渠基土室內(nèi)換填凍脹試驗(yàn)

姜國輝，田金玉，王思文，李玉清

（沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，沈陽110161）

渠道凍脹破壞是農(nóng)田灌溉水利用率低的原因之一，解決渠道凍脹破壞對(duì)提高農(nóng)田水利用效率有著重要意義。土體經(jīng)過多次凍融循環(huán)之后，土體容重、孔隙度、滲透系數(shù)均有不同程度的變化[1]，導(dǎo)致每年渠基土凍脹程度不盡相同，混凝土襯砌板經(jīng)過反復(fù)不均勻凍脹、沉降之后，產(chǎn)生裂縫、抬起等破壞。GRAHAMJ等[2]針對(duì)渠道凍脹破壞問題進(jìn)行了渠基土試驗(yàn)，指出渠基土經(jīng)過一個(gè)凍融循環(huán)周期后，土體原有結(jié)構(gòu)有很大程度的破壞。持續(xù)負(fù)溫、充足孔隙水是凍脹敏感性土體發(fā)生凍脹破壞必不可少的條件[3]。目前，渠道防凍脹措施主要針對(duì)水分和溫度進(jìn)行控制，換填法是當(dāng)前渠道防凍脹有效措施之一[4]。換填法是將渠基原有的凍脹敏感性土，部分或全部替換成弱凍脹性或無凍脹性土，減小渠基土凍結(jié)厚度，降低渠基土體內(nèi)部孔隙水含量和毛管水上升高度，進(jìn)而有效地削減渠基土凍脹量，達(dá)到削減渠道襯砌板上凍脹應(yīng)力，降低渠道凍脹破壞的目的。換填深度因土壤類型、凍結(jié)深度、地下水埋深等因素不盡相同[5]。近年來，許多學(xué)者已經(jīng)對(duì)換填法進(jìn)行了大量的研究。申利剛等[6]通過有限元分析指出換填粉細(xì)沙換填率達(dá)到90%以上時(shí)，可基本消除渠道凍脹量。徐峰等[7]通過ANSYS軟件對(duì)渠基土換填進(jìn)行數(shù)值模擬得出換填后的渠道凍脹量較無換填明顯降低。王文杰等[8]通過對(duì)渠道原型凍脹量進(jìn)行有限元分析指出不同換填深度時(shí)渠道襯砌板上法向凍脹量較無換填時(shí)整體減小并且分布更加均勻。魏鵬[9]對(duì)瑪納斯河紅山嘴四級(jí)電站引水渠進(jìn)行換填砂礫土指出換填砂礫土對(duì)降低渠道凍脹有著明顯效果。張春洋[10]通過碎石填料試驗(yàn)指出渠道換填技術(shù)是通過碎石、砂礫料等非凍脹性材料將凍深內(nèi)土體進(jìn)行換填，以使凍深內(nèi)沒有凍脹性土。目前大部分學(xué)者都是應(yīng)用有限元軟件對(duì)渠道換填進(jìn)行數(shù)值模擬分析，通過室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)渠基土換填進(jìn)行細(xì)致的研究較少[11-14]。LI等[15]選用水熱耦合數(shù)值模型分析對(duì)比傳統(tǒng)渠道和采用換填措施新型渠道的溫度特性，并通過原位試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。因此，本研究選取常用的換填材料砂礫料、粉細(xì)沙對(duì)渾浦灌區(qū)土體進(jìn)行室內(nèi)換填試驗(yàn)研究，分析不同換填材料、不同換填深度土體的凍脹特性，同時(shí)也從試驗(yàn)的角度尋找換填材料的最佳厚度。

1 材料與方法

1.1 材料及設(shè)備

土樣取自于沈陽市渾蒲灌區(qū)，屬季節(jié)性凍土地區(qū)。凍結(jié)前期，在渾蒲灌區(qū)遼中段混凝土襯砌渠道，由上至下開挖120cm深度的土層，每層40cm，對(duì)土樣依次進(jìn)行密度、含水率、土粒比重、顆粒級(jí)配、液塑限等指標(biāo)試驗(yàn)，其基本參數(shù)為：密度1.84g·cm-3、含水率30%、比重2.71、液限含水率51.8%、塑限含水率25.3%。根據(jù)《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)》（GB50145-2007）定義該土樣為高液限粉質(zhì)粘土CH，屬強(qiáng)凍脹性土質(zhì)。

