高温低湿风化环境下残积土性能劣化研究

陈晓贞　黄月明

摘 要：基于福建气候特点及花岗岩残积土的普遍存在，选取福州和泉州两个地区的花岗岩残积土，利用高低温湿热试验箱室内模拟高温低湿湿热环境对两种残积土力学性能的劣化作用。结果表明，两种残积土粘聚力均随高温低湿风化时间的增长而以指数函数形式不断劣化，两种残积土内摩擦角在风化前期基本不变，风化后期泉州残积土内摩擦角开始产生劣化。损伤程度与试样矿物成分及水分蒸发有关。

关键词：花岗岩残积土；高温低湿环境；试验模拟；强度劣化；劣化机理

基金项目：福建省中青年教师教育科研项目资助（编号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

环境因素的长期风化作用使岩土体发生物理化学性质变化，影响其力学特性，进而影响结构体的长期稳定性及耐久性。因此，边坡的长期稳定性及抗风化设计是未来岩土工程设计的一个重要内容[1]。福建省地处东南沿海，花岗岩残积土在福建省内广泛分布，湿热环境对边坡花岗岩残积土的物理风化作用普遍存在。而目前对福建省花岗岩残积土的研究仅限于结构及工程特性方面 [2-3]，而对于季节性气候条件作用引起的微观结构的不断演化，导致力学性能劣化的劣化规律及机理的深入系统研究寥寥无几。本文选定福建两个地区花岗岩残积土，根据福建的气候特征，室内模拟高温低湿环境对两种花岗岩残积土力学性能劣化作用。选定抗剪强度指标为损失模量，根据试验结果对比研究两地残积土损失模量随湿热环境作用的变化规律，揭示损伤机理。

1 高温低湿风化环境模拟试验

1.1 试验土样

两种花岗岩残积土分别采自福州地区某边坡、泉州地区某边坡，通过钻孔取得圆柱土样，剔除岩性差异较大的个别土样后直接用保鲜膜包裹后编号。土样初始物理力学参数见表1。

1.2 试验设备及方案

福建地区秋冬交季气候干燥、气温相对较高，基于此室内试验设计利用高低温湿热试验箱GDS/YH-500L加速模拟试样处于高温低湿湿热环境作用下损伤变量随时间的变化规律。根据福建历史极端最高气温为41.7℃及仪器性能，设定温度为45℃、相对湿度为75%R·H以模拟高温低湿环境。试验过程中，温度和湿度设为恒定值，分别设定试样风化时间为0d、1d、3d、5d、7d、9d，再对0～9d作用后的试样进行直剪试验，并观察试样变化，分析其随时间的劣化规律。

2 高温低湿环境风化试验结果与分析

根据试验测试结果，假设随着高温低湿风化作用时间t的增加，损伤变量是连续变化的，运用最小二乘法对各试验点进行拟合，两种残积土在不同高温低湿风化作用时间后的粘聚力c、内摩擦角φ的变化情况见图1～图4。

图1、3显示，福州残积土和泉州残积土粘聚力均随着高温低湿风化作用时间的延长而按指数函数递减，9天后福州残积土粘聚力由15.57kPa降为10.01kPa，泉州残积土粘聚力从15.39kPa降为10.70kPa。风化后期，两种残积土粘聚力趋于平缓。

图2显示，高温低湿环境下，福州残积土内摩擦角的值随风化时间表现为上下波动，且波动幅度很小，基本保持在32.1°～33.8°之间，说明高温低湿环境对其内摩擦角影响较小。图4显示，高温低湿环境作用0～3天内，泉州残积土内摩擦角变化幅度很小，范围在34.59°～34.99°之间， 3天后内摩擦角开始劣化，由34.99°降为32.64°。

3 高温低湿环境下残积土性能劣化机理分析

高温低湿环境下，由于相對湿度低，将导致土体内部水分子发生蒸发。水分子在蒸发过程中为寻求裂隙向外渗透逃逸，使土体内原生微小裂纹变长、加宽或形成新的微裂隙，造成残积土力学性能的损伤。而同时，颗粒间水分子发生蒸发，可减小水对颗粒的润滑作用，造成内摩擦角增大。

高温的作用使矿物颗粒膨胀，颗粒膨胀产生膨胀压应力，压应力大于颗粒的抗压强度，使颗粒交界处发生热开裂。另外，不同矿物膨胀系数不同，因此高温使矿物产生不均匀膨胀，导致矿物颗粒产生重新排列，减小颗粒间接触面，使残积土抗剪强度指标明显劣化。

风化前期，两种花岗岩残积土的内摩擦角劣化不明显，与水分蒸发引起内摩擦角增大而矿物不均匀膨胀又引起内摩擦角劣化有关。随着风化作用时间的增长，水分蒸发趋于稳定，而高温作用累积增大，不同矿物差异性膨胀增大，使得颗粒沿其边界产生错位，重定向，颗粒间距变大，削弱了颗粒间的摩擦阻力和咬合力，内摩擦角将产生明显劣化。

4 两种残积土试验结果对比分析

高温低湿环境风化作用后两个地区残积土损伤变量劣化程度比较见图5、图6。

（1）衍射结果显示两种残积土均含有多种矿物且矿物成分及含量不同，因此高温低湿风化环境对两者粘聚力和内摩擦角的劣化影响有所差别。

（2）两种残积土的粘土矿物含量都较多，因此粘聚力在高温低湿风化环境作用后都产生明显损伤，其中福州地区残积土粘土矿物含量高于泉州地区的含量，导致粘聚力劣化更显著；泉州地区残积土长石含量多，而福州地区长石含量少，因此风化3天后前者内摩擦角就开始产生劣化，而后者内摩擦角无明显变化。

5 总结

（1）高温低湿环境下，两种残积土粘聚力随风化时间增长而以指数函数形式不断劣化，福州残积土粘聚力的劣化程度大于泉州残积土的劣化；试验风化前期两种残积土内摩擦角基本不变，风化后期泉州残积土内摩擦角开始产生劣化，泉州残积土内摩擦角对高温低湿风化环境的敏感程度大于福州残积土。

（2）矿物x射线粉末衍射测试结果揭示，两种残积土性能劣化与其均含有较多粘土矿物和微斜长石有关，两者风化结果的差异与各自矿物组成及含量有关。

参考文献

[1]沈珠江. 抗风化设计-未来岩土工程设计的一个重要内容 [J]. 岩土工程学报， 2004，（6） .

[2]杨茂长.福建沿海地区花岗岩残积土工程特性探讨[J]. 资源环境与工程，2010，1.

[3]阙云， 姚晓琴， 喙祖鑫等. 福建非饱和花岗岩残积土强度特性的试验研究[J].公路，2012，6.