U形混凝土襯砌結(jié)構(gòu)凍脹性能離心模型試驗(yàn)研究

唐少容，王紅雨，潘 鑫，顧行文，任國峰

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U形混凝土襯砌結(jié)構(gòu)凍脹性能離心模型試驗(yàn)研究

唐少容1,2,3，王紅雨1,2,3，潘 鑫1,2,3，顧行文4，任國峰4

（1. 寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，銀川 750021；2. 寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心，銀川 750021； 3. 旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程研究中心，銀川 750021；4. 南京水利科學(xué)研究院，南京 210029）

為了控制季凍區(qū)渠道混凝土襯砌結(jié)構(gòu)的凍脹破壞程度，基于小型U形渠道混凝土襯砌結(jié)構(gòu)的凍脹破壞特征及抗凍脹性能，通過取消襯砌結(jié)構(gòu)的剛性接縫形成整體式大跨度U形混凝土襯砌結(jié)構(gòu)，并利用凍脹離心模型試驗(yàn)研究該襯砌結(jié)構(gòu)的凍脹效應(yīng)。試驗(yàn)表明，土溫在凍結(jié)前期降幅較大，渠坡兩側(cè)土體降溫快于渠底。整體式大跨度襯砌結(jié)構(gòu)呈偏心受力狀態(tài)，坡板上部上表面受拉，底板上表面受壓。變形性能良好，在持續(xù)負(fù)溫作用下沒有發(fā)生明顯的破壞，凍脹變形從坡板變形開始，隨著渠道底部土體溫度的下降，引發(fā)結(jié)構(gòu)整體變形，底板大幅抬起。結(jié)構(gòu)以向上抬升為主，同時沿法向向襯砌結(jié)構(gòu)中心收縮。底板和坡板的抬升最大分別可達(dá)16、4 mm。渠坡向內(nèi)回縮約5 mm。整體式大跨度U型混凝土襯砌結(jié)構(gòu)抗凍脹性能良好，能在一定程度上減輕襯砌結(jié)構(gòu)的凍脹破壞。

渠道；凍土；溫度；離心模型試驗(yàn)；整體式大跨度U形混凝土襯砌結(jié)構(gòu)；凍脹

0 引 言

目前，寧夏引黃灌區(qū)的支斗級渠道以U形混凝土襯砌為主，其橫斷面分為整體式、由兩塊板拼接而成的兩拼式、由三塊及四塊板錯縫拼接而成的多拼式等不同型式[1]。板塊之間及每跨之間均用細(xì)石混凝土或水泥砂漿填充并連接，在縱橫兩方向形成了與板厚同寬的接縫，為將此接縫與渠道伸縮縫相區(qū)別，稱其為剛性接縫。

針對季節(jié)性凍土地區(qū)混凝土襯砌結(jié)構(gòu)易發(fā)生凍脹破壞的現(xiàn)狀，許多學(xué)者從多孔多相介質(zhì)帶相變的固、液、氣、熱耦合[2-5]及凍土本構(gòu)模型[6-9]等方面進(jìn)行研究。針對渠道的襯砌結(jié)構(gòu)，文獻(xiàn)[10-11]進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究，探討了不同型式渠道的凍脹機(jī)理及凍脹特征；分析凍結(jié)力及凍脹力共同作用下襯砌結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)[12-20]。李學(xué)軍等[21]指出，U形渠道混凝土襯砌下部為反拱，整體性較好，能充分利用混凝土良好的抗壓性能。唐少容等[22]對三拼式小型U形渠道進(jìn)行凍脹力學(xué)分析，認(rèn)為橫斷面內(nèi)弧形板與直板交接處的剛性接縫是凍脹作用下的受力薄弱點(diǎn)。

