凍結(jié)粉質(zhì)砂土和襯砌混凝土接觸面剪切強度試驗研究

彭遠春

(吉安市水利水電規(guī)劃設(shè)計院，江西 吉安 343000)

1 研究背景

灌溉渠道是農(nóng)田灌溉基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，在提高農(nóng)業(yè)用水效率、充分發(fā)揮有限水資源作用和價值方面具有重要的作用和價值。另一方面，我國北方地區(qū)存在大面積的凍土分布區(qū)，多年凍土和季節(jié)性凍土面積占我國國土面積的70%。顯然，季凍區(qū)的渠基土凍脹是造成灌溉渠道破壞的重要原因，一般會占到渠道破壞總量的四成以上[1]。雖然不同地區(qū)、不同結(jié)構(gòu)形式的輸水渠道在凍害的表現(xiàn)形式上有所差異，但是也有許多共同之處：凍脹一般都是由于渠基土孔隙水結(jié)晶黏聚，導致體積膨脹。因此，灌溉渠道的凍脹破壞程度主要受渠道基土凍脹引起的膨脹力的影響[2]。顯然，凍脹的膨脹力主要取決于邊界約束力，特別是基土和混凝土襯砌結(jié)構(gòu)接觸面的力學性能[3]。鑒于我國北方干旱和半干旱地區(qū)灌溉渠道的基土以粉質(zhì)砂土為主，而粉質(zhì)砂土內(nèi)部孔隙度較大，因此在凍脹影響下的性能變化具有自身的特殊性?；诖?，本文利用室內(nèi)試驗的方式，探討粉質(zhì)沙土和襯砌混凝土接觸面剪切強度的變化規(guī)律，以期為相關(guān)工程的設(shè)計和建設(shè)提供參考和借鑒。

2 試驗材料和方法

2.1 試驗儀器

試驗使用DHC-300型多功能剪切儀。該儀器為不同類型鋼材焊接而成，主要結(jié)構(gòu)包括工字形反力梁、槽型連接柱、支撐柱、工字水平梁、工字形橫梁、槽形橫梁、底部立柱、上連接板、下連接板以及底部支座等部分構(gòu)成。

加載系統(tǒng)包括水平加載系統(tǒng)和法向加載系統(tǒng)。水平加載系統(tǒng)主要包括荷載框、滑輪、鋼絲繩、鐵沙袋等部分，其中鋼絲繩主要用于連接下剪切盒以及荷載框，實現(xiàn)沙袋重力向水平剪切力的轉(zhuǎn)換。法向加載系統(tǒng)主要包括油壓千斤頂、數(shù)顯壓力表、重力傳感器和記錄儀。

導向系統(tǒng)包括水平和豎直導向系統(tǒng)。水平導向系統(tǒng)由上頂面導軌、下底面導軌以及承壓滾珠組成。其主要作用是保證下剪切盒在受到剪切應(yīng)力作用時能夠水平移動。豎直導向系統(tǒng)主要包括豎向?qū)к壓?根定位桿，其主要作用是保證剪切盒在試驗中不發(fā)生水平滑動位移，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 豎直導向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

剪切盒主要由上盒與下盒構(gòu)成。盒體由鋼材焊接而成，底部和四周內(nèi)置有機玻璃，可以保持試樣在試驗中含水率恒定。剪切盒的內(nèi)部尺寸為200 mm×200 mm×100 mm。

試驗用低溫模型箱的尺寸為3.5 m×2.0 m×2.2 m，四周填充泡沫保溫材料，其兩側(cè)和頂面布置酒精循環(huán)冷管，以保持箱內(nèi)溫度的恒定。試驗中的冷浴為XT5701LTB-450型循環(huán)裝置，其溫度可調(diào)并用屏幕顯示。

試驗中的位移量測采用機電位移百分表，通過電子數(shù)據(jù)線與外接電腦相連，實現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)的實時傳輸和存儲。

2.2 試驗材料

試驗用粉質(zhì)沙土取自北方某灌區(qū)節(jié)水改造工程施工現(xiàn)場。經(jīng)實驗室測定，土樣的粒徑范圍為0.5～3.0 mm，顆粒銳緣較多，平均粒徑為1.4 mm，其干密度為1.658 g/cm3。利用LP-100D 型數(shù)顯式土壤液、塑限聯(lián)合測定儀測定其塑限含水率為17.4%，液限含水率為27.1%。

