灌區田間渠系水工建筑物循環凍脹機理試驗探究

陳金波,何修亮

(黑龍江省水利監督保障中心,哈爾濱 150001)

0 前 言

三江平原灌區田間配套工程是貫徹落實習近平總書記重要指示批示精神的重大舉措,是通過工程換水實現三江平原地表水與地下水采補平衡的根本措施,也是落實藏糧于地、藏糧于技戰略,全面提升三江平原糧食產能的重要保障。三江平原灌區田間配套工程位于黑龍江省三江平原腹地,橫跨黑龍江省季節凍土區。黑龍江省季節凍土區水利工程建設開發,柔軟土地基部位的換填土施工應用較廣泛,較多出現了土體固結下沉、凍脹損壞的相對問題。高分子聚合物輕質混合土在結構體減重、降低側壁土體壓應力的穩定優點得到了廣泛的關注,顆粒輕質混合土的特點為輕量性,還兼具其流動性、自然硬性、均質化性、較易加工等特點,文章在預防凍脹問題的研究從而使顆粒輕質混合土在巖土工程中的拓展和利用方面有著積極的意義。高分子聚合物顆粒輕質土中,原料黏土取自青龍山灌區田間配套支渠堤壩。由低液限黏土、粉煤灰、減水外加劑、硅酸鹽水泥、水、高分子聚合物顆粒按選定比例混合,經攪拌機械翻拌成混合料。這種混合料具有密度比小,熱效率傳導慢,熱效阻隔強和保溫效果優等特點。為了深入探究預防凍脹破壞成因成效,拓展預制混凝土矩型槽在渠道應用條件,利用模擬凍融循環模型,對顆粒輕質土的保溫效能及預防凍脹破壞進行實測和論證,為顆粒混合輕質土在三江平原季節冰凍地區的典型推廣確定理論依據和使用方法,使灌區田間配套渠系水工建筑物在季節凍脹區的凍脹損壞降至最低。

1 結構體模型試驗標準

1.1 試驗目的

通過在室內低溫梯度模型試驗,比較結構體底板在不同摻量顆粒輕質土的混凝土矩型槽渠道在凍融空間域下的溫差梯度場、凍脹量程區間變化(顆粒輕質土摻量比例為2%,3%,4%)。確定凍脹損壞對預制混凝土矩型槽渠道溫差梯度場及凍脹損失邊界定量,并對矩型槽渠道在反復凍脹條件下,其結構耐久性進行數據采集分析和堅固性定量對比量測。

1.2 試驗內容

結構模型試驗具體觀測內容:①用溫差梯度場監測模型土體內部溫差梯度場;②用凍脹量程監測模型土體的凍脹量程變化。

1.3 試驗裝置及設備

本次試驗將在黑龍江省季節凍土區工程凍土重點實驗室2#低溫試驗室進行。室內模型試驗箱體尺寸(長×寬×高)5.0m×3.5m×2.0m。測試數據采集設備是選用Datataker智能可編程數據采集器系統,本系統可同時具備7個數字通道、10～30個傳感器通道,同步采集系列數據。米科系列溫度巡檢儀、安捷倫PT200溫度傳感器、北京環宇T系列自回復直線位移傳感器。

1.4 試驗土料

1.4.1 混合料試驗用土

試驗所用擾動土取自木蘭香磨山灌區續建配套工程渠系建筑物凍脹損壞試驗段現場,試驗用土主要物理力學指標,見表1。試驗土樣按水利部行業標準《土工試驗規程》(SL237-1999)土料物理性能的標準進行試驗。

