樊秀峰，簡文彬，陳曉貞

（1.國土資源部丘陵山地地質(zhì)災(zāi)害防治重點實驗室，福建 福州350002；2.福州大學(xué) 巖土工程與工程地質(zhì)研究所，福建 福州350108）

氣候因素季節(jié)性的變化，使邊坡淺層土體連續(xù)經(jīng)受冷熱、干濕變化的循環(huán)作用，成為其力學(xué)性質(zhì)不斷損傷與劣化的重要因素之一［1］，引起國內(nèi)外眾多學(xué)者關(guān)注，季節(jié)性溫濕循環(huán)作用對邊坡的長期行為產(chǎn)生顯著的影響［2-3］，溫濕等環(huán)境因素的長期作用，邊坡巖土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生調(diào)整［4-6］，物理力學(xué)性質(zhì)損傷劣化［7-11］，安全系數(shù)具有時效性［12］，邊坡的長期穩(wěn)定與抗風(fēng)化設(shè)計成為亟待解決的重要課題［1］。特別在福建等東南沿海地區(qū)，濕熱環(huán)境對邊坡殘積土的物理風(fēng)化作用普遍存在，殘積土的特殊結(jié)構(gòu)對濕熱作用也十分敏感［13］。關(guān)于花崗巖殘積土的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)，現(xiàn)有成果已經(jīng)給出了基本特征的描述，主要是基于一定條件或狀態(tài)下進行的定性描述［14-15］，而對于外界季節(jié)性環(huán)境溫濕反復(fù)作用引起微觀結(jié)構(gòu)不斷演化，進而對淺層非飽和殘積土物理力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生影響的變化規(guī)律等系統(tǒng)深入的研究還十分有限。本文基于福建省氣候變化特征，通過室內(nèi)試驗?zāi)M季節(jié)性濕熱環(huán)境條件下福建典型花崗巖殘積土力學(xué)性質(zhì)損傷劣化規(guī)律及抗剪強度指標(biāo)對不同濕熱環(huán)境的敏感性對比研究，揭示濕熱環(huán)境下殘積土損傷機理，研究成果為科學(xué)評價邊坡長期穩(wěn)定性提供理論依據(jù)。

1 花崗巖殘積土濕熱風(fēng)化模擬試驗

1.1 試驗土樣

試樣選自福建省福州市典型花崗巖殘積土邊坡，通過鉆孔進行取樣，從取樣器取下圓柱狀土樣后直接用保鮮膜包裹后編號，初始試樣直徑D=75 mm，高H=200mm，用于進行濕熱風(fēng)化環(huán)境下試驗；經(jīng)歷不同時間環(huán)境風(fēng)化作用后，分別根據(jù)《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》［16］（GB／T50123-1999），用環(huán)刀切樣，加工成由環(huán)刀固定的圓柱體試樣，試樣直徑D=61.8mm，高H=20mm，用于進行直剪試驗；環(huán)刀試樣總共三組，每組6個，共18個，其初始物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 試樣初始物理力學(xué)參數(shù)

1.2 試驗設(shè)備及方法

本次試驗主要設(shè)備有高低溫濕熱試驗箱GDS／YH-500L、應(yīng)變控制式直接剪切儀、烘箱及飽和缸等。福建省氣候變化較為復(fù)雜，總體表現(xiàn)為夏季濕熱，冬季濕冷，過渡季節(jié)較為高溫干燥。基于此特征，室內(nèi)試驗設(shè)計利用高低溫濕熱試驗箱GDS／YH-500L與剪切試驗加速模擬試樣處于高溫高濕、高溫低濕、低溫高濕三種濕熱環(huán)境作用下力學(xué)行為損傷及隨時間的變化規(guī)律。

根據(jù)歷史記錄，福建極端最高氣溫為41.7℃，極端最低氣溫為-1.7℃，因此試驗中高溫溫度設(shè)定為45℃、低溫溫度設(shè)定為0℃；相對濕度設(shè)定為95%RH與75%RH以模擬高濕、低濕，試驗設(shè)定濕熱環(huán)境風(fēng)化作用具體試驗方案見表2。

進行試驗過程中，首先在某一種濕熱環(huán)境下，溫度和濕度設(shè)為規(guī)定的恒定值，分別進行時間為0d、1 d、3d、5d、7d、9d的環(huán)境作用；相對應(yīng)的對0～9d風(fēng)化作用后的試樣分別進行直剪試驗，分析其隨時間的變化規(guī)律。