試驗用混凝土試塊為襯砌工程常用的C30素混凝土，在混凝土試塊制作中使用的是可拆卸鋼模具定性。制作過程中采用分層填筑和振搗方式，以達到試驗所需要的強度，將制作完畢的試塊在標準養(yǎng)護室內(nèi)養(yǎng)護至7 d齡期脫模，然后繼續(xù)養(yǎng)護至28 d齡期[4]。

2.3 試驗方法

在試驗中根據(jù)試驗需要的含水率將稱量好的土量和水充分拌和，并放在密封塑料袋中靜置24 h備用。在制樣盒中放入混凝土塊，然后將土樣攤鋪在混凝土塊上方[5]。在填筑過程中需要在接觸面部位和土體內(nèi)部分別放置兩個和一個溫度傳感器，然后將土體壓實在低溫箱中以-10℃的溫度冷凍24 h拆卸，然后將凍土和混凝土試塊裝入剪切盒，對其進行低溫恒溫處理，在達到試驗溫度后，開始剪切試驗[6]。

試驗中首先隨試樣施加法向應(yīng)力，在應(yīng)力值穩(wěn)定于試驗方案設(shè)計數(shù)值后，利用加載框和沙袋施加水平剪切應(yīng)力，并分級加載進行剪切試驗[7]。當應(yīng)變速率小于0.001 mm/h時認為變形趨于穩(wěn)定，即可進行下一級的加載試驗，當試件發(fā)生破壞時結(jié)束試驗，并做好試驗數(shù)據(jù)的記錄和保存。

2.4 試驗方案

結(jié)合相關(guān)理論和研究成果，選擇含水率、干密度、法向應(yīng)力以及凍結(jié)時間作為主要變量[8]。其中含水率選擇6%、8%、10%、12%、14%、16%和18%等7種不同的因素水平；干密度選擇1.40、1.45、1.50、1.55、1.60、1.65和1.70 g/cm3等7種不同因素水平；法向應(yīng)力選擇100、150 、200、250、300和350 kPa等6種不同的因素水平；凍結(jié)時間選擇6、12、18、24、30和36 h等6種不同的因素水平。試驗中保持其余變量不變，對單一變量的影響進行試驗研究，獲得接觸面剪切強度的變化規(guī)律。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 含水率

在試驗過程中保持1.60 g/cm3的粉質(zhì)沙土干密度、200 kPa的法向應(yīng)力和18 h的凍結(jié)時間不變，對不同含水率水平下的試樣進行抗剪試驗。根據(jù)試驗中獲得的數(shù)據(jù)，繪制出接觸面抗剪強度隨含水率的變化曲線，結(jié)果見圖2。由圖2可以看出，粉質(zhì)沙土的含水率會對接觸面的抗剪強度產(chǎn)生比較明顯的影響。具體來看，隨著粉質(zhì)沙土含水率的增加，接觸面的抗剪強度呈現(xiàn)出先增加后減小并逐漸趨于穩(wěn)定的變化特點。究其原因，主要是含水率較小的情況下，土體顆粒與混凝土接觸不充分，摩擦力相對較小，導致抗剪強度值相對較??；而隨著含水率的增加，土體顆粒之間的孔隙逐漸被水分子填充，土體和混凝土的接觸更為充分，因此抗剪強度值明顯增大；而隨著含水率的進一步增大，土體中的自由水增多，法向應(yīng)力作用下對接觸面產(chǎn)生潤滑作用，造成剪切強度下降。從具體數(shù)值來看，當含水率為12%時的剪切強度值最大，為109.2 kPa。

