渠道下臥土—混凝土襯砌凍結接觸面直剪試驗研究

章賽澤　卞漢兵　董小花　孫兆輝　韓慧敏　邱秀梅

摘要：為研究渠道下臥土-混凝土襯砌凍結接觸面抗剪強度及其隨主要影響因素的變化規(guī)律，采用直剪儀開展了不同含水率、凍結溫度、法向應力及凍結時間條件下渠道下臥土-混凝土襯砌凍結接觸面直剪試驗研究。結果表明：剪切的初始階段，接觸面存在局部剪應力釋放現象，釋放量大小受土體含水率、法向應力、凍結時間因素影響，但不受凍結溫度的影響；在本試驗參數范圍內，接觸面峰值抗剪強度隨著土體含水率、法向應力、凍結時間的增加而增大，隨凍結溫度的降低而增大；接觸面的抗剪強度實質上是凍土中的冰晶與混凝土襯砌接觸面之間的膠結力，以及土體與混凝土襯砌接觸面之間的黏聚力與摩擦力；峰值抗剪強度大小主要受膠結力影響；黏聚力和摩擦力主要受法向應力、凍結時間的影響。

關鍵詞：接觸面；凍結；抗剪強度；下臥土；混凝土襯砌；剪應力

中圖分類號：TU411.7 文獻標識碼：A 文章編號：1672-1683（2017）05-0164-06

中國凍土分布十分廣泛，多年凍土和季節(jié)性凍土的影響面積約占陸地總面積的70%。對于季凍區(qū)中的灌溉渠道而言，由于氣候寒冷、持續(xù)時間長，極易發(fā)生渠道凍害破壞。在同一地質及水文地質條件下，渠道的結構設計、斷面形式等不同，其遭受的凍脹破壞的部位、程度和形式也不同。在發(fā)生凍脹情況下，渠道破壞往往是從襯砌開始，例如發(fā)生襯砌的滑塌、折斷、產生裂縫、隆起架空、表面剝落等，隨之渠道的抗?jié)B性能迅速下降，導致渠道滲漏而浪費水資源。盡管它們在凍害破壞形式上有所差異，但是它們在凍害破壞特征上有很多共同之處：凍脹都是由于下臥土孔隙水結晶粘聚，導致其體積膨脹。因而渠道凍脹破壞的程度主要取決于下臥土的凍脹引起的膨脹力。而下臥土的凍脹膨脹力主要取決于邊界約束力，特別是渠道混凝土襯砌與下臥土的接觸面力學性能。因此，對于季凍區(qū)中的渠道，其下臥土與混凝土襯砌接觸面性能對于研究渠道凍脹破壞及其防護尤為重要。

關于土與混凝土接觸面力學特性的研究，國內外已有較多研究成果。Clough等進行了土與混凝土接觸面的直剪試驗，并根據試驗結果建立了τ-μ的雙曲線模型，該模型由于參數易確定，直到現在還應用廣泛。Boulon等依據剪應力和位移關系曲線，提出了彈塑性模型。Brandtt經過深入的室內試驗和現場研究提出1個簡化模型描述接觸面切向應力和變形，用2條折線描述（τ/σ）-μ曲線。陳慧遠提出在垂直或傾斜度較陡的土和結構物的接觸面上，由于土體沿接觸面方向應變的累加，在接觸面上會產生較大的相對位移，遠超接觸面兩種材料之間的極限剪切位移而發(fā)生摩擦滑移。殷宗澤等發(fā)現接觸面直剪試驗所測出的上下盒相對位移隨平均剪應力下的增加而逐步增加，這是由于接觸面上剪切破壞邊緣向內部逐步發(fā)展的結果。高俊合等研制大型單剪儀進行土-混凝土接觸面單剪試驗，分析得到剪切破壞帶及其厚度。提出了接觸面剪切滑移薄層單元概念，并推導了其本構方程。胡黎明進行了系統(tǒng)的土與結構物接觸面的直剪試驗，研究了接觸面力學性質和變形機理根據試驗結果建立了描述接觸面應變軟化和剪脹現象的損傷力學模型。欒茂田等同時考慮接觸面的非線性剪切變形與非彈性的錯動變形將雙曲線模型與剛塑性模型結合提出了非線性彈任理想塑性本構模型。張嘎等進行了粗粒土與結構接觸面靜動力學試驗，指出抗剪強度與法向應力近似成線性關系、單條法向應力不變下的單調剪切應力路徑中，剪應力隨剪應變的增加而不斷增長并趨向于一穩(wěn)定值等五條粗粒土與結構接觸面靜動力學特性的基本規(guī)律。從中可以發(fā)現試驗儀器與方法、接觸面單元和本構模型等三個方面是土與混凝土接觸面特性研究的關鍵問題；現行很多數值模型，數值分析其結果的可靠性、可信度都取決于正確的凍結接觸面本構關系。

