凍融循環(huán)條件下土質(zhì)類型對襯砌與土體接觸面力學(xué)特征的影響

張健萍

（遼寧天禹實業(yè)有限公司，遼寧朝陽122000）

我國具有面積廣大的凍土區(qū)，而季節(jié)性凍土區(qū)占國土面積的53.5%。對于季節(jié)性凍土區(qū)建設(shè)的水利工程，特別是輸水渠道，必須要考慮凍融循環(huán)的影響[1]。對于輸水渠道的襯砌結(jié)構(gòu)，混凝土與土體的交界面是凍融循環(huán)作用下應(yīng)力和變形相互傳遞的重要媒介，也是結(jié)構(gòu)破壞發(fā)生的薄弱面[2]。因此，對于季凍區(qū)的混凝土襯砌輸水渠道，必須要充分考慮凍融循環(huán)效應(yīng)對結(jié)構(gòu)接觸面的影響。在反復(fù)的凍融作用下，襯砌混凝土和周邊土體的承載力會明顯下降，繼而造成二者之間的錯動和滑移，甚至是土體和混凝土結(jié)構(gòu)的分離，對渠道的耐久性及安全穩(wěn)定運行造成不利影響[3]。不同類型的土體在凍融循環(huán)作用下，其力學(xué)變化特征也有所不同，其對結(jié)構(gòu)面也會造成不同影響[4]。基于此，研究以實驗室試驗的方式，對凍融循環(huán)條件下土質(zhì)類型對襯砌與土體接觸面剪切強度的影響展開研究，以便為寒區(qū)渠道工程建設(shè)提供有益的借鑒。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗材料

試驗用土為我國西北和東北地區(qū)廣泛分布的砂土和粉質(zhì)粘土。按照《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》將樣本烘干、碾碎、過篩、重塑，最終獲取符合此次試驗需求的土樣。經(jīng)過測試，兩種土體的塑限分別為14.6%和15.8%，液限分別為30.6%和28.4%，最大干密度分別為 1.82 和 1.94 g/cm3。

為了更好模擬渠道實際工程情況，混凝土的各項參數(shù)全部參照實際工程應(yīng)用參數(shù)，其水灰比例為1∶2，水泥和骨料的比例為1∶3，水泥與抗凍劑的比例為1∶0.15，水泥采用的是P.O42.5 普通硅酸鹽水泥，骨料為機制多級配骨料[5]。

1.2 試樣的制備

將獲取的土樣過篩，之后在110 ℃的烘干箱內(nèi)烘干24 h，將土配置為設(shè)定的含水率[6]。按照土體的液限和塑限特征，設(shè)置初始含水率為15%，18%和21%。為了保證含水率均勻，試驗中將土樣均勻平鋪在塑料薄膜上，然后將稱量好的水均勻噴灑至土體的表面，然后用塑料薄膜覆蓋防止水分蒸發(fā)，靜置8 h 之后，將土體攪拌均勻。將土體利用模具制備成70 mm×70 mm×35 mm 的立方體土樣，并編號備用。

參照寒區(qū)輸水渠道襯砌工程常用的混凝土配合比，稱量所需要的各種材料，然后用攪拌機攪拌均勻。再將混凝土澆筑于土樣的上方，厚為35 mm，然后利用振動臺進(jìn)行充分搗振，保證混凝土和土樣的充分接觸，之后將二元試樣在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，在14 d 后拆模取出試樣[7]。

1.3 試驗過程與方法

對制作完成的試樣進(jìn)行不同凍融循環(huán)參數(shù)下的凍融循環(huán)作用。具體而言，將試樣在-20 ℃下凍結(jié)12 h，凍結(jié)完成后在20 ℃下融化12 h 為一個凍融循環(huán)。在進(jìn)行20 次反復(fù)凍融循環(huán)之后，開始接觸面的剪切試驗。剪切試驗采用微機控制的電子萬能試驗機，法向應(yīng)力設(shè)置為50，100 ，150 和200 kPa。當(dāng)剪切接觸面發(fā)生剪切破壞時試驗結(jié)束，同時利用精確度為0.1 ℃的溫度計測量土壤樣品的實際溫度，并記錄好相應(yīng)的數(shù)據(jù)以備計算分析。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 溫度數(shù)據(jù)

