摘要
我国南方亚热带地区水热资源丰富，花岗岩脱硅富铁铝作用强烈，风化程度高，易形成深厚的风化壳，为崩岗的形成提供了必要的物质基础。花岗岩风化程度的剖面垂直分异性是导致其非均质结构和特殊力学特性的根本原因。花岗岩残积土的主要胶结物质包括有机质、粘粒和铁铝氧化物，其中粘粒和游离氧化铁对其结构稳定性具有重要作用。大量研究分析了花岗岩发育土壤颗粒组成对抗剪强度等力学特性的影响，而游离氧化铁对花岗岩发育土壤力学特性的影响仍不明确。因此，本文通过设置不同浓度梯度（37.3g/kg、29.84g/kg、22.38g/kg、14.92g/kg、7.46g/kg）的游离氧化铁，分析游离氧化铁对花岗岩发育土壤抗剪强度、固结强度和微观结构的影响，明确游离氧化铁对花岗岩残积土的微观结构对其花岗岩发育土壤力学特性的作用机制。主要结果如下： （1）随着游离氧化铁浓度降低，剪应力曲线呈现下降趋势，饱和含水率下当游离氧化铁浓度由37.3g/kg降低至22.38g/kg时，土样剪应力曲线明显下降，当其浓度继续降低时，对剪应力曲线影响减弱。土样的体积形变率随着游离氧化铁浓度降低而增加，且饱和含水率下的土样体积形变率较大，当游离氧化铁浓度由37.3g/kg降低到29.84g/kg时，土样体积形变率增幅最大（20%含水率下由6.60%增加到17.98%；饱和含水率下由17.98%增加到22.41%），而浓度继续下降到22.38g/kg以下时，对土样体积形变率的影响明显减弱。 （2）游离氧化铁浓度由37.3g/kg下降到22.38g/kg时，临界抗剪强度显著下降（p＜0.05），当其浓度继续下降到14.92g/kg时，对临界抗剪强度影响较小（p＞0.05）。不同游离氧化铁土样在20%含水率下粘聚力以及饱和含水率下内摩擦角差异较大，变异系数分别为12.10%和68.13%，且粘聚力和内摩擦角均在饱和含水率下呈现较低值。双因素方差分析结果表明，游离氧化铁浓度和初始含水率均对临界抗剪强度影响最大（F=510.80，p＜0.001；F=7162.56，p＜0.001），两者交互作用对粘聚力影响最大（F=67.75，p＜0.001）。 （3）随着游离氧化铁浓度降低，土样瞬时累计沉降量和主固结累计沉降量均呈现增加趋势，20%含水率下土样瞬时累计沉降量差异较大，变异系数为18.86%，当游离氧化铁浓度由37.3g/kg降低到29.84g/kg时，主固结累计沉降量显著增加（p＜0.05），当其浓度进一步降低对主固结累计沉降量影响不大（p＞0.05）。双因素方差分析结果表明，游离氧化铁浓度、初始含水率以及其交互作用均对瞬时累计沉降量影响最大（F=41034.52，p＜0.001；F=85301.37，p＜0.001；F=4633.37，p＜0.001）。 （4）随着游离氧化铁浓度降低，土样压缩模量逐渐增加而压缩系数逐渐减小，其中在20%含水率下，当游离氧化铁浓度由22.38g/kg降低到14.92g/kg时，压缩模量显著增加而压缩系数显著减少（p＜0.05），饱和含水率下，当游离氧化铁浓度由14.92g/kg降低到7.46g/kg时，压缩模量显著增加而压缩系数显著减少（p＜0.05）。土样固结系数随着游离氧化铁浓度降低和荷载压力增大而呈现减小的趋势。双因素方差分析结果表明，游离氧化铁浓度和初始含水率均对压缩模量影响最大（F=35.697，p＜0.001；F=1269.08，p＜0.001），其交互作用对压缩系数影响最大（F=11.84，p＜0.001）。 （5）花岗岩残积土中土壤颗粒排列紧密，土壤微观结构主要呈现絮凝状，局部存在团粒状结构，结构单元体接触多为面-面和面-边接触。随着游离氧化铁浓度降低，铁膜含量逐渐降低，胶结作用减弱，小孔隙含量减少而中等孔隙含量增加，土壤结构由密实逐渐松散然后趋于破碎。 （6）结构单元体粒径主要分布在2-5μm和5-10μm区间，其丰度主要分布在0.4-0.8区间内，孔隙直径主要分布在5-10μm区间。随着游离氧化铁浓度降低，结构单元体分维数呈现增加趋势，其范围在1.37~1.45，变异系数为2.20%，孔隙分维数呈现减小趋势，其范围在1.39~1.46，变异系数为1.98%。相关性分析结果表明，游离氧化铁与＜2μm颗粒、2-5μm颗粒、结构单元体定向概率熵和结构单元体分维数呈显著性负相关（p＜0.05），与5-10μm颗粒和孔隙分维数呈显著性正相关（p＜0.05）。
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