混凝土塑膜敷襯護層渠道的凍脹應力研究

賴學云

（江西省水利水電建設有限公司，江西 南昌 330000）

襯膜抗凍脹是北方寒區水工渠道設計筑建的重要技術環節。本文基于所收集的混凝土護層塑膜敷襯渠道的凍脹應力損壞研究資料，針對我國北方寒區梯形砼襯膜水工渠道的筑建特點，著重研究和探討鋪襯塑膜結構下的混凝土襯砌渠道凍脹性損壞和整治規律。

1 襯砌體凍脹損壞基本分析

雖然塑料薄膜擁有較好的水工防滲性，但如果過渡層含水量偏高，在寒冷地區封凍前，渠床容易造成嚴重凍脹，過量形變會使混凝保護層受到損壞。

通道水壓砌體的凍脹損壞一般是由砌體下土體的變形引起的。土壤凍脹一般發生在多個方向上，因為側向出現常常相互平衡，以致向上垂直性的現象形成并不突出。流動遷移理論和土壤顆粒熱位移效應分析表明，由于年度溫度周期在寒冷地區表層土壤中波動，反復凍融，土壤坡度得到再生。突出表現在三個方面：（1）由于水汽遷移現象發生的冰層下部凝結，導致土壤凍脹的發生；（2）水分運移導致溶質運移，導致土壤中高濃度區出現，導致上升的解凍弱層出現；（3）土壤顆粒在內部和外部應力作用下發生位移，冷生成剖面伴隨之變化，導致土壤性質的變化[1]。

土壤是松散的介質并且是多孔的，其成分例如有機物質、礦物顆粒、孔隙水等在孔隙中的排列通常是隨機和無序的。凍結作用對土體施加額外的壓力，引起凍脹。由此產生凍脹力推移土壤顆粒。土壤孔隙水中的自由水不受土壤顆粒電性顆粒的重力束縛，更易凍結。由于土壤顆粒的結合力較強，因此孔隙中的結合水一般不易凍結。土壤顆粒越細，電子分子的重力結合越強，并且冷凍過程越慢，在土壤的冷凍過程中，大孔隙中的自由水通常會凍結，大顆粒的土壤被提起，被稱為熱篩效應。在冷凍過程中，有一個現象，土壤水分遷移到冷鋒。當遷移水流量達到一定水平時，微小的土壤顆粒開始遷移。其次，凍結力可以逐漸使土壤顆粒和孔隙空間的組合和排列從原來的隨機紊亂變得相對有序。這會降低土壤的密度和抗剪強度，從而影響渠道的穩定性。

研究發現，最溫暖的冰晶體底面和冰凍鋒面之間有一個低含水量和低含水量的無霜區，稱為冰凍邊緣。測試表明，凍結邊緣的厚度隨著凍結歷史的變化而變化。冷凝冰的位置最有可能發生在沒有結構連接的地方，并且冷凝冰層的溫度隨著冷鋒的溫度降低而降低。一般在凍結期間，土壤中會形成多層凝結冰。在存儲結構體系中，根據水運遷移的基本原理和凍土中冰水平衡原理，一方面，在溫度梯度引起的非凍結水勢梯度的影響下，凍結系統中的未凍結水源將繼續從較高溫度端向較低溫度端遷移。另一方面，冷凍系統內不同位置的溫度使得在該位置存在與該溫度相對應的非冷凍水含量。非冰凍水遷移到這個地方會以冰的形式出現，并且體積會增加。則產生相應的凍脹力。如果由凍脹引起的剪切應力大于材料的剪切強度，則會發生剪切損壞并在該處形成分離的冰層。這是土壤結冰層和土壤凍脹的基本形成機制。

凍結通常具有疊加屬性。隨著研究的快速發展，亞冷凝冰層在土壤凍脹過程中的作用基本相當于一個啟動千斤頂。凝結的冰層越多，總的凍脹越大;如果每層的冰厚度較大，則凍脹總量會增加。