表1 試驗用土主要物理力學指標

1.4.2 高分子聚合物顆粒

試驗采用高分子聚合物顆粒,直徑在2～4mm之間,堆積密度0.024g/cm3

1.4.3 固化劑

采用425普通硅酸鹽水泥為輕質土的凝固劑。

1.4.4 外加劑

丙烯酸脂共聚乳液、SB-10引氣劑、木質素磺酸鹽減水劑。

1.4.5 試驗投料比

高分子聚合物顆粒輕質土配合比,見表2。

表2 高分子聚合物顆粒輕質土配合比

2 試驗方案

2.1 試驗用傳感器

1)數據采集裝置:Datataker智能可編程數據采集器系統。

2)溫度傳感器:米科系列溫度巡檢儀、安捷倫PT200溫度傳感器

3)位移傳感器:北京環宇T系列自回復直線位移傳感器。

2.2 模型比尺選擇

本結構模型采用線性回歸方程比尺為控制比尺,選定的構架比尺為Bl=1∶10。

據此,模型試驗的相似構架比尺設計如下:

1)時間比尺為Bτ=Bl2=100。

2)溫度比尺為Bt=1。

3)濕度比尺為Bω=1。

2.3 相似條件的實現

模型箱結構凈尺寸:5.0m×3.5m×2.0m。

試驗方案模擬一個凍融過程中溫差梯度、凍深、凍脹量程等的變化區間。為保證土體溫度場與野外實際工況有近似的相關性,將試驗土體地表溫度控制在-18～5℃,試驗環境溫度控制在-28～18℃。另外,在升溫融化階段利用控制柜對環境溫度進行調控外,還對模型箱體底板區域溫差進行控制,在近似天然工況下,凍結土層中的土體溫度場,實現雙向融化。根據野外凍土場地區溫度觀測結果,底板區域溫度控制在10±1℃[2]。

2.4 模型試驗方案設計

模型試驗傳感器布置方案所需傳感器種類及數量。所需傳感器數量:①溫度傳感器:50個;②位移傳感器:5個。

模型試驗量測儀器及設備主要包括溫度、變形。溫度觀測采用米科系列溫度巡檢儀、安捷倫PT200溫度傳感器,凍脹變形觀測采用北京環宇T系列自回復直線位移傳感器。數據采集使用溫度巡檢儀和Datataker智能可編程數據采集器系統。

3 試驗過程控制

3.1 架構模型制作

1)備好試驗用粉質土料,室內模型試驗箱體尺寸5.0m×3.5m×2.0m(長×寬×高)在試驗箱內分層填筑符合控制密度的試驗段粉質黏土,每一層填筑后記錄各層填筑土密度及含水率等數據,在第一層典型位置埋設溫度和位移傳感器,并記錄各類傳感器初始值。

2)本架構模型采用類比試驗手段,模型分為四種配比的土體結構形式。第一結構槽為模擬原狀土體,第二、三、四結構槽填筑不同密度的高分子聚合物顆粒土,混凝土矩型架構槽的外型尺寸:2.0m×0.3m×0.3m。填筑厚度20cm,開挖備用。

3)按配比將粉質黏土、水泥、水、三種摻量的高分子聚合物顆粒、外加劑混合翻拌成相應密度的高分子聚合物顆粒輕質土。依次填筑平整到第二、三、四結構槽作為保溫墊層,標準養護28d,在其上鋪裝混凝土矩型槽。槽身兩側用級配良好砂填充整平,在兩側打孔埋設溫度及傳感器。

4)對結構模型試驗裝置進行飽水處理。

5)四種架構模型模擬土體充分滲水飽和,將模擬試驗室室內溫度標定為恒溫狀態,使模型土結構體內范圍溫度達到10℃左右時,開啟降溫準備。

3.2 溫度傳感器設置

3.2.1 傳感器雨填埋設置

對需要埋入的各個傳感器進行統一編號,注明其位置及類型。然后,按設計圖紙在相應位置埋設對應的傳感器,用數據采集儀記錄各傳感器的初始值,以及施工過程各參數的變化。

3.2.2 傳感器的連接與調試

傳感器埋入土體的相應位置后,及時在數據采集儀的相應通道上連接傳感器,并在傳感器接線端貼上標簽,編號與埋設傳感器時注明的編號一致。傳感器連接好后,進行數據采集,查看數據采集情況并記錄初始值,如數據顯示不正常(如發生溢出等情況),則根據問題的類型進行相應的調整,待調試完成后再進行下一工序。