表2 濕熱環(huán)境作用下溫度、濕度設(shè)定值一覽表

2 溫濕環(huán)境風(fēng)化試驗結(jié)果與分析

2.1 高溫高濕環(huán)境風(fēng)化后強度損傷規(guī)律

2.1.1 高溫高濕環(huán)境下強度指標(biāo)變化規(guī)律

根據(jù)試驗所測數(shù)據(jù)，在經(jīng)歷了不同的高溫高濕作用時間后，典型花崗巖殘積土的黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ變化曲線如圖1所示。

圖1顯示，在高溫高濕環(huán)境的持續(xù)作用下，殘積土的黏聚力與內(nèi)摩擦角都呈現(xiàn)出有規(guī)律的變化。其中黏聚力在高溫高濕作用1d后發(fā)生緩慢的下降，而在作用3d后黏聚力急劇升高到一個新的平臺，c從14.772kPa急劇上升到22.069kPa，之后又開始緩慢下降，下降幅度較?。粌?nèi)摩擦角φ從總體上隨著作用時間呈先變大后變小，最后趨于穩(wěn)定。作用時間0～3d，φ上升幅度較大，從33.21°上升為36.38°；作用時間5d后，φ又有一個大幅度的下降，降為31.479°，之后則趨于穩(wěn)定。

2.1.2 高溫高濕環(huán)境下強度指標(biāo)損傷程度分析

圖1 殘積土黏聚力、內(nèi)摩擦角與高溫高濕風(fēng)化作用時間關(guān)系

在高溫高濕風(fēng)化作用下殘積土黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ在經(jīng)歷不同時間后的總損傷程度在累積，不同階段各自的損傷程度不同，其中損傷累積量以原始樣為起點計算，其值等于相對應(yīng)的作用時間的強度指標(biāo)值與原始樣強度指標(biāo)值之差與原始樣強度指標(biāo)值的比值；階段損傷增量是指前后兩個相連的作用時間對應(yīng)的損傷累積量之差。如表3所示，在高溫高濕環(huán)境風(fēng)化作用下，黏聚力c風(fēng)化3d后急劇增加至44.3%，之后損傷劣化相對平穩(wěn)，9d后黏聚力c相比初始值仍增加，增加幅度為35.2%。階段損傷而言，1d～3d時間里，黏聚力c有一個較大幅度上升，增量為47.7%；在3d～9d時間里，黏聚力c損傷量從4.5%減小到0.1%。

殘積土內(nèi)摩擦角φ在高溫高濕風(fēng)化前期，內(nèi)摩擦角φ增大；3d后，內(nèi)摩擦角產(chǎn)生劣化，變化幅度不大，9d后累積損傷為5.6%。階段損傷中，1d～3d，內(nèi)摩擦角φ上升幅度較大，增量為7.3%；3d～5d，內(nèi)摩擦角φ急劇劣化，降幅為14.8%；5d后內(nèi)摩擦角φ變化趨于平穩(wěn)，衰減微小，增量僅為0.1%～0.3%。

表3 高溫高濕環(huán)境下花崗巖殘積土強度指標(biāo)損傷值單位：%

2.2 高溫低濕環(huán)境風(fēng)化后強度參數(shù)損傷規(guī)律

2.2.1 高溫低濕環(huán)境下強度指標(biāo)變化規(guī)律

在經(jīng)歷了不同的高溫低濕作用時間后，典型花崗巖殘積土強度指標(biāo)黏聚力c與內(nèi)摩擦角φ變化曲線如圖2所示。

圖2 殘積土黏聚力、內(nèi)摩擦角與高溫低濕風(fēng)化作用時間關(guān)系

圖2顯示，殘積土黏聚力隨高溫低濕風(fēng)化作用時間不斷衰減，并逐漸趨于平緩。黏聚力c從初始的15.574kPa經(jīng)過9d的風(fēng)化作用降為10.013 kPa；殘積土內(nèi)摩擦角φ隨風(fēng)化時間呈現(xiàn)上下波動趨勢，且波動幅度較小，整體沒有發(fā)生明顯的變化，數(shù)值保持在32.1°～33.8°之間。

