鹽漬土和混凝土的襯砌凍結(jié)強(qiáng)度直剪試驗(yàn)分析

俞長隆

(水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000)

當(dāng)前國家大力倡導(dǎo)節(jié)水農(nóng)業(yè)的實(shí)現(xiàn)，旨在減少輸水浪費(fèi)的問題，防止渠道工程遭到破壞，這表明提升輸水實(shí)際效益在重要性方面越發(fā)明顯。文章主要將某工程作為主要背景，針對渠道工程受凍害破壞十分嚴(yán)重問題進(jìn)行系統(tǒng)分析。針對不同含鹽量、類型，以及法向應(yīng)力鹽漬土與混凝土襯砌接觸面直剪試驗(yàn)進(jìn)行研究，然后結(jié)合試驗(yàn)最終結(jié)果，對不同含鹽量與含鹽類型狀態(tài)下接觸面破壞呈現(xiàn)出變形規(guī)律，以及剪切破壞實(shí)際過程作出合理解釋[1]。

1 試驗(yàn)設(shè)備與方案

1.1 材料與設(shè)備

試驗(yàn)用土和混凝土襯砌均來自于某灌區(qū)，試驗(yàn)中使用的用土需先使用去離子水進(jìn)行浸泡，通過EC 電導(dǎo)率筆詳細(xì)檢測濾液電導(dǎo)率值實(shí)際，結(jié)合電導(dǎo)率和含鹽量之間存在的關(guān)系，針對土中鹽分含量進(jìn)展開換算，然后實(shí)施多次浸泡，到土樣整體含鹽量不超過 0.1%為止。本次試驗(yàn)過程中，抗凍標(biāo)號可以設(shè)置為F150，就抗?jié)B標(biāo)號來講，可以設(shè)置為 W8 ，其中為混凝土襯砌板構(gòu)成，強(qiáng)度等級方面為 C20，加工以后產(chǎn)生混凝土試件直徑實(shí)際上為61.8 mm，在厚度上為 20 mm。展開試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)設(shè)備使用的為低溫冷凍箱。

1.2 方案

本次研究對象為氯化鈉以及硫酸鈉，也可以將其稱之為氯鹽漬土以及硫酸鹽漬土。鹽度梯度方面，可以設(shè)置百分比分別為4、2、1、0.5，以及素土，方面法向應(yīng)力，選取的Pa分別設(shè)置為400、300、200、100，就含水率來講，最高達(dá)到16.7%，整體試驗(yàn)組數(shù)為36組。試樣選取時(shí)，可以定量素土和分析純的NaCl 將二者摻合充分摻和均勻之后，在土中噴水，噴水時(shí)需注重對量的控制，充分拌和情況下，通過保鮮袋做好密封工作，密封時(shí)，時(shí)間需達(dá)到 24 h[2]。然后針對試驗(yàn)土樣實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)，在此過程中，需使用環(huán)刀，直徑為 61.8 mm，高度達(dá)到40 mm ，并且上面涂著凡士林，然后運(yùn)用逐次方式對土樣進(jìn)行鉆取，并且混凝土裝倉相關(guān)工作完成，將試樣充分制備好以后，及時(shí)通過保鮮膜包裹好環(huán)刀，然后在冰箱中當(dāng)值，放置式樣時(shí)，需保證冰箱溫度科學(xué)性與合理性，一般情況下為-10 ℃，試驗(yàn)凍結(jié) 時(shí)間應(yīng)為24 h[3]。在凍結(jié)結(jié)束情況下，利用土工脫模完整將式樣取出，將其放置在已經(jīng)預(yù)冷剪切盒當(dāng)中進(jìn)行剪切，剪切時(shí)的速度為 2.4 mm/min，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)直剪試驗(yàn)。剪切盒預(yù)冷完全結(jié)束情況下進(jìn)行裝樣，這種方式能夠使外界溫度作用與影響盡量減少，一般情況下，每次剪切工作在2-3min之間便能完成。試驗(yàn)時(shí)可以將驗(yàn)環(huán)境產(chǎn)生的影響忽略，不考慮溫度產(chǎn)生的影響。