筆者項(xiàng)目組經(jīng)過近5 a的實(shí)地觀測發(fā)現(xiàn)，季節(jié)性凍土地區(qū)小型U形混凝土襯砌結(jié)構(gòu)的凍脹破壞現(xiàn)象大量存在，在寧夏引黃灌區(qū)，幾乎所有相鄰的整體式襯砌結(jié)構(gòu)板跨間的剛性接縫都出現(xiàn)開裂、脫落等狀況，襯砌板與側(cè)面基土脫開；兩拼式襯砌結(jié)構(gòu)兩側(cè)的板塊沿渠底縱向的剛性接縫抬起、開裂；三拼式襯砌結(jié)構(gòu)沿著渠道縱向的剛性接縫全部斷開。呈現(xiàn)出襯砌板的開裂現(xiàn)象在剛性接縫處較為密集、嚴(yán)重的趨勢。如何控制渠道襯砌結(jié)構(gòu)的凍脹破壞成為季節(jié)性凍土地區(qū)灌區(qū)面臨的重要問題之一。

基于整體抗凍脹的理念，同時考慮到剛性接縫與混凝土襯砌板在材料、施工等方面的差異及沿渠道縱向可能存在的水分、溫度不均勻等狀況，加上U型襯砌結(jié)構(gòu)在受力方面的優(yōu)越性，筆者項(xiàng)目組在小型U形混凝土襯砌板的基礎(chǔ)上，保留渠道伸縮縫，加大板跨，取消渠道縱橫向的剛性接縫，形成整體式大跨度U形混凝土襯砌結(jié)構(gòu)，以期改變密集分縫的傳統(tǒng)襯砌結(jié)構(gòu)形式帶來的弊端，在仍然能夠充分利用U形結(jié)構(gòu)抗壓性能的前提下，形成縱橫雙向整體性能優(yōu)良的襯砌結(jié)構(gòu)，設(shè)法達(dá)到控制襯砌結(jié)構(gòu)凍脹破壞程度的目的。

襯砌結(jié)構(gòu)的凍脹效應(yīng)依賴于土體凍結(jié)過程，而土體的凍結(jié)往往歷時較長，離心模型凍脹試驗(yàn)可以將土體凍結(jié)時間壓縮，通過較短的時間模擬結(jié)構(gòu)的持久效應(yīng)，同時應(yīng)力狀態(tài)真實(shí)，可以直觀地反映土體凍脹及結(jié)構(gòu)的凍脹效應(yīng)。中國凍土離心模型的試驗(yàn)研究，尤其是針對寒區(qū)渠道凍害研究的離心模型試驗(yàn)開展的較少，目前該方面離心模型試驗(yàn)研究的報(bào)道僅有一例[23]。

為探究凍脹作用下整體式大跨度混凝土襯砌結(jié)構(gòu)的凍脹變形特征及破壞機(jī)理，筆者課題組利用南京水科院巖土工程研究所的TLJ-60A型巖土離心機(jī)，開展凍脹離心模型試驗(yàn)，為其在季節(jié)性凍土地區(qū)的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)，同時為將離心模型試驗(yàn)用于渠道襯砌結(jié)構(gòu)的凍脹性能研究提供參考。

1 凍脹離心模型試驗(yàn)

1.1 凍脹離心模型試驗(yàn)原理與相似準(zhǔn)則

離心模型試驗(yàn)是將模型置于離心機(jī)中，借助離心機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)，使1/縮尺的模型承受?離心加速度的作用，為相似比尺，為模型創(chuàng)造與原型應(yīng)力水平相同的應(yīng)力場，從而使原型的性狀在模型中再現(xiàn)的一種物理模擬手段，極大地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)模型試驗(yàn)的不足[24]。凍脹離心模型試驗(yàn)與其他土工離心模型試驗(yàn)不同之處在于需要在模型應(yīng)力場的基礎(chǔ)上加上溫度場。相似準(zhǔn)則是凍脹離心模型試驗(yàn)的理論依據(jù)。離心模型試驗(yàn)技術(shù)中與幾何尺寸、材料性質(zhì)、外部條件以及性狀反應(yīng)的主要相似準(zhǔn)則見文獻(xiàn)[25]。利用Butterfield量綱分析法建立渠道凍脹離心模型試驗(yàn)相似準(zhǔn)則[26-27]，當(dāng)模型采用與原型相同的土體和水時，離心模型中土體熱擴(kuò)散效應(yīng)、未凍水遷移以及融沉固結(jié)的時間比尺均為2；未凍水遷移的流速之相似比尺為1/；凍脹量的相似比尺為；孔隙壓力、基土與襯砌間剪應(yīng)力、凍結(jié)力的相似比尺為1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備與儀器

