新疆某灌區(qū)U型渠水平凍脹力變化試驗研究

張紅良

（和田鼎晟工程試驗檢測有限公司，新疆 和田848000）

寒冷地區(qū)約占陸地總面積的50%，地面水分凍結(jié)是造成凍脹的主要原因，凍脹隨著凍結(jié)面向下運動而發(fā)生，原孔隙中的水變成冰，其凍結(jié)時體積增加約9%［1-2］。由于凍脹產(chǎn)生的額外隆起是由于垂直于熱流方向的冰透鏡的形成造成的，因為水通過毛細作用穿過土壤孔隙向冰凍表面移動造成的［3］。 許多工程如果在季節(jié)性凍土上建設(shè)，就會遭受凍害。 因此，為了維持正常輸水，降低工程造價，研究寒區(qū)渠道凍害機理是十分必要和迫切的。 本文在某灌區(qū)選擇典型U型渠道，通過對其長達半年多的溫度及應(yīng)力監(jiān)測，分析其水平凍脹力隨時間的變化，以及不同埋深和土壤含水量對水平凍脹力變化的影響。

1 試驗及水平凍脹力

1.1 試驗

研究新疆某灌區(qū)，其凍土類型為少冰凍土，多年平均最大凍結(jié)深度2.3m，地表平均凍結(jié)溫度-0.79 ℃，屬于不穩(wěn)定性多年凍土。

本文在互助縣灌區(qū)內(nèi)，選擇某U型槽輸水結(jié)構(gòu)進行了試驗研究，U型槽深度1.68m，寬度0.76m，在U型槽側(cè)面的混凝土上及鄰近的土壤內(nèi)分別安裝了12個應(yīng)變計及21個溫度傳感器，分3排，每排放置4個應(yīng)變計及7個溫度傳感器。 儀器布置如圖1。

圖1 U型槽尺寸及傳感器布置

U型槽附近的溫度傳感器與U型槽間距0.3m，傳感器之間的間距0.5m，豎向間距分別為0.5，0.6，0.3m。 試驗周期1年，數(shù)據(jù)采集頻率2次/月，本次采用QST100I和L多功能數(shù)據(jù)采集器［5］收集傳感器傳回的溫度及壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)。 溫度傳感器監(jiān)測的地表溫度數(shù)據(jù)如圖2，監(jiān)測時間為2014年9月～2015年7月。

圖2 U型渠道旁地表溫度變化曲線

由圖2可看出，研究期內(nèi)，地表溫度在1月和2月達到一年中溫度的最低值，最低溫度-14.7 ℃，該時期為土體發(fā)生凍脹破壞最顯著的時段，承受兩側(cè)土體的雙向凍脹力。10月份和5月份為土體溫度變化的兩個轉(zhuǎn)折點，10月份以后，隨著溫度降低，外界冷量逐漸流入土體內(nèi)部，土體內(nèi)水分逐漸發(fā)生凍脹，土體膨脹，U型槽兩側(cè)土體壓力逐漸增大，到1月份達到最大值，隨著溫度的升高，5月份以后，溫度由負溫度變化正值，土體逐漸升溫，凍脹力逐漸減小。

1.2 水平凍脹力計算

由于應(yīng)力傳感器所測得的是一點的應(yīng)力，而并非實際工程中U型槽所受的水平凍脹力，因此需采用材料力學中的力矩公式轉(zhuǎn)換計算獲得。

本文將U型槽看做懸臂梁進行計算，其水平凍脹力σH如式（1）：

式中 σH為水平凍脹力 （kPa）；Fn為U型槽側(cè)面總水平凍脹力，n=1，2，3；A為水平凍脹力作用面積（m2）。

計算簡圖如圖3。

圖3 U型渠道水平凍脹力分布

2 結(jié)果分析

不同深度處U型渠水平凍脹力隨時間的變化曲線如圖4，深度分別為0.24，0.56，0.88m。

圖4 U型渠水平凍脹力隨時間變化曲線

由圖4可知，12月15日以前水平凍脹力接近0，其后外界溫度逐漸降低，兩側(cè)土體發(fā)生凍脹，U型渠水平凍脹力逐漸增加。 2月份時，凍脹力達到最大值，0.24m深度處的凍脹力最大值-24.19，0.56m深度處的最大值-32.59，0.88m深度處的最大值-16.79。 3月初以后溫度逐漸升高，水平凍脹力逐漸減小，土體內(nèi)部溫度逐漸升高。 0.56m和0.88m深度處的水平凍脹力變化趨勢較相同，在溫度最低的1月和2月份，土地深度最大，0.88m＞0.56m＞0.24m，凍脹力越大。

不同時間及深度處的水平凍脹力數(shù)值如表1。

表1 不同時間及深度處的水平凍脹力值 單位：kPa

由表1可知，傳感器監(jiān)測的水平凍脹力最大值出 現(xiàn) 在2018 年2 月15 日 ，為31.32kPa，土 壤 深 度0.56m，最低值出現(xiàn)在2017年11月15日，為1.86kPa，土壤深度0.88m。 可以看出并非隨著土壤深度的增加，水平凍脹力也在增加，其表現(xiàn)出先增加后減小的趨勢。