2.2.2 高溫低濕環(huán)境下強度指標(biāo)損傷程度分析

在高溫低濕風(fēng)化作用下殘積土黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ在經(jīng)歷不同時間后的總累積損傷程度與不同階段各自的損傷程度不同，如表4所示。在高溫低濕環(huán)境下，殘積土黏聚力c損傷隨作用時間不斷累積，風(fēng)化產(chǎn)生的劣化呈漸進式，損傷程度較大，9d后損傷累積達(dá)到35.7%；不同階段，黏聚力c損傷增量不同，前期損傷增量增長較快，1d～3d損傷增量1.1%，3d～5d損傷最為明顯，增量達(dá)21.4%；之后增量逐漸變緩到11.4%，7d～9d時降為1.8%。

殘積土內(nèi)摩擦角φ損傷累積呈現(xiàn)正負(fù)波動，整體影響不顯著，第9天增大0.3%；不同階段的正負(fù)增量速度較小，各階段相差不大，在初始水平附近波動。

2.3 低溫高濕環(huán)境風(fēng)化后強度參數(shù)損傷規(guī)律

2.3.1 低溫高濕環(huán)境下強度指標(biāo)變化規(guī)律

在經(jīng)歷了不同的低溫高濕作用時間后，典型花崗巖殘積土的黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ變化曲線如圖3所示。

表4 高溫低濕環(huán)境下花崗巖殘積土強度指標(biāo)損傷值單位：%

圖3顯示，殘積土在低溫高濕風(fēng)化作用下其黏聚力c發(fā)生持續(xù)性衰減，從初始的15.297kPa下降至8.954kPa；殘積土摩擦角φ在低溫高濕風(fēng)化作用下變化較顯著，整體隨風(fēng)化時間呈遞增趨勢，風(fēng)化作用1d后，φ由初始的33.205°明顯上升至36.006°，之后呈緩慢遞增趨勢，經(jīng)過9d的風(fēng)化上升至37.531°。

2.3.2 低溫高濕環(huán)境下強度指標(biāo)損傷程度分析

在低溫高濕風(fēng)化作用下殘積土黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ在經(jīng)歷不同時間后的總累積損傷程度與不同階段各自的損傷程度不同，如表5所示。

圖3 殘積土黏聚力、內(nèi)摩擦角與低溫高濕風(fēng)化作用時間關(guān)系

表5 低溫高濕環(huán)境下花崗巖殘積土強度指標(biāo)損傷值單位：%

表5顯示，在低溫高濕風(fēng)化作用下，殘積土黏聚力c的損傷隨作用時間不斷累積，累積量持續(xù)性增大，風(fēng)化9d后總累積達(dá)42.4%。黏聚力c的階段性損傷程度也較大，從5d～9d損傷仍呈遞增趨勢，在實驗所限時間內(nèi)未能達(dá)到穩(wěn)定。

殘積土內(nèi)摩擦角φ損傷累積量呈負(fù)向增長，表明φ隨低溫高濕風(fēng)化作用時間延長而增大，風(fēng)化9d后增加13%。低溫高濕風(fēng)化1d后內(nèi)摩擦角φ急劇上升8.4%；1d～9d中，各階段損傷增量趨于平穩(wěn)緩慢增長，最大損傷增量為-2.8%，在實驗有限時間內(nèi)φ未見正向損傷產(chǎn)生。

3 濕熱環(huán)境下殘積土損傷劣化機理分析

花崗巖殘積土的抗剪強度由黏聚力與內(nèi)摩擦角兩部分承擔(dān)。其中黏聚力主要由顆粒間的連接強度決定，內(nèi)摩擦角則與顆粒排列、緊密程度等相關(guān)。濕熱環(huán)境下，溫度與濕度長期作用，引起殘積土含水率變化及礦物顆粒的熱脹冷縮（將產(chǎn)生拉、壓應(yīng)力及不協(xié)調(diào)變形），微觀上對顆粒間的連接強度與內(nèi)摩擦性質(zhì)產(chǎn)生影響，宏觀上則表現(xiàn)出力學(xué)性質(zhì)的劣化。

高溫高濕HH、高溫低濕HL、低溫高濕LH 3種濕熱風(fēng)化環(huán)境的溫度、濕度不同，變化幅度也各異，因此引起花崗巖殘積土微觀結(jié)構(gòu)的調(diào)整與宏觀力學(xué)性質(zhì)的劣化存在較大差異。

