外荷載及物理作用下農(nóng)田水渠開裂研究

劉 娜

(凌海市水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 凌海 121200)

我國是農(nóng)業(yè)大國,農(nóng)業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的重要組成部分, 要使農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平得到明顯的提升, 就需要加強(qiáng)農(nóng)田灌溉水渠工程建設(shè)[1-2]。農(nóng)田灌溉與農(nóng)業(yè)種植息息相關(guān),其中農(nóng)田引水渠是灌溉中的重點(diǎn)環(huán)節(jié)，如果引水渠產(chǎn)生裂縫, 將會導(dǎo)致引水灌溉不能正常進(jìn)行, 為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來諸多阻礙。

目前，導(dǎo)致水渠開裂的主要原因包括沉陷、溫度應(yīng)力、土壤干縮等[3]。沉降裂縫是由于在挖掘過程中擾動坡基原狀土, 造成坡基土的密實(shí)度達(dá)不到要求，使得回填難度很大，均勻性較差，很難承受襯砌混凝土的壓力，從而造成混凝土板沉陷扭曲、移位甚至是坍塌。溫度應(yīng)力是由于澆筑混凝土以后，水泥和水發(fā)生水化熱，使混凝土板內(nèi)的溫度不斷上升，加之外面溫度的不斷變化，相鄰部位的混凝土由于溫度和降溫的不同出現(xiàn)較大的溫度差,產(chǎn)生溫度效應(yīng)。一旦溫度效應(yīng)超過混凝土極限抗拉強(qiáng)度時，溫度裂縫就會出現(xiàn)。干縮裂縫產(chǎn)生的原因主要是混凝土表面失水或因自身收縮造成的。此外，烈日暴曬、養(yǎng)護(hù)不到位以及混凝土本身的收縮值太大等也會造成混凝土早期脫水，導(dǎo)致干縮裂縫的產(chǎn)生[4-9]。

本文以土壤含水率變化引起的開裂為研究對象，通過現(xiàn)場取樣，采用室內(nèi)試驗(yàn)分析膨脹應(yīng)力、含水量和收縮率隨吸力的變化，研究不同荷載下土體變形規(guī)律，同時研究纖維加固后土體含水率變化和開裂情況。以期研究結(jié)果能為相關(guān)農(nóng)田引水渠工程提供參考。

1 試驗(yàn)制備

本文從凌海市某農(nóng)田水渠附近鉆取土樣，采用烘干法測得原狀土樣水分含量w=25%，并保持這一含水率在沒有任何空氣干燥和松動的情況下制備土壤，使土樣尺寸小于2 mm。為對比含水量對土體開裂的影響，開展兩項(xiàng)對比試驗(yàn)。第一部分為向土壤中加水，使其含水量接近76.10%的極限流塑性；第二部分為向土壤中加水使其達(dá)到94.20%極限流塑性。在進(jìn)行對比測試前，先將樣品攪拌均勻，以獲得均勻的含水率，并借助塑料套筒將其壓實(shí)至直徑為150 mm、高度為15 mm的培養(yǎng)皿中，并去除氣泡。最后將土壤板組件放置在容量為2.000 g的刻度盤上，刻度靈敏度為0.01 g。該天平能夠?qū)崟r測量土壤的重量，因此可以實(shí)時計(jì)算土壤含水量。在試驗(yàn)開始前約2h打開白熾燈和實(shí)驗(yàn)室空調(diào)，以保持試驗(yàn)1中的初始環(huán)境溫度，僅執(zhí)行這一個干燥步驟，持續(xù)49 h。在試驗(yàn)2中，執(zhí)行3個干燥和兩個濕潤步驟。在試驗(yàn)2中，當(dāng)干燥過程中土壤含水量接近塑性極限時，開始加濕循環(huán)，總共約250 h。為監(jiān)測土壤隨時間的開裂動態(tài)過程，試驗(yàn)時使用網(wǎng)絡(luò)攝像頭和自動圖像捕捉軟件，每10 min捕獲一次圖像。圖1為部分測試儀器。

