湿热风化环境下残积土性能劣化试验研究

樊秀峰，简文彬，陈晓贞

（1.国土资源部丘陵山地地质灾害防治重点实验室，福建 福州350002；2.福州大学 岩土工程与工程地质研究所，福建 福州350108）

气候因素季节性的变化，使边坡浅层土体连续经受冷热、干湿变化的循环作用，成为其力学性质不断损伤与劣化的重要因素之一［1］，引起国内外众多学者关注，季节性温湿循环作用对边坡的长期行为产生显著的影响［2-3］，温湿等环境因素的长期作用，边坡岩土体内部结构发生调整［4-6］，物理力学性质损伤劣化［7-11］，安全系数具有时效性［12］，边坡的长期稳定与抗风化设计成为亟待解决的重要课题［1］。特别在福建等东南沿海地区，湿热环境对边坡残积土的物理风化作用普遍存在，残积土的特殊结构对湿热作用也十分敏感［13］。关于花岗岩残积土的结构、性质，现有成果已经给出了基本特征的描述，主要是基于一定条件或状态下进行的定性描述［14-15］，而对于外界季节性环境温湿反复作用引起微观结构不断演化，进而对浅层非饱和残积土物理力学性质产生影响的变化规律等系统深入的研究还十分有限。本文基于福建省气候变化特征，通过室内试验模拟季节性湿热环境条件下福建典型花岗岩残积土力学性质损伤劣化规律及抗剪强度指标对不同湿热环境的敏感性对比研究，揭示湿热环境下残积土损伤机理，研究成果为科学评价边坡长期稳定性提供理论依据。

1 花岗岩残积土湿热风化模拟试验

1.1 试验土样

试样选自福建省福州市典型花岗岩残积土边坡，通过钻孔进行取样，从取样器取下圆柱状土样后直接用保鲜膜包裹后编号，初始试样直径D=75 mm，高H=200mm，用于进行湿热风化环境下试验；经历不同时间环境风化作用后，分别根据《土工试验方法标准》［16］（GB／T50123-1999），用环刀切样，加工成由环刀固定的圆柱体试样，试样直径D=61.8mm，高H=20mm，用于进行直剪试验；环刀试样总共三组，每组6个，共18个，其初始物理力学参数如表1所示。

表1 试样初始物理力学参数

1.2 试验设备及方法

本次试验主要设备有高低温湿热试验箱GDS／YH-500L、应变控制式直接剪切仪、烘箱及饱和缸等。福建省气候变化较为复杂，总体表现为夏季湿热，冬季湿冷，过渡季节较为高温干燥。基于此特征，室内试验设计利用高低温湿热试验箱GDS／YH-500L与剪切试验加速模拟试样处于高温高湿、高温低湿、低温高湿三种湿热环境作用下力学行为损伤及随时间的变化规律。

根据历史记录，福建极端最高气温为41.7℃，极端最低气温为-1.7℃，因此试验中高温温度设定为45℃、低温温度设定为0℃；相对湿度设定为95%RH与75%RH以模拟高湿、低湿，试验设定湿热环境风化作用具体试验方案见表2。

进行试验过程中，首先在某一种湿热环境下，温度和湿度设为规定的恒定值，分别进行时间为0d、1 d、3d、5d、7d、9d的环境作用；相对应的对0～9d风化作用后的试样分别进行直剪试验，分析其随时间的变化规律。

表2 湿热环境作用下温度、湿度设定值一览表

2 温湿环境风化试验结果与分析

2.1 高温高湿环境风化后强度损伤规律

2.1.1 高温高湿环境下强度指标变化规律

根据试验所测数据，在经历了不同的高温高湿作用时间后，典型花岗岩残积土的黏聚力c、内摩擦角φ变化曲线如图1所示。

图1显示，在高温高湿环境的持续作用下，残积土的黏聚力与内摩擦角都呈现出有规律的变化。其中黏聚力在高温高湿作用1d后发生缓慢的下降，而在作用3d后黏聚力急剧升高到一个新的平台，c从14.772kPa急剧上升到22.069kPa，之后又开始缓慢下降，下降幅度较小；内摩擦角φ从总体上随着作用时间呈先变大后变小，最后趋于稳定。作用时间0～3d，φ上升幅度较大，从33.21°上升为36.38°；作用时间5d后，φ又有一个大幅度的下降，降为31.479°，之后则趋于稳定。

