南岳地区花岗岩残积土微观特性及崩解机理研究

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湖南、福建、广东等地区广泛分布着花岗岩残积土。花岗岩残积土是花岗岩风化的最终产物,其土体遇水易发生崩解、均一性较差。随着工程建设进程速度加快,花岗岩残积土特殊性质在实际工程逐渐暴露出来,如何解决花岗岩残积土在隧道与边坡开挖中遇水崩解,以及花岗岩残积土作为地基填料遇水崩解问题成为工程建设中的重要问题之一。本文结合室内试验与理论研究分析了花岗岩残积土的物理特性、微观特性、崩解机理以及分形机制。本文以南岳地区花岗岩残积土为研究对象,用环刀采集原状土样以及用铁锹采集扰动土样。通过筛分试验、塑液限联合测定试验以及击实试验,测定花岗岩残积土的颗粒级配、塑限、液限、最佳含水率与最大干密度等物理参数。通过筛分试验可知,残积土颗粒粒径整体上基本呈现“两头多中间少”的特征。结合筛分试验与塑液限联合测定试验研究结果,将南岳地区花岗岩残积土定义为砂质粘土。岩土的微观特性在很大程度上影响其工程性质,特别是土体的软化崩解性、膨胀性以及渗透性等。文中采用扫描电子显微镜对原状花岗岩残积土微观结构进行观察,从低倍到高倍拍摄中,其微观结构依次呈现团粒状、块状、板条状、片状、层状,孔隙、裂隙发育,结构松散。通过XRD试验测出的物相分析得出残积土中主要矿物成分为高岭石、珍珠陶土、斜长石、水钠锰矿、埃洛石、石英、地开石、蛇纹石及硫酸镁等。采用改进的大型花岗岩残积土崩解仪,对花岗岩残积土重塑试样进行室内崩解试验研究。基于改进的初始读数方法,探讨该地区花岗岩残积土不同含水率不同压实度重塑试样的崩解特性。对崩解时间、崩解率、崩解速率、各阶段崩解时间比等因素进行对比分析得出:试样含水率越高、压实度越大,其崩解率越小,崩解时间长,最大崩解速率峰值越小,且出现时间晚;试样崩解残余物呈圆锥状,圆锥体的高度与底角度数随含水率与压实度的增加而变大。自行设计六棱柱与长方体打样器,制备六棱柱与长方体试样,结合圆柱体试样进行崩解试验。探讨不同形状不同压实度下重塑试样崩解性。试验研究结果表明:试样崩解前期,棱角角度越小,崩解率越大,崩解时间越短,最大崩解速率峰值越大,峰值出现时间越早;试样崩解后期,形状对其崩解的影响较小。制备不同临空面数重塑试样进行崩解试验。研究表明:减少花岗岩残积土的临空面,可以有效减少其与水接触面积,减低其崩解速度,延长其崩解时间。对不同含水率不同压实度的花岗岩残积土重塑试样的平行试样进行SEM试验。结合崩解试验与电镜扫描试验,探讨花岗岩残积土崩解的机理为:试样中的具有遇水膨胀的高岭石族矿物与试样中的孔隙裂隙是残积土崩解的主要因素。最后,依据分形理论中的分数布朗运动模型建立花岗岩残积土重塑试样崩解速率分形模型,确定其崩解速率分形维数在1.44~1.66之间,且其分形维数会随试样含水率的增加而变大。
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