離心機(jī)最大容量60t（為重力加速度），有效半徑為2 m，最大離心加速度為200。在離心機(jī)內(nèi)加入凍融模型箱、熱交換系統(tǒng)、循環(huán)冷卻水系統(tǒng)、測量系統(tǒng)及控制系統(tǒng)等使土體凍結(jié)的模塊[11]，構(gòu)成凍脹離心模型試驗(yàn)系統(tǒng)，土體和渠道模型均放置于模型箱中。設(shè)備及制冷系統(tǒng)如圖1所示。凍融模型箱是放置模型的空間，要求具有良好的保溫與隔熱性能，由外箱、內(nèi)箱和夾層填充材料構(gòu)成，模型箱內(nèi)部長、寬、高分別為750、350及450 mm。熱交換系統(tǒng)為模型提供換熱條件，本次試驗(yàn)利用半導(dǎo)體材料形成間接熱傳導(dǎo)裝置[11]。循環(huán)冷卻水系統(tǒng)用以帶走半導(dǎo)體熱端溫度并將水排出到地面。

1. 模型箱 2. 半導(dǎo)體熱交換板 3. 冷凝器I 4. 冷凝器II →水流方向 5. 水泵 I 6. 水泵 II 7. 進(jìn)水口 8. 出水口 9. 水箱

1.3 模型制備

試驗(yàn)用土為寧夏青銅峽市邵崗鎮(zhèn)沙湖村輸水渠道工程現(xiàn)場地面下1 m深處的渠基土。土體呈淺褐色，土粒較為松散。天然密度為1.67 g/cm3，天然含水率為15.73%。按《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB50123-1999）測得液限為30.98%，塑限17.58%，塑性指數(shù)13.40，最大干密度1.88 g/cm3，最優(yōu)含水率16.03%。根據(jù)《土的分類標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50145-2007），確定該渠基土為粉質(zhì)砂土，其顆粒級配如表1所示。

表1 渠基土的顆粒級配

參考寧夏當(dāng)?shù)氐那莱叽?，取原型整體式大跨度混凝土渠道襯砌結(jié)構(gòu)如圖2a所示。模型的相似比尺應(yīng)結(jié)合模型箱空間的大小及過小模型的尺寸效應(yīng)，同時，模型渠坡兩側(cè)必須放置一定厚度的土體以保證襯砌結(jié)構(gòu)受到充分的凍脹作用，因此取相似比尺=12.5，離心加速度為12.5。模型渠道沿縱向的跨度為550 mm，縱、橫向均無剛性接縫。模型渠道的襯砌尺寸如圖2b所示，設(shè)計(jì)水位高度為渠頂下12 mm處。

圖2 原型和模型整體式大跨度渠道襯砌結(jié)構(gòu)及參數(shù)

凍脹試驗(yàn)首先要使土體充分凍結(jié)，因此要盡可能在較低的溫度下進(jìn)行。該離心機(jī)最低可以設(shè)定的溫度是-35 ℃，實(shí)際上溫度不斷波動，并且最低值達(dá)不到-35 ℃的程度。故為了研究襯砌結(jié)構(gòu)的抗凍脹性能，目標(biāo)邊界溫度設(shè)為-35 ℃，從上到下單向凍結(jié)，初始溫度為12 ℃，取自地下離心機(jī)機(jī)房的室溫。