3.1 高溫高濕HH風(fēng)化環(huán)境對殘積土損傷劣化機理分析

高溫高濕作用使土樣產(chǎn)生兩種效應(yīng)，一方面，水分要蒸發(fā)，但由于環(huán)境濕度較高，蒸發(fā)很有限；另一方面，引起礦物顆粒膨脹與擠密，不同礦物顆粒膨脹率不同，導(dǎo)致礦物顆粒交界面變形差異，削弱顆粒間的結(jié)構(gòu)連接，甚至產(chǎn)生錯位。兩種作用效應(yīng)在不同階段表現(xiàn)強弱程度不同。剛開始作用，土樣首先蒸發(fā)失水，水份向外滲透流失中，微裂紋加寬加長，凝聚力輕微損傷，摩擦力增加；之后隨著高溫的持續(xù)作用，礦物顆粒的熱膨脹效應(yīng)開始變得明顯，膨脹首先使顆粒體積增大，壓密顆粒交界處微孔隙，使黏聚力增加，內(nèi)摩擦角增加；再持續(xù)高溫，礦物顆粒更進一步膨脹，產(chǎn)生的膨脹壓應(yīng)力足夠大，不協(xié)調(diào)變形不斷擴展，使交界處產(chǎn)生新的裂縫，黏聚力發(fā)生緩慢下降，內(nèi)摩擦角劣化。

3.2 高溫低濕HL風(fēng)化環(huán)境對殘積土損傷劣化機理分析

高溫低濕環(huán)境與上面高溫高濕環(huán)境不同，剛開始由于環(huán)境與土體相對濕度差大，環(huán)境高溫、干燥，土體中的水分蒸發(fā)比較強烈，由此引起土體失水干裂，內(nèi)部原生微小裂紋增長及形成新的微裂紋，加之顆粒不協(xié)調(diào)膨脹，破壞變形作用明顯，顆粒間連接強度折減，黏聚力損傷疊加；膨脹達(dá)到一定程度后，顆粒間的結(jié)構(gòu)強度維持在一定水平，黏聚力保持穩(wěn)定。在整個過程中，內(nèi)摩擦力呈現(xiàn)輕微波動趨勢，水分蒸發(fā)減小了水對顆粒的潤滑，內(nèi)摩擦角增大，顆粒的初期膨脹，增加了接觸面積，內(nèi)摩擦角增大，而后進一步膨脹，不協(xié)調(diào)變形而形成裂紋，內(nèi)摩擦角減??；總體上，內(nèi)摩擦角趨于穩(wěn)定。

3.3 低溫高濕LH風(fēng)化環(huán)境對殘積土損傷劣化機理分析

低溫高濕作用下，礦物冷凝收縮產(chǎn)生收縮拉應(yīng)力，由于礦物成分不同，收縮系數(shù)不同，同樣產(chǎn)生不協(xié)調(diào)變形，新的裂紋在顆粒邊界處形成、擴展，破壞了殘積土的結(jié)構(gòu)，減弱了顆粒間的連接力，使黏聚力產(chǎn)生劣化；同時，土樣在冷凝收縮過程中土中微裂紋收縮，使土顆粒之間變得密實，接觸面增加，抵消了增加新裂隙的部分，內(nèi)摩擦有增高的趨勢。

4 溫濕環(huán)境下殘積土敏感性分析

4.1 殘積土對不同濕熱環(huán)境敏感性分析

前述可知，福建典型花崗巖殘積土在3種不同的濕熱環(huán)境下，不同階段的損傷敏感性并不相同，如表6所示，經(jīng)過9d的不同濕熱循環(huán)作用，不同的濕熱環(huán)境造成殘積土黏聚力與內(nèi)摩擦角損傷的累積程度與增量速率各不相同。

