王仕紅 王 超

江西理工大學(xué)建筑與測(cè)繪工程學(xué)院（341000）

0 引言

在我國(guó)的南方地區(qū)分布著大量的紅砂巖土，此類(lèi)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(zhì)，遇水后活性很強(qiáng)，易發(fā)生崩解、破裂；在外力的作用下甚至?xí)苯颖荒嗷?。降雨、蒸發(fā)或者地下水位上升與下降這類(lèi)季節(jié)性的干濕循環(huán)作用更是加快了這種變化過(guò)程，從而使紅砂巖土強(qiáng)度下降，工程性質(zhì)不穩(wěn)定，容易在工程中引發(fā)一些病害。因此，研究干濕循環(huán)對(duì)不同含水率、密實(shí)度的紅砂巖土體的影響，對(duì)于指導(dǎo)工程施工具有重要作用。

1 土的摩擦強(qiáng)度作用機(jī)理

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

滑動(dòng)摩擦是指土顆粒在滑動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生真正意義上的滑動(dòng)的摩擦，往往是控制土的摩擦強(qiáng)度的主要因素，與土顆粒的正壓力有關(guān)，與土顆粒的尺寸無(wú)關(guān)?？梢员硎緸?

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

在滑動(dòng)過(guò)程中，在滑動(dòng)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(qiáng)度。計(jì)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(shí)際接觸面積與總接觸面積之比，τm為土顆粒的抗剪強(qiáng)度，τc為吸附膜的抗剪強(qiáng)度。

土顆粒在滑動(dòng)過(guò)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(huì)減少實(shí)際接觸面積，且吸附膜的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于土顆粒間的抗剪強(qiáng)度，因此，顆粒越小，顆粒間實(shí)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(cuò)排列的，而不是平面接觸的。咬合摩擦是指當(dāng)土體因受到剪應(yīng)力而發(fā)生剪切時(shí)，在滑動(dòng)處的土顆粒產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)等相互嵌入的現(xiàn)象。咬合摩擦的過(guò)程中往往伴隨著剪脹現(xiàn)象，其結(jié)果是導(dǎo)致土體積的增加，這是因?yàn)橥饬?duì)土顆粒做功，讓顆粒的勢(shì)能發(fā)生由小到大的變化，因此與大顆粒相比，小顆粒的土體發(fā)生相同的勢(shì)能位置變化時(shí)需要消耗的外力做功更小[3]。

因?yàn)橼M南紅砂巖風(fēng)化土具有崩解性，在干濕循環(huán)過(guò)程中，紅砂巖風(fēng)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(huán)作用降低了對(duì)紅砂巖風(fēng)化土的滑動(dòng)內(nèi)摩擦角和咬合摩擦角的影響。

2 干濕循環(huán)的室內(nèi)模擬試驗(yàn)

自然界中土體的含水率隨季節(jié)的變化呈周期性變動(dòng)，文獻(xiàn)[4-5]模擬干濕循環(huán)作用對(duì)黃土、紅黏土的影響時(shí)，把含水率波動(dòng)范圍設(shè)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(huán)次數(shù)為3～4 次，使得室內(nèi)模擬干濕循環(huán)與自然干濕循環(huán)的結(jié)果相差很小。文章在前人研究的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)對(duì)雨季和旱季土體的含水率的測(cè)試，贛南紅砂巖風(fēng)化土的含水率在9%～15%的范圍內(nèi)波動(dòng)，設(shè)置干濕循環(huán)的次數(shù)為5 次。試驗(yàn)步驟如下:

1）以贛南紅砂巖風(fēng)化土為試驗(yàn)對(duì)象，在贛南某工地現(xiàn)場(chǎng)距離地面1.5 m 處取土，取回后測(cè)試其基本物理指標(biāo)，具體結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 贛南紅砂巖風(fēng)化土的基本物理指標(biāo)

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

3）對(duì)于初始含水率為9%的試驗(yàn)土樣，用噴霧器均勻噴灑一定量的水，使其含水率達(dá)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(guò)程。

4）對(duì)于初始含水率為15%的試驗(yàn)土樣，將其放入烘箱內(nèi)恒溫加熱3～4 h，溫度設(shè)置為30 ℃，直到其質(zhì)量與含水率為9%時(shí)的理論質(zhì)量相等，如與初始含水率為9%的試驗(yàn)土樣質(zhì)量誤差超過(guò)0.1 g，則重新制備試樣。

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

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

通過(guò)對(duì)經(jīng)歷了0～5 次干濕循環(huán)作用的試驗(yàn)土樣進(jìn)行剪切試驗(yàn)，得到不同垂直應(yīng)力作用下試驗(yàn)土體的剪切強(qiáng)度，由剪切強(qiáng)度和垂直應(yīng)力大小擬合得到內(nèi)摩擦角的大小，其結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同含水率下試驗(yàn)土體的內(nèi)摩擦角

根據(jù)表2 不同條件試驗(yàn)土體的內(nèi)摩擦角的大小，繪制其與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系如圖1 所示。

從圖1 可以看出，三條曲線均顯示內(nèi)摩擦角值隨著循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸減小，這說(shuō)明:在干濕循環(huán)作用下，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，試驗(yàn)土體的內(nèi)摩擦角不斷變小。通過(guò)表2 的數(shù)據(jù)可以看出，在第1次循環(huán)之后，初始含水率為9%和初始含水率為15%的試驗(yàn)土樣的內(nèi)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(lái) 的 93.38% 、92.81% 、92.07% 和 91.77% 、89.92%、89.04%，可見(jiàn)第1 次干濕循環(huán)作用對(duì)土體的內(nèi)摩擦影響最大。

圖1 不同含水率下的變化關(guān)系圖

4 結(jié)論

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