按幾何相似和熱學(xué)相似原則，水泥砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)與混凝土相近，約為1.1 W/(m·K)，故選取水泥砂漿制作襯砌結(jié)構(gòu)模型。模型襯砌結(jié)構(gòu)厚5.6 mm。為保證襯砌結(jié)構(gòu)模型的制作質(zhì)量，向?qū)I(yè)公司訂做了制作U形襯砌的金屬模板，按圖2b制作襯砌結(jié)構(gòu)，成型后標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d。

由于熱交換板上可以有效利用的傳感器安裝孔的數(shù)量和位置有限，若與模型箱縱向平行地開挖渠道、布置模型，部分測點(diǎn)的測量設(shè)備安裝難度較大，因此，渠道開挖及模型布置均略與模型箱縱向成約23°的傾斜角，如圖3所示。

注：Y2、Y3、Y4、Y5為應(yīng)變片。

為保證凍結(jié)效果的可靠性，試驗(yàn)土體應(yīng)盡量接近原型土體的天然含水率。將土體按設(shè)計(jì)含水率充分均勻拌制后，多次調(diào)整含水率至15.7%±1%后用薄膜包裹靜置。模型安裝盡量快速，以保證水分不過分減少。

模型箱上表面預(yù)留10～30 mm的空間用于鋪設(shè)渠道襯砌和埋設(shè)傳感器。首先將土按設(shè)定含水率和干密度按40 mm一層，分層擊實(shí)至設(shè)定高度，制成水平地基，每層用土21.4 kg。擊實(shí)完成后，在渠側(cè)基土厚度足夠的前提下，按設(shè)計(jì)尺寸將模型斷面挖出，形成用以鋪設(shè)襯砌結(jié)構(gòu)的渠道。

熱交換板架設(shè)在模型箱頂部兼做頂蓋，熱交換板上方開孔，孔內(nèi)設(shè)置傳感器安全套，傳感器安置于該套內(nèi)，并將套與頂蓋用鎖緊螺母固定[11]。傳感器布置完畢后，數(shù)據(jù)線從孔洞穿出，并用繩子固定在離心機(jī)機(jī)架上，以免試驗(yàn)過程中擺動。放置好頂蓋后，在其四周貼上保溫泡沫板以增強(qiáng)模型箱的保溫性，并將模型箱和頂蓋牢固地固定在離心機(jī)上。

1.4 測試內(nèi)容及方法

1.4.1 基土溫度測量

由于熱交換板上用于裝設(shè)傳感器的位置有限，因此直接利用制冷板溫度表示襯砌結(jié)構(gòu)混凝土表面的溫度。土體溫度利用工作范圍為?200～800 ℃的PT-100鉑電阻溫度傳感器進(jìn)行測量，傳感器布置如圖4所示，其布置主要考慮襯砌板坡板、底板的溫度測量與變形測量盡量一致。首先確定熱交換板上用以穿過溫度傳感器線的孔位置，在襯砌結(jié)構(gòu)上標(biāo)注記號，然后分別在基土相應(yīng)位置處埋設(shè)溫度傳感器：一側(cè)直線段與弧線段交接處下表面及下表面法向16、56 mm處，圖中以T2、T3、T4表示，利用水平和豎向坐標(biāo)控制傳感器位置；渠底襯砌板底面及以下方16、56 mm處，以T6、T7、T8表示；T12位于渠道頂面以下80 mm處。以渠道頂面處為起點(diǎn)，溫度傳感器在土體中的埋深由上至下依次為T2、T3、T4、T12、T6、T7及T8，將埋深按相似比尺放大12.5倍，即可得到相應(yīng)的原型土體埋深分別為600、700、837.5、 000、1200、1400、1900 mm。