2 氯化鈉在凍結(jié)強(qiáng)度方面發(fā)生的作用與影響

2.1 氯鹽漬土發(fā)生剪切應(yīng)力位移時(shí)的特征

剪切應(yīng)力使用τ表示，剪切位移使用μ表示，剪切處于初期時(shí)，這兩個曲線會產(chǎn)生剪應(yīng)力以及剪切位移呈現(xiàn)比例性增加這一情況，這一階段屬于線彈性階段，曲線斜率即剪切模量會與法向應(yīng)力二者之間呈現(xiàn)出正相關(guān)，含鹽量在逐漸增加情況下有所降低[4]。就破壞形式來講，為脆性破壞，τ曲線、以及μ曲線出現(xiàn)峰值比較明顯，峰值應(yīng)力在達(dá)到情況下，接觸面會集中體現(xiàn)在破壞曲線下降，下降時(shí)十分迅速，并且與隨剪應(yīng)力一同釋放，就應(yīng)力釋放量而言，與法向應(yīng)力、含鹽量二者之間聯(lián)系緊密，與法向應(yīng)力為正相關(guān)，含鹽量不斷增高時(shí)，釋放現(xiàn)象呈現(xiàn)出減弱狀態(tài)。在應(yīng)力釋放完全結(jié)束之后，曲線往往會趨于穩(wěn)定，這和水平線較為類似。針對剪切過程展開劃分時(shí)，根據(jù)的實(shí)際情況，可以劃分為3個階段，即線彈性、屈服、應(yīng)變硬化。

上述試驗(yàn)結(jié)果表明，處于凍結(jié)狀態(tài)時(shí)，氯鹽漬土以及混凝土二者接觸面為低含鹽量情況時(shí)，破壞性狀為脆性破壞，在此過程中，峰值應(yīng)力十分明顯，進(jìn)行剪切時(shí)存在明顯黏滯以及滑移問題，當(dāng)氯化鈉整體含量呈現(xiàn)出逐漸增加狀態(tài)時(shí)，黏滑現(xiàn)象變得不是十分明顯，一定程度上有所減弱[5]。這種情況發(fā)生的主要原因在于，抗剪強(qiáng)度來源會受到內(nèi)摩擦角和黏聚力影響，如果含鹽量比較低，對于凍結(jié)溫度產(chǎn)生整體影響將會比較小，并且接觸面存在的冰晶數(shù)量越多，可以提供黏聚力則越大，剪切破壞過程實(shí)際上便是接觸面當(dāng)中冰晶破壞過程。應(yīng)力釋放、冰晶數(shù)量和冰膠結(jié)強(qiáng)度這幾者之間聯(lián)系緊密[6]。氯化鈉含量在逐漸增加時(shí)，凍結(jié)溫度也會有一定降低，當(dāng)冰晶數(shù)量發(fā)生減少時(shí)，會讓冰晶膠結(jié)過程中強(qiáng)度降低。在此過程中，黏滯滑移出現(xiàn)主要是受剪切產(chǎn)生影響。接觸面破壞的冰晶受位移作用影響會有所增加，產(chǎn)生低溫重組情況，而冰晶在重組后將會繼續(xù)抵抗剪切發(fā)生的變形問題。當(dāng)氯化鈉整體含量高于 2% 時(shí)，剪切位移如果不斷增加，受接觸面當(dāng)中冰晶整體數(shù)量不足影響，難以實(shí)現(xiàn)再次凝結(jié)，最終導(dǎo)致黏滯滑移完全消失，同時(shí)剪應(yīng)力會處于屈服強(qiáng)度，從破壞性狀層面講，為塑性破壞。

2.2 氯化鈉含量在接觸面實(shí)際凍結(jié)強(qiáng)度方面發(fā)生的作用與影響

受法向應(yīng)力產(chǎn)生的影響，氯化鈉實(shí)際含量在逐漸增加情況下，鹽漬土以及混凝土二者抗剪強(qiáng)度會出現(xiàn)降低。出現(xiàn)這一情況主要原因在于 Na+ 離子與Cl - 離子對于凍結(jié)溫度產(chǎn)生的影響比較顯著，氯化鈉整體含量在逐漸增加時(shí)，實(shí)際凍結(jié)溫度會呈現(xiàn)出降低趨勢，同時(shí)冰晶數(shù)量會有所減少，并且膠結(jié)作用會發(fā)生減弱，導(dǎo)致接觸面實(shí)際凍結(jié)強(qiáng)度呈現(xiàn)出降低發(fā)展趨勢[7]。在氯化鈉整體含量不高于2% 情況下，在曲線斜率上基本相同，并且內(nèi)摩擦角不變。在氯化鈉整體含量高于 2%情況下，法向應(yīng)力能夠達(dá)到 100 kPa，在含鹽達(dá)到 2% ，以及含鹽量達(dá)到4% 時(shí)，在此過程中，接觸面抗剪強(qiáng)度之間相差 為3.85 kPa，并且法向應(yīng)力發(fā)生了一定變化，達(dá)到了400 kPa時(shí)，在抗剪強(qiáng)度方面，相差實(shí)際上為13.46 kPa，這在一定程度上表明，差值增加比較明顯，同時(shí)曲線斜率會有所降低，除此之外，內(nèi)摩擦角也會有所減小。當(dāng)氯化鈉實(shí)際含量為 2% 時(shí)，脆性破壞性質(zhì)會發(fā)生一定轉(zhuǎn)變，逐漸發(fā)展到塑性破壞狀態(tài)。

