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花岗岩残积土刚度各向异性的实验研究：来自中国厦门的案例

作者及机构
该研究由Xinyu Liu（中国科学院武汉岩土力学研究所、中国科学院大学）、Xianwei Zhang（中国科学院武汉岩土力学研究所）、Lingwei Kong（中国科学院武汉岩土力学研究所）、Gang Wang（中国科学院武汉岩土力学研究所、中国科学院大学）和Song Yin（中原工学院）共同完成，发表于Acta Geotechnica（2023年9月4日在线发表）。

学术背景
花岗岩残积土（Granite Residual Soil, GRS）是热带亚热带地区广泛分布的风化产物，其力学行为受母岩特性和风化过程主导，与沉积土存在本质差异。前人研究多关注其抗剪强度或压缩特性，而对其小应变刚度各向异性（stiffness anisotropy）的认识不足。该研究旨在揭示GRS的固有各向异性（inherent anisotropy）和应力诱导各向异性（stress-induced anisotropy）对刚度行为的影响，填补风化土体刚度表征的理论空白。

研究方法与流程
研究分为以下核心步骤：
1. 样本采集与表征
- 研究对象为福建厦门17.5–18.5米深处的饱和GRS，采用块体取样法（block sampling）以减少扰动。通过扫描电镜（SEM）和偏光显微镜观察，发现土体具有非层状结构，含石英粗颗粒、高岭石基质及赤铁矿胶结物，并存在微裂隙。
- 对比组为重构样本（reconstituted specimens），其孔隙比和含水率与天然样本一致，以分离结构效应。

1. 实验设备与测试

   • 弯曲元测试（Bender Element, BE）：在三轴仪中安装三对正交BE，测量各方向剪切波速（vs(vh)、vs(hv)、vs(hh)），计算剪切模量（Gij）。测试覆盖各向同性（p’=25–800 kPa）和各向异性应力路径（σ’h/σ’v=0.4，模拟原位K0条件）。
     
   • 改进型Hardin共振柱试验（Resonant Column, RC）：自主开发可施加各向异性应力的空心圆柱试样（内径2 mm），通过轴向配重实现应力比η=0–1.4的加载，获取刚度退化曲线（G-γ）和阻尼比（D）。
     

2. 数据分析模型

   • 剪切波速与应力状态的关系采用修正公式：
     $$v{s(ij)} = c{ij}f(e)p_r^{-n}(σ’_i × σ’_j)^{n/2}$$
     其中cij为结构常数，反映固有各向异性；n=0.22为应力指数。
     
   • 刚度各向异性程度通过比值（如Ghh/Ghv）量化。

主要结果
1. 固有各向异性特征
- 天然GRS表现出显著刚度各向异性：垂直方向剪切波速vs(vh)最高（92 m/s），水平方向vs(hh)最低（74 m/s），对应Gvh/Ghh≈1.7（p’=200 kPa）。此现象归因于赤铁矿胶结的定向分布和微裂隙优势取向。
- 重构样本的各向异性程度显著降低（Ghh/Ghv≈1.1），证实天然结构的主导作用。

1. 应力路径的影响

   • 各向异性加载下（σ’h/σ’v=0.4），vs(vh)仍保持最高，但当p’>400 kPa（超屈服应力）时，胶结损伤导致结构常数cvh和chv突变，反映竖向荷载对结构的改造。
     
   • RC试验表明，应力比η=1.0为临界值：η<1时刚度受胶结控制，变化平缓；η>1时胶结破坏，刚度敏感度显著提高（如Gmax/1000p’在η=1.4时增加40%）。
     

2. 与同类土体的对比

   • GRS的各向异性程度（Ghh/Ghv≈0.7）低于香港完全分解凝灰岩（CDT, 1.57）和沉积粘土（如伦敦粘土1.5–1.8），因其缺乏沉积层理或母岩叶理结构。
     

结论与价值
1. 理论意义：首次系统量化GRS的刚度各向异性，提出胶结-微裂隙耦合机制解释其独特行为，丰富了风化土力学理论框架。
2. 应用价值：为GRS地基的变形评估提供小应变刚度参数，指导各向异性本构模型开发。例如，设计中需考虑竖向刚度优势及高应力比下的胶结退化风险。

研究亮点
1. 方法创新：开发多向BE测试系统和可施加各向异性应力的RC装置，攻克了风化土体刚度测试的技术难点。
2. 发现创新：揭示GRS“垂直刚度优势”的反常现象，挑战了沉积土水平刚度主导的传统认知。
3. 数据价值：提供首个天然残积土刚度各向异性的完整数据集，包含12组应力路径下的波速-模量对应关系。

其他发现
原位剪切波速（SDMT测得298 m/s）与实验室结果（p’=200 kPa时266 m/s）的高度吻合，验证了取样与测试方法的可靠性。