凍結粉質砂土和襯砌混凝土接觸面剪切強度試驗研究

2022-04-22 03:09:42彭遠春

水利科技與經濟 2022年4期

彭遠春

(吉安市水利水電規劃設計院，江西吉安 343000)

1 研究背景

灌溉渠道是農田灌溉基礎設施的重要組成部分，在提高農業用水效率、充分發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，我國北方地區存在大面積的凍土分布區，多年凍土和季節性凍土面積占我國國土面積的70%。顯然，季凍區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、不同結構形式的輸水渠道在凍害的表現形式上有所差異，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構接觸面的力學性能[3]。鑒于我國北方干旱和半干旱地區灌溉渠道的基土以粉質砂土為主，而粉質砂土內部孔隙度較大，因此在凍脹影響下的性能變化具有自身的特殊性。基于此，本文利用室內試驗的方式，探討粉質沙土和襯砌混凝土接觸面剪切強度的變化規律，以期為相關工程的設計和建設提供參考和借鑒。

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，主要結構包括工字形反力梁、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成。

加載系統包括水平加載系統和法向加載系統。水平加載系統主要包括荷載框、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，實現沙袋重力向水平剪切力的轉換。法向加載系統主要包括油壓千斤頂、數顯壓力表、重力傳感器和記錄儀。

導向系統包括水平和豎直導向系統。水平導向系統由上頂面導軌、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力作用時能夠水平移動。豎直導向系統主要包括豎向導軌和4根定位桿，其主要作用是保證剪切盒在試驗中不發生水平滑動位移，其結構示意圖見圖1。

圖1 豎直導向系統結構示意圖

剪切盒主要由上盒與下盒構成。盒體由鋼材焊接而成，底部和四周內置有機玻璃，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，其兩側和頂面布置酒精循環冷管，以保持箱內溫度的恒定。試驗中的冷浴為XT5701LTB-450型循環裝置，其溫度可調并用屏幕顯示。

試驗中的位移量測采用機電位移百分表，通過電子數據線與外接電腦相連，實現試驗數據的實時傳輸和存儲。

2.2 試驗材料

試驗用粉質沙土取自北方某灌區節水改造工程施工現場。經實驗室測定，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 型數顯式土壤液、塑限聯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護室內養護至7 d齡期脫模，然后繼續養護至28 d齡期[4]。

2.3 試驗方法

在試驗中根據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力，在應力值穩定于試驗方案設計數值后，利用加載框和沙袋施加水平剪切應力，并分級加載進行剪切試驗[7]。當應變速率小于0.001 mm/h時認為變形趨于穩定，即可進行下一級的加載試驗，當試件發生破壞時結束試驗，并做好試驗數據的記錄和保存。

2.4 試驗方案

結合相關理論和研究成果，選擇含水率、干密度、法向應力以及凍結時間作為主要變量[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；法向應力選擇100、150 、200、250、300和350 kPa等6種不同的因素水平；凍結時間選擇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律。

3 試驗結果與分析

3.1 含水率

在試驗過程中保持1.60 g/cm3的粉質沙土干密度、200 kPa的法向應力和18 h的凍結時間不變，對不同含水率水平下的試樣進行抗剪試驗。根據試驗中獲得的數據，繪制出接觸面抗剪強度隨含水率的變化曲線，結果見圖2。由圖2可以看出，粉質沙土的含水率會對接觸面的抗剪強度產生比較明顯的影響。具體來看，隨著粉質沙土含水率的增加，接觸面的抗剪強度呈現出先增加后減小并逐漸趨于穩定的變化特點。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小；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，法向應力作用下對接觸面產生潤滑作用，造成剪切強度下降。從具體數值來看，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的法向應力和18 h的凍結時間不變，對不同粉質沙土干密度方案進行試驗，并根據試驗中的數據繪制出接觸面剪切強度隨干密度的變化曲線，結果見圖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出迅速減小后逐漸趨于平穩的變化與特征。當干密度小于1.55 g/cm3時，抗剪強度值迅速減小；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，粉質沙土干密度的增加，表示土體內部整體性的增強，在土體和混凝土接觸面滑動過程中，土體顆粒不易發生翻轉和轉動，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的凍結時間不變，對不同的法向應力方案的進行試驗。根據試驗獲取的數據，繪制出接觸面抗剪強度值隨法向應力的變化曲線，結果見圖4。由圖4可以看出，隨著法向應力值的增大，接觸面的抗剪強度呈現出迅速增大并趨于穩定的變化特點。究其原因，主要是隨著法向應力的增大，接觸面的摩擦系數不斷增大，抗剪強度也隨之增大。但隨著法向應力的進一步增大，接觸面深部會發生破壞，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。從具體數值來看，當法向應力小于150 kPa時，抗剪強度值迅速增大；當法向應力大于150 kPa時，抗剪強度值增加幅度較為有限。

圖4 剪切強度隨法向應力變化曲線

3.4 凍結時間

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的法向應力不變，對不同凍結時間方案的進行試驗。根據試驗獲取的數據，繪制出接觸面抗剪強度值隨凍結時間變化曲線，結果見圖5。由圖5可以看出，接觸面的抗剪強度隨著凍結時間的增加而增加，且前期呈現出較為顯著的線性變化關系，在凍結大于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，隨著凍結時間的增長，接觸面部位會產生數量更多的冰晶，提高了土體和混凝土的膠結作用，因此抗剪強度值也會不斷增大；而隨著凍結時間的進一步延長，上述作用會趨于減弱，因此抗剪強度的值增長會趨緩。