干湿循环作用下赣南红砂岩风化土的摩擦强度研究

2021-01-28王仕红

河南建材 2021年1期

王仕红王超

江西理工大学建筑与测绘工程学院（341000）

0 引言

在我国的南方地区分布着大量的红砂岩土，此类土常用作工程地基填土。红砂岩土含有蒙脱石、高岭石等亲水性矿物质，遇水后活性很强，易发生崩解、破裂；在外力的作用下甚至会直接被泥化。降雨、蒸发或者地下水位上升与下降这类季节性的干湿循环作用更是加快了这种变化过程，从而使红砂岩土强度下降，工程性质不稳定，容易在工程中引发一些病害。因此，研究干湿循环对不同含水率、密实度的红砂岩土体的影响，对于指导工程施工具有重要作用。

1 土的摩擦强度作用机理

土体的主要破坏是剪切破坏[1]。土体的抗剪强度是指在剪应力的作用下，一部分土体相对另一部分土体沿着滑裂面错动时的土体抵抗剪切破坏的极限强度，是研究土体的重要指标之一（包含内摩擦角和黏聚力，分别控制摩擦强度和黏聚强度）。土的摩擦强度可以分为滑动摩擦和咬合摩擦[2]。

滑动摩擦是指土颗粒在滑动过程中产生真正意义上的滑动的摩擦，往往是控制土的摩擦强度的主要因素，与土颗粒的正压力有关，与土颗粒的尺寸无关。可以表示为:

式中:φμ为滑动摩擦角；N为土体受到的正压力；T为滑动面处的表面摩擦力；μ为摩擦系数，反映了粗糙程度。

在滑动过程中，在滑动面的表面摩擦力T（即切向力）的影响因素为土颗粒之间的接触面积及接触处的抗剪强度。计算公式为:

式中:Ac为土颗粒间总的接触面积，δ为土颗粒间实际接触面积与总接触面积之比，τm为土颗粒的抗剪强度，τc为吸附膜的抗剪强度。

土颗粒在滑动过程中互相接触，但是土颗粒的表面不是清洁的，总是被一层吸附膜所覆盖，而吸附膜会减少实际接触面积，且吸附膜的强度远远小于土颗粒间的抗剪强度，因此，颗粒越小，颗粒间实际的接触面积越小，吸附膜占总接触面积的比例就越大。

土颗粒间是交错排列的，而不是平面接触的。咬合摩擦是指当土体因受到剪应力而发生剪切时，在滑动处的土颗粒产生错动和转动等相互嵌入的现象。咬合摩擦的过程中往往伴随着剪胀现象，其结果是导致土体积的增加，这是因为外力对土颗粒做功，让颗粒的势能发生由小到大的变化，因此与大颗粒相比，小颗粒的土体发生相同的势能位置变化时需要消耗的外力做功更小[3]。

因为赣南红砂岩风化土具有崩解性，在干湿循环过程中，红砂岩风化土颗粒与水相互作用，多面状或者球状的大颗粒逐渐崩解为薄片状的小颗粒，所以干湿循环作用降低了对红砂岩风化土的滑动内摩擦角和咬合摩擦角的影响。

2 干湿循环的室内模拟试验

自然界中土体的含水率随季节的变化呈周期性变动，文献[4-5]模拟干湿循环作用对黄土、红黏土的影响时，把含水率波动范围设置在距离地表1.5～2 m深处土体的旱季最低含水率与雨季最高含水率之间，循环次数为3～4 次，使得室内模拟干湿循环与自然干湿循环的结果相差很小。文章在前人研究的基础上，经过对雨季和旱季土体的含水率的测试，赣南红砂岩风化土的含水率在9%～15%的范围内波动，设置干湿循环的次数为5 次。试验步骤如下:

1）以赣南红砂岩风化土为试验对象，在赣南某工地现场距离地面1.5 m 处取土，取回后测试其基本物理指标，具体结果见表1。

表1 赣南红砂岩风化土的基本物理指标

2）将试验土样烘干、碾碎，过2 mm 筛子，制成密实度分别为 0.95、0.90、0.85，初始含水率分别为9%和15%的试验土样。

3）对于初始含水率为9%的试验土样，用喷雾器均匀喷洒一定量的水，使其含水率达到15%；再用薄膜将其覆盖，放在阴凉处24 h，使水分均匀分布，以此模拟自然界中土体的增湿过程。

4）对于初始含水率为15%的试验土样，将其放入烘箱内恒温加热3～4 h，温度设置为30 ℃，直到其质量与含水率为9%时的理论质量相等，如与初始含水率为9%的试验土样质量误差超过0.1 g，则重新制备试样。

5）重复试验步骤（3）和（4）1～5 次，即为模拟土体受到1～5 次干湿循环的作用。

3 试验结果及分析

通过对经历了0～5 次干湿循环作用的试验土样进行剪切试验，得到不同垂直应力作用下试验土体的剪切强度，由剪切强度和垂直应力大小拟合得到内摩擦角的大小，其结果见表2。

表2 不同含水率下试验土体的内摩擦角

根据表2 不同条件试验土体的内摩擦角的大小，绘制其与循环次数的关系如图1 所示。

从图1 可以看出，三条曲线均显示内摩擦角值随着循环次数的增加而逐渐减小，这说明:在干湿循环作用下，随着循环次数的增加，试验土体的内摩擦角不断变小。通过表2 的数据可以看出，在第1次循环之后，初始含水率为9%和初始含水率为15%的试验土样的内摩擦角分别降低了1.52°、1.54°、1.55°和 1.51°、1.54°、1.46°，与初始值相比降为原来的 93.38% 、92.81% 、92.07% 和 91.77% 、89.92%、89.04%，可见第1 次干湿循环作用对土体的内摩擦影响最大。