由于渾浦灌區(qū)地下水位低，故做模擬封閉系統(tǒng)下室內(nèi)單向凍結(jié)試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置由凍融循環(huán)機(jī)、12cm圓柱桶、位移變化表、溫度傳感器、保溫裝置5部分組成[16]。

渾浦灌區(qū)地處于渾河的中下游，沈陽市的西南部。冬季寒冷期長(zhǎng)達(dá)4個(gè)月，最冷月份在次年1月，極度低溫為-35℃，近10年月平均最低溫度-20℃[17]。試驗(yàn)冷端溫度選取近10年渾浦灌區(qū)月平均最低溫度-20℃，歷時(shí)為70d，根據(jù)相似比準(zhǔn)則[18]，計(jì)算出時(shí)間比尺為1∶100，確定每組試驗(yàn)凍結(jié)歷時(shí)為16.8h，故試驗(yàn)降溫速率選為-1.2℃·h-1。試驗(yàn)桶側(cè)面和底部采用保溫板做保溫處理，在試驗(yàn)桶上側(cè)安放位移變化表對(duì)試驗(yàn)土樣位移凍脹量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，在試驗(yàn)桶一側(cè)每間隔2cm安置溫度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土樣內(nèi)部溫度變化情況。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Figure 1 Schematic diagram of test device

1.2 方法

換填法是將渠道原有強(qiáng)凍脹性土體用弱凍脹性土體或無凍脹性土體進(jìn)行替換，由于砂礫料與粉細(xì)沙為常用的換填材料，故本研究選擇其作為換填材料；根據(jù)《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》（GB/T50600－2010），渠底換填比為70%～80%，坡板上換填比為50%～70%，可知理論換填深度60～96mm，為了充分研究不同換填深度對(duì)渠道凍脹量的影響，換填深度選擇從30mm開始每20mm為一梯度，本研究對(duì)土樣分別進(jìn)行換填0，30，50，70，90，110mm砂礫料（粉細(xì)沙）室內(nèi)單向凍結(jié)試驗(yàn)，共11組。以換填30mm砂礫料為例，土樣下方放置90mm渠基土，上方放置30mm砂礫料，記SL1。其他組別相同，僅改變換填材料和深度。具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表1。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 1 Test design

試驗(yàn)過程為根據(jù)室外實(shí)測(cè)土的密度、含水率等參數(shù)制備土樣，完成后蓋上保鮮膜放置8h，使土樣含水率更均勻，將制備好的土樣和砂礫料（粉細(xì)沙）分層填筑到試驗(yàn)桶內(nèi)，將試樣放入凍融循環(huán)機(jī)中，調(diào)節(jié)溫度至15℃恒溫養(yǎng)護(hù)，當(dāng)試樣內(nèi)各溫度傳感器溫度達(dá)到15℃時(shí)開始進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)以-1.2℃·h-1為降溫速率從0℃起將凍融循環(huán)機(jī)內(nèi)部溫度降至-20℃，歷時(shí)16.8h。試驗(yàn)過程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土樣凍脹變形量及內(nèi)部溫度數(shù)據(jù)。各個(gè)組別試驗(yàn)更換換填材料及換填深度，試驗(yàn)步驟相同。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同換填工況土樣內(nèi)部溫度分析

