外荷載及物理作用下農田水渠開裂研究

劉 娜

(凌海市水利事務服務中心，遼寧 凌海 121200)

我國是農業大國,農業是國民經濟的重要組成部分, 要使農業經濟發展水平得到明顯的提升, 就需要加強農田灌溉水渠工程建設[1-2]。農田灌溉與農業種植息息相關,其中農田引水渠是灌溉中的重點環節，如果引水渠產生裂縫, 將會導致引水灌溉不能正常進行, 為農業生產帶來諸多阻礙。

目前，導致水渠開裂的主要原因包括沉陷、溫度應力、土壤干縮等[3]。沉降裂縫是由于在挖掘過程中擾動坡基原狀土, 造成坡基土的密實度達不到要求，使得回填難度很大，均勻性較差，很難承受襯砌混凝土的壓力，從而造成混凝土板沉陷扭曲、移位甚至是坍塌。溫度應力是由于澆筑混凝土以后，水泥和水發生水化熱，使混凝土板內的溫度不斷上升，加之外面溫度的不斷變化，相鄰部位的混凝土由于溫度和降溫的不同出現較大的溫度差,產生溫度效應。一旦溫度效應超過混凝土極限抗拉強度時，溫度裂縫就會出現。干縮裂縫產生的原因主要是混凝土表面失水或因自身收縮造成的。此外，烈日暴曬、養護不到位以及混凝土本身的收縮值太大等也會造成混凝土早期脫水，導致干縮裂縫的產生[4-9]。

本文以土壤含水率變化引起的開裂為研究對象，通過現場取樣，采用室內試驗分析膨脹應力、含水量和收縮率隨吸力的變化，研究不同荷載下土體變形規律，同時研究纖維加固后土體含水率變化和開裂情況。以期研究結果能為相關農田引水渠工程提供參考。

1 試驗制備

本文從凌海市某農田水渠附近鉆取土樣，采用烘干法測得原狀土樣水分含量w=25%，并保持這一含水率在沒有任何空氣干燥和松動的情況下制備土壤，使土樣尺寸小于2 mm。為對比含水量對土體開裂的影響，開展兩項對比試驗。第一部分為向土壤中加水，使其含水量接近76.10%的極限流塑性；第二部分為向土壤中加水使其達到94.20%極限流塑性。在進行對比測試前，先將樣品攪拌均勻，以獲得均勻的含水率，并借助塑料套筒將其壓實至直徑為150 mm、高度為15 mm的培養皿中，并去除氣泡。最后將土壤板組件放置在容量為2.000 g的刻度盤上，刻度靈敏度為0.01 g。該天平能夠實時測量土壤的重量，因此可以實時計算土壤含水量。在試驗開始前約2h打開白熾燈和實驗室空調，以保持試驗1中的初始環境溫度，僅執行這一個干燥步驟，持續49 h。在試驗2中，執行3個干燥和兩個濕潤步驟。在試驗2中，當干燥過程中土壤含水量接近塑性極限時，開始加濕循環，總共約250 h。為監測土壤隨時間的開裂動態過程，試驗時使用網絡攝像頭和自動圖像捕捉軟件，每10 min捕獲一次圖像。圖1為部分測試儀器。

圖1 測試儀器

2 膨脹應力、含水量和收縮率隨吸力的變化

圖2為通過恒定體積法獲得的膨脹應力、含水量和收縮率隨吸力的變化規律。

圖2 膨脹應力、含水量和收縮率隨吸力的變化規律

由圖2可知，隨著基質吸力的增加，膨脹應力呈逐漸增大的趨勢，當吸力達到33 MPa以后，增速較為平緩。但對于土壤收縮率，當吸力小于33 MPa時呈增長趨勢，但繼續增加吸力，收縮率略有下降，趨于穩定。而土的含水率隨吸力增大呈減小趨勢。總體而言，土壤水分的流失增加了膨脹應力，土壤濕潤后導致膨脹應力減少，而干燥導致膨脹應力增加。這表明，在野外氣候條件對土壤膨脹應力有顯著影響。水的連續蒸發使得黏土顆粒和外部顆粒層上的毛細吸力之間產生水-空氣彎月面，隨著土壤持續干燥，黏土顆粒之間的毛細吸力和有效應力增加，導致土壤固結和收縮。這一過程提高了土壤膨脹應力和收縮率。由于土壤的微觀結構受外部因素的制約，裂縫容易在表面上的臨界點開始，在該點上，吸力引起的拉伸應力累積超過土壤的拉伸強度。因此在土壤干燥過程中，水分蒸發對裂縫的出現和擴展起著重要作用