圖1 測試儀器

2 膨脹應(yīng)力、含水量和收縮率隨吸力的變化

圖2為通過恒定體積法獲得的膨脹應(yīng)力、含水量和收縮率隨吸力的變化規(guī)律。

圖2 膨脹應(yīng)力、含水量和收縮率隨吸力的變化規(guī)律

由圖2可知，隨著基質(zhì)吸力的增加，膨脹應(yīng)力呈逐漸增大的趨勢，當(dāng)吸力達(dá)到33 MPa以后，增速較為平緩。但對于土壤收縮率，當(dāng)吸力小于33 MPa時呈增長趨勢，但繼續(xù)增加吸力，收縮率略有下降，趨于穩(wěn)定。而土的含水率隨吸力增大呈減小趨勢?？傮w而言，土壤水分的流失增加了膨脹應(yīng)力，土壤濕潤后導(dǎo)致膨脹應(yīng)力減少，而干燥導(dǎo)致膨脹應(yīng)力增加。這表明，在野外氣候條件對土壤膨脹應(yīng)力有顯著影響。水的連續(xù)蒸發(fā)使得黏土顆粒和外部顆粒層上的毛細(xì)吸力之間產(chǎn)生水-空氣彎月面，隨著土壤持續(xù)干燥，黏土顆粒之間的毛細(xì)吸力和有效應(yīng)力增加，導(dǎo)致土壤固結(jié)和收縮。這一過程提高了土壤膨脹應(yīng)力和收縮率。由于土壤的微觀結(jié)構(gòu)受外部因素的制約，裂縫容易在表面上的臨界點(diǎn)開始，在該點(diǎn)上，吸力引起的拉伸應(yīng)力累積超過土壤的拉伸強(qiáng)度。因此在土壤干燥過程中，水分蒸發(fā)對裂縫的出現(xiàn)和擴(kuò)展起著重要作用

3 不同荷載下土體變形分析

圖3為不同荷載下開裂土體垂直應(yīng)變隨時間的變化關(guān)系。由圖3可知，開裂土體膨脹趨勢隨著垂直應(yīng)力的增加而減小，表明當(dāng)張力減小時膨脹會更劇烈。當(dāng)垂直應(yīng)力≥160 kPa時，土壤不再隨著含水量的增加而膨脹，而是在原狀土含水量標(biāo)準(zhǔn)下出現(xiàn)壓縮，此時土壤的吸力為2.0 MPa，平均膨脹應(yīng)力為169 kPa。這是由于土壤形成過程，其顆粒以薄片的形式定向排列，當(dāng)水與土壤接觸時，吸附力和滲透應(yīng)力導(dǎo)致薄片上下兩層均出現(xiàn)膨脹，將其變?yōu)榉稚⒔Y(jié)構(gòu)。由于水分浸入發(fā)生在特定方向，且土壤具有低滲透性，因此與排水表面接觸的土壤部分首先開始出現(xiàn)膨脹過程，然后擴(kuò)散到土體內(nèi)部。

