本文是一篇岩土工程论文，本研究主要研究目标为东南地区花岗岩残积土和风化花岗岩的工程力学特性，两者作为花岗岩风化壳的重要组成部分，通过常规的物性试验、XRD和XRF化学分析试验、常规三轴试验、单轴压缩试验和DEM模拟，分别研究了花岗岩残积土和风化花岗岩的宏微观力学特性。
第1章 绪论
1.1 选题背景与研究意义
花岗岩作为一种侵入岩浆岩，由于早中生代的构造事件和晚中生代规模庞大的花岗质岩浆活动，使得在东南地区形成了巨量的花岗岩[1]，在福建、江西、广东三省中均有大量的花岗岩出露[2]。但由于东南地区地处北回归线附近和东北信风带，常年的大量雨水、阳光照射导致的局部温差和东北季风等，使得华南地区物理和化学风化效果显著。出露的花岗岩在长期强烈的风化作用下，风化层从岩石的表面并顺着岩石节理逐步深入，导致在东南地区形成了广泛分布而深厚的花岗岩风化壳。
风化壳主要由花岗岩残积土和风化花岗岩所组成。其中，花岗岩残积土是风化壳顶部岩石经过风化作用后原岩结构基本消失而残留堆积在原位的土层，其具有孔隙比大、粗颗粒占比大等特点。在长期的风化作用下，其物理和力学性质早已同新鲜花岗岩大相径庭，其在遇水饱和状态下强度会迅速降低软化，甚至出现崩解。随着东南地区经济的高速发展，不可避免的需要在花岗岩风化壳上开展广泛的工程建设以满足日益增长的经济需求，需要将大量的设施和人民安置在风化壳上。然而，由于东南地区处于亚热带湿润季风气候区，常年深受暴雨和台风的侵害，且降雨量极为不平均，雨季期间占全年总降雨量的70%以上[3][4]。集中的降雨与台风诱发了大量位于花岗岩风化壳上的地质灾害。
1.2 国内外研究现状
国内学者对于花岗岩残积土的研究工作主要始于上世纪80年代，在当时，花岗岩残积土并未作为单独的一种特殊土（类土质）进行研究，而是将其视为红土或作为红土的一种分支进行研究[6][7]，一直到90年代花岗岩残积土才逐渐作为一种具有特殊工程特性的特殊土进行研究。刘明俊[8]（ 1985）指出由于花岗岩残积土的工程性质，室内的土工试验方法和规范不适用于花岗岩残积土，应当使用原位测试来确定其物理和力学性质。程昌炳等[9]（ 1986）通过观察花岗岩残积土的微结构和强度分析探索花岗岩残积土力学性能的影响因素。任国林等[10]（1990）通过研究花岗岩残积土的静力载荷试验、旁压试验和标准贯入试验数据，并开展相关性分析，以此来确定花岗岩残积土的地基承载力。王清等[11]（1991）将长春至湛江的14个地区的花岗岩残积土做了系统深入的研究，从粒度成分、矿物成分、微结构等特征对14个地区的花岗岩残积土进行比较和分析并总结之间的差异。张永波等[12]（ 1997）提出了通过粗颗粒百分含量进行花岗岩残积土分类的方法，并将花岗岩残积土划分为残积性黏土、残积砂质粘性土和残积砂砾质土三种。从这一段时期可以看出，随着国内对花岗岩残积土的研究逐渐深入，发现花岗岩残积土同一般红土十分不同的工程特性，并开始系统的利用力学和物理试验解决一部分实际问题。
进入21世纪，由于东南沿海一带经济的腾飞，带动了东南沿海地区的工程建设，花岗岩残积土所产生的工程问题越来越得到重视，对于花岗岩残积土的研究迎来了第一波高峰。曲永新等[13]（ 2000）通过将香港与华南沿海地区的红土和花岗岩残积土的指标进行比较，探讨了香港花岗岩残积土不发育的原因和其工程性质。尚彦军等[14]（2004）通过对香港九龙两处51件全风化花岗岩试样进行压汞测试、颗粒分析和X射线衍射等微观结构特征分析，借助多因素关系矩阵法对3方面共9个指标作了相关性分析，为花岗岩残积土的微观结构及分类提供依据，并为其微观力学研究提供基础材料。赵建军等[15][16]（ 2005）通过对全风化花岗岩进行三轴试验和慢剪试验，探寻其在位移中所反映的力学性质和其微构结构与强度之间的关系，并探究摩擦角和粘聚力与应变之间的关系。
第2章 花岗岩风化壳基本物理与化学性质
2.1 引言
本研究中所使用的土样采自福建省龙岩市武平县十方镇中和村的一处滑坡的坡脚处，坐标为：25°01′09.5′′N, 116°09′20.7′′E，滑坡高33m，宽44m，滑坡脚到伸展边缘距离29m，坡脚到滑动面立面的距离为27m。根据当地居民的描述与新闻报导，滑坡发生于2022年5月26日晚，武平县出现集中强降雨天气，其中十方镇的24小时降雨量达到了221.3毫米，过程雨量、小时雨量均超历史极值，滑坡导致一处厂房被毁并形成了堰塞湖，给当地带来了巨大的经济损失。
初步分析滑坡发生的原因可能为：武平县为低山丘陵地区，其表面土层主要为燕山期花岗岩和花岗岩风化层组成，在经历了短时间的强降雨后，风化层中的花岗岩残积土迅速达到饱和，抗剪强度降低，可以视作不排水条件，受到自重和上层土压力的作用，在与风化花岗岩交界处发生软化并形成软弱夹层，从而导致土体发生滑坡。
