干濕循環作用下贛南紅砂巖風化土的摩擦強度研究

王仕紅 王 超

江西理工大學建筑與測繪工程學院（341000）

0 引言

在我國的南方地區分布著大量的紅砂巖土，此類土常用作工程地基填土。紅砂巖土含有蒙脫石、高嶺石等親水性礦物質，遇水后活性很強，易發生崩解、破裂；在外力的作用下甚至會直接被泥化。降雨、蒸發或者地下水位上升與下降這類季節性的干濕循環作用更是加快了這種變化過程，從而使紅砂巖土強度下降，工程性質不穩定，容易在工程中引發一些病害。因此，研究干濕循環對不同含水率、密實度的紅砂巖土體的影響，對于指導工程施工具有重要作用。

1 土的摩擦強度作用機理

土體的主要破壞是剪切破壞[1]。土體的抗剪強度是指在剪應力的作用下，一部分土體相對另一部分土體沿著滑裂面錯動時的土體抵抗剪切破壞的極限強度，是研究土體的重要指標之一（包含內摩擦角和黏聚力，分別控制摩擦強度和黏聚強度）。土的摩擦強度可以分為滑動摩擦和咬合摩擦[2]。

滑動摩擦是指土顆粒在滑動過程中產生真正意義上的滑動的摩擦，往往是控制土的摩擦強度的主要因素，與土顆粒的正壓力有關，與土顆粒的尺寸無關。可以表示為:

式中:φμ為滑動摩擦角；N為土體受到的正壓力；T為滑動面處的表面摩擦力；μ為摩擦系數，反映了粗糙程度。

在滑動過程中，在滑動面的表面摩擦力T（即切向力）的影響因素為土顆粒之間的接觸面積及接觸處的抗剪強度。計算公式為:

式中:Ac為土顆粒間總的接觸面積，δ為土顆粒間實際接觸面積與總接觸面積之比，τm為土顆粒的抗剪強度，τc為吸附膜的抗剪強度。

土顆粒在滑動過程中互相接觸，但是土顆粒的表面不是清潔的，總是被一層吸附膜所覆蓋，而吸附膜會減少實際接觸面積，且吸附膜的強度遠遠小于土顆粒間的抗剪強度，因此，顆粒越小，顆粒間實際的接觸面積越小，吸附膜占總接觸面積的比例就越大。

土顆粒間是交錯排列的，而不是平面接觸的。咬合摩擦是指當土體因受到剪應力而發生剪切時，在滑動處的土顆粒產生錯動和轉動等相互嵌入的現象。咬合摩擦的過程中往往伴隨著剪脹現象，其結果是導致土體積的增加，這是因為外力對土顆粒做功，讓顆粒的勢能發生由小到大的變化，因此與大顆粒相比，小顆粒的土體發生相同的勢能位置變化時需要消耗的外力做功更小[3]。

因為贛南紅砂巖風化土具有崩解性，在干濕循環過程中，紅砂巖風化土顆粒與水相互作用，多面狀或者球狀的大顆粒逐漸崩解為薄片狀的小顆粒，所以干濕循環作用降低了對紅砂巖風化土的滑動內摩擦角和咬合摩擦角的影響。

2 干濕循環的室內模擬試驗

自然界中土體的含水率隨季節的變化呈周期性變動，文獻[4-5]模擬干濕循環作用對黃土、紅黏土的影響時，把含水率波動范圍設置在距離地表1.5～2 m深處土體的旱季最低含水率與雨季最高含水率之間，循環次數為3～4 次，使得室內模擬干濕循環與自然干濕循環的結果相差很小。文章在前人研究的基礎上，經過對雨季和旱季土體的含水率的測試，贛南紅砂巖風化土的含水率在9%～15%的范圍內波動，設置干濕循環的次數為5 次。試驗步驟如下:

1）以贛南紅砂巖風化土為試驗對象，在贛南某工地現場距離地面1.5 m 處取土，取回后測試其基本物理指標，具體結果見表1。

表1 贛南紅砂巖風化土的基本物理指標

2）將試驗土樣烘干、碾碎，過2 mm 篩子，制成密實度分別為 0.95、0.90、0.85，初始含水率分別為9%和15%的試驗土樣。

3）對于初始含水率為9%的試驗土樣，用噴霧器均勻噴灑一定量的水，使其含水率達到15%；再用薄膜將其覆蓋，放在陰涼處24 h，使水分均勻分布，以此模擬自然界中土體的增濕過程。

4）對于初始含水率為15%的試驗土樣，將其放入烘箱內恒溫加熱3～4 h，溫度設置為30 ℃，直到其質量與含水率為9%時的理論質量相等，如與初始含水率為9%的試驗土樣質量誤差超過0.1 g，則重新制備試樣。

5）重復試驗步驟（3）和（4）1～5 次，即為模擬土體受到1～5 次干濕循環的作用。

3 試驗結果及分析

通過對經歷了0～5 次干濕循環作用的試驗土樣進行剪切試驗，得到不同垂直應力作用下試驗土體的剪切強度，由剪切強度和垂直應力大小擬合得到內摩擦角的大小，其結果見表2。

表2 不同含水率下試驗土體的內摩擦角

根據表2 不同條件試驗土體的內摩擦角的大小，繪制其與循環次數的關系如圖1 所示。

從圖1 可以看出，三條曲線均顯示內摩擦角值隨著循環次數的增加而逐漸減小，這說明:在干濕循環作用下，隨著循環次數的增加，試驗土體的內摩擦角不斷變小。通過表2 的數據可以看出，在第1次循環之后，初始含水率為9%和初始含水率為15%的試驗土樣的內摩擦角分別降低了1.52°、1.54°、1.55°和 1.51°、1.54°、1.46°，與初始值相比降為 原 來 的 93.38% 、92.81% 、92.07% 和 91.77% 、89.92%、89.04%，可見第1 次干濕循環作用對土體的內摩擦影響最大。

圖1 不同含水率下的變化關系圖

4 結論

干濕循環作用對贛南紅砂巖風化土的影響會隨著土體含水率、密實度的不同而變化，但土體受干濕循環作用的影響程度隨著循環次數的增加而逐漸變小，到最后可忽略不計。土體的內摩擦角受第1 次干濕循環作用的影響很大，且含水率不同的土體的內摩擦角降低的數值大致相等。