由圖2可知，各試驗(yàn)組別曲線均呈現(xiàn)“S”型分布，表現(xiàn)出試驗(yàn)初期，由于外界溫度迅速降低，試樣土體內(nèi)溫度隨著大幅度降低，當(dāng)土體各點(diǎn)位趨近于凍結(jié)鋒面時(shí)，土體溫度下降趨勢(shì)趨近于0，隨著凍融循環(huán)機(jī)內(nèi)溫度繼續(xù)降低，試樣土體內(nèi)溫度降溫梯度開始增加，最終趨近于凍融循環(huán)機(jī)內(nèi)降溫梯度-1.2℃·h-1。以SL1組別為例，觀察不同高度土體內(nèi)部溫度場(chǎng)分布，同一時(shí)間，從上至下，土體內(nèi)部溫度先后降低，且降溫速率下層土體滯后于上層土體。在試驗(yàn)土體形成凍結(jié)鋒面之前，由上至下凍結(jié)速率呈現(xiàn)逐漸降低趨勢(shì)，在各層土體達(dá)到凍結(jié)鋒面時(shí)，凍結(jié)速率接近。對(duì)比換填與無換填組別溫度場(chǎng)分布規(guī)律，可以得出2種換填材料均表現(xiàn)出加速土樣內(nèi)部溫度熱傳導(dǎo)作用，對(duì)于換填組別未做換填處理部分土體與無換填組別試驗(yàn)對(duì)應(yīng)部分在相同凍結(jié)歷時(shí)下，土體內(nèi)部溫度下降速率前者要快于后者；當(dāng)凍結(jié)鋒面經(jīng)過換填部分，達(dá)到渠基土?xí)r，土體內(nèi)部溫度呈現(xiàn)迅速下降趨勢(shì)。對(duì)比2種換填材料對(duì)溫度場(chǎng)的影響可知，雖然2種換填材料都表現(xiàn)出加速土樣溫度下降作用，但由于砂礫料的孔隙率的不均勻系數(shù)要大于粉細(xì)沙，故表現(xiàn)出的加速凍結(jié)鋒面遷移速率的效果更明顯。粉細(xì)沙的物理性質(zhì)與砂礫料對(duì)比，粉細(xì)沙更相近于原有土樣，故粉細(xì)沙達(dá)凍結(jié)鋒面持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)于砂礫料到達(dá)凍結(jié)鋒面持續(xù)時(shí)間。

圖2 不同換填情況土樣內(nèi)部溫度隨時(shí)間關(guān)系曲線Figure 2 Curve of internal temperature of soil samples with different filling conditions over time

由表2可知，在初始條件和外界降溫速率相同的情況下，換填后的土樣起始凍結(jié)時(shí)間均快于無換填情況下土體起始凍結(jié)時(shí)間，砂礫料、粉細(xì)砂分別快2h和1.3h；由于砂礫料和粉細(xì)沙具有保溫效果，換填后換填材料下部渠道原有凍脹性土體起始凍結(jié)時(shí)間要慢于無換填組別。以WH和SL2為例，WH組別渠道原有土體起始凍結(jié)時(shí)間為7h，SL2組別渠道土體起始凍結(jié)時(shí)間約為8h，延緩了渠道原有土體的起始凍結(jié)時(shí)間，給下部殘留凍脹土體滯留一定的排水緩沖時(shí)間，減小土體空隙中水分含量，降低土體凍脹強(qiáng)度。

表2 試驗(yàn)土柱各層土體起始凍結(jié)時(shí)間Table 2 Initial freezing time of soil in each layer of the test soil column h

在相同凍結(jié)歷時(shí)情況下，換填后渠道原有土體凍結(jié)歷時(shí)縮短，凍脹敏感性土體凍結(jié)厚度減小，進(jìn)而降低凍脹量，這也是換填法可以降低渠道凍脹破壞的原因之一。通過對(duì)比SL1～FX5的凍結(jié)時(shí)間，以SL3和FX3為例，凍結(jié)時(shí)間分別縮減45.5%和22.9%，砂礫料較粉細(xì)沙對(duì)凍結(jié)時(shí)間的縮減效果要明顯，凍結(jié)速度要更快些。這是因?yàn)樯暗[料的孔隙比、導(dǎo)熱系數(shù)、不均勻系數(shù)均大于粉細(xì)沙和粉質(zhì)黏土的。