圖2 剪切強度隨含水率變化曲線

3.2 干密度

在試驗過程中保持12%的含水率、200 kPa的法向應(yīng)力和18 h的凍結(jié)時間不變，對不同粉質(zhì)沙土干密度方案進行試驗，并根據(jù)試驗中的數(shù)據(jù)繪制出接觸面剪切強度隨干密度的變化曲線，結(jié)果見圖3。由圖3可以看出，接觸面剪切強度隨著干密度的增大呈現(xiàn)出迅速減小后逐漸趨于平穩(wěn)的變化與特征。當干密度小于1.55 g/cm3時，抗剪強度值迅速減??；當干密度大于1.55 g/cm3時，抗剪強度值的減小較為有限。究其原因，粉質(zhì)沙土干密度的增加，表示土體內(nèi)部整體性的增強，在土體和混凝土接觸面滑動過程中，土體顆粒不易發(fā)生翻轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)動，接觸面的摩擦力也會明顯減小，導致抗剪強度的減小。顯然，隨著密度的不斷增大，上述作用會明顯減弱，因此抗剪強度的減小幅度明顯變小。

圖3 剪切強度隨干密度變化曲線

3.3 法向應(yīng)力

在試驗過程中保持12%的含水率、1.55 g/cm3的干密度以及18 h的凍結(jié)時間不變，對不同的法向應(yīng)力方案的進行試驗。根據(jù)試驗獲取的數(shù)據(jù)，繪制出接觸面抗剪強度值隨法向應(yīng)力的變化曲線，結(jié)果見圖4。由圖4可以看出，隨著法向應(yīng)力值的增大，接觸面的抗剪強度呈現(xiàn)出迅速增大并趨于穩(wěn)定的變化特點。究其原因，主要是隨著法向應(yīng)力的增大，接觸面的摩擦系數(shù)不斷增大，抗剪強度也隨之增大。但隨著法向應(yīng)力的進一步增大，接觸面深部會發(fā)生破壞，從而形成形成一定厚度的接觸帶，因此抗剪強度沒有明顯增大。從具體數(shù)值來看，當法向應(yīng)力小于150 kPa時，抗剪強度值迅速增大；當法向應(yīng)力大于150 kPa時，抗剪強度值增加幅度較為有限。

圖4 剪切強度隨法向應(yīng)力變化曲線

3.4 凍結(jié)時間

在試驗過程中保持12%的含水率、1.55 g/cm3的干密度以及200 kPa的法向應(yīng)力不變，對不同凍結(jié)時間方案的進行試驗。根據(jù)試驗獲取的數(shù)據(jù)，繪制出接觸面抗剪強度值隨凍結(jié)時間變化曲線，結(jié)果見圖5。由圖5可以看出，接觸面的抗剪強度隨著凍結(jié)時間的增加而增加，且前期呈現(xiàn)出較為顯著的線性變化關(guān)系，在凍結(jié)大于30 h之后抗剪強度的增長有所減緩。究其原因，在其他條件相同時，隨著凍結(jié)時間的增長，接觸面部位會產(chǎn)生數(shù)量更多的冰晶，提高了土體和混凝土的膠結(jié)作用，因此抗剪強度值也會不斷增大；而隨著凍結(jié)時間的進一步延長，上述作用會趨于減弱，因此抗剪強度的值增長會趨緩。

圖5 剪切強度隨凍結(jié)時間變化曲線

4 結(jié) 論

本文利用室內(nèi)試驗的方式，分析了季凍區(qū)渠道凍結(jié)粉質(zhì)沙土和襯砌混凝土接觸面剪切強度的變化規(guī)律，主要結(jié)論如下：

1) 隨著粉質(zhì)沙土含水率的增加，接觸面剪切強度呈現(xiàn)出先增加后減小、最終趨于平穩(wěn)的變化特征，且含水率為12%時接觸面的剪切強度最大。

2) 隨著粉質(zhì)沙土干密度的增大，接觸面剪切強度呈現(xiàn)出迅速減小后逐漸趨于平穩(wěn)的變化與特征。由此可見，較小的粉質(zhì)沙土的干密度對提高接觸面的抗剪強度值越有利。

3) 隨著法向應(yīng)力的增大，接觸面的剪切強度而迅速增大并逐漸趨于穩(wěn)定。由此可見，適當提高法向應(yīng)力，對提升接觸面抗剪強度有利。

4) 隨著凍結(jié)時間的增加，接觸面的抗剪強度呈現(xiàn)出先線性增大、后增長趨緩的變化特點。