3 硫酸鈉在凍結(jié)強(qiáng)度方面發(fā)生的作用與影響

3.1 硫酸鹽漬土發(fā)生剪切應(yīng)力位移具體特征

在線彈性階段時(shí)，剪應(yīng)與其位移二者之間呈正比，在接觸面受到剪應(yīng)力影響時(shí)，會逐漸發(fā)生彈性變形，這一階段結(jié)束以后會出現(xiàn)應(yīng)變硬化，但是應(yīng)變硬化一般比較短暫[8]。在黏滯滑移階段時(shí)，當(dāng)剪應(yīng)力到處于峰值時(shí)，會聽到斷裂，在斷裂聲發(fā)出情況下，剪應(yīng)力以及剪切位移逐漸會出現(xiàn)突變，當(dāng)剪應(yīng)力出現(xiàn)下降，并且降到某一程度時(shí)，在位移逐漸增大時(shí)會有所增大，當(dāng)應(yīng)力逐漸增大到某一程度時(shí)，會逐漸降低，這種狀態(tài)會進(jìn)行多次循環(huán)，轉(zhuǎn)折每次實(shí)現(xiàn)時(shí)，應(yīng)力差值都會減小，然后達(dá)到某種平衡。在屈服階段時(shí)，在應(yīng)力處于平衡狀態(tài)情況下，不會剪切位移出現(xiàn)增大時(shí)發(fā)生比較大的波動，處于這一階段，可以了解到，曲線屬于水平線。當(dāng)剪切試驗(yàn)為初期時(shí)，這段期間為線彈性階段，這一階段中剪切模量以及法向應(yīng)力二者之間屬于正相關(guān)。含鹽量一致時(shí)，如果硫酸鹽漬土自身接觸面發(fā)生剪切破壞，曲線在經(jīng)過數(shù)次波動以后逐漸處于屈服狀態(tài)，出現(xiàn)這一情況主要原因在于，不同離子對于土凍結(jié)溫度的影響會呈現(xiàn)出一定差異，對于氯離子而言，在土凍結(jié)溫度方面發(fā)揮降低作用如果和硫酸根離子之間相比會明顯更強(qiáng)。當(dāng)含鹽量一致時(shí)，氯化鈉可以運(yùn)用降低凍結(jié)上時(shí)的溫度形式讓凍水向著未凍水轉(zhuǎn)變，在未凍水含量逐漸增大情況下，可以發(fā)揮將剪切破壞有效緩沖作用，另剪切變形發(fā)生變化，向塑性變形發(fā)展。

3.2 硫酸鈉含量在接觸面凍結(jié)強(qiáng)度方面產(chǎn)生的影響

受法向應(yīng)力作用與影響，如果硫酸鈉鈉整體含量有所增加，凍結(jié)時(shí)的實(shí)際強(qiáng)度會呈現(xiàn)出降低趨勢。當(dāng)硫酸鈉整體含量低于 2% 時(shí)，在曲線斜率方面基本上相同，同時(shí)內(nèi)摩擦角也不會發(fā)生變化。當(dāng)硫酸鈉整體含量達(dá)到4% 時(shí)，在曲線斜率方面，會出現(xiàn)較為明顯的降低，并且內(nèi)摩擦角有所減小。在含鹽量地域 2% 情況下，Na2SO4·10H2O 晶體進(jìn)行析出目的在于將冰晶膠結(jié)作用降低，對接觸面摩擦角產(chǎn)生的影響并不大；在硫酸鈉含量增加過程中，土中的 Na2SO4·10H2O 晶體會有所增多，然后均勻在接觸表面上分布，與冰晶之間形成晶體膜，就晶體膜來講，潤滑作用比較明顯，能夠讓接觸面當(dāng)中產(chǎn)生內(nèi)摩擦角明顯降低。接觸面實(shí)際抗剪強(qiáng)度會受到法向應(yīng)力、黏聚強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角影響，法向應(yīng)力為零情況下，則抗剪強(qiáng)度與黏聚強(qiáng)度相等，黏聚力反映了接觸面處于初始狀態(tài)下的凍結(jié)強(qiáng)度，在黏聚力為零以及負(fù)值狀態(tài)下，則說明與混凝土并未出現(xiàn)凍結(jié)情況。接觸面如果失去初始狀態(tài)下凍結(jié)強(qiáng)度，一般與含鹽量有關(guān)。

4 結(jié) 語

總體來講，鹽漬土以及混凝土二者襯砌接觸面如果凍結(jié)狀態(tài)下應(yīng)力位移發(fā)生的破壞性狀在含鹽量存在差異時(shí)會發(fā)生改變，接觸面最初凍結(jié)強(qiáng)度來自接觸面中的冰晶，并且會受含鹽以及含鹽類型作用與影響，氯化鈉對于接觸面產(chǎn)生最初凍結(jié)強(qiáng)度整體影響比較大。