2.1.2 高温高湿环境下强度指标损伤程度分析

图1 残积土黏聚力、内摩擦角与高温高湿风化作用时间关系

在高温高湿风化作用下残积土黏聚力c、内摩擦角φ在经历不同时间后的总损伤程度在累积，不同阶段各自的损伤程度不同，其中损伤累积量以原始样为起点计算，其值等于相对应的作用时间的强度指标值与原始样强度指标值之差与原始样强度指标值的比值；阶段损伤增量是指前后两个相连的作用时间对应的损伤累积量之差。如表3所示，在高温高湿环境风化作用下，黏聚力c风化3d后急剧增加至44.3%，之后损伤劣化相对平稳，9d后黏聚力c相比初始值仍增加，增加幅度为35.2%。阶段损伤而言，1d～3d时间里，黏聚力c有一个较大幅度上升，增量为47.7%；在3d～9d时间里，黏聚力c损伤量从4.5%减小到0.1%。

残积土内摩擦角φ在高温高湿风化前期，内摩擦角φ增大；3d后，内摩擦角产生劣化，变化幅度不大，9d后累积损伤为5.6%。阶段损伤中，1d～3d，内摩擦角φ上升幅度较大，增量为7.3%；3d～5d，内摩擦角φ急剧劣化，降幅为14.8%；5d后内摩擦角φ变化趋于平稳，衰减微小，增量仅为0.1%～0.3%。

表3 高温高湿环境下花岗岩残积土强度指标损伤值单位：%

2.2 高温低湿环境风化后强度参数损伤规律

2.2.1 高温低湿环境下强度指标变化规律

在经历了不同的高温低湿作用时间后，典型花岗岩残积土强度指标黏聚力c与内摩擦角φ变化曲线如图2所示。

图2 残积土黏聚力、内摩擦角与高温低湿风化作用时间关系

图2显示，残积土黏聚力随高温低湿风化作用时间不断衰减，并逐渐趋于平缓。黏聚力c从初始的15.574kPa经过9d的风化作用降为10.013 kPa；残积土内摩擦角φ随风化时间呈现上下波动趋势，且波动幅度较小，整体没有发生明显的变化，数值保持在32.1°～33.8°之间。

2.2.2 高温低湿环境下强度指标损伤程度分析

在高温低湿风化作用下残积土黏聚力c、内摩擦角φ在经历不同时间后的总累积损伤程度与不同阶段各自的损伤程度不同，如表4所示。在高温低湿环境下，残积土黏聚力c损伤随作用时间不断累积，风化产生的劣化呈渐进式，损伤程度较大，9d后损伤累积达到35.7%；不同阶段，黏聚力c损伤增量不同，前期损伤增量增长较快，1d～3d损伤增量1.1%，3d～5d损伤最为明显，增量达21.4%；之后增量逐渐变缓到11.4%，7d～9d时降为1.8%。

残积土内摩擦角φ损伤累积呈现正负波动，整体影响不显著，第9天增大0.3%；不同阶段的正负增量速度较小，各阶段相差不大，在初始水平附近波动。

2.3 低温高湿环境风化后强度参数损伤规律

2.3.1 低温高湿环境下强度指标变化规律

在经历了不同的低温高湿作用时间后，典型花岗岩残积土的黏聚力c、内摩擦角φ变化曲线如图3所示。

表4 高温低湿环境下花岗岩残积土强度指标损伤值单位：%

图3显示，残积土在低温高湿风化作用下其黏聚力c发生持续性衰减，从初始的15.297kPa下降至8.954kPa；残积土摩擦角φ在低温高湿风化作用下变化较显著，整体随风化时间呈递增趋势，风化作用1d后，φ由初始的33.205°明显上升至36.006°，之后呈缓慢递增趋势，经过9d的风化上升至37.531°。

2.3.2 低温高湿环境下强度指标损伤程度分析

在低温高湿风化作用下残积土黏聚力c、内摩擦角φ在经历不同时间后的总累积损伤程度与不同阶段各自的损伤程度不同，如表5所示。

图3 残积土黏聚力、内摩擦角与低温高湿风化作用时间关系

表5 低温高湿环境下花岗岩残积土强度指标损伤值单位：%

表5显示，在低温高湿风化作用下，残积土黏聚力c的损伤随作用时间不断累积，累积量持续性增大，风化9d后总累积达42.4%。黏聚力c的阶段性损伤程度也较大，从5d～9d损伤仍呈递增趋势，在实验所限时间内未能达到稳定。