4.2 三種環(huán)境下殘積土損傷程度比較

殘積土對不同環(huán)境下力學(xué)性能的衰減規(guī)律及變化幅度均不同，即殘積土在3種環(huán)境下的損傷程度相差較大，如圖4、圖5所示。

表6 不同濕熱環(huán)境下殘積土損傷程度對比值 單位：%

圖4 不同濕熱環(huán)境下殘積土黏聚力變化曲線

圖5 不同濕熱環(huán)境下殘積土內(nèi)摩擦力變化曲線

圖4與表6顯示，在高溫高濕環(huán)境下，黏聚力損傷不大，后期相對穩(wěn)定；長期的低溫高濕環(huán)境使殘積土黏聚力曲線在9d后達(dá)到最低點，其損傷累積量達(dá)到最大42.4%，并且仍然有不斷下降的趨勢；殘積土黏聚力在低溫高濕比高溫高濕環(huán)境下的損傷程度更明顯，說明所研究殘積土礦物收縮引起的損傷大于膨脹引起的。而在高溫低濕作用下殘積土黏聚力在中間階段曲線斜率較大，其平均損傷速率最快，是殘積土經(jīng)受高溫膨脹與蒸發(fā)的雙重作用，損傷進行疊加的結(jié)果，最終趨于穩(wěn)定。

圖5與表6顯示，高溫高濕環(huán)境使殘積土內(nèi)摩擦角φ產(chǎn)生損傷的程度最大，損傷累積量為5.6%；高溫低濕環(huán)境對殘積土內(nèi)摩擦角φ的影響呈輕微波動趨勢，總體影響較小；低溫高濕環(huán)境在風(fēng)化初期使殘積土內(nèi)摩擦角φ增大到一定程度保持不變；按劣化程度大小排列為高溫高濕＞高溫低濕＞低溫高濕，總體而言，3種濕熱環(huán)境對內(nèi)摩擦角φ的損傷劣化影響遠(yuǎn)低于黏聚力。

5 結(jié) 論

（1）殘積土長期處于不同溫度、濕度環(huán)境下，力學(xué)性能會產(chǎn)生損傷劣化，損傷劣化規(guī)律與損傷程度呈階段性變化。損傷程度與不同環(huán)境下蒸發(fā)作用，顆粒間的不協(xié)調(diào)膨脹或收縮作用減弱顆粒間的連接強度直接相關(guān)。

（2）殘積土由多種礦物組成，且各礦物含量不同，對各種濕熱環(huán)境的敏感性存在差異。試驗用典型殘積土黏聚力c在低溫高濕環(huán)境中損傷累積程度最大，在高溫低濕環(huán)境中平均損傷速率最大；濕熱環(huán)境對內(nèi)摩擦角損傷劣化程度較小。

［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，2004，26（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，王銀梅，苗世超，等.固化黃土的干濕循環(huán)特性研究［J］.工程地質(zhì)學(xué)報，2014，22（2）：226-232.

［8］賴榕洲，吳能森，徐 青.壓實花崗巖殘積土軟化特性試驗研究［J］.湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2013，28（5）：96-98.

［9］李克鋼，吳 勇，鄭東普.砂巖力學(xué)特性對干濕循環(huán)效應(yīng)響應(yīng)規(guī)律的試驗研究［J］.北京理工大學(xué)學(xué)報，2013，33（10）：1010-1014.

［10］劉文化，楊慶一，唐小微，等.干濕循環(huán)條件下不同初始干密度土體的力學(xué)特性［J］.水利學(xué)，2014，45（3）：261-268.

［11］王 媛，施 斌，高 磊.黏性土滲透性溫度效應(yīng)試驗研究［J］.工程地質(zhì)學(xué)報，2010，18（3）：351-355.

［12］趙成剛，韋昌富，蔡國慶.土力學(xué)理論的發(fā)展和面臨的挑戰(zhàn)［J］.巖土力學(xué)，2011，32（12）：3521-3540.

［13］吳能森.結(jié)構(gòu)性花崗巖殘積土的特性及工程問題研究［D］.南京：南京林業(yè)大學(xué)，2005.

［14］王 清，唐大雄，張慶云，等.中國東部花崗巖殘積土物質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)特征的研究［J］.吉林大學(xué)學(xué)報：地球科學(xué)版，1991，（1）：72-81.

［15］尚彥軍，王思敬，岳中琦，等.全風(fēng)化花崗巖孔徑分布-顆粒組成-礦物成分變化特征及指標(biāo)相關(guān)性分析［J］.巖土力學(xué)，2004，25（10）：1545-1550.

［16］國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.中華人民共和國建設(shè)部.GB／T50123—1999.土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京：中國計劃出版社，1999.