高溫低濕風(fēng)化環(huán)境下殘積土性能劣化研究

陳曉貞　黃月明

摘 要：基于福建氣候特點及花崗巖殘積土的普遍存在，選取福州和泉州兩個地區(qū)的花崗巖殘積土，利用高低溫濕熱試驗箱室內(nèi)模擬高溫低濕濕熱環(huán)境對兩種殘積土力學(xué)性能的劣化作用。結(jié)果表明，兩種殘積土粘聚力均隨高溫低濕風(fēng)化時間的增長而以指數(shù)函數(shù)形式不斷劣化，兩種殘積土內(nèi)摩擦角在風(fēng)化前期基本不變，風(fēng)化后期泉州殘積土內(nèi)摩擦角開始產(chǎn)生劣化。損傷程度與試樣礦物成分及水分蒸發(fā)有關(guān)。

關(guān)鍵詞：花崗巖殘積土；高溫低濕環(huán)境；試驗?zāi)M；強(qiáng)度劣化；劣化機(jī)理

基金項目：福建省中青年教師教育科研項目資助（編號JA15588）

Abstract： Based on the climatic characteristics and the widespread existence of granite residual soil in Fujian， the granite residual soils in Fuzhou and Quanzhou were selected. The degradation of mechanical properties of two kinds of residual soils in high temperature and low humidity environment was simulated by the useing of high-low temperature-humidity test chamber. The results show that the cohesion of the two residual soils is deteriorated exponentially with the increase of the weathering time. The friction angle of the two residual soils is basically unchanged in the early stage of weathering， and the friction angle of the residual soil in Quanzhou began to deteriorate in the later stage of weathering. The degree of damage is related to the mineral composition of the sample and the evaporation of water.

Keywords： Granite Residual Soil； High Temperature and Low Humidity Environment； Experimental Simulation； Strength Degradation； Deterioration Mechanism

0 引言

環(huán)境因素的長期風(fēng)化作用使巖土體發(fā)生物理化學(xué)性質(zhì)變化，影響其力學(xué)特性，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)體的長期穩(wěn)定性及耐久性。因此，邊坡的長期穩(wěn)定性及抗風(fēng)化設(shè)計是未來巖土工程設(shè)計的一個重要內(nèi)容[1]。福建省地處東南沿海，花崗巖殘積土在福建省內(nèi)廣泛分布，濕熱環(huán)境對邊坡花崗巖殘積土的物理風(fēng)化作用普遍存在。而目前對福建省花崗巖殘積土的研究僅限于結(jié)構(gòu)及工程特性方面 [2-3]，而對于季節(jié)性氣候條件作用引起的微觀結(jié)構(gòu)的不斷演化，導(dǎo)致力學(xué)性能劣化的劣化規(guī)律及機(jī)理的深入系統(tǒng)研究寥寥無幾。本文選定福建兩個地區(qū)花崗巖殘積土，根據(jù)福建的氣候特征，室內(nèi)模擬高溫低濕環(huán)境對兩種花崗巖殘積土力學(xué)性能劣化作用。選定抗剪強(qiáng)度指標(biāo)為損失模量，根據(jù)試驗結(jié)果對比研究兩地殘積土損失模量隨濕熱環(huán)境作用的變化規(guī)律，揭示損傷機(jī)理。

1 高溫低濕風(fēng)化環(huán)境模擬試驗

1.1 試驗土樣

兩種花崗巖殘積土分別采自福州地區(qū)某邊坡、泉州地區(qū)某邊坡，通過鉆孔取得圓柱土樣，剔除巖性差異較大的個別土樣后直接用保鮮膜包裹后編號。土樣初始物理力學(xué)參數(shù)見表1。

1.2 試驗設(shè)備及方案

福建地區(qū)秋冬交季氣候干燥、氣溫相對較高，基于此室內(nèi)試驗設(shè)計利用高低溫濕熱試驗箱GDS/YH-500L加速模擬試樣處于高溫低濕濕熱環(huán)境作用下?lián)p傷變量隨時間的變化規(guī)律。根據(jù)福建歷史極端最高氣溫為41.7℃及儀器性能，設(shè)定溫度為45℃、相對濕度為75%R·H以模擬高溫低濕環(huán)境。試驗過程中，溫度和濕度設(shè)為恒定值，分別設(shè)定試樣風(fēng)化時間為0d、1d、3d、5d、7d、9d，再對0～9d作用后的試樣進(jìn)行直剪試驗，并觀察試樣變化，分析其隨時間的劣化規(guī)律。

2 高溫低濕環(huán)境風(fēng)化試驗結(jié)果與分析

根據(jù)試驗測試結(jié)果，假設(shè)隨著高溫低濕風(fēng)化作用時間t的增加，損傷變量是連續(xù)變化的，運用最小二乘法對各試驗點進(jìn)行擬合，兩種殘積土在不同高溫低濕風(fēng)化作用時間后的粘聚力c、內(nèi)摩擦角φ的變化情況見圖1～圖4。

