凍融循環(huán)對(duì)U型黃土渠道的穩(wěn)定性分析*

王秦澤

（陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075）

0 引言

季節(jié)性凍融區(qū)的輸水工程容易發(fā)生凍融病害，威脅農(nóng)田水利設(shè)施的供水能力[1]。近年來，黃土高原地區(qū)渠道工程的病害頻發(fā)，反復(fù)凍融作用下，凍脹和融沉引起黃土結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，黃土內(nèi)部溫度場(chǎng)和水鹽重新分布，再次凍結(jié)時(shí)水熱參數(shù)改變，影響凍結(jié)過程，渠道等巖土體的穩(wěn)定性受到影響。渠道邊坡黃土受季節(jié)性凍融循環(huán)影響出現(xiàn)了土層內(nèi)鹽分隨水分向邊坡表層持續(xù)遷移并匯聚的現(xiàn)象，表層含鹽量逐漸增大，表層黃土逐漸剝落并逐步向邊坡內(nèi)部拓展，影響了渠道穩(wěn)定性[2]。渠道的凍脹破壞現(xiàn)象頻發(fā)于黃土高原灌區(qū)，由于冬季環(huán)境氣溫降低，渠道下部土層中原有水分凍結(jié)，并伴隨溫度梯度作用水鹽向基土表層遷移，該過程中產(chǎn)生的凍脹力導(dǎo)致襯砌面板出現(xiàn)凍脹裂縫[3]。進(jìn)入春季后，已凍土層逐漸融化，表層匯集大量水分，出現(xiàn)融沉變形，渠道襯砌發(fā)生滑塌[4]，影響輸水渠道的穩(wěn)定性。要想解決這些問題，首先要準(zhǔn)確地評(píng)估渠基內(nèi)的凍結(jié)范圍，也就是需要準(zhǔn)確地確定土的凍結(jié)溫度，這是界定土是否處于凍結(jié)狀態(tài)的關(guān)鍵指標(biāo)[5]。

目前，學(xué)界關(guān)于水分、鹽分和壓力等因素對(duì)土凍結(jié)溫度的影響已進(jìn)行了諸多探討。然而，凍融作用作為一種影響土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)風(fēng)化作用仍然較少見諸報(bào)道，有關(guān)凍融作用對(duì)土結(jié)構(gòu)的細(xì)觀影響機(jī)理及其與土的凍結(jié)溫度的聯(lián)系的研究仍然缺少。因此，課題組通過試驗(yàn)分析了凍融次數(shù)對(duì)U型渠道內(nèi)部黃土凍結(jié)溫度的影響規(guī)律及變化機(jī)理，研究了凍融作用對(duì)黃土渠道穩(wěn)定性的影響，本研究對(duì)工程實(shí)踐具有指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)用土取自陜西省寶雞市千陽縣高崖鎮(zhèn)一處農(nóng)田輸水渠道，取土深度0.3 m～1.0 m。黃土試樣天然含水率w=15.0%，干密度ρ=1.42 g·cm-3，液限為32.3%，塑限為18.7%，塑性指數(shù)為13.6。根據(jù)室內(nèi)基本物性試驗(yàn)得出所取黃土的基本物理指標(biāo)如表1所示。

表1 陜西白鹿原黃土基本物理指標(biāo)

將所取黃土土樣烘干碾碎，并過2 mm土工標(biāo)準(zhǔn)篩。本試驗(yàn)控制含鹽量為0.0%、0.2%、0.5%、1.0%、2.0%和5.0%六個(gè)等級(jí)，控制含水量為11.0%、14.0%、17.0%、20.0%和23.0%五個(gè)等級(jí)。為了防止其他離子對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，本文選用蒸餾水作為試驗(yàn)用水進(jìn)行配土。將蒸餾水均勻地拌入過篩黃土中，充分?jǐn)嚢璨⒏采w保鮮膜保濕，密封靜置24 h以保證水分均勻分布。