上述研究，均是在常溫下進行的。而目前針對負溫條件下的凍土_混凝土接觸面的研究相對較少。相關研究如下：崔穎輝、呂鵬等開發(fā)了一種低溫動荷載直剪儀，并通過試驗發(fā)現凍土-混凝土接觸面的動強度幅值與溫度、法向壓力、含水率等有關；并總結了垂直壓力、溫度、含水量對接觸面抗剪強度的影響。趙聯(lián)楨等研制了大型多功能凍土一結構接觸面循環(huán)直剪系統(tǒng)DDJ-1。孫厚超等研發(fā)了微米級變形測量系統(tǒng)，發(fā)現不同法向荷載或不同凍土體溫度條件下發(fā)生接觸面剪切時，界面層內土體水平位移隨深度增加而減小。溫智等通過試驗研究了青藏粉土-玻璃鋼接觸面力學特性，得出凍結狀態(tài)下接觸面應力_一位移性狀呈脆性破壞型，存在明顯峰值等結論。

目前對凍土-混凝土接觸面的研究主要以砂土、黏性土為主，而針對粉土展開的相關研究少之又少。以灌溉渠道為研究對象，針對渠基凍（粉）土-混凝土襯砌接觸面力學特性的研究目前并未見到。山東省作為中國的農業(yè)大省，耕地率高，灌溉渠道遍布，在農業(yè)生產生活中起著重要的作用。山東處于季凍區(qū)域，冬季氣候寒冷，輸水渠道極易發(fā)生凍害破壞。因此，本文以山東黃河流域位山灌區(qū)（灌區(qū)灌溉渠道下臥土以粉土為主）為工程背景，研究其灌溉渠道渠基凍（粉）土-混凝土襯砌接觸面在多因素作用下剪切性能的變化規(guī)律。開展此項研究，對渠道防滲性能的提升，渠道冬季凍脹破壞防治措施的實施等都具有重要意義。

1試驗設備及試驗方案

1.1試驗設備

試驗設備主要為ZJ（DSJ-3）型電動四聯(lián)等應變直剪儀及中科美菱DW-HL290型超低溫冷凍儲存箱。直剪儀最大垂直荷載400 kPa，推動軸推進速率分別為2.4、0.8、0.1、0.02 mm/min，量力環(huán)測量精度為0.01mm。超低溫冷凍儲存箱存儲溫度-5℃～-87℃，溫度控制精度為±0.5℃。

試驗用土與混凝土襯砌均取自山東黃河流域灌區(qū)——位山灌區(qū)。土樣基本物理參數見表1。預制混凝土襯砌塊的混凝土強度等級為C20，抗凍標號為F150，抗?jié)B標號為W8。

1.2試驗方案

影響灌溉渠道渠道下臥土-混凝土襯砌凍結接觸面抗剪強度的因素有土的含水率、凍結溫度、法向應力、凍結時間、接觸面粗糙度、土的類型等。本文取前四個控制參數進行試驗，對同一控制參數的試驗采用相同土樣與混凝土襯砌。不同試樣試驗數值對比見表2。

將試驗用土過2 mm篩后，置于烘箱烘干8 h后，參照相關土工規(guī)程（SL 237-1999土工試驗規(guī)程），按試驗設計含水量配置土樣。混凝土襯砌按直剪儀剪切盒的下剪切盒尺寸（直徑61.8 mm，厚度21 mm）切割。試驗時，將切割后的混凝土襯砌置于下剪切盒，土樣經過擊實之后使用環(huán)刀取相應尺寸土樣，然后壓入上剪切盒，固定剪切盒之后用200 kPa垂直荷載壓實1.5 h，使土樣和混凝土襯接觸面充分貼合。壓實后，將剪切盒整體放入冷凍儲存箱按設計要求凍結相應時間。冷凍完成之后，取出剪切盒迅速置于直剪儀上，施加所需法向應力，用2.4 mm/min的速度進行剪切試驗，剪切試驗基本上在20～90 s的短時間內完成，以彌補由于試驗儀器等條件制約導致的剪切試驗需在常溫下進行這一問題。