2.2 不同換填工況凍脹量變化規(guī)律

由表3、圖3、圖4可知，由于將渠道中凍脹敏感性土體換成弱凍脹性土體，土樣凍脹量較無換填時(shí)均呈現(xiàn)明顯降低。由圖3可知，凍脹量與換填深度呈反比關(guān)系，即隨著換填深度增加土體凍脹變形量減??；由圖4可知，凍脹量削減率與換填深度呈正比關(guān)系。當(dāng)換填深度為30cm時(shí)，換填砂礫料或粉細(xì)沙的試驗(yàn)土樣凍脹量分別降低30.59%和25.29%；但隨著換填深度的增加，2種換填材料對(duì)土樣凍脹量的削減效果均表現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)；比較2種換填材料可知，砂礫料相對(duì)于粉細(xì)沙，換填后對(duì)凍脹量削減效果稍好于后者，這是由于砂礫料的孔隙率要大于粉細(xì)沙，粉細(xì)沙本身物理性質(zhì)更接近渠基土，二者對(duì)渠基土凍脹量的削減效果砂礫料要比粉細(xì)沙好很多；飽和狀態(tài)下的粉細(xì)沙自身也會(huì)產(chǎn)生一定的凍脹量，但凍脹率一般小于1%，這也是換填砂礫料對(duì)凍脹量的削減效果好于粉細(xì)沙的原因之一。觀察兩條曲線可知，2種換填材料凍脹量變化率和凍脹量削減率變化率基本保持一致。

圖3 凍脹量與換填深度關(guān)系曲線Figure 3 Relation curve between frost heave and filling depth

圖4 凍脹量削減率與換填深度關(guān)系曲線Figure 4 Relation curve between frost heave reduction rate and filling depth

表3 不同情況下土體凍脹特性Table 3 Freezing heave characteristics of soil under different conditions

由表4和表5可知，兩個(gè)擬合回歸方程R2分別為0.9959和0.9966，F(xiàn)值均遠(yuǎn)小于F0.05，證明針對(duì)本研究2種換填材料凍結(jié)試驗(yàn)擬合的曲線較好，可以作為2種材料的土體凍脹預(yù)報(bào)方程。根據(jù)兩個(gè)回歸方程計(jì)算出滿足凍脹標(biāo)準(zhǔn)的所需換填深度分別為81.625mm和111.326mm。

表4 凍脹量與換填深度擬合曲線方程Table 4 The curve equation of frost heave and filling depth is fitted

表5 方差分析結(jié)果Table 5 Variance analysis result

2.3 不同換填情況對(duì)土樣凍結(jié)深度、渠基土凍結(jié)厚度影響

2.3.1 不同換填情況對(duì)土樣凍結(jié)深度影響 由圖5可知，2種換填材料在相同凍結(jié)歷時(shí)下，均會(huì)不同程度地增加渠道凍結(jié)深度，由于粉細(xì)沙與渠基土物理性質(zhì)較砂礫料相比更為接近，故增加凍深效果沒有砂礫料明顯；以SL3和FX3為例，在2種材料換填深度均為70mm時(shí)，凍深分別為16.7457cm和15.2001cm。隨著換填深度的增加，凍深增加變化量逐漸趨于平穩(wěn)。觀察凍深隨換填深度關(guān)系曲線得出：換填砂礫料與粉細(xì)砂達(dá)到穩(wěn)定凍深時(shí)臨界換填深度分別為13.82cm和11.23cm，穩(wěn)定凍深分別為18.69cm和15.93cm。

圖5 凍結(jié)深度與換填深度關(guān)系曲線圖Figure 5 Curve of relation between freezing depth and filling depth

