全風(fēng)化花崗巖抗剪強(qiáng)度的凝聚力c、內(nèi)摩擦角的研究

全風(fēng)化花崗巖抗剪強(qiáng)度的凝聚力c、內(nèi)摩擦角的研究

1全風(fēng)化火山巖的原巖礦物性質(zhì)受氣候、礦物、結(jié)構(gòu)、裂縫和生物因素的影響，巖石物理風(fēng)化、化學(xué)風(fēng)化和生物風(fēng)化。然而，不同巖石在不同因素組合下所表現(xiàn)出的風(fēng)化程度會(huì)有很大的差異，造成其工程性質(zhì)迥然不同。全風(fēng)化花崗巖是花崗巖體在各種風(fēng)化作用下而形成的產(chǎn)物，其礦物成分與原巖相比雖有本質(zhì)的改變，但多保留在原位并具有它的原始性狀，其中不易風(fēng)化的石英顆粒更是如此。所以，全風(fēng)化花崗巖仍保持其原巖粒狀結(jié)構(gòu)，具有相當(dāng)高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，外表看起來很像巖石抗剪強(qiáng)度指標(biāo)中c，?反映了土體抗剪切破壞的極限能力，?值是由于土粒之間的滑動(dòng)摩擦以及凹凸面間的鑲嵌作用所產(chǎn)生的摩阻力的摩擦角，其大小取決于土粒表面的粗糙度、密實(shí)度、土顆粒大小以及顆粒級配等因素；而c值是土顆粒之間的膠結(jié)作用和靜電引力效應(yīng)等因素引起的2試驗(yàn)與研究2.1樣品結(jié)構(gòu)面的分析本試驗(yàn)所用原狀樣取自九龍觀塘(KwunTung，代號為KT)和石硤尾(ShekKipMei，代號為SKM1和SKM2)兩處人工邊坡頂部3個(gè)探坑，坑體寬和深均為2～3m。石峽尾邊坡出露的巖石為紅褐色中粗粒半自形黑云花崗巖，SKM2探坑中見陡接觸蝕變帶。全風(fēng)化土體中有殘留的緩傾原生冷凝面、中等傾斜剪節(jié)理。前者呈灰黑色條帶，后者呈褐黃色條斑結(jié)構(gòu)。樣品開挖容易，風(fēng)干后成散土狀。觀塘所采為褐黃色細(xì)粒全風(fēng)化花崗巖，夾有粗大鉀長石斑晶條塊。探坑中有1組剪節(jié)理和1組張節(jié)理。樣品較硬，切削不易，且易沿著陡傾節(jié)理面張開，風(fēng)化程度較低。原狀樣的基本物理指標(biāo)、礦物成分、化學(xué)成分見表1。由于樣品結(jié)構(gòu)疏松，結(jié)構(gòu)面縱橫交錯(cuò)，制樣較困難，故不能照常規(guī)方法制樣。根據(jù)樣品結(jié)構(gòu)面分布情況，選擇出適合切取三軸樣品的部位，這些部位要盡可能地避開一些較大的結(jié)構(gòu)面，從這些部位分別削出略大于所需三軸樣品尺寸柱，由于樣品比較堅(jiān)硬，切土器的上下2個(gè)固定盤上針很難刺入土中，因此需事先在2個(gè)固定盤上墊上厚約1cm的粘土塊，由粘土塊起固定作用；試樣固定好后，小心的削成直徑為61.8mm，高為125mm的圓柱樣。2.2飽和效率的測定三軸試驗(yàn)類型為固結(jié)不排水剪（CU）。由于試樣為非飽和且顆粒較粗，采用如下方法進(jìn)行飽和。首先抽1h的真空，真空壓力為1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，放入飽和缸內(nèi)浸水飽和12h以上，后從飽和缸內(nèi)取出放入三軸儀上的壓力室內(nèi)。由于孔隙較大，仍會(huì)有部分水分從樣品中流失，故還應(yīng)在壓力室內(nèi)進(jìn)行了水頭飽和。飽和水頭以土樣頂端出水而土樣外部細(xì)顆粒部被沖走為原則，隨土樣不同而有所調(diào)整，平均水頭面至試樣中部約40cm左右，其飽和程度是否滿足要求，以施加圍壓力后孔隙壓力達(dá)95%以上為準(zhǔn)。固結(jié)壓力為100～500kPa。3試驗(yàn)結(jié)果3.1電壓適應(yīng)鍵試驗(yàn)得出了每個(gè)試樣的偏應(yīng)力(σ3.2風(fēng)化處理的c值的穩(wěn)定性表2列出了各強(qiáng)度指標(biāo)。