2 緣于凍脹的襯砌體損壞形式

凍結后土壤表面部分的高程，與凍結前的高程間存在差異，此稱為土壤凍脹量。如果土壤凍脹不受約束，一般只會經歷相對輕微的膨脹形變。而當凍結受到限制時，土壤中會產生相對劇烈的，相反于約束應力方向的凍脹應力[2]。

寒冷環境下，襯砌層同凍土層因為冷凝水而牢固地凍結在一起。使兩者聯結為一個整體，相互約束，此被稱為外部全約束體系。如果凍脹應力超過一定限度，并達到保護材料的允許極限，則通道的保護層將受到損壞。通常有四種損壞形式：

1）鼓脹及裂縫

襯砌渠道的凍脹裂縫更可能出現在現澆的大型混凝土板的上方。接縫位置通常在通道底部上方或斜坡上方，斜坡長度約1/4～3/4的范圍內。

2）隆起架空

這種現象主要發生于地下水位之上。它通常發生在坡腳處，河道底部中部或水面以上約0.5 m～1.5 m的坡面處。

3）滑塌

當起伏升起時，腳支撐相應受損，襯板墊失穩。當基礎土壤溶解時，上部板塊將沿著斜坡滑移，互相滲透或相互重疊。

4）整體上抬

對于襯砌完整性較好的通道或凍脹較弱的區域（如U型混凝土小通道），在凍脹應力影響下，可能出現襯砌向上提升。

3 渠床凍脹規律及其影響

渠床內不同含水量部位的膨脹表現是不盡相同的，運河底部的含水量通常很高，所以在這個位置的膨脹也相對較大。渠底混凝土護層承受的膨脹力比較大，渠床各部位的膨脹量各不相同，應力不均衡導致混凝土護層損壞[3]。

4 梯形砼襯膜結構的凍脹損壞分析

與溫度應力類似，土壤凍脹力也是一種材料體積力。在相同的溫度、土壤和濕度條件下，約束條件決定并影響凍脹力的大小。約束不存在，凍脹力即為0值。如果結合力大，則霜膨脹力增大。

梯形渠道底部襯砌板和渠坡的下部，凍脹性損壞相對容易發生，因為在坡腳處，襯砌板約束著基土凍脹，而越接近斜坡，凍脹量越小，相應的凍脹應力越大。彎曲應力是造成混凝土護套損壞的主要原因。混凝土是一種脆性材料，其抗彎曲性能通常遠低于其抵抗壓力的能力。