試驗結束后卸載，取出上剪切盒的土樣，采用烘干法測量土樣的含水率。

2試驗結果分析

本試驗中，在試驗初始階段可聽到輕微斷裂聲，測力計指針存在不同程度的倒退現象，這說明試驗初始階段渠道下臥土-混凝土襯砌凍結接觸面存在不同程度的局部破壞和剪應力釋放。渠道下臥土與混凝土襯砌凍結接觸面一般在2 mm位移以內發(fā)生破壞，破壞時可觀察到試樣明顯滑動并發(fā)出響亮的斷裂聲，同時直剪儀測力計讀數瞬時歸零，以此作為試驗結束標志。

凍結接觸面的抗剪強度用峰值抗剪強度表示。峰值抗剪強度是接觸面破壞前的最大剪應力，對應于剪應力τ相對于剪切盒水平位移u的變化曲線（以下簡稱τ-μ曲線）上剪應力釋放前的最高點。

2.1土體含水率對接觸面抗剪強度的影響

土體不同含水率下的接觸面直剪試驗一共進行9組試驗，不同控制參數見表2中編號1-1～1-9。其中取土體含水率分別為15.77%、16.85%、17.56%的三組試驗（1-6～10）的凍結接觸面剪切τ-μ曲線如圖1所示進行對比分析，這三組試驗的凍結時間都是24 h，凍結溫度均為-10℃左右，在相同的正應力100 kPa下進行。含水率15.77%的曲線呈近似單調上升后接近破壞時逐漸趨于平緩，直至試件破壞。含水率16.85%與17.56%的曲線形態(tài)相似，剛開始短時間內呈近似單調上升，之后短時間內趨于平緩（含水率越高，平緩期越長），之后曲線繼續(xù)呈單調上升狀態(tài)在臨近破壞時逐漸趨于平緩，直至試件破壞。

分析表明：通過前面得出的剪切初始階段剪應力釋放現象，結合τ-μ曲線可以發(fā)現τ-μ曲線初始階段平緩期與初始階段剪應力釋放存在相關關系。可以發(fā)現，隨著土體含水率的增長，剪切的初始階段剪應力增長速率減小，說明隨著含水率的增長，初始階段局部剪應力釋放量增大。土體含水率越低，接觸面抗剪強度越快達到峰值。對土體不同含水率下的峰值抗剪強度變化規(guī)律采用三次多項式函數進行擬合（圖2）可以發(fā)現，土體含水率越高，凍結接觸面的抗剪強度也越高，尤其是當含水率超過15%時，峰值抗剪強度增長速率呈快速上升狀態(tài)。在T=-10.1℃，σ=100 kPa，h=24 h，8.35%≤ω≤19.51%范圍內τ_max為：

2.2凍結溫度對接觸面抗剪強度的影響

不同凍結溫度下的接觸面直剪試驗一共進行3組試驗，不同控制參數見表2中編號2-1～2-3。對不同凍結溫度的τ-μ曲線（圖3）的曲線形態(tài)進行分析，不同溫度下的曲線形態(tài)相似，首先曲線呈近似單調上升，直至臨近破壞，曲線趨于平緩，直至試件破壞。

分析表明：剪切的初始階段剪應力增長速率相近，這說明凍結溫度對初始階段局部剪應力釋放影響較小。凍結溫度越高，接觸面抗剪強度越快達到峰值。從不同凍結溫度下的峰值抗剪強度變化規(guī)律的趨勢線（圖4）可以看出，在ω=16 42%，σ=100kPa，h=24 h，-15≤T≤-5.2溫度范圍內，凍結溫度越低，凍結接觸面的峰值抗剪強度越高。

2.3法向應力對接觸面抗剪強度的影響

不同法向應力下的接觸面直剪試驗一共進行4組試驗，不同控制參數見表2中編號3-1～3-4。分析不同法向應力下接觸面剪切τ-μ曲線（圖5）的曲線形態(tài)，法向應力100 kPa、200 kPa、300 kPa的曲線形態(tài)相似，初始階段曲線趨于平緩，且隨著法向應力的增長，平緩期逐漸增長，之后曲線均呈近似單調增長形態(tài)，在臨近破壞時逐漸趨于平緩，直至試件破壞。法向應力400 kPa的曲線形態(tài)初始階段突變之后逐漸減小，之后曲線均呈近似單調上升形態(tài)，在臨近破壞時逐漸趨于平緩，直至試件破壞。

分析表明：剪切的初始階段剪應力增長緩慢，且隨著法向應力的增加，增長速率逐漸降低。隨著法向應力的增大，初始階段局部剪應力釋放的量也隨之增大，這也是剪切初始階段剪應力增長速率隨著法向應力增加而逐漸降低的主要原因。法向應力越低，接觸面抗剪強度越快達到峰值。對不同法向應力下的峰值抗剪強度變化規(guī)律采用線性函數進行擬合（圖6）可以發(fā)現，法向應力越大，凍結接觸面的峰值抗剪強度也越大，法向應力與峰值抗剪強度兩者呈線性關系，在T=-10.0℃，ω=17.95%，h=24h，100 kPa≤σ≤400 kPa內τ_max為：