2.3.2 不同換填情況對(duì)渠基土凍結(jié)厚度影響 渠道凍結(jié)深度受換填材料與換填深度影響，進(jìn)而影響渠道凍深內(nèi)渠道原有渠基土凍結(jié)厚度。圖6為相同凍結(jié)歷時(shí)，換填前后渠基土凍結(jié)深度、凍結(jié)厚度示意圖，h0為無換填組別凍結(jié)深度，h2為換填組別渠基土凍結(jié)厚度，h1+h2為換填組凍結(jié)深度。相同凍結(jié)時(shí)間下，無換填組別渠基土凍結(jié)深度要小于換填組別，即h1+h2＞h0；但換填組別渠基土凍結(jié)厚度要小于無換填組，即h2＜h0。為研究不同換填情況對(duì)渠基土凍結(jié)厚度的影響規(guī)律，對(duì)相同凍結(jié)歷時(shí)下，不同換填情況渠基土的凍結(jié)厚度進(jìn)行擬合分析，求得只考慮換填材料對(duì)渠基土凍結(jié)厚度影響時(shí)不同換填情況下渠基土凍脹量，得出表6。由表6可知，換填后試驗(yàn)組別在對(duì)照組別渠基土凍深達(dá)到12cm凍深時(shí)對(duì)應(yīng)相同凍結(jié)歷時(shí)條件下，渠基土凍結(jié)厚度均小于無換填組別，隨著換填深度的增加，渠基土凍結(jié)厚度減小趨勢(shì)逐漸增強(qiáng)，進(jìn)而降低渠道凍脹量，這也是換填法降低渠道凍脹量，減小渠道凍脹破壞的原因之一。單一從換填后2種換填材料對(duì)凍脹性土體厚度方面考慮，換填粉細(xì)沙后凍脹性土體厚度要小于砂礫料，削減凍脹量效果好于砂礫料。但由于砂礫料對(duì)凍脹量的削減效果好于粉細(xì)沙，故2種換填材料對(duì)渠基土凍結(jié)厚度影響較凍脹量削減對(duì)削弱渠道凍脹破壞的作用較小。

圖6 換填前后渠基土凍結(jié)厚度示意圖Figure 6 Schematic diagram of frozen thickness of channel foundation soil before and after refill

表6 不同換填情況渠基土凍結(jié)厚度Table 6 Freezing thickness of channel foundation soil under different filling conditions

2.4 換填法與保溫法相結(jié)合對(duì)渠道凍脹的影響

根據(jù)渠道抗凍脹設(shè)計(jì)規(guī)范要求，渠道中使用的聚苯乙烯保溫板厚度一般為凍深1/10～1/15，渾蒲灌區(qū)凍深為1.2m，理論上渾蒲灌區(qū)渠道保溫板合理厚度約為8～12cm，但本研究探討的是換填法與保溫法相結(jié)合對(duì)渠道凍脹的影響，故研究聚苯乙烯保溫板厚度選取4cm。對(duì)鋪設(shè)4cm保溫板與未鋪設(shè)保溫板的換填30cm砂礫料與粉細(xì)沙模型進(jìn)行凍脹量模擬分析（圖7），由圖7可知，2種換填材料在鋪設(shè)4cm保溫板后，渠道的凍脹量均有減小，對(duì)于鋪設(shè)4cm保溫板，2種換填材料在在換填深度為30cm時(shí)，渠道混凝土襯砌板上凍脹量均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。故適當(dāng)?shù)匿佋O(shè)保溫板可以有效的降低渠基土換填深度。