1.4.2 襯砌結(jié)構(gòu)變形測量

襯砌結(jié)構(gòu)表面的豎向變形由Soway回彈式位移傳感器LVDT測量，型號為SDVB20-15A，其外徑20 mm，長度200 mm，外形為用304不銹鋼制成的圓柱體，量程0~15 mm。如圖4所示，在坡板直線段與弧線段交接處和底板中心各設(shè)位移傳感器1支，分別記為S1、S2。傳感器的可伸縮測桿與襯砌板表面接觸，豎直向下布置。傳感器布置好后自動記錄初始值。

注：T2、T3、T4、T6、T7、T8、T12為溫度傳感器；S1、S2為位移傳感器。

1.4.3 襯砌表面應(yīng)變測量

將應(yīng)變片以全橋連接的方式測量襯砌結(jié)構(gòu)上表面的應(yīng)變。如圖4所示，分別在與原型相應(yīng)的設(shè)計(jì)水位高度、直線段與弧線段交接處（左右2處）、渠底處布置低溫應(yīng)變片，分別記為Y2、Y3（Y5）、Y4，其中，Y3和Y5沿渠道縱向?qū)ΨQ布置，貼完應(yīng)變片后的模型見圖3。

1.4.4 基土含水率測量

試驗(yàn)結(jié)束后，立刻在模型箱中取土進(jìn)行含水率測量。由于制冷對襯砌模型及旁側(cè)土體是均勻的，因此在襯砌結(jié)構(gòu)半跨位置、靠近渠坡頂部處，沿鉛垂方向在基土內(nèi)依次取25、48、67、100、116及150 mm深度處的土樣進(jìn)行含水率測定。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 基土溫度場

圖5為將模型試驗(yàn)結(jié)果換算為原型結(jié)構(gòu)后的溫度變化曲線。

根據(jù)相似準(zhǔn)則，原型與模型的時間相似比尺為2，離心機(jī)以設(shè)定加速度運(yùn)行9.2 h即可實(shí)現(xiàn)原型凍結(jié)60 d。圖5a中的橫坐標(biāo)為經(jīng)換算后的原型基土凍結(jié)時間。試驗(yàn)當(dāng)日，首先開啟2.5 h的地面水循環(huán)，將土體溫度從初始溫度下降至圖5a中的起始溫度，即0 d對應(yīng)的溫度。然后開機(jī)，3 min后達(dá)到試驗(yàn)加速度，開啟水泵與制冷儀。由于制冷板與其下部的模型頂部間存在約3 mm的空氣層，因此渠道基土溫度下降慢于制冷板?？拷评浒宓耐馏w降溫快，渠坡兩側(cè)土體溫度下降快于渠底部的土體，反映出混凝土襯砌板和空氣層對基土有一定程度的保溫作用。凍結(jié)前期溫度降幅大于后期。圖5b為第60 d時，原型基土不同鉛垂深度處的溫度變化曲線。溫度利用圖4中的溫度傳感器測得。按1.4.1節(jié)溫度傳感器代表的原型土體深度，溫度從上向下傳遞，靠近上部的土溫下降更快，溫度更低，越靠近底部，土溫下降較慢，土溫略高。由于T3距離離心機(jī)制冷板比T4近，凍結(jié)的約前20 d，T3處土溫較低，進(jìn)入到試驗(yàn)的后部分，隨著整體溫度的下降，T4的土溫明顯下降，加上T4上部的土體沒有混凝土襯砌板的覆蓋，因此T4處土溫低于T3。從溫度變化曲線來看，在離心場下土體降溫是合理的。

注：原型凍結(jié)時間以離心機(jī)在設(shè)定加速度下運(yùn)行9.2 h，時間相似比尺為12.52 換算得到，下同。

2.2 基土含水率變化

試驗(yàn)結(jié)束后，打開模型箱，土體中存在大量冰屑。圖6為試驗(yàn)結(jié)束后測點(diǎn)的含水率曲線。土體初始含水率均勻，為15.7%±1%。凍結(jié)結(jié)束后，土體深處的含水率較小，甚至低于初始含水率；越靠近渠道表面，含水率增加，超過初始含水率。由于本試驗(yàn)是在不補(bǔ)水的狀況下進(jìn)行的，因此水分的變化程度較小，以原位凍脹為主，但含水率變化趨勢基本可以定性地體現(xiàn)出水分向凍結(jié)面的不斷遷移。