圖3 不同荷載下開裂土體垂直應(yīng)變隨時間的變化關(guān)系

此外，當(dāng)垂直應(yīng)力≥160 kPa，試樣出現(xiàn)垂直應(yīng)變隨時間增大的規(guī)律，經(jīng)過分析可能有3種原因?qū)е拢孩佼?dāng)施加的垂直應(yīng)力小于膨脹應(yīng)力時，浸水將導(dǎo)致膨脹，且膨脹應(yīng)力越??；②當(dāng)施加的垂直應(yīng)力大于表面膨脹應(yīng)力時，浸水將導(dǎo)致顆粒定向排列，且當(dāng)濕潤土壤壓縮性從周圍到樣品中心逐漸增加時，由于施加的應(yīng)力大于膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力，土壤會發(fā)生壓縮；③當(dāng)施加的垂直應(yīng)力幾乎與膨脹應(yīng)力相同時，浸水最先導(dǎo)致排水面附近的含水量變化，從而改變該區(qū)域土壤的壓縮性。隨著增濕過程的推進(jìn)，濕土的體積增加，膨脹開始超過垂直施加應(yīng)力的影響。在試驗(yàn)過程中測出壓縮變形，是由于雙層膨脹應(yīng)力影響下(在新的更可壓縮的分散結(jié)構(gòu)中)而產(chǎn)生的結(jié)果。圖4為垂直應(yīng)力與土體膨脹勢之間的擬合關(guān)系。

圖4 不同荷載下開裂土體垂直應(yīng)變與膨脹勢的變化關(guān)系

4 纖維加固后土體含水率變化

由試驗(yàn)結(jié)果可知，水分蒸發(fā)即含水率的減小對裂縫的出現(xiàn)和擴(kuò)展起著重要助推作用，因此控制土壤含水率的變化是防止水渠開裂的重要方法。根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研，本文采用在土壤中加入纖維的方法來研究土壤含水率和開裂變化。圖5為加纖維和不加纖維土壤72 h后土體開裂情況，二者初始含水量相同，纖維含量為10%。由圖5可知，加纖維后土體幾乎沒有發(fā)生開裂保持完整，而未加纖維的原狀土則出現(xiàn)了Y形和貫通裂紋，說明纖維能有效防止土體開裂。這是由于纖維能夠預(yù)防拉伸裂紋的形成，增加了水導(dǎo)率和液化強(qiáng)度，降低了熱導(dǎo)率和建筑材料的重量，抑制膨脹趨勢并降低土壤脆性。圖6為兩種試樣含水率隨時間的變化情況。由圖6可知，隨著時間的增長，二者的含水率都出現(xiàn)下降的趨勢，但每一測量時刻加纖維土的含水率明顯高于原狀土，72 h后纖維土的含水量為18.5%，而未加纖維土的含水量為11.6%，說明纖維能夠有效防止緩解土壤水分的流失，從而增強(qiáng)土壤的防開裂性能。

圖5 加纖維和不加纖維土壤72 h后土體開裂情況

圖6 兩種試樣含水率隨時間的變化

5 結(jié) 論

本文為研究農(nóng)田引水渠開裂性質(zhì)，通過現(xiàn)場取樣，采用室內(nèi)試驗(yàn)分析了膨脹應(yīng)力、含水量和收縮率隨吸力的變化，得到了不同荷載下土體變形規(guī)律，同時研究了纖維加固后土體含水率變化和開裂情況。主要得到以下結(jié)論：

1)隨著基質(zhì)吸力的增加，膨脹應(yīng)力呈逐漸增大的趨勢，當(dāng)吸力達(dá)到33 MPa以后，增速較為平緩。但對于土壤收縮率，當(dāng)吸力小于33 MPa時呈增長趨勢，但繼續(xù)增加吸力，收縮率略有下降，趨于穩(wěn)定。

2)開裂土體膨脹趨勢隨著垂直應(yīng)力的增加而減小，表明當(dāng)張力減小時膨脹會更劇烈。當(dāng)垂直應(yīng)力≥160 kPa時，土壤不再隨著含水量的增加而膨脹，而是在原狀土含水量標(biāo)準(zhǔn)下出現(xiàn)壓縮，此時土壤的吸力為2.0 MPa，平均膨脹應(yīng)力為169 kPa。

3)纖維土和原狀土含水率隨時間都出現(xiàn)了下降趨勢，但每一測量時刻加纖維土的含水率明顯高于原狀土，72 h后纖維土的含水量為18.5%，而未加纖維土的含水量為11.6%，說明纖維能夠有效防止緩解土壤水分的流失，從而增強(qiáng)土壤的防開裂性能。