残积土内摩擦角φ损伤累积量呈负向增长，表明φ随低温高湿风化作用时间延长而增大，风化9d后增加13%。低温高湿风化1d后内摩擦角φ急剧上升8.4%；1d～9d中，各阶段损伤增量趋于平稳缓慢增长，最大损伤增量为-2.8%，在实验有限时间内φ未见正向损伤产生。

3 湿热环境下残积土损伤劣化机理分析

花岗岩残积土的抗剪强度由黏聚力与内摩擦角两部分承担。其中黏聚力主要由颗粒间的连接强度决定，内摩擦角则与颗粒排列、紧密程度等相关。湿热环境下，温度与湿度长期作用，引起残积土含水率变化及矿物颗粒的热胀冷缩（将产生拉、压应力及不协调变形），微观上对颗粒间的连接强度与内摩擦性质产生影响，宏观上则表现出力学性质的劣化。

高温高湿HH、高温低湿HL、低温高湿LH 3种湿热风化环境的温度、湿度不同，变化幅度也各异，因此引起花岗岩残积土微观结构的调整与宏观力学性质的劣化存在较大差异。

3.1 高温高湿HH风化环境对残积土损伤劣化机理分析

高温高湿作用使土样产生两种效应，一方面，水分要蒸发，但由于环境湿度较高，蒸发很有限；另一方面，引起矿物颗粒膨胀与挤密，不同矿物颗粒膨胀率不同，导致矿物颗粒交界面变形差异，削弱颗粒间的结构连接，甚至产生错位。两种作用效应在不同阶段表现强弱程度不同。刚开始作用，土样首先蒸发失水，水份向外渗透流失中，微裂纹加宽加长，凝聚力轻微损伤，摩擦力增加；之后随着高温的持续作用，矿物颗粒的热膨胀效应开始变得明显，膨胀首先使颗粒体积增大，压密颗粒交界处微孔隙，使黏聚力增加，内摩擦角增加；再持续高温，矿物颗粒更进一步膨胀，产生的膨胀压应力足够大，不协调变形不断扩展，使交界处产生新的裂缝，黏聚力发生缓慢下降，内摩擦角劣化。

3.2 高温低湿HL风化环境对残积土损伤劣化机理分析

高温低湿环境与上面高温高湿环境不同，刚开始由于环境与土体相对湿度差大，环境高温、干燥，土体中的水分蒸发比较强烈，由此引起土体失水干裂，内部原生微小裂纹增长及形成新的微裂纹，加之颗粒不协调膨胀，破坏变形作用明显，颗粒间连接强度折减，黏聚力损伤叠加；膨胀达到一定程度后，颗粒间的结构强度维持在一定水平，黏聚力保持稳定。在整个过程中，内摩擦力呈现轻微波动趋势，水分蒸发减小了水对颗粒的润滑，内摩擦角增大，颗粒的初期膨胀，增加了接触面积，内摩擦角增大，而后进一步膨胀，不协调变形而形成裂纹，内摩擦角减小；总体上，内摩擦角趋于稳定。

3.3 低温高湿LH风化环境对残积土损伤劣化机理分析

低温高湿作用下，矿物冷凝收缩产生收缩拉应力，由于矿物成分不同，收缩系数不同，同样产生不协调变形，新的裂纹在颗粒边界处形成、扩展，破坏了残积土的结构，减弱了颗粒间的连接力，使黏聚力产生劣化；同时，土样在冷凝收缩过程中土中微裂纹收缩，使土颗粒之间变得密实，接触面增加，抵消了增加新裂隙的部分，内摩擦有增高的趋势。

4 温湿环境下残积土敏感性分析

4.1 残积土对不同湿热环境敏感性分析

前述可知，福建典型花岗岩残积土在3种不同的湿热环境下，不同阶段的损伤敏感性并不相同，如表6所示，经过9d的不同湿热循环作用，不同的湿热环境造成残积土黏聚力与内摩擦角损伤的累积程度与增量速率各不相同。

