全风化花岗岩的结构性及压缩性试验研究
2022-06-08
花岗岩类岩石是大陆上分布最广泛的岩石之一,是构成陆壳的基础。在陆壳形成过程中,花岗岩占十分重要的地位,花岗岩在我国东部沿海、东南部、海南省分布十分广泛,其地表出露面积约占这些地区总面积的五分之一。全风化花岗岩天然孔隙比差异性较大,此类土具有灰黄色、褐黄色、灰褐色夹灰白色物斑点,风化呈硬塑～坚硬土状、砂土状,有些呈硬塑偏软塑土状,结构松散,含水量较高,呈现黏土状,土样的粗细颗粒的差异比较大。地下孔隙水位埋藏较浅,在沟槽地段一般在0.5～3.0m,主要受大气降水和地表水补给,水位随季节动态变化较明显。全风化岩"似土非岩",其性质与原岩完全不同,但与一般沉积土体亦有很大差别。为能够准确把握其压缩特性及分析这些特性物理量间的关系,对深圳地铁5号线全风化花岗岩饱和地基土进行一维固结压缩试验,研究其应力与孔隙比减少量和应力-应变-时间之间关系。
1、全风化花岗岩研究现状
全风化花岗岩是花岗岩体在物理化学及生物等风化营力作用下,使其结构、成分性质等产生了不同程度变异的岩石。其矿物成分与原岩相比虽有本质的改变,但多保留在原位并具有它的原始性状,其原生矿物主要有石英、长石、云母等,原体矿物的晶体形状、硬度和力学强度不同,构成的砂粒形状有明显差别,不同大小、不同形状砂粒组成的砂土含有的孔隙大小和孔隙率显然也不相同。风化花岗岩的工程特性不仅与其母岩花岗岩而且与其受到的风化作用有关,因此,不同地区的风化花岗岩的工程性质存在较大差异,其土体的均一性差、结构性强(包括抗剪强度、压缩性、透水性、毛细性等的差异)。全风化花岗岩具有"似土非岩"的性质,其性质与原岩完全不同,但与一般沉积土体亦有很大差别。以往及当前对花岗岩全风化的研究主要集中在以下几个方面:全风化花岗岩的分类研究;全风化花岗岩的物理力学特性研究;作为建筑物持力层的研究;全风化花岗岩边坡治理方面的研究;全风化花岗岩作为填料的试验研究。
2、全风化花岗岩受扰动的结构特性
在静荷载作用下,全风化花岗岩石结构各层的应力、变形和基层底面的拉应变与荷载呈线性关系,且全风化花岗岩石和基层的回弹模量越小,应力和变形越大。在动荷载作用下,全风化花岗岩石结构各层的最大动应力、回弹变形以及基层底面的拉应变与荷载值呈线性关系,且全风化花岗岩石和基层的回弹模量越小,动应力越大。当静荷载与动荷载的峰值相同时,动荷载作用下全风化花岗岩石结构各层的应力、变形与底基层底面的拉应变均大于静荷载作用下的应力、变形和拉应变。随着全风化花岗岩石模量增加,全风化花岗岩石结构的动态性能和受力状态得到改善,道路使用寿命提高。在相同荷载重复作用下,全风化花岗岩石各结构层的累积残余变形与所承受的动荷载的峰值成幂数关系。试验结果表明,全风化花岗岩不适宜直接用作全风化花岗岩石路床的填料。铺设土工格室之后,全风化花岗岩石的回弹模量较未铺设土工格室的情况增加了将近50%,可改善全风化花岗岩全风化花岗岩石结构的动态性能,并保持全风化花岗岩石结构的稳定。全风化花岗岩石能够承受的动应力明显提高,在重复荷载作用下的累积残余变形降低,可降低40%,而达到极限拉应变的重复次数增加了84%。全风化花岗岩经过水泥稳定处理后填筑为全风化花岗岩石,全风化花岗岩石的回弹模量提高了约1倍,全风化花岗岩石的动应力减少,累积变形明显降低,底基层拉应变为减少,全风化花岗岩石基层的寿命增长了1.63倍。水泥稳定全风化花岗岩适用于各种大型底基层的使用。
3、全风化花岗岩取样的方法及试验