3.3 結構模型飽水和補水

3.3.1 模型飽水

模型結構制作完成的高分子聚合物顆粒輕質土墊層需要保溫養護28d,并對模型試驗箱進行飽和水處理,使試驗土體達到飽和狀態,其飽和度按土體的飽和含水量進行控制。

3.3.2 模型補水

利用模型試驗裝置的補水系統實現對試驗土體進行補水要求。為模擬開敞式凍結條件的試驗進行期間,一直進行補水,補水水位觀測通過補水箱的水位尺進行控制。

4 溫度過程控制方案

4.1 試驗降溫過程設計方案

模型架構采用以凍深為主的降溫過程漸變方案,模擬初始凍結到全部融化的歷時過程,四種配比土體全部融化后的階段,將不再參考模擬。根據哈爾濱實測資料,平均凍結期為210d,歷年最大凍深2.0m。由時間比尺Bt=16.7 ,線性回歸方程比尺Bl=5 ,溫度比尺Bτ=1.5,確定模型試驗進行12d(283h),確定最大凍深為60cm[1]。

試驗空間溫度控制歷程按4個時段進行,每個時段溫度控制歷程如下[2]:

1)降溫持續時段:時間0～65h,試驗用時65h,空間溫度2～-28℃;

2)低溫保持時段:時間65～120h,試驗用時55h,空間溫度保持-25℃;

3)升溫持續時段:時間120～230h,試驗用時110h,空間溫度-25～25℃;

4)保持恒高溫到完全融化時段:時間230～285h,試驗歷時55h,空間溫度保持25℃。

5 抗凍脹模型試驗結果及分析

5.1 土體溫度場變化過程分析

5.1.1 1#不摻高分子聚合物顆粒輕質土墊層

開始降溫試驗前,對結構模型周邊區域初始溫度進行收集,記錄溫度為7.6℃。經對試驗環境空間進行降溫階段,環境溫度至-28℃,在恒溫階段至環境溫度穩定到最大凍深溫度-25℃,此時對結構模型周邊區域溫度進行收集,記錄溫度為-19℃,經對移位傳感器數據收集顯示,矩型槽結構模型出現5cm左右隆起變形。待數據采集完成后,開始升溫試驗階段,升溫過程溫度梯度量程達50℃,從-25～25℃,從恒高溫至結構模型周邊土體完全融化階段,環境溫度保持在25℃時,觀察結構模型周邊土體呈顯出多條縱向貫通裂縫深度達60cm。在本次模擬天然環境空間凍融循環試驗過程,從觀測數據和表觀狀況,矩型槽結構模型存在明顯的凍脹損壞。

5.1.2 2#摻2%高分子聚合物顆粒輕質土墊層

降溫試驗前,對結構模型周邊區域初始溫度進行收集,記錄溫度為7.9℃。經對試驗環境空間進行降溫階段,環境溫度至-28℃,在恒溫階段至環境溫度穩定到最大凍深溫度-25℃時,對結構模型周邊區域溫度進行收集,記錄墊層以下土體周邊區域溫度-17℃,墊層以上土體周邊區域溫度-7℃。經對移位傳感器數據收集顯示,U型槽結構模型出現3cm左右隆起變形。待數據采集完成后,開始升溫試驗階段,升溫過程溫度梯度量程達50℃,從-25～25℃,從恒高溫至結構模型周邊土體完全融化階段,環境溫度保持在25℃,此時觀察結構模型周邊土體也呈顯出多條縱向貫通裂縫深度達43cm,裂縫深度較原無配比墊層縮小17cm。在模擬天然環境空間凍融循環試驗過程,從觀測數據和表觀狀況,矩型槽結構模型也程現出凍脹損壞[3]。