圖1、3顯示，福州殘積土和泉州殘積土粘聚力均隨著高溫低濕風(fēng)化作用時間的延長而按指數(shù)函數(shù)遞減，9天后福州殘積土粘聚力由15.57kPa降為10.01kPa，泉州殘積土粘聚力從15.39kPa降為10.70kPa。風(fēng)化后期，兩種殘積土粘聚力趨于平緩。

圖2顯示，高溫低濕環(huán)境下，福州殘積土內(nèi)摩擦角的值隨風(fēng)化時間表現(xiàn)為上下波動，且波動幅度很小，基本保持在32.1°～33.8°之間，說明高溫低濕環(huán)境對其內(nèi)摩擦角影響較小。圖4顯示，高溫低濕環(huán)境作用0～3天內(nèi)，泉州殘積土內(nèi)摩擦角變化幅度很小，范圍在34.59°～34.99°之間， 3天后內(nèi)摩擦角開始劣化，由34.99°降為32.64°。

3 高溫低濕環(huán)境下殘積土性能劣化機(jī)理分析

高溫低濕環(huán)境下，由于相對濕度低，將導(dǎo)致土體內(nèi)部水分子發(fā)生蒸發(fā)。水分子在蒸發(fā)過程中為尋求裂隙向外滲透逃逸，使土體內(nèi)原生微小裂紋變長、加寬或形成新的微裂隙，造成殘積土力學(xué)性能的損傷。而同時，顆粒間水分子發(fā)生蒸發(fā)，可減小水對顆粒的潤滑作用，造成內(nèi)摩擦角增大。

高溫的作用使礦物顆粒膨脹，顆粒膨脹產(chǎn)生膨脹壓應(yīng)力，壓應(yīng)力大于顆粒的抗壓強(qiáng)度，使顆粒交界處發(fā)生熱開裂。另外，不同礦物膨脹系數(shù)不同，因此高溫使礦物產(chǎn)生不均勻膨脹，導(dǎo)致礦物顆粒產(chǎn)生重新排列，減小顆粒間接觸面，使殘積土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)明顯劣化。

風(fēng)化前期，兩種花崗巖殘積土的內(nèi)摩擦角劣化不明顯，與水分蒸發(fā)引起內(nèi)摩擦角增大而礦物不均勻膨脹又引起內(nèi)摩擦角劣化有關(guān)。隨著風(fēng)化作用時間的增長，水分蒸發(fā)趨于穩(wěn)定，而高溫作用累積增大，不同礦物差異性膨脹增大，使得顆粒沿其邊界產(chǎn)生錯位，重定向，顆粒間距變大，削弱了顆粒間的摩擦阻力和咬合力，內(nèi)摩擦角將產(chǎn)生明顯劣化。

4 兩種殘積土試驗結(jié)果對比分析

高溫低濕環(huán)境風(fēng)化作用后兩個地區(qū)殘積土損傷變量劣化程度比較見圖5、圖6。

（1）衍射結(jié)果顯示兩種殘積土均含有多種礦物且礦物成分及含量不同，因此高溫低濕風(fēng)化環(huán)境對兩者粘聚力和內(nèi)摩擦角的劣化影響有所差別。

（2）兩種殘積土的粘土礦物含量都較多，因此粘聚力在高溫低濕風(fēng)化環(huán)境作用后都產(chǎn)生明顯損傷，其中福州地區(qū)殘積土粘土礦物含量高于泉州地區(qū)的含量，導(dǎo)致粘聚力劣化更顯著；泉州地區(qū)殘積土長石含量多，而福州地區(qū)長石含量少，因此風(fēng)化3天后前者內(nèi)摩擦角就開始產(chǎn)生劣化，而后者內(nèi)摩擦角無明顯變化。

5 總結(jié)

（1）高溫低濕環(huán)境下，兩種殘積土粘聚力隨風(fēng)化時間增長而以指數(shù)函數(shù)形式不斷劣化，福州殘積土粘聚力的劣化程度大于泉州殘積土的劣化；試驗風(fēng)化前期兩種殘積土內(nèi)摩擦角基本不變，風(fēng)化后期泉州殘積土內(nèi)摩擦角開始產(chǎn)生劣化，泉州殘積土內(nèi)摩擦角對高溫低濕風(fēng)化環(huán)境的敏感程度大于福州殘積土。

（2）礦物x射線粉末衍射測試結(jié)果揭示，兩種殘積土性能劣化與其均含有較多粘土礦物和微斜長石有關(guān)，兩者風(fēng)化結(jié)果的差異與各自礦物組成及含量有關(guān)。

參考文獻(xiàn)

[1]沈珠江. 抗風(fēng)化設(shè)計-未來巖土工程設(shè)計的一個重要內(nèi)容 [J]. 巖土工程學(xué)報， 2004，（6） .

[2]楊茂長.福建沿海地區(qū)花崗巖殘積土工程特性探討[J]. 資源環(huán)境與工程，2010，1.

[3]闕云， 姚曉琴， 喙祖鑫等. 福建非飽和花崗巖殘積土強(qiáng)度特性的試驗研究[J].公路，2012，6.