩擦角ψ值影响较小。总体来说,随含水量的增加,土体的强度大大降低;含水量与粘聚力的关系并非简单的线性关系,粘聚力随含水量的增加而减小。花岗岩残积枯性土的含水量与其粘聚力之间有较好的函数关系,拟合含水量与粘聚力函数表达式为研究花岗岩残积粘性土抗剪强度提供了数量上的依据;本文中还分析了花岗岩残积粘性土抗剪强度随含水量变化的机理。
通过室内快速固结试验,分析了花岗岩残积粘性土在不同饱和度状态下,孔隙比e与饱和度Sr之间的关系,根据室内试验数据,得出了土体在一定压力下孔隙比与饱和度的关系表达式,即e(Sr,p)=m(100-Sr)+n(p);由此关系式,通过换算得出变形指标(压缩系数av、压缩模量Es)与饱和度Sr的关系式。
单向压缩试验结果分析可知花岗岩残积粘性土的屈服应力随含水量的增大而显著减小。含水量较低时固结变形呈粘弹性,含水量较高时成粘塑性;花岗岩残积粘性土蠕变变形随应力水平的增高而减小;并得出了在轴向压力作用下花岗岩残积粘性土应变与时间的关系式,总结了花岗岩残积粘性土的压缩规律。
通过室内常规不固结不排水三轴试验,可知随着围压(最小主应力σ3)的增大,相同主应力差时土样的应变越大;主应力差随着围压的增大而增大,因为花岗岩残积粘性土在不断增加的轴向应力作用下,会逐渐发生破坏,围压越高在相同轴向压力下,土体的抗剪强度相对越大;从花岗岩残积粘性土应力应变曲线变化特性来看,压力室内的围压越大,试样达到破坏时所需的主应力差(σ1-σ3)越大;花岗岩残积粘性土在不固结不排水的剪切过程中,随着围压的增大,土体达到破坏时的轴向应变越小;花岗岩残积粘性土发生破坏的形式主要有两种:一是破坏时试样呈鼓形,二是沿剪切面发生破坏;随含水量的增加,花岗岩残积粘性土的粘聚力Cu减小,并与含水量呈非线性关系。
最后通过加、卸荷试验,研究了花岗岩残积粘性土在加、卸荷条件下的抗剪强度变化及其影响因素。总体而言,花岗岩残积粘性土加、卸荷抗剪强度差值随含水量的增加而减小;土体的应力历史对其强度指标影响较大,由于土体卸荷路径不同,卸荷后花岗岩残积粘性土的负孔隙水压力消散程度有差别,土体的强度也随之不同,故花岗岩残积粘性土的卸荷强度理论要比加荷土体复杂;通过工程算例分析对比了分别利用加、卸荷抗剪强度指标计算基坑墙前土压力的差别,得出在基坑开挖等卸荷工程项目中,我们应充分考虑卸荷对土体强度的影响,在工程设计中,采用花岗岩残积粘性土卸荷抗剪强度指标更符合工程实际。