對襯砌膜護層混凝土渠道的凍脹性損壞開展力學計算分析前，首先要對渠道及凍土做如下假設：

1）法向渠腳凍脹跟法向坡腳凍脹應力值大致相同；

2）渠道邊坡的自由凍脹量一般沿渠坡按線性分布，渠頂最小，渠底最大；

3）凍土彈性模量較混凝土彈性模量小很多，凍土只對襯砌板施加凍脹力和提供被動的凍結約束，基本不參與襯砌板的彎曲形變；

4）一般不考慮沿斷面周長方向的渠道凍結影響，渠底段和渠邊坡段多單向凍結；

5）渠底板的兩端，受到來自坡板的鉸性約束，其法向凍脹力呈均勻分布，故可以簡化兩端的簡支梁；

6）法向凍脹量催生法向凍脹力，如果邊坡板法向凍脹力沿坡長線性分布，則坡頂為0值，至坡底值會達到最大[4]。

4.1 邊坡板受力

含水量沿邊坡高程相應分布，邊坡凍脹在沿高程一線，各處表現不同。靠近渠底的凍脹量高，緣于這里的含水量大。圖1為襯膜渠邊坡應力狀態。

圖1 襯膜渠邊坡應力狀態

（1）重力

邊坡板重力在未凍結前，由底板和渠基平衡頂推力，凍結后，重力由底板的約束力、法向凍脹力和凍結力平衡，故在計算內力時一般不去考慮它。

（2）法向 Ndz凍脹力

法向凍脹力為墊層凍脹產生的垂直加載于基礎的應力，其方向總是垂直于坡面，渠床的含水率決定凍脹量，凍脹量決定凍脹力，含水率降低則凍脹量減小。可依據文獻計算法向凍脹應力值。為了便于計算，通常以三角形分布來設定法向凍脹應力。Ndz凍脹力是致使襯砌遭受損壞的重要原因，可依據渠床含水量、當地土質和氣溫揭示Ndz凍脹力[5]。

邊坡板所承受的凍脹應力之和為：

（3）切向Nx凍結力

塑料薄膜和凍結，把邊坡板與土壤聯結成整體。凍脹量存在差值，促使其呈現壓縮形變趨勢，混凝土板假設為剛性，其形變量為零值，不協調變形在邊坡板與凍土之間產生。呈現向上位移趨勢是邊坡板一大特點，這時候，膜土間及膜板間剪應力取代凍結力，制約膜土間及膜板間相對滑移。在塑料薄膜上下兩個層面的凍結力中，含水量在膜的下表面較低，膜土凍結力則相對小，上表面含水量相對高，則膜土凍結力則相對大。

任意斷面計算公式：

（4）法向 Ndj凍結力

法向Ndj凍結力是因為底板Ny約束力和法向Ndz凍脹力的作用，使得坡板繞下支點可能發生回轉，但上部渠床土體要制約這一轉動的發生。為了方便計算，這里把法向凍結力作用點，定于坡板頂端，如此計算利于結構安全。

4.2 邊坡板基本內應力

法向凍脹力彎矩與切向凍結力彎矩之和，構成邊坡板彎矩，即：

式中：t代表板厚度。

計算最大彎矩所處的截面：

最大彎矩值計算：

如果把剪力作用忽略去，但考慮關注了單位渠長，則混凝土邊坡板的最大應力計算為：

式中：S標志基于截面的邊坡板面積；Wy是抗彎模量。

最小邊坡板厚度計算為：

式中：[σ]為混凝土拉伸許用應力[6]。

4.3 底板基本內應力

底板墊層各處含水量基本一致，凍脹量基本相同。基于剛性底板條件設定，底板凍脹應力呈現均勻分布。襯膜渠之底板應力狀態分布，見圖2（標志渠道的邊坡角）。

圖2 襯膜渠之底板應力狀態分布

中央底板處發生最大彎矩，不計重力計算其值為：

最大軸向力：

式中：S是截面積，Wy是抗彎曲模量。

最小底板厚度計算為：

式中：[σ]為混凝土拉伸許用應力。

凍脹引發的凍脹力導致襯砌層遭遇凍脹損壞，為消除凍脹力危害，除提高襯砌層厚度和混凝土標號外，還應采取如下措施：

1）提高墊層土體密度，以降低土體孔隙率。同時還要注意防止雨水經上蓋板滲入到防滲層和襯砌層之間。

2）盡可能解除或消弱凍土層和襯砌層之間的凍結約束，使兩者相對獨立。

3）改進襯砌體的架構形式，區別對待陽陰坡，采用曲面或變截面襯砌方式，以提升截面慣量，提高抗形變性能。

5 結語

本文基于所收集的混凝土護層塑膜敷襯渠道的凍脹應力損壞研究資料，針對我國北方寒區梯形砼襯膜水工渠道的筑建特點，著重研究和探討了鋪襯塑膜結構下的混凝土襯砌渠道凍脹性損壞和整治規律，分析了相關凍脹力影響因素，建立了混凝土塑膜敷襯護層渠道凍脹損傷模型，給出了梯形砼襯膜渠道的凍脹損壞計算模型，可為寒區梯形砼襯膜渠道設計提供參考。