5.1.3 3#摻3%高分子聚合物顆粒輕質土墊層

降溫試驗前,對結構模型周邊區域初始溫度進行收集,記錄溫度為7.4℃。經對試驗環境空間進行降溫階段,環境溫度至-28℃,在恒溫階段至環境溫度穩定到最大凍深溫度-25℃時,對結構模型周邊區域溫度進行收集,記錄墊層以下土體周邊區域溫度-14℃,墊層以上土體周邊區域溫度-1℃。再對移位傳感器數據收集顯示,結構模型矩型槽出現隆起0.5cm左右。待數據采集完成后,開始升溫試驗階段,升溫過程溫度梯度達50℃,從-25～25℃,從恒高溫至結構模型周邊土體完全融化階段,環境溫度保持在25℃,此時觀察結構模型周邊土體呈顯出多條縱向貫通裂縫深度達18cm,裂縫深度較原無配比墊層縮小32cm。經本次模擬天然環境空間凍融循環試驗過程中觀測數據和表觀狀況得出,結構模型凍脹損壞程度較前兩個配比有明顯減小。

5.1.4 4#摻4%高分子聚合物顆粒輕質土墊層

降溫試驗前,對結構模型周邊區域初始溫度進行收集,記錄溫度為7.0℃。經對試驗環境空間進行降溫階段,環境溫度至-28℃,在恒溫階段至環境溫度穩定到最大凍深溫度-25℃時,對結構模型周邊區域溫度進行收集,記錄墊層以下土體周邊區域溫度-10℃,墊層以上土體周邊區域溫度5℃。經對移位傳感器數據收集顯示,矩型槽結構模型未出現隆起變形。待數據采集完成后,開始升溫試驗階段,升溫過程溫度梯度達50℃,從-25～25℃,從恒高溫至結構模型周邊土體完全融化階段,環境溫度保持在25℃,此時觀察結構模型周邊土體還是呈顯出多條縱向貫通裂縫深度達6cm,裂縫深度較原無配比墊層縮小54cm。本次模擬天然環境空間凍融循環試驗過程中觀測數據和表觀狀況看,矩型槽結構模型基本未出現凍脹損壞現象。

5.2 凍脹量、最大凍深分布的分析

不同摻量高分子聚合物顆粒輕質土模型試驗凍脹量統計表,見表3;不同摻量高分子聚合物顆粒輕質土模型試驗最大凍深統計表,見表4。

表3 不同摻量高分子聚合物顆粒輕質土模型試驗凍脹量統計表

表4 不同摻量高分子聚合物顆粒輕質土模型試驗最大凍深統計表

6 結 論

1)模擬空間環境試驗過程中,使溫度差變化梯度場布局總體達到土體單向分布凍結、法向分布融化的季節凍土區基礎土體的凍融循環變化規律。歷經凍融循環時空分布后,架構模型模擬溫度差變化梯度場分布均勻,沒有形成溫度區間夾層,促使架構熱量在土體內部空間傳遞效率均勻。

2)結合高分子聚合物顆粒不同配比摻量的遞增,模型架構體的凍脹程度和凍結深度逐漸降低,摻入量遞增后,凍脹程度和凍結深度的邊界削減也同步遞增,其中摻比量4% 的顆粒輕質土對凍脹程度邊界消減率達90%,凍深邊界削減率達44%,表現出高分子聚合物顆粒摻入量遞增后,達到架構土體凍脹程度、凍結深度邊界削減效果有顯著提高。

3)低溫模型架構試驗有效總結出4種密度的高分子聚合物顆粒輕質土墊層對混凝土矩型槽渠道起到了相應程度的溫差效能,可以有效抵御渠系基礎土體凍脹邊界變化對混凝土矩型槽渠道建筑物使用功能的凍脹損壞。