3 不同荷載下土體變形分析

圖3為不同荷載下開裂土體垂直應變隨時間的變化關系。由圖3可知，開裂土體膨脹趨勢隨著垂直應力的增加而減小，表明當張力減小時膨脹會更劇烈。當垂直應力≥160 kPa時，土壤不再隨著含水量的增加而膨脹，而是在原狀土含水量標準下出現壓縮，此時土壤的吸力為2.0 MPa，平均膨脹應力為169 kPa。這是由于土壤形成過程，其顆粒以薄片的形式定向排列，當水與土壤接觸時，吸附力和滲透應力導致薄片上下兩層均出現膨脹，將其變為分散結構。由于水分浸入發生在特定方向，且土壤具有低滲透性，因此與排水表面接觸的土壤部分首先開始出現膨脹過程，然后擴散到土體內部。

圖3 不同荷載下開裂土體垂直應變隨時間的變化關系

此外，當垂直應力≥160 kPa，試樣出現垂直應變隨時間增大的規律，經過分析可能有3種原因導致：①當施加的垂直應力小于膨脹應力時，浸水將導致膨脹，且膨脹應力越小；②當施加的垂直應力大于表面膨脹應力時，浸水將導致顆粒定向排列，且當濕潤土壤壓縮性從周圍到樣品中心逐漸增加時，由于施加的應力大于膨脹產生的應力，土壤會發生壓縮；③當施加的垂直應力幾乎與膨脹應力相同時，浸水最先導致排水面附近的含水量變化，從而改變該區域土壤的壓縮性。隨著增濕過程的推進，濕土的體積增加，膨脹開始超過垂直施加應力的影響。在試驗過程中測出壓縮變形，是由于雙層膨脹應力影響下(在新的更可壓縮的分散結構中)而產生的結果。圖4為垂直應力與土體膨脹勢之間的擬合關系。

圖4 不同荷載下開裂土體垂直應變與膨脹勢的變化關系

4 纖維加固后土體含水率變化

由試驗結果可知，水分蒸發即含水率的減小對裂縫的出現和擴展起著重要助推作用，因此控制土壤含水率的變化是防止水渠開裂的重要方法。根據文獻調研，本文采用在土壤中加入纖維的方法來研究土壤含水率和開裂變化。圖5為加纖維和不加纖維土壤72 h后土體開裂情況，二者初始含水量相同，纖維含量為10%。由圖5可知，加纖維后土體幾乎沒有發生開裂保持完整，而未加纖維的原狀土則出現了Y形和貫通裂紋，說明纖維能有效防止土體開裂。這是由于纖維能夠預防拉伸裂紋的形成，增加了水導率和液化強度，降低了熱導率和建筑材料的重量，抑制膨脹趨勢并降低土壤脆性。圖6為兩種試樣含水率隨時間的變化情況。由圖6可知，隨著時間的增長，二者的含水率都出現下降的趨勢，但每一測量時刻加纖維土的含水率明顯高于原狀土，72 h后纖維土的含水量為18.5%，而未加纖維土的含水量為11.6%，說明纖維能夠有效防止緩解土壤水分的流失，從而增強土壤的防開裂性能。

圖5 加纖維和不加纖維土壤72 h后土體開裂情況

圖6 兩種試樣含水率隨時間的變化

5 結 論

本文為研究農田引水渠開裂性質，通過現場取樣，采用室內試驗分析了膨脹應力、含水量和收縮率隨吸力的變化，得到了不同荷載下土體變形規律，同時研究了纖維加固后土體含水率變化和開裂情況。主要得到以下結論：

1)隨著基質吸力的增加，膨脹應力呈逐漸增大的趨勢，當吸力達到33 MPa以后，增速較為平緩。但對于土壤收縮率，當吸力小于33 MPa時呈增長趨勢，但繼續增加吸力，收縮率略有下降，趨于穩定。

2)開裂土體膨脹趨勢隨著垂直應力的增加而減小，表明當張力減小時膨脹會更劇烈。當垂直應力≥160 kPa時，土壤不再隨著含水量的增加而膨脹，而是在原狀土含水量標準下出現壓縮，此時土壤的吸力為2.0 MPa，平均膨脹應力為169 kPa。

3)纖維土和原狀土含水率隨時間都出現了下降趨勢，但每一測量時刻加纖維土的含水率明顯高于原狀土，72 h后纖維土的含水量為18.5%，而未加纖維土的含水量為11.6%，說明纖維能夠有效防止緩解土壤水分的流失，從而增強土壤的防開裂性能。