全风化花岗岩的主要矿物成分是石英和高岭石,胶结物主要为游离氧化物,含量较多,土体的活动性较低。风化过程中大部分盐份和部分黏土矿物淋失,淋失率高,粒度组成呈"两头多、中间少"的分布特征,土中的大、中孔隙比较发育,孔隙比大。细颗粒部分具有较好的塑性,粗颗粒部分为花岗岩风化碎屑,强度很低,极易压碎成为砂粒。由于花岗岩残积土含有大量的粗砂和砾粒,加上孔隙比大,因此钻探取样至试验操作过程中极易被扰动,引起土的微结构破坏(取样冲击、应力卸荷、失水干缩、运输搬运振动、试样制作),结构强度降低。从而导致室内试验测得的全风化花岗岩的物理力学参数偏低。
对全风化花岗岩取样时，先削整土样,再用环刀切取其核心作为取样。分别测其质量及含水量,再将土样采用抽真空方法进行饱和,真空压力为1个标准大气压,浸水饱和10h以上。考虑到在整个试验过程中有可能产生较大水分蒸发,因此在试验过程中固结容器用薄膜塑料袋密封[3]。由于目前还没有专门针对全风化岩的的一维固结压缩试验标准,考虑到全风化花岗岩的特殊性,逐级加载设定为25kPa、50kPa、100kPa、200kPa、400kPa、600kPa;为了满足试验研究的要求,取样高度变化的读取按第6s;第15s;以后每间隔15s读数一次,直至15min后;再间隔1min读数一次,直至60min;以后按64min、100min、200min、400min、23h、24h测读。试验其他要求严格按照《铁路工程土工试验规程》(JB10102-2004)、《土工试验方法标准》(GBT50123-1999)试验方法进行固结试验。
试验包括,静力触探试验、平板载荷试验、标准贯入试验、旁压试验。通过进行一系列现场试验,判定土层类别,查明软、硬夹层及土层在水平和垂直方向的均匀性;评价地基土的工程特性(容许承载力、压缩性质、不排水抗剪强度、砂土密实度等);探寻和确定桩基持力层,预估打入桩沉桩可能性和单桩承载力;推断各类土的抗剪强度,估算粘性土的变形模量以及评价砂土的振动液化性质等);确定基岩面或碎石类土层的埋藏深度;确定全风化花岗岩地基土的容许承载力。以期能够对此类土在在荷载作用下的沉降变形特性有较深入的理解,为设计提供必要的参数。
1、全风化花岗岩研究现状
全风化花岗岩是花岗岩体在物理化学及生物等风化营力作用下,使其结构、成分性质等产生了不同程度变异的岩石。其矿物成分与原岩相比虽有本质的改变,但多保留在原位并具有它的原始性状,其原生矿物主要有石英、长石、云母等,原体矿物的晶体形状、硬度和力学强度不同,构成的砂粒形状有明显差别,不同大小、不同形状砂粒组成的砂土含有的孔隙大小和孔隙率显然也不相同。风化花岗岩的工程特性不仅与其母岩花岗岩而且与其受到的风化作用有关,因此,不同地区的风化花岗岩的工程性质存在较大差异,其土体的均一性差、结构性强(包括抗剪强度、压缩性、透水性、毛细性等的差异)。全风化花岗岩具有"似土非岩"的性质,其性质与原岩完全不同,但与一般沉积土体亦有很大差别。以往及当前对花岗岩全风化的研究主要集中在以下几个方面:全风化花岗岩的分类研究;全风化花岗岩的物理力学特性研究;作为建筑物持力层的研究;全风化花岗岩边坡治理方面的研究;全风化花岗岩作为填料的试验研究。
2、全风化花岗岩受扰动的结构特性
