花岗岩残积土干湿循环累积弱化效应对抗剪强度影响的实验研究

一、研究团队与发表信息
本研究由Peiyuan Lin（中山大学土木工程学院，隧道工程国家重点实验室）、Tong Liu、Meiyue Ding等学者合作完成，发表于《International Journal of Geomechanics (ASCE)》2025年8月刊，DOI编号10.1061/ijgnai.gmeng-11098。研究聚焦于工程地质灾害频发的粤港澳大湾区（Guangdong–Hong Kong–Macao Greater Bay Area, GBA），针对花岗岩残积土（granite residual soils, GRS）在干湿循环作用下的抗剪强度累积弱化效应提出定量模型。

二、研究背景与目标
学术背景：
花岗岩残积土广泛分布于GBA，因台风和暴雨频繁导致干湿循环（wetting-drying cycles），长期削弱土壤抗剪强度，诱发滑坡灾害。现有研究多局限于≤10次循环，无法揭示工程寿命周期（50–100年）内长期弱化规律。

科学问题：
干湿循环如何通过影响GRS的内摩擦角（internal friction angle, φ）和黏聚力（cohesion, c）导致抗剪强度（shear strength）累积衰减？
研究目标：
1. 量化100次干湿循环下的强度弱化规律；
2. 建立考虑饱和度（degree of saturation, Sr）和循环次数（n）的累积弱化模型；
3. 通过大、小尺度直剪试验交叉验证模型可靠性。

三、实验方法与流程
1. 样本制备与基础物性测试
- 采样：取珠海典型GRS，颗粒分析显示70%粒径<2mm，20%<0.075mm（细粒含量显著影响力学行为）；
- 物性参数：比重2.71，饱和含水量26.79%，液限49.5%，塑限29.9%。

2. 小尺度直剪试验（552组）
- 工况设计：
- 法向应力（σn）：100/200/300/400 kPa；
- 饱和度（Sr）：40%/60%/80%/100%；
- 循环次数（n）：1–100次（梯级分布，如1,5,10…100）。
- 干湿循环模拟：
- 湿润阶段：真空饱和0.5小时后浸泡10小时；
- 干燥阶段：自然风干控制至目标饱和度，通过质量法计算孔隙比（e）与饱和度（公式1–3）；
- 每组重复3次以降低误差。
- 剪切测试：四通道应变控制直剪仪，记录峰值强度。

3. 大尺度直剪试验（24组）
- 验证设计：仅100%饱和度，n=1–50次，剪切盒尺寸50×50×50 cm，剪切速率13.3 mm/min；
- 差异处理：脱水采用大型烘箱，饱和后密封养护96小时以均匀水分分布。

四、主要结果与发现
1. 抗剪强度衰减规律
- 黏聚力（c）：
- 呈指数型衰减，前10次循环衰减最快（如Sr=100%时c从17.35 kPa降至2.63 kPa，损失85%）；
- 100次循环后，不同Sr下的c保留率（δ）分别为：100%（3.17%）、80%（39.6%）、60%（54.88%）、40%（50.97%）。
- 内摩擦角（φ）：稳定于30°–35°，无显著变化（Spearman检验p>0.05）。

2. 饱和度与应力水平的影响
- 低应力区（σn=100 kPa）：弱化效应最显著（δ=3.17%），因基质吸力（matrix suction）丧失主导；
- 高应力区（σn=400 kPa）：弱化率约45%，法向应力抑制水敏性。

3. 累积弱化模型
提出修正Mohr-Coulomb公式：
τ = σ tan(φ) + [6.594 + 7.978 exp(−0.238n)] × Sr^(−2.334)
- 验证：
- 模型因子（λ）服从对数正态分布（K-S检验p=0.503），均值1.00，变异系数0.33；
- 大尺度试验预测偏差仅1–4%，显示跨尺度适用性。

五、结论与价值
科学意义：
1. 首次揭示GRS在长期干湿循环下的非线性弱化规律，明确前10次循环为关键衰减期；
2. 提出黏聚力衰减主导强度劣化的机制，弥补传统模型仅限短期循环的缺陷。

工程应用：
1. 为GBA边坡生命周期风险评估提供定量工具；
2. 指导加固设计（如浅层土体需重点防护）。

六、研究亮点
1. 长周期实验：首次覆盖100次循环，匹配工程实际寿命；
2. 多变量耦合模型：首次整合n与Sr的双重效应；
3. 跨尺度验证：通过大尺度试验验证小尺度数据可靠性。

七、其他发现
微观机制上，弱化源于细粒溶解与孔隙壁崩塌（与Xie et al. 2023的NMR研究一致），且高Sr（>80%）时强度骤降与毛细作用丧失直接相关。该模型还可拓展至其他残积土地区（需调整细粒含量参数）。