圖6 土壤含水率變化曲線

2.3 襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)變變化

圖7為襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)變變化曲線。原型與模型應(yīng)變的相似比尺為1。

圖7 整體式大跨度U形混凝土襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)變曲線

試驗(yàn)過程中Y5失效。Y2的測試結(jié)果表示混凝土襯砌結(jié)構(gòu)的上表面在設(shè)計(jì)水位高度處受拉，Y3為襯砌結(jié)構(gòu)的上表面在坡板與底板交接處受壓，在凍結(jié)中段，Y2與Y3絕對值對稱，可認(rèn)為坡板從頂端的偏心受拉逐步過渡為與底板交接處的偏心受壓。Y4是底板測點(diǎn)，應(yīng)變是較均勻的負(fù)值，表明底板混凝土的上表面受壓。坡板應(yīng)變大于底板。坡板和底板不同的應(yīng)力狀態(tài)一方面表明襯砌結(jié)構(gòu)在重力、法向及切向凍結(jié)力和凍脹力作用下，呈偏心受力狀態(tài)，另一方面也再次證實(shí)U型渠底更利于混凝土受壓性能的發(fā)揮。這與文獻(xiàn)[21，28]中的分析結(jié)果一致。

2.4 襯砌結(jié)構(gòu)變形

試驗(yàn)結(jié)束后打開模型箱頂蓋，結(jié)構(gòu)外觀沒有發(fā)生開裂。圖8是整體式大跨度襯砌結(jié)構(gòu)的變形隨時間的變化曲線。變形的相似比尺為=12.5。

圖8 整體式大跨度U形混凝土襯砌結(jié)構(gòu)凍脹變形曲線

由圖8可見，襯砌結(jié)構(gòu)的坡板和底板均沿豎直方向發(fā)生了向上的變形。變形主要集中于前5 d左右完成，隨后，測點(diǎn)處的坡板和底板變形基本穩(wěn)定，這與溫度變化一致。底板向上抬升明顯，最大可達(dá)16 mm，坡板抬升較少，約為4 mm。在凍脹過程中，襯砌發(fā)生的形變可以分為豎向和法向2個方向，若設(shè)坡面與豎直方向的角度為，由位移計(jì)測得的豎向位移為，可以估計(jì)到坡板的法向位移約為sin，如圖2，取=22°，計(jì)算出測點(diǎn)處坡板的法向位移約為1.5 mm。試驗(yàn)結(jié)束后對襯砌結(jié)構(gòu)開口寬度進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)坡板頂部開口寬度變小，說明襯砌結(jié)構(gòu)頂部向內(nèi)回收，變形約為5 mm。綜合來看，整體式大跨度襯砌結(jié)構(gòu)的變形性能良好，在凍脹作用下以向上抬升為主，同時沿法向向襯砌中心收縮。結(jié)合圖5a，整體式大跨度襯砌結(jié)構(gòu)的凍脹變形始于坡板變形，隨著渠道底部土體溫度的下降，引發(fā)結(jié)構(gòu)整體變形，襯砌結(jié)構(gòu)底部大幅抬起，這與張釗等[28]的結(jié)論一致。