4.2 三种环境下残积土损伤程度比较

残积土对不同环境下力学性能的衰减规律及变化幅度均不同，即残积土在3种环境下的损伤程度相差较大，如图4、图5所示。

表6 不同湿热环境下残积土损伤程度对比值 单位：%

图4 不同湿热环境下残积土黏聚力变化曲线

图5 不同湿热环境下残积土内摩擦力变化曲线

图4与表6显示，在高温高湿环境下，黏聚力损伤不大，后期相对稳定；长期的低温高湿环境使残积土黏聚力曲线在9d后达到最低点，其损伤累积量达到最大42.4%，并且仍然有不断下降的趋势；残积土黏聚力在低温高湿比高温高湿环境下的损伤程度更明显，说明所研究残积土矿物收缩引起的损伤大于膨胀引起的。而在高温低湿作用下残积土黏聚力在中间阶段曲线斜率较大，其平均损伤速率最快，是残积土经受高温膨胀与蒸发的双重作用，损伤进行叠加的结果，最终趋于稳定。

图5与表6显示，高温高湿环境使残积土内摩擦角φ产生损伤的程度最大，损伤累积量为5.6%；高温低湿环境对残积土内摩擦角φ的影响呈轻微波动趋势，总体影响较小；低温高湿环境在风化初期使残积土内摩擦角φ增大到一定程度保持不变；按劣化程度大小排列为高温高湿＞高温低湿＞低温高湿，总体而言，3种湿热环境对内摩擦角φ的损伤劣化影响远低于黏聚力。

5 结 论

（1）残积土长期处于不同温度、湿度环境下，力学性能会产生损伤劣化，损伤劣化规律与损伤程度呈阶段性变化。损伤程度与不同环境下蒸发作用，颗粒间的不协调膨胀或收缩作用减弱颗粒间的连接强度直接相关。

（2）残积土由多种矿物组成，且各矿物含量不同，对各种湿热环境的敏感性存在差异。试验用典型残积土黏聚力c在低温高湿环境中损伤累积程度最大，在高温低湿环境中平均损伤速率最大；湿热环境对内摩擦角损伤劣化程度较小。

［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，2004，26（6）：866-869.

［2］Toll D，Mendes J.Investigating the impacts of climate change on slopes：field measurements［J］.Geological Society，Engineering Geology Special Publications，2012，26（1）：151-161.

［3］Kilsby C，Glendinning S，Hughes P N.Climatechange impacts on long-term performance of slopes［J］.Engineering Sustainability，2009，162（2）：59-66.

［4］Rouainia M，Davies O，O′Brien T.Numerical modelling of climate effects on slope stability［J］.Engineering Sustainability，2009，162（2）：81-89.

［5］Valdez B，Schorr M，Quintero M，et al.Effect of climate change on durability of engineering materials in hydraulic infrastructure：an overview［J］.Corrosion Engineering，Science and Technology，2010，45（1）：34-41.

［6］Villar M，Lloret A.Influence of temperature on the hydro-mechanical behaviour of a compacted bentonite［J］.Applied Clay Science，2004，26：337-350.

［7］程佳明，王银梅，苗世超，等.固化黄土的干湿循环特性研究［J］.工程地质学报，2014，22（2）：226-232.

［8］赖榕洲，吴能森，徐 青.压实花岗岩残积土软化特性试验研究［J］.湖北工业大学学报，2013，28（5）：96-98.

［9］李克钢，吴 勇，郑东普.砂岩力学特性对干湿循环效应响应规律的试验研究［J］.北京理工大学学报，2013，33（10）：1010-1014.

［10］刘文化，杨庆一，唐小微，等.干湿循环条件下不同初始干密度土体的力学特性［J］.水利学，2014，45（3）：261-268.

［11］王 媛，施 斌，高 磊.黏性土渗透性温度效应试验研究［J］.工程地质学报，2010，18（3）：351-355.

［12］赵成刚，韦昌富，蔡国庆.土力学理论的发展和面临的挑战［J］.岩土力学，2011，32（12）：3521-3540.

［13］吴能森.结构性花岗岩残积土的特性及工程问题研究［D］.南京：南京林业大学，2005.

［14］王 清，唐大雄，张庆云，等.中国东部花岗岩残积土物质成分和结构特征的研究［J］.吉林大学学报：地球科学版，1991，（1）：72-81.

［15］尚彦军，王思敬，岳中琦，等.全风化花岗岩孔径分布-颗粒组成-矿物成分变化特征及指标相关性分析［J］.岩土力学，2004，25（10）：1545-1550.

［16］国家质量技术监督局.中华人民共和国建设部.GB／T50123—1999.土工试验方法标准［S］.北京：中国计划出版社，1999.