在静荷载作用下,全风化花岗岩石结构各层的应力、变形和基层底面的拉应变与荷载呈线性关系,且全风化花岗岩石和基层的回弹模量越小,应力和变形越大。在动荷载作用下,全风化花岗岩石结构各层的最大动应力、回弹变形以及基层底面的拉应变与荷载值呈线性关系,且全风化花岗岩石和基层的回弹模量越小,动应力越大。当静荷载与动荷载的峰值相同时,动荷载作用下全风化花岗岩石结构各层的应力、变形与底基层底面的拉应变均大于静荷载作用下的应力、变形和拉应变。随着全风化花岗岩石模量增加,全风化花岗岩石结构的动态性能和受力状态得到改善,道路使用寿命提高。在相同荷载重复作用下,全风化花岗岩石各结构层的累积残余变形与所承受的动荷载的峰值成幂数关系。试验结果表明,全风化花岗岩不适宜直接用作全风化花岗岩石路床的填料。铺设土工格室之后,全风化花岗岩石的回弹模量较未铺设土工格室的情况增加了将近50%,可改善全风化花岗岩全风化花岗岩石结构的动态性能,并保持全风化花岗岩石结构的稳定。全风化花岗岩石能够承受的动应力明显提高,在重复荷载作用下的累积残余变形降低,可降低40%,而达到极限拉应变的重复次数增加了84%。全风化花岗岩经过水泥稳定处理后填筑为全风化花岗岩石,全风化花岗岩石的回弹模量提高了约1倍,全风化花岗岩石的动应力减少,累积变形明显降低,底基层拉应变为减少,全风化花岗岩石基层的寿命增长了1.63倍。水泥稳定全风化花岗岩适用于各种大型底基层的使用。
3、全风化花岗岩取样的方法及试验
全风化花岗岩的主要矿物成分是石英和高岭石,胶结物主要为游离氧化物,含量较多,土体的活动性较低。风化过程中大部分盐份和部分黏土矿物淋失,淋失率高,粒度组成呈"两头多、中间少"的分布特征,土中的大、中孔隙比较发育,孔隙比大。细颗粒部分具有较好的塑性,粗颗粒部分为花岗岩风化碎屑,强度很低,极易压碎成为砂粒。由于花岗岩残积土含有大量的粗砂和砾粒,加上孔隙比大,因此钻探取样至试验操作过程中极易被扰动,引起土的微结构破坏(取样冲击、应力卸荷、失水干缩、运输搬运振动、试样制作),结构强度降低。从而导致室内试验测得的全风化花岗岩的物理力学参数偏低。
对全风化花岗岩取样时，先削整土样,再用环刀切取其核心作为取样。分别测其质量及含水量,再将土样采用抽真空方法进行饱和,真空压力为1个标准大气压,浸水饱和10h以上。考虑到在整个试验过程中有可能产生较大水分蒸发,因此在试验过程中固结容器用薄膜塑料袋密封[3]。由于目前还没有专门针对全风化岩的的一维固结压缩试验标准,考虑到全风化花岗岩的特殊性,逐级加载设定为25kPa、50kPa、100kPa、200kPa、400kPa、600kPa;为了满足试验研究的要求,取样高度变化的读取按第6s;第15s;以后每间隔15s读数一次,直至15min后;再间隔1min读数一次,直至60min;以后按64min、100min、200min、400min、23h、24h测读。试验其他要求严格按照《铁路工程土工试验规程》(JB10102-2004)、《土工试验方法标准》(GBT50123-1999)试验方法进行固结试验。
试验包括,静力触探试验、平板载荷试验、标准贯入试验、旁压试验。通过进行一系列现场试验,判定土层类别,查明软、硬夹层及土层在水平和垂直方向的均匀性;评价地基土的工程特性(容许承载力、压缩性质、不排水抗剪强度、砂土密实度等);探寻和确定桩基持力层,预估打入桩沉桩可能性和单桩承载力;推断各类土的抗剪强度,估算粘性土的变形模量以及评价砂土的振动液化性质等);确定基岩面或碎石类土层的埋藏深度;确定全风化花岗岩地基土的容许承载力。以期能够对此类土在在荷载作用下的沉降变形特性有较深入的理解,为设计提供必要的参数。