3 討 論

混凝土襯砌結(jié)構(gòu)的凍脹效應(yīng)是土壤、水分、溫度及結(jié)構(gòu)受力特性綜合作用的結(jié)果。

如圖9所示，寧夏青銅峽地區(qū)某三拼式U型斗渠的混凝土襯砌結(jié)構(gòu)，其基土、水分及縱橫尺寸均與圖2相同，沿渠道縱向產(chǎn)生與剛性接縫貫通的裂縫，這種開裂方式在當(dāng)?shù)胤浅Ｆ毡?，?dǎo)致渠道滲漏逐年加劇。產(chǎn)生這種裂縫的主要原因一是受負(fù)溫和水分的影響，渠道橫斷面內(nèi)渠坡處的凍結(jié)和凍脹作用強(qiáng)烈，導(dǎo)致坡板折斷[29]；二是沿渠道縱向的剛性接縫是板受力的薄弱之處。在土、水、溫等條件一定的前提下，開發(fā)新型的、抗凍脹能力更好的襯砌結(jié)構(gòu)，是解決凍土地區(qū)渠道防滲抗凍脹問題的途徑之一。整體式大跨度襯砌結(jié)構(gòu)利用整體抗凍脹理念，取消剛性接縫，將若干板塊聯(lián)接在一起，視為一個縱向跨度較大、整體的無剛性接縫的體系，減少減輕凍脹破壞，提高襯砌結(jié)構(gòu)的抗凍脹能力。本文通過離心模型試驗(yàn)研究這種整體體系的抗凍脹性能，后續(xù)還應(yīng)結(jié)合其他手段，對該體系的凍脹破壞機(jī)理深入研究。

圖9 三拼式小型U形混凝土襯砌結(jié)構(gòu)的凍脹破壞

在土體凍融試驗(yàn)和野外觀測中，均認(rèn)為冷空氣是從上到下單向影響渠道土體的，獲取的重要參數(shù)之一是凍結(jié)深度，是從豎直方向上衡量土體的凍結(jié)程度和狀況；本文試驗(yàn)溫度傳感器的布置一方面追求與變形觀測位置對應(yīng)，另一方面主要從豎直深度的角度觀察不同高度處土體的凍結(jié)程度，因此，溫度傳感器水平定位雖然不同，但也僅僅說明混凝土板對土體有稍許的、短暫的保溫作用，對于后續(xù)襯砌板變形等研究內(nèi)容影響不大。另外本試驗(yàn)?zāi)壳斑€存在一些問題：離心機(jī)的熱交換設(shè)備尚無法實(shí)現(xiàn)對溫度變幅的精確控制，難以做到完全還原原型溫度場；由于離心試驗(yàn)本身存在一定的誤差，因此離心模型中很難精確模擬所有原型結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)及所有力學(xué)過程，尤其是沿渠道縱向水分和土質(zhì)的差異等因素；受到模型箱空間的限制，傳感器布設(shè)的位置和數(shù)量很有限，未能更全面地測量與結(jié)構(gòu)凍脹效應(yīng)有關(guān)的參數(shù)，而溫度、位移、應(yīng)力等測試元件的精度、大小、布置方式及位置等因素對測試結(jié)果的影響很大；未能實(shí)現(xiàn)補(bǔ)水凍結(jié)。這些問題還需要進(jìn)行后續(xù)的研究。

4 結(jié) 論

1）土體溫度在原型凍結(jié)前期降幅較大。隨凍結(jié)時間的增長，土體溫度不斷下降。渠坡兩側(cè)土體降溫較快，混凝土襯砌板下的土體，尤其是渠底部分溫度下降相對較慢。

2）整體式大跨度襯砌結(jié)構(gòu)呈偏心受力狀態(tài)，坡板上部上表面受拉，底板上表面受壓。變形性能良好，在持續(xù)負(fù)溫作用下沒有發(fā)生明顯的破壞，凍脹變形從坡板的變形開始，隨著渠道底部土體溫度的下降，引發(fā)結(jié)構(gòu)整體變形，底板大幅抬起。結(jié)構(gòu)以向上抬升為主，同時沿法向向襯砌結(jié)構(gòu)中心收縮。底板和坡板的抬升分別最大可達(dá)16、4 mm。坡板向內(nèi)回縮約5 mm。整體式大跨度襯砌結(jié)構(gòu)良好的抗凍脹性能可為改進(jìn)小型U形混凝土襯砌結(jié)構(gòu)提供依據(jù)。