將配好的土樣制成寬50 cm，高30 cm的渠道模型進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，控制模型試樣密度為1.42g·cm-3，凍融循環(huán)試驗(yàn)在控溫環(huán)境箱內(nèi)進(jìn)行，控溫精度為±0.3 ℃。為了模擬寶雞市千陽縣自然氣候條件的真實(shí)變化狀況，控制凍融循環(huán)控溫箱的凍結(jié)環(huán)境溫度為-20 ℃，凍結(jié)8 h，之后將試樣在平均室溫為20℃的環(huán)境中融化10 h，即為1次凍融循環(huán)。為了保證試樣在8 h內(nèi)完全凍結(jié)，采用多向快速凍結(jié)的方式。本次試驗(yàn)控制凍融次數(shù)分別為0、2、5、10和20次。

2 結(jié)果分析

2.1 凍融循環(huán)對(duì)黃土渠道凍結(jié)溫度的影響分析

為了分析凍融循環(huán)對(duì)黃土凍結(jié)溫度的影響，對(duì)黃土試樣分別進(jìn)行0、2、5、10、20次的凍融循環(huán)試驗(yàn)，得出含鹽量一定的條件下，黃土凍結(jié)溫度與凍融次數(shù)的變化關(guān)系，如圖1所示。

圖1 不同凍融次數(shù)條件下含鹽黃土渠道凍結(jié)溫度曲線

由圖1可知，相同未凍水含量和含鹽量條件下，隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，黃土試樣凍結(jié)溫度先降低后趨于平穩(wěn)。N＜10時(shí)，凍結(jié)溫度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低；10＜N＜20時(shí)，凍結(jié)溫度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而幾乎不變；N＜5時(shí)，凍結(jié)溫度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低，且凍結(jié)溫度降幅約為70%。

凍融循環(huán)后，土的宏細(xì)觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，通過宏細(xì)觀結(jié)構(gòu)的變化來改變土體的熱物理性質(zhì)，最終改變土的凍結(jié)溫度。

2.2 凍結(jié)溫度變化機(jī)理分析

土的凍結(jié)實(shí)際為土中水分的凍結(jié)，水分達(dá)到凍結(jié)點(diǎn)后，冰晶開始生成。水分在凍結(jié)成冰時(shí)體積增大約9%[6]，土體發(fā)生凍脹，冰晶的體積膨脹對(duì)周圍土顆粒產(chǎn)生擠壓作用。由圖2可知，土顆粒間的連接方式發(fā)生變化，部分由原先的面接觸變?yōu)辄c(diǎn)接觸。冰晶的生長(zhǎng)使土顆粒受到擠壓，增加了土顆粒的團(tuán)聚性，土中孔隙率增大[7]。隨著凍融次數(shù)的增加，團(tuán)粒會(huì)破碎為均一的顆粒[8]，即凍融循環(huán)后，黃土中等效孔隙數(shù)量增多，等效孔隙直徑減小。隨凍融次數(shù)的增加，土的宏細(xì)觀結(jié)構(gòu)逐漸趨于穩(wěn)定，土的孔隙率、等效孔隙數(shù)量隨凍融次數(shù)的增加先增大后趨于穩(wěn)定，而等效孔隙直徑隨凍融循環(huán)次數(shù)的增多而減小，最后趨于穩(wěn)定。為了描述凍結(jié)過程中孔隙的分布狀況，袁俊平等[9]在凍脹變形規(guī)律的基礎(chǔ)上提出了孔隙分布指數(shù)的概念，并將孔隙分布指數(shù)表示為：

圖2 凍融循環(huán)對(duì)土顆粒連接方式的影響

式中，λ為孔隙分布指數(shù)，λ＜-1；d0為臨界等效孔隙直徑，為定值；d為等效孔隙直徑；n為粒組等效孔隙數(shù)量。

由式（1）可知，臨界孔隙直徑一定時(shí)，隨著凍融循環(huán)次數(shù)增多，等效孔隙數(shù)量增大，等效