低溫凍結(jié)條件下渠道基土與復(fù)合土工膜界面抗剪強度研究

羅 強

(甘谷縣水務(wù)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(shè)計中常用的復(fù)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(fù)合而成，具有較好的延伸性和抗拉強度，同時界面摩擦系數(shù)也得到顯著提高。經(jīng)樣品測試，其膜厚為0.8 mm，布厚為2.8mm，質(zhì)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(qū)渠系改造工程現(xiàn)場，分別為黏土、粉質(zhì)黏土和砂土。經(jīng)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(jié)合渠道復(fù)合土工膜-混凝土襯砌柔性支護結(jié)構(gòu)的實際工作環(huán)境和特點，選擇土樣性質(zhì)、含水率以及凍結(jié)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(zhì)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(jié)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(jié)果，提升試驗結(jié)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(huán)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(nèi)壁均勻涂抹一層凡士林。在環(huán)刀內(nèi)放置一塊光滑平整的玻璃，然后將復(fù)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(dǎo)入環(huán)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(yǎng)護室在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下養(yǎng)護至28 d齡期。

將自然風(fēng)干的土樣碾壓過篩，剔除其中粒徑>2 mm的顆粒，然后按照預(yù)設(shè)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(huán)刀作為填充容器，將養(yǎng)護好帶有復(fù)合土工膜的混凝土試件放入環(huán)刀，使土工膜一面向上。將配置好的土倒入環(huán)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(guī)定的凍結(jié)溫度條件下凍結(jié)24 h備用。

由于試樣制作過程中混凝土和復(fù)合土工膜已經(jīng)完全結(jié)為一體，兩者之間結(jié)合強度較高，一般不會發(fā)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(fù)合土工膜界面進行直剪試驗。關(guān)于界面抗剪強度，黏聚力和內(nèi)摩擦角是十分重要的參數(shù)，因此研究中以上述兩個參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)，對不同性質(zhì)土樣、不用凍結(jié)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(jié)果與分析

2.1 土樣性質(zhì)

在試驗過程中保持12%的土樣含水率和-15 ℃的凍結(jié)溫度不變，對不同性質(zhì)土樣方案進行直剪試驗。根據(jù)試驗中獲取的數(shù)據(jù)，確定出不同性質(zhì)土樣方案界面的黏聚力和內(nèi)摩擦角，結(jié)果如表1所示。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，繪制出黏聚力和內(nèi)摩擦角分布圖，結(jié)果如圖1所示。從試驗結(jié)果可以看出，土樣性質(zhì)對凍土-土工膜界面的黏聚力和內(nèi)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(nèi)摩擦角試驗結(jié)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(nèi)摩擦角最小，為15.67°；砂土的黏聚力最小，為30.35 kPa，內(nèi)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(nèi)摩擦角則呈現(xiàn)出不斷減小的變化特征。因此，渠基土為黏土?xí)r，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(wěn)定性。

圖1 不同性質(zhì)土樣黏聚力和內(nèi)摩擦角

表1 不同性質(zhì)土樣黏聚力和內(nèi)摩擦角試驗結(jié)果

2.2 含水率

在試驗過程中-15 ℃的凍結(jié)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(jù)試驗中獲取的數(shù)據(jù)，計算出不同含水率土樣方案界面的黏聚力和內(nèi)摩擦角，結(jié)果如表2所示。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，繪制出黏聚力和內(nèi)摩擦角的變化曲線，結(jié)果如圖2所示。從試驗結(jié)果可以看出，隨著土體含水率的增加，凍土-復(fù)合土工膜界面的內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)出不斷減小的變化趨勢而黏聚力呈現(xiàn)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(shù)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(dǎo)致未凍水含量的增加，因此會產(chǎn)生更明顯的潤滑作用，導(dǎo)致內(nèi)摩擦角減小。另一方面，未凍水?dāng)?shù)量的增加，會有效補充土體內(nèi)部的毛細(xì)水，造成土體孔隙減小和土體的結(jié)構(gòu)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(nèi)摩擦角變化曲線

表2 不同土樣含水率黏聚力和內(nèi)摩擦角試驗結(jié)果

2.3 凍結(jié)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(jié)溫度方案的試件進行直剪試驗。根據(jù)試驗中獲取的數(shù)據(jù)，計算出不同凍結(jié)溫度方案界面的黏聚力和內(nèi)摩擦角，結(jié)果如表3所示。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，繪制出黏聚力和內(nèi)摩擦角的變化曲線，結(jié)果如圖3所示。由試驗結(jié)果可以看出，隨著凍結(jié)溫度的降低，界面的黏聚力呈現(xiàn)出不斷增大的變化特征，內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)出小幅減小的變化特點。究其原因，主要是凍結(jié)溫度較低時，界面的冰晶數(shù)量會有所增長，因此冰膠結(jié)強度不斷增加，有利于黏聚力的提升。另一方面，界面冰晶數(shù)量的增加會導(dǎo)致剪切過程中未凍水含量的增加，因此會產(chǎn)生更明顯的潤滑作用，導(dǎo)致內(nèi)摩擦角減小。

圖3 不同凍結(jié)溫度土樣黏聚力和內(nèi)摩擦角變化曲線

表3 不同凍結(jié)溫度方案黏聚力和內(nèi)摩擦角試驗結(jié)果

3 結(jié) 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(nèi)摩擦角則呈現(xiàn)出不斷減小的變化特征。

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

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