3 討論與結(jié)論

對(duì)不同情況下土樣內(nèi)部溫度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得出，各組別溫度時(shí)間關(guān)系曲線均呈“S”型分布。表現(xiàn)為凍結(jié)試驗(yàn)第一階段，試驗(yàn)土柱內(nèi)各點(diǎn)溫度均呈快速下降的趨勢(shì)，第二階段隨著試樣土柱內(nèi)各點(diǎn)逐漸達(dá)到凍結(jié)鋒面，溫度變化逐漸變緩趨近于0，第三階段凍結(jié)鋒面經(jīng)過之后，溫度下降趨勢(shì)逐漸增大，最終趨近于凍融循環(huán)機(jī)降溫速率。與王思文[19]對(duì)渠基土單向凍結(jié)試驗(yàn)土柱內(nèi)部溫度場(chǎng)分布保持一致。試驗(yàn)土柱是重塑土，盡管仍具有一定的結(jié)構(gòu)性，但由于土樣較小，故不能清晰反映出實(shí)際室外渠基土凍結(jié)過程不同深度溫度變化情況。試驗(yàn)土柱高度相同時(shí)，2種換填材料均表現(xiàn)出加快土體起始凍結(jié)時(shí)間、縮短土體凍結(jié)歷時(shí)的效果。砂礫料和粉細(xì)沙均可改善渠道的凍脹破壞，在相同換填深度時(shí)，前者削減凍脹量的程度要大于后者；隨著換填深度的增加，2者凍脹量削減率逐漸趨于平緩,這與趙碧雄等[20]通過風(fēng)積沙換填重粉質(zhì)黏土所得規(guī)律保持一致，但其主要研究渠基土在同一換填材料不同換填高度對(duì)渠道凍脹量的影響，而本研究在探究不同換填深度基礎(chǔ)上對(duì)比分析2種換填材料對(duì)減小渠道凍脹量及其機(jī)理進(jìn)行研究。由于試驗(yàn)凍融循環(huán)機(jī)容量與試驗(yàn)桶最大高度限制，本試驗(yàn)未能通過試驗(yàn)實(shí)測(cè)出土樣在2種換填材料后實(shí)際凍深情況，故本研究通過溫度數(shù)據(jù)與土樣各時(shí)間段凍結(jié)情況模擬出不同換填情況實(shí)際凍深情況。朱強(qiáng)等[21]對(duì)換填法減小渠道凍脹量降低渠道凍脹破壞理論進(jìn)行闡述，指出換填砂礫料與粉細(xì)沙均會(huì)推遲渠道原有土體起始凍結(jié)時(shí)間與凍結(jié)歷時(shí)，給土體滯留一定的排水緩沖時(shí)間，減小土體中孔隙水，降低凍脹量，與本研究2種換填材料后渠基土原有凍脹性土體起始凍結(jié)時(shí)間均會(huì)滯后相一致。比較砂礫料與粉細(xì)沙對(duì)渠道凍脹量削減效果的影響因素：最主要原因是粉細(xì)沙的物理性質(zhì)與渠基土更為相近,砂礫料孔隙率較大，對(duì)渠基土凍脹量削減效果要好于粉細(xì)沙，且飽和狀態(tài)下的粉細(xì)沙也會(huì)產(chǎn)生一定的凍脹量，對(duì)于相同高度土體的砂礫料組別，進(jìn)一步加大了土體的凍脹量，故砂礫料對(duì)凍脹量的削減效果更為明顯。單一從換填后2種換填材料對(duì)凍脹性土體厚度方面考慮，換填粉細(xì)沙后凍脹性土體厚度要小于砂礫料，削減凍脹量效果好于砂礫料。但由于砂礫料對(duì)凍脹量的削減效果好于粉細(xì)沙，故2種換填材料對(duì)渠基土凍結(jié)厚度影響較凍脹量削減對(duì)削弱渠道凍脹破壞的作用較小。因此，在本試驗(yàn)條件基礎(chǔ)上，換填砂礫料削減渠道凍脹量，降低渠道凍脹破壞的效果要好于粉細(xì)沙，其最優(yōu)換填深度前者要小于后者。

對(duì)比2種換填材料，相同換填深度砂礫料降低凍脹量效果好于粉細(xì)沙；通過對(duì)2種換填材料凍脹量與換填深度曲線擬合，得出針對(duì)渾蒲灌區(qū)遼中段，2種換填材料的最佳換填深度為81.625mm和111.326mm，但由于本試驗(yàn)未考慮渠道混凝土襯砌板對(duì)渠基土凍脹量的抑制作用與造價(jià)情況，實(shí)際工程一般選取50cm為最合適換填深度。通過對(duì)2種換填材料換填后渠基土凍深分析得出深度均為70mm時(shí)，凍深分別為16.7457cm和15.2001cm。在渠道鋪設(shè)4cm保溫板后，2種換填材料在換填深度為30cm時(shí)均可使渠道襯砌板上凍脹量達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。