根據(jù)圖4土壤溫度在1月和2月達到最低值，而表1中最大水平凍脹力表現(xiàn)出延遲出現(xiàn)的現(xiàn)象，并未在1月份達到最大值。 原因是由于外界冷量在進入土壤內(nèi)改變土壤應(yīng)力，使其重分布的過程中，隨著溫度的降低，外界冷量由地表逐漸向下移動，土壤內(nèi)水分逐漸凍結(jié)，但受白天溫度回升影響，會影響水分凍結(jié)速率，水平凍脹力表現(xiàn)出緩慢增加的趨勢，在1月份上層土壤的水分幾乎完全凍結(jié)，而下層土壤水分并未完全凍結(jié)，因此隨著凍結(jié)持續(xù)時間的推移，在2月份水平凍脹力達到了最大值。

王曉?。?］、王濤［7］、石翔友［7］針對季節(jié)性凍土凍融規(guī)律的研究結(jié)果表明，土壤凍結(jié)存在單向凍結(jié)和雙向融化，其單向凍結(jié)深度并不隨土壤深度的增加而增大。在東北凍土區(qū)的研究表明，40cm深度處土壤的凍結(jié)達到最大值。結(jié)合本次應(yīng)力試驗結(jié)果，水平凍脹力并不隨深度的增加而增加，表現(xiàn)出先增加后減小的趨勢，與上述學者的凍結(jié)深度相符合，凍結(jié)深度最大處其凍脹力也較大。

為了進一步了解不同埋置深度及不同含水量U型渠水平凍脹特點，采用COMSOL Multiphysics有限元軟件的固體力學模塊對U型槽水平凍脹力進行了數(shù)值模擬，采用11月至第二年5月的溫度及凍脹力數(shù)據(jù)對0.9和1.4m深度校準模型，模擬值與真實值模擬結(jié)果較好，誤差均小于6%，能夠反映實際U型渠的水平受力特性，其中粉質(zhì)黏土的初始含冰量模型取0.6%，模型中采用線彈性理論計算U型槽凍脹變形。本文分別針對0.7m 及3m 深度，采用已建立的COMSOL Multiphysics模型研究了不同土體埋置深度下，U型槽水平凍脹力的變化，模型模擬結(jié)果如圖5和圖6。

圖5 0.7m深度處U型槽水平凍脹力分布

圖6 3m深度處U型槽水平凍脹力分布

由圖5、圖6可以看出，不同時間點水平凍脹力的變化趨勢均相同，先增加后減小，0.7埋深U型槽達到凍脹力最大值的時間基本相同，深度在0.36m左右。而埋深3m較深的U型槽其凍脹力最大值隨著溫度的降低向下移動，由1.5m下降到1.8m左右。 可能是由于0.7m埋深U型槽與土體的接觸面積較小，受雙向凍結(jié)作用弱于3m埋深，表現(xiàn)出單向凍作用。兩種埋深均在溫度最低的2月15日達到凍脹力的最大值。

U型槽發(fā)生凍脹破壞有兩方面的原因，隨著溫度的降低，一是由于土體顆粒發(fā)生冷縮，體積減小，二是由于土壤內(nèi)水分發(fā)生凍脹，體積增加，導致渠道發(fā)生破壞。 土壤不同含水量（15%和20%，粉質(zhì)黏土初始飽和度為0.33和0.46）下U型槽所受的水平凍脹力如圖7和圖8。

圖7 含水量15%情況下水平凍脹力分布

圖8 含水量20%情況下水平凍脹力分布

由圖7、圖8可以看出，兩種含水量下水平凍脹力的變化趨勢基本相同，均在2月15日水平凍脹力達到了最大值，在1月份起凍脹力達到最大值后隨著深度的增加，凍脹力減小速度較快，最大凍脹力在0.56m深度處，為35.48kPa。

為了進一步對比不同埋深及含水量下水平凍脹力變化，選擇東脹破壞最嚴重的2月份，繪制的對比圖如圖9和圖10。

由圖9和圖10可以看出，隨著埋深的增加，最大凍脹力也逐漸增加，變化顯著，而最大凍脹力與埋深表現(xiàn)出正比關(guān)系。含水量越大，其最大水平凍脹力也越大，但其出現(xiàn)的深度基本相同，說明在埋深相同時，溫度場對不同含水量的U型渠所受的凍脹力的影響主要集中渠道中部，上部和下部的變化基本相同。

圖9 不同埋深下2月份水平凍脹力對比

圖10 不同含水量2月份水平凍脹力

3 結(jié)語

通過對灌區(qū)U型渠道不同埋深及含水量下水平凍脹力的變化，并對比分析了最大水平凍脹力隨深度的變化，得出的主要結(jié)論為：

（1）U型渠的水平凍脹力在2月份達到最大值，并非隨著土壤深度的增加，水平凍脹力也在增加，其表現(xiàn)出先增加后減小的趨勢。

（2）0.24m和0.56m深度處的最大值約為-24.19kPa和-32.59kPa。

（3）土壤不同埋深下，其凍脹力最大值隨著埋深的增加，逐漸向下移動。

（4）不同含水量下，其凍脹力最大值出現(xiàn)的深度基本不變，位于渠道中部，上部和下部凍脹力具有相同的變化趨勢。