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Frost heave performance of U-shaped canal concrete lining based on centrifuge model test

Tang Shaorong1,2,3, Wang Hongyu1,2,3, Pan Xin1,2,3, Gu Xingwen4, Ren Guofeng4

(1.750021,; 2.750021,; 3.750021,; 4.210029,)

Small U-shaped canal concrete lining are easily destroyed because of frost heaving in seasonally frozen areas. Along the longitudinal and horizontal direction of concrete lining, rigid joints are formed of cement-sand mortar or fine aggregate concrete with same width as plate thickness.These joints exist between the plates or every two spans of lining. Previous research has founded that the destruction of concrete lining is always related to the rigid joints, because of the distinction between rigid joint and concrete lining on material and construction sequence, resulting in uneven distribution of water temperature along the canal longitudinal at the same time. So, canceled the rigid joint paralleling to the longitudinal channel, reduced the rigid joint paralleling to the cross section and enlarged the span of lining, eventually formed lining structure which with excellent performance in either longitudinal or horizontal direction. Aiming at controling the frost heave damage of the lining structure while still able to make full use of the U-shaped structure for compression performance, an integral long-span U-shaped concrete lining structure was proposed based on traditional small U-shaped concrete lining. Because centrifugal model test can reproduce the performance of the prototype in the model with great reality, freezing centrifugal model experiment of proposed lining was carried out to researchthe frost heaving characteristics. This study took a silty sandy soil based bucket canal concrete lining as a prototype in Yellow River irrigation area in Ningxia. According to the section size of the prototype canal and the space of the model box of geotechnical centrifugel, a model lining was made withthe similarity scale of 12.5 to perform centrifuge model test. The centrifugal acceleration was set to 12.5times the acceleration of gravity, and model lining was unidirectional freezing from top to bottom with the target boundary temperature of -35 °C. Experiment showed that soil temperature decreased greatly in the early freezing stage, and decreased faster on both sides of canal slope than canal bottom. The integral long-span U-shaped concrete lining structure was eccentrically loaded, with upper surface of top slope in tension and the upper surface of bottom lining in pressure. Deformation of the structure began with canal slope. With the decrease of soil temperature of canal bottom, the integral deformation were caused, and then the lining bottom of canal was raised sharply. Comprehensively, the structure had good deformation performance , and no obvious damage occurred under continuous negative temperature. The structure was mainly uplifted upward, and meanwhile contracted to the lining center along the normal direction. The maximum uplift of canal bottom and canal slope could reach 16 and 4 mm respectively. The canal slope retracted about 5 mm inward. Therefore, integral long-span U-shaped concrete lining structure had good frost heaving resistance and the frost heaving damage could be reduced to a certain extent. Meanwhile, the frozen effect research of canal lining structure using centrifugal model experiment could be further understood and verified. This study could provide a reference for the design of U-shaped canal in frozen soil area.

canals; frozen soils; temperature; centrifugal model experiment; integral long-span U-shaped concrete lining structure; frozen

2018-04-16

2018-10-30

國家自然基金項(xiàng)目（51269023）；寧夏大學(xué)自然科學(xué)基金項(xiàng)目（ZR16010）；寧夏重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目（引才專項(xiàng)）資助項(xiàng)目（2018BEB04035）

唐少容，寧夏中寧縣人，博士，副教授，主要從事凍土地區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及理論方面的教學(xué)和科研。Email：tangsrong@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.01.019

S26+3

A

1002-6819(2019)-01-0157-07

唐少容，王紅雨，潘 鑫，顧行文，任國峰. U形混凝土襯砌結(jié)構(gòu)凍脹性能離心模型試驗(yàn)研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(1)：157－163. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.01.019 http://www.tcsae.org

Tang Shaorong, Wang Hongyu, Pan Xin, Gu Xingwen, Ren Guofeng. Frost heave performance of U-shaped canal concrete lining based on centrifuge model test[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(1): 157－163. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.01.019 http://www.tcsae.org