結(jié)果表明，全風(fēng)化花崗巖的c值的離散性較大，難以看出規(guī)律性，而?值的結(jié)果均一性較好，同一探坑中每個(gè)樣品的結(jié)果比較接近。4討論4.1抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的分析方法不同強(qiáng)度的土體有不同的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，變形起因于應(yīng)力水平的變化（外因），其大小和發(fā)展特征又取決于巖土的微結(jié)構(gòu)，而破壞則是變形發(fā)展的結(jié)果，亦必取決于應(yīng)力水平和微結(jié)構(gòu)。因此，變形與強(qiáng)度同受微結(jié)構(gòu)所控制，這就是強(qiáng)度與變形關(guān)系的實(shí)質(zhì)在偏光顯微鏡下對各樣品進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn)，所有樣品基本是由石英、鉀長石、斜長石和黑云母組成；次生礦物為絹云母、鉀長石和粘土礦物。不同樣品的礦物含量、粒度和晶體形態(tài)不同；所有樣品都有大量裂隙，但裂隙的等級及張開程度不同。裂隙的來源有2種，一是原生的，是在成巖階段形成的；另一種是風(fēng)化形成的，不亦區(qū)分。按照裂隙的填充物，張開裂隙可以有3類：(1)填充物是次生鉀長石，這種填充物的膠結(jié)作用能使巖石的強(qiáng)度增強(qiáng)；(2)填充物是粘粒，風(fēng)化產(chǎn)物；(3)無填充。3個(gè)探坑中巖體的微結(jié)構(gòu)存在較大的差別，主要表現(xiàn)為SKM裂隙更多、更大、更長。KT的主要是環(huán)繞晶體分布，而且很小。SKM的裂隙填充物主要是粘土，KT的裂隙填充物包括次生鉀長石和粘土，多數(shù)是次生鉀長石。對于三軸試驗(yàn)而言，土體的破壞總是沿著強(qiáng)度最軟弱結(jié)構(gòu)面逐步發(fā)展起來的由于全風(fēng)化巖的裂隙多為風(fēng)化成因的，產(chǎn)狀由于受地形及原生結(jié)構(gòu)面的控制沒有規(guī)律性，分布上常呈不連續(xù)狀，延續(xù)性差?？辜魪?qiáng)度指標(biāo)中的c值實(shí)際上是土的內(nèi)力，它主要取決于裂隙的多寡、裂隙的等級、裂隙的性質(zhì)及其充填物的厚度、礦物成分、顆粒成分、化學(xué)成分和水理性。而以上這些因素在風(fēng)化巖體內(nèi)存在明顯的各向異性，只是具備一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律4.2全風(fēng)化砂巖顆粒間、粘土性質(zhì)及相關(guān)系數(shù)對比對花崗巖風(fēng)化而成的砂類土，顆粒粒度大，石英顆粒含量一般可達(dá)30%～60%，長石顆粒含量也很大，其抗剪強(qiáng)度既有粘性土的特點(diǎn)(c值較高)，又有砂土的特點(diǎn)（φ角很大）。筆者將土的?值與顆粒成分特征值及石英與長石總含量2個(gè)指標(biāo)進(jìn)行回歸分析，選用大于0.5mm的含量作為顆粒成分特征值時(shí)發(fā)現(xiàn)，（1）大于2mm顆粒含量僅反映了粗?；◢弾r風(fēng)化而成的殘積土的石英顆粒含量，而無法反映長石成分粗顆粒含量及細(xì)?；◢弾r的石英含量。（2）純凈砂土的內(nèi)摩擦角同粒徑的關(guān)系在大于0.5mm處有突變式中W圖1為內(nèi)摩擦角試驗(yàn)值與回歸分析值對比曲線?？梢钥闯?，試驗(yàn)值與回歸值非常接近，?值同顆粒成分特征值及石英與長石總含量2個(gè)指標(biāo)之間存在著很好的相關(guān)性，大于0.5mm的顆粒含量和石英與長石總含量對φ值起決定性的作用。