為了獲取土質(zhì)隨溫度差異性的影響，研究中對不同含水率情況下的溫度試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，結(jié)果如表1 所示。由表1 中的結(jié)果可知，在相同的含水率和法向壓力條件下，砂土試樣的升溫情況比較迅速。究其原因，主要是砂土的土壤顆粒粒徑明顯偏大，而現(xiàn)有的研究認(rèn)為粗顆粒土在凍融情況下的熱傳導(dǎo)系數(shù)相對較大[8]。因此，在相同的溫度條件下，砂土可以從外界吸收更多的熱量，所以溫度的上升幅度也相對較大。由此可見，土質(zhì)類別對混凝土襯砌與土體接觸面的溫度變化有顯著影響。

表1 溫度變化試驗結(jié)果

2.2 抗剪強度

對砂土和粉質(zhì)粘土試樣的抗剪強度試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，由于在第5 次循環(huán)之后抗剪強度基本趨于穩(wěn)定，因此僅列出前6 次凍融循環(huán)的試驗數(shù)據(jù)，結(jié)果如表2。由試驗數(shù)據(jù)可知，襯砌混凝土和土體界面的抗剪強度會隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而逐步降低，前3 次凍融循環(huán)過程中的下降幅度較大，之后逐漸趨于穩(wěn)定。土壤的含水率越高，各試驗階段的抗剪強度值也相對越大，原因可能是較大的含水率有助于界面的良好凍結(jié)，進(jìn)而增加了界面的相互作用效果。從兩種不同土質(zhì)的試驗結(jié)果對比來看，粉質(zhì)粘土的初始抗剪強度值相對較大，但是在凍融循環(huán)的作用下下降速率和幅度較大，穩(wěn)定之后的抗剪強度值反而偏小；而砂土正好相反。究其原因，主要是砂土的粒徑相對較大，其表面更為粗糙，具有較大的表面摩擦系數(shù)，因此在相同的法向應(yīng)力作用下，穩(wěn)定后的抗剪強度較大。由此可見，在寒區(qū)輸水渠道工程建設(shè)中，利用砂土換填粉質(zhì)粘土可以獲得更好的地基防凍脹效果。

表2 砂土粉質(zhì)粘土不同凍融循環(huán)閃數(shù)下的抗剪強度試驗結(jié)果

2.3 接觸面內(nèi)摩擦角

利用試驗數(shù)據(jù)計算獲取不同試樣的內(nèi)摩擦角，并繪制出如圖1 所示的內(nèi)摩擦角變化曲線。由圖1 可知，在其他條件相同時，粉質(zhì)粘土組比砂土組的內(nèi)摩擦角明顯偏大。究其原因，主要是砂土的內(nèi)摩擦角明顯偏大，同時接受的外部熱量較多，溫度上升較快。在這種情況下，其接觸面的未凍水含量會相對較高，進(jìn)而造成接觸面的內(nèi)摩擦角偏小。

圖1 接觸面內(nèi)摩擦角變化曲線

2.4 粘聚力

利用試驗數(shù)據(jù)計算獲取不同試樣的粘聚力，并繪制出如圖2 所示的粘聚力變化曲線。由圖2可知，在其他條件相同時，粉質(zhì)粘土組比砂土組的粘聚力明顯偏小，且受到含水率的顯著影響。究其原因，由于砂土的顆粒比粉質(zhì)粘土明顯偏大，其化學(xué)表面能會明顯偏小，在寒區(qū)低溫環(huán)境下，會有較多的土壤自由水轉(zhuǎn)化為冰晶狀態(tài)，而粉質(zhì)粘土的粉粒含量明顯偏高，水分主要以結(jié)合水的形態(tài)存在于土壤中，凍結(jié)形成的冰晶數(shù)量明顯偏少，最終導(dǎo)致砂土的接觸面粘聚力比粉質(zhì)粘土大。隨著土壤含水率的上升，土壤中的自由水會明顯增多，導(dǎo)致低溫環(huán)境下冰晶數(shù)量的增加，進(jìn)而造成接觸面粘聚力的迅速增大。

圖2 接觸面粘聚力變化曲線

3 結(jié)語

此次研究通過室內(nèi)模擬實驗的方式，研究了不同土質(zhì)類型下渠道混凝土襯砌和基土接觸面的力學(xué)變化特征。試驗結(jié)果顯示，土質(zhì)類別對混凝土襯砌與土體接觸面的溫度變化、抗剪強度、粘聚力和內(nèi)摩擦角存在十分顯著的影響。結(jié)合試驗結(jié)論，在寒區(qū)輸水渠道工程建設(shè)中，利用砂土換填粉質(zhì)粘土可以獲得更好的地基防凍脹效果。當(dāng)然，在具體的換填方式和參數(shù)設(shè)計方面并沒有進(jìn)行深入探討，需要后續(xù)進(jìn)行深入研究，以便為工程應(yīng)用提供更有力的支持和借鑒。