低溫凍結條件下渠道基土與復合土工膜界面抗剪強度研究

羅 強

(甘谷縣水務局，甘肅 甘谷 741200)

1 材料與方法

1.1 試驗材料

此次試驗選用的為灌溉渠道防滲抗凍設計中常用的復合土工膜[1]。該土工膜有一層土工織物和一層高分子材料復合而成，具有較好的延伸性和抗拉強度，同時界面摩擦系數也得到顯著提高。經樣品測試，其膜厚為0.8 mm，布厚為2.8mm，質量為781 kg/m2，刺破強度為0.97 kN，抗拉強度為21 kN，縱向伸長率為151%。由于此次直剪試驗剪切盒直徑為61.8 mm，因此要將整塊的土工膜裁剪成直徑61.8 mm的圓形。

試驗土樣選某灌區渠系改造工程現場，分別為黏土、粉質黏土和砂土。經測定，其黏粒含量分別為80%、40%和10%。

1.2 試驗方案

界面抗剪強度會受到諸多因素的影響[2]。研究中結合渠道復合土工膜-混凝土襯砌柔性支護結構的實際工作環境和特點，選擇土樣性質、含水率以及凍結溫度等3個主要影響因素展開研究。其中，選擇黏土、粉土和砂土等3種不同性質的土樣；選擇6%、12%、18%等3種不同的含水率以及-10 ℃、-15 ℃以及-20 ℃等3種不同的凍結溫度進行試驗。試驗中采用固定兩個因素水平，對第三個因素進行試驗的方式進行。每種試驗方案在試驗中測試3個試件，以其均值作為試驗結果，提升試驗結果的精度。

1.3 試驗方法

試驗過程中選擇直徑61.8 mm、高10 mm的環刀作為混凝土試件的澆筑模具[3]。為了方便后期脫模，需要在其內壁均勻涂抹一層凡士林。在環刀內放置一塊光滑平整的玻璃，然后將復合土工膜膜面向下放置在玻璃上。將硅酸鹽水泥、河沙、水按照2∶3∶1的比例稱量并充分拌合，然后導入環刀制作混凝土試件[4]。在試件制作完畢后靜置24 h脫模，在編號之后將其放入養護室在標準養護條件下養護至28 d齡期。

將自然風干的土樣碾壓過篩，剔除其中粒徑>2 mm的顆粒，然后按照預設含水率8%、13%和18%添加水分并攪拌均勻，放入塑料袋中密封靜置24 h，使水分均勻混合于土樣之中。

選擇直徑61.8 mm，高20 mm的環刀作為填充容器，將養護好帶有復合土工膜的混凝土試件放入環刀，使土工膜一面向上。將配置好的土倒入環刀并擊實。利用保鮮膜包裹好制作完成的試件放入冰箱，在試驗規定的凍結溫度條件下凍結24 h備用。

由于試樣制作過程中混凝土和復合土工膜已經完全結為一體，兩者之間結合強度較高，一般不會發生相對滑動[5]。因此，在試驗中可以直接使用直剪儀對凍土和復合土工膜界面進行直剪試驗。關于界面抗剪強度，黏聚力和內摩擦角是十分重要的參數，因此研究中以上述兩個參數為標準，對不同性質土樣、不用凍結溫度、不同含水率條件下的界面抗剪強度進行試驗評價。

2 試驗結果與分析

2.1 土樣性質

在試驗過程中保持12%的土樣含水率和-15 ℃的凍結溫度不變，對不同性質土樣方案進行直剪試驗。根據試驗中獲取的數據，確定出不同性質土樣方案界面的黏聚力和內摩擦角，結果如表1所示。根據試驗數據，繪制出黏聚力和內摩擦角分布圖，結果如圖1所示。從試驗結果可以看出，土樣性質對凍土-土工膜界面的黏聚力和內摩擦角存在十分顯著的影響，黏土、粉土和砂土界面的黏聚力和內摩擦角試驗結果存在十分顯著的差別，具體來看，黏土的界面黏聚力最大為105.24 kPa，而內摩擦角最小，為15.67°；砂土的黏聚力最小，為30.35 kPa，內摩擦角最大，為32.44°。由此可見，凍土-土工膜界面的黏聚力隨著圖樣中黏粒含量的增加而增大，而內摩擦角則呈現出不斷減小的變化特征。因此，渠基土為黏土時，能夠有效提升土工布和凍土界面的抗剪性能，有利于凍融條件下坡面的穩定性。

圖1 不同性質土樣黏聚力和內摩擦角

表1 不同性質土樣黏聚力和內摩擦角試驗結果

2.2 含水率

在試驗過程中-15 ℃的凍結溫度不變，對不同含水率條件下的粉土土樣方案進行直剪試驗。根據試驗中獲取的數據，計算出不同含水率土樣方案界面的黏聚力和內摩擦角，結果如表2所示。根據試驗數據，繪制出黏聚力和內摩擦角的變化曲線，結果如圖2所示。從試驗結果可以看出，隨著土體含水率的增加，凍土-復合土工膜界面的內摩擦角呈現出不斷減小的變化趨勢而黏聚力呈現出不斷增加的變化趨勢。究其原因，主要是土體含水率的增加會使界面冰晶數量增多。但是，隨著剪切的進行，界面的冰晶開始融化，界面的未凍水含量增加。顯然，土體含水率的增加會導致未凍水含量的增加，因此會產生更明顯的潤滑作用，導致內摩擦角減小。另一方面，未凍水數量的增加，會有效補充土體內部的毛細水，造成土體孔隙減小和土體的結構性增強，因而界面黏聚力增強。

圖2 不同含水率土樣黏聚力和內摩擦角變化曲線

表2 不同土樣含水率黏聚力和內摩擦角試驗結果

2.3 凍結溫度

在試驗過程中選擇含水率12%的粉土作為土樣，對不同凍結溫度方案的試件進行直剪試驗。根據試驗中獲取的數據，計算出不同凍結溫度方案界面的黏聚力和內摩擦角，結果如表3所示。根據試驗數據，繪制出黏聚力和內摩擦角的變化曲線，結果如圖3所示。由試驗結果可以看出，隨著凍結溫度的降低，界面的黏聚力呈現出不斷增大的變化特征，內摩擦角呈現出小幅減小的變化特點。究其原因，主要是凍結溫度較低時，界面的冰晶數量會有所增長，因此冰膠結強度不斷增加，有利于黏聚力的提升。另一方面，界面冰晶數量的增加會導致剪切過程中未凍水含量的增加，因此會產生更明顯的潤滑作用，導致內摩擦角減小。

圖3 不同凍結溫度土樣黏聚力和內摩擦角變化曲線

表3 不同凍結溫度方案黏聚力和內摩擦角試驗結果

3 結 論

(1)凍土-土工膜界面的黏聚力隨著土樣中黏粒含量的增加而增大，而內摩擦角則呈現出不斷減小的變化特征。

(2)隨著凍結溫度的降低，界面的黏聚力呈現出不斷增大的變化特征，內摩擦角呈現出小幅減小的變化特點。

(3)隨著凍結溫度的降低，界面的黏聚力呈現出不斷增大的變化特征，內摩擦角呈現出小幅減小的變化特點。