筆者對c值同顆粒成分、粘土礦物含量以及游離氧化物等因素及其組合均也進(jìn)行了回歸分析，但結(jié)果很差，相關(guān)系數(shù)R均小于0.5，這說明了粘聚力影響因素的復(fù)雜性。全風(fēng)化花崗巖顆粒間的粘聚力性質(zhì)很復(fù)雜，花崗巖的強(qiáng)度可以用一種力即晶體間的離子力來解釋，而全風(fēng)化花崗巖顆粒間的粘聚力僅僅想用某一種力的影響來解釋是不可能的。它的凝聚力除了保持原母巖留下的部分原始凝聚力以外，更重要的是長石和云母等礦物完全風(fēng)化后，各種化學(xué)物質(zhì)從孔隙水中析出的沉淀物質(zhì)起了一種天然膠結(jié)作用，這就是固化凝聚力。因此，粘聚力的大小，不僅是由它的各種物質(zhì)成分的多寡決定的，更是由這些成分之間的相互作用決定的，這種影響因素的復(fù)雜性決定了其試驗(yàn)結(jié)果的離散性。4.3應(yīng)力差的峰值求強(qiáng)度巖土變形的全過程是一個(gè)從量變到質(zhì)變的過程，可以說變形的發(fā)展導(dǎo)致強(qiáng)度的變化。研究表明，巖土體的抗剪強(qiáng)度是應(yīng)變量的函數(shù)通常所說的強(qiáng)度，實(shí)際上指的是土體在極限情況下粘聚力及摩擦力所發(fā)揮的最大值，但對這2個(gè)力的影響因素是不同的，那么這2個(gè)力分是否同步呢？或者說是否同時(shí)達(dá)到最大值？可用如下方法考察抗剪強(qiáng)度隨應(yīng)變的發(fā)揮情況。如圖2所示，σ運(yùn)用上述方法，可分析香港全風(fēng)化花崗巖的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與應(yīng)變間的關(guān)系。圖3為樣品KT04所發(fā)揮出來的c和?與應(yīng)變的關(guān)系（其余各樣品與此類似）。由此圖可以看出，c值隨軸向應(yīng)變的增加而迅速增加，并在軸向應(yīng)變較小時(shí)就達(dá)到了極大值，而在達(dá)到最大值以后，逐步降低，并有可能降低到0；而內(nèi)摩擦角（或摩擦力σtan?）則是隨軸向應(yīng)變的增加而緩慢增加，并在軸向應(yīng)變相當(dāng)大時(shí)才達(dá)到了最大值。計(jì)算結(jié)果顯示（表3）,c值達(dá)到峰值，所需應(yīng)變?yōu)?.85%～5.97%；而?值達(dá)到峰值，所需應(yīng)變?yōu)?.8%～15.06%。而在應(yīng)力差的峰值求強(qiáng)度指標(biāo)時(shí)，其峰值時(shí)的應(yīng)變范圍為5.24～15.09，可以看出抗剪強(qiáng)度的2個(gè)力的發(fā)揮程度在隨應(yīng)變發(fā)展的過程中并不同步，粘聚力發(fā)揮得很快，在小于5%時(shí)就達(dá)到其最大值，之后降低；而內(nèi)摩擦角達(dá)到峰值所需應(yīng)變大于7.8%，計(jì)算中土體的抗剪強(qiáng)度是以應(yīng)力差的峰值求強(qiáng)度指標(biāo)的，實(shí)際上是以c和?的一個(gè)最佳組合來表示的，此時(shí)的應(yīng)變接近于?值的發(fā)揮達(dá)到峰值時(shí)的應(yīng)變，卻遠(yuǎn)大于c值達(dá)到峰值所需應(yīng)變。這至少可以說明2個(gè)問題：(1)內(nèi)摩擦角在全風(fēng)化花崗巖的強(qiáng)度中占的比重更大；(2)可以解釋為什么試驗(yàn)結(jié)果的c值離散性大，這是因?yàn)閏值在達(dá)到最大值以后逐步降低，并有可能降低到0，相對于實(shí)際計(jì)算強(qiáng)度時(shí)所選取的應(yīng)變，對c值的發(fā)揮而言，并不是處于一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，而是具有很大的偶然性。5結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)控制通過以上分析可以