在采集代表性土样前，先将上部覆盖的腐泥质刮开，并向下开挖30cm再进行土样采集，所采集土样为红褐色，有砂感，可以看到明显的砂粒，略湿，具有塑性，采集完成后用样品袋、轧带、塑封膜和透明胶带进行打包密封。并依据《土工试验方法标准》（GB/T50123-2019，以下简称《规范》）对采集的花岗岩残积土土样进行含水率试验、密度试验、比重试验、颗粒分析试验和界限含水率试验，从而了解花岗岩残积土基础物理，是后续力学试验和模型拟合的基础。
2.2 基本物理性质的测定
2.2.1 含水率试验
含水率试验作为基本土工试验之一，对于从野外采集的土样可以通过此试验得到土样的自然含水率，并为后续自然干密度等指标的测量，甚至是为三轴试样的制备提供参考依据。
2.2.2 颗粒分析试验
土作为一种颗粒散体材料，其固相与骨架是由多种粒径的颗粒所组成，不同粒径的颗粒之间的比例关系和分布情况会极大的影响土的力学和物理性质。因此，通过颗粒分析试验测定土样的粒径分布是十分重要且基础的试验。同时，花岗岩残积土作为由花岗岩风化形成的特殊土，其风化水平的高低直接影响了残积土的粒径分布，一般来说，风化水平越高，花岗岩残积土的平均粒径就越小。
原岩的特性也会对粒径产生影响，花岗岩主要由长石、云母和石英这三大矿物组成，长石一般是最先风化，在粒径上其风化产物也更容易变为粉粒和胶粒；其次是云母（主要为黑云母，白云母含量一般相对较低）；但石英由于其化学成分几乎都是二氧化硅（SiO2），造就石英坚硬且化学性质稳定的特性，难以被化学风化。因此，当原岩的石英含量更大时，在同样的风化条件下，其风化产生的花岗岩残积土平均粒径会比石英含量更低的要更大。
第3章 花岗岩残积土力学行为响应...................... 22
3.1引言............................ 22
3.2花岗岩残积土常规三轴试验............................. 22
第4章 风化花岗岩单轴力学特性............................. 47
4.1 引言............................. 47
4.2风化花岗岩单轴压缩试验............................ 47
第5章 DEM数值分析风化花岗岩研究 ..................... 54
5.1 引言.................. 54
5.1.1 DEM与PFC的介绍...................... 54
5.1.2 组构张量和各向异性指标𝐽𝐽2 .............. 56
第5章 DEM数值分析风化花岗岩研究
5.1 引言
5.1.1 DEM与PFC的介绍
DEM方法（Distinct-Element Method）是1971由Cundall[67]提出用于分析和解决岩石的力学问题，在1979年Cundall和Stack[68]又提出了适用于土力学的离散元方法，通过将土和岩石中的颗粒在二维中简化为圆盘，在三维中简化为圆球，计算每一时刻圆盘或圆球的速度、加速度和重叠量等，并利用实际试验验证了模型的可靠性，至此，DEM方法便被各位学者广泛承认。Cundall在文中推出的程序TRUBAL便逐渐发展为成熟的商业软件PFC并被广大接受应用在如巴西劈裂、滑坡和岩体模拟等[69][75]。
为了更好的理解离散元方法，首先需要了解离散元的思想。经典离散元法的基本思想是将材料视作为不连续颗粒的集合并遵循以下假设：用刚性圆盘（圆球）单元模拟，颗粒本省不可变形；颗粒间接触发生在无限小的面积内，颗粒接触点允许微小的重叠；颗粒间的重叠量大小与接触力线性相关（也可采用非线性相关的Hertz-Mindlin接触模型）；相邻的颗粒可以接触或分开；颗粒间的滑动条件由摩尔库伦准则确定。虽然现代离散元法已经可以使用不同形状的颗粒或接触模型来进行模拟，但内在的思想仍基本遵循。
第6章 结论与展望
6.1 结论
本研究主要研究目标为东南地区花岗岩残积土和风化花岗岩的工程力学特性，两者作为花岗岩风化壳的重要组成部分，通过常规的物性试验、XRD和XRF化学分析试验、常规三轴试验、单轴压缩试验和DEM模拟，分别研究了花岗岩残积土和风化花岗岩的宏微观力学特性，得到了以下结论：
1、通过对福建龙岩武平县十方村采集的花岗岩残积土样本进行物性试验（颗粒分析试验、界限含水率、比重和密度试验），确认该样本为含砂砾细粒土中的含砂砾黏土，具有砂砾石占比高、塑性指数大的特点，相互矛盾的特性造就了花岗岩残积土的特殊性。
2、利用XRD和XRF测定了不同风化程度的花岗岩其矿物与元素成分，但由于岩体的离散性，导致在相对较少的岩石样本数下无法通过现有的化学风化指标判断花