2.4凍結時間對接觸面抗剪強度的影響

不同凍結時間下的接觸面直剪試驗一共進行3組試驗，不同控制參數見表2中編號4-1～4-3。分析不同凍結時間下接觸面剪切τ-μ曲線（圖7）的曲線形態(tài)，凍結時間為6 h時，初始存在一段較長的平緩期，之后呈近似單調上升，在臨近破壞前再次逐漸趨于平緩直至試驗結束。凍結時間為12 h時，剪切一定時間后呈近似單調上升，接近破壞時趨于平緩直至試驗結束。當凍結時間為24 h時，首先呈近似單調上升形態(tài)，接近破壞時趨于平緩直至試驗結束。

分析表明：凍結時間越長，剪切的初始階段局部剪應力釋放量越少，剪應力增長速率越快。凍結時間越長，接觸面抗剪強度越快達到峰值。對不同凍結時間下的峰值抗剪強度變化規(guī)律采用線性函數進行擬合（圖8）可以發(fā)現，隨著凍結時間的增加，凍結接觸面的峰值抗剪強度也越大。凍結時間與峰值抗剪強度呈線性關系，在T=-15.0℃，ω=16.82%，σ100 kPa，6～12 h時間范圍內τ_max為：

2.5接觸面抗剪強度機理

渠道下臥土與混凝土襯砌凍結接觸面的抗剪強度實質上是土體中的水分在低溫下形成的冰晶與混凝土襯砌接觸面通過膠結作用形成的膠結力，以及土體與混凝土襯砌接觸面之間的黏聚力與摩擦力。

凍結接觸面的峰值抗剪強度主要受膠結力影響。而膠結力的大小受土體含水率、凍結溫度、凍結時間等因素的影響。土體含水率的增長、凍結溫度的降低以及凍結時間增長都會使土體中形成更多的冰晶，從而使膠結力更大。

凍結接觸面之間的黏聚力和摩擦力主要受法向應力、凍結時間的影響。所以隨著法向應力的增長，剪切的初始階段剪應力釋放時會釋放出更多的黏聚力和摩擦力，從而導致釋放量增大。而隨著凍結時間的減少，土體中的冰晶也隨之減少，膠結力對抗剪強度的影響降低，而黏聚力和摩擦力的影響上升。

3結論

本文通過在直剪儀上下盒分別裝入土樣和混凝土襯砌再將剪切盒整體置于低溫環(huán)境進行凍結的簡易方法，研究了土體含水率、凍結溫度、法向應力、凍結時間等因素對灌溉渠道渠道下臥土與混凝土襯砌凍結接觸面抗剪強度的影響，繪制出不同條件下的凍結接觸面剪切τ-μ曲線，較好地反映了整個剪切過程的變化。主要結論如下。

（1）剪切試驗的初始階段，凍結接觸面存在局部剪應力釋放現象，釋放量的大小與土體含水率、法向應力、凍結時間密切相關，而幾乎不受凍結溫度的影響。在本試驗參數范圍內：土體含水率越高，釋放量越大；法向應力越大，釋放量越大；凍結時間越長，釋放量越小。

（2）凍結接觸面的抗剪強度與土體含水率、凍結溫度、法向應力、凍結時間密切相關。其峰值抗剪強度與法向應力、凍結時間在本試驗參數范圍內呈線性關系：法向應力越大，峰值抗剪強度越大；凍結時間越長，峰值抗剪強度越大。除此之外，在本試驗參數范圍內，土體含水率越高，接觸面的峰值抗剪強度也越大；凍結溫度越低，峰值抗剪強度越大。

（3）凍結接觸面的抗剪強度實質上是凍土中的冰晶與混凝土襯砌接觸面之間的膠結力，以及土體與混凝土襯砌凍結接觸面之間的黏聚力與摩擦力。峰值抗剪強度大小主要受膠結力影響。土體與混凝土襯砌凍結接觸面之間的黏聚力和摩擦力主受法向應力、凍結時間的影響。

（4）本試驗僅考慮了一次凍脹后各因素對接觸面抗剪強度的影響，至于土體凍融循環(huán)對接觸面抗剪強度的影響以及試驗設備條件限制造成的如凍結時試樣上部未施加法向應力等問題有待后續(xù)繼續(xù)研究。