凍融循環條件下土質類型對襯砌與土體接觸面力學特征的影響

張健萍

（遼寧天禹實業有限公司，遼寧朝陽122000）

我國具有面積廣大的凍土區，而季節性凍土區占國土面積的53.5%。對于季節性凍土區建設的水利工程，特別是輸水渠道，必須要考慮凍融循環的影響[1]。對于輸水渠道的襯砌結構，混凝土與土體的交界面是凍融循環作用下應力和變形相互傳遞的重要媒介，也是結構破壞發生的薄弱面[2]。因此，對于季凍區的混凝土襯砌輸水渠道，必須要充分考慮凍融循環效應對結構接觸面的影響。在反復的凍融作用下，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構的分離，對渠道的耐久性及安全穩定運行造成不利影響[3]。不同類型的土體在凍融循環作用下，其力學變化特征也有所不同，其對結構面也會造成不同影響[4]。基于此，研究以實驗室試驗的方式，對凍融循環條件下土質類型對襯砌與土體接觸面剪切強度的影響展開研究，以便為寒區渠道工程建設提供有益的借鑒。

1 試驗設計

1.1 試驗材料

試驗用土為我國西北和東北地區廣泛分布的砂土和粉質粘土。按照《土工試驗方法標準》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，混凝土的各項參數全部參照實際工程應用參數，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 ℃的烘干箱內烘干24 h，將土配置為設定的含水率[6]。按照土體的液限和塑限特征，設置初始含水率為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，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準養護箱內進行養護，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行不同凍融循環參數下的凍融循環作用。具體而言，將試樣在-20 ℃下凍結12 h，凍結完成后在20 ℃下融化12 h 為一個凍融循環。在進行20 次反復凍融循環之后，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，法向應力設置為50，100 ，150 和200 kPa。當剪切接觸面發生剪切破壞時試驗結束，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，并記錄好相應的數據以備計算分析。

2 試驗結果分析

2.1 溫度數據

為了獲取土質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據進行整理，結果如表1 所示。由表1 中的結果可知，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，而現有的研究認為粗顆粒土在凍融情況下的熱傳導系數相對較大[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 溫度變化試驗結果

2.2 抗剪強度

對砂土和粉質粘土試樣的抗剪強度試驗數據進行統計，由于在第5 次循環之后抗剪強度基本趨于穩定，因此僅列出前6 次凍融循環的試驗數據，結果如表2。由試驗數據可知，襯砌混凝土和土體界面的抗剪強度會隨著凍融循環次數的增加而逐步降低，前3 次凍融循環過程中的下降幅度較大，之后逐漸趨于穩定。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，進而增加了界面的相互作用效果。從兩種不同土質的試驗結果對比來看，粉質粘土的初始抗剪強度值相對較大，但是在凍融循環的作用下下降速率和幅度較大，穩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，因此在相同的法向應力作用下，穩定后的抗剪強度較大。由此可見，在寒區輸水渠道工程建設中，利用砂土換填粉質粘土可以獲得更好的地基防凍脹效果。

表2 砂土粉質粘土不同凍融循環閃數下的抗剪強度試驗結果

2.3 接觸面內摩擦角

利用試驗數據計算獲取不同試樣的內摩擦角，并繪制出如圖1 所示的內摩擦角變化曲線。由圖1 可知，在其他條件相同時，粉質粘土組比砂土組的內摩擦角明顯偏大。究其原因，主要是砂土的內摩擦角明顯偏大，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，進而造成接觸面的內摩擦角偏小。

圖1 接觸面內摩擦角變化曲線

2.4 粘聚力

利用試驗數據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粘土明顯偏大，其化學表面能會明顯偏小，在寒區低溫環境下，會有較多的土壤自由水轉化為冰晶狀態，而粉質粘土的粉粒含量明顯偏高，水分主要以結合水的形態存在于土壤中，凍結形成的冰晶數量明顯偏少，最終導致砂土的接觸面粘聚力比粉質粘土大。隨著土壤含水率的上升，土壤中的自由水會明顯增多，導致低溫環境下冰晶數量的增加，進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 結語

此次研究通過室內模擬實驗的方式，研究了不同土質類型下渠道混凝土襯砌和基土接觸面的力學變化特征。試驗結果顯示，土質類別對混凝土襯砌與土體接觸面的溫度變化、抗剪強度、粘聚力和內摩擦角存在十分顯著的影響。結合試驗結論，在寒區輸水渠道工程建設中，利用砂土換填粉質粘土可以獲得更好的地基防凍脹效果。當然，在具體的換填方式和參數設計方面并沒有進行深入探討，需要后續進行深入研究，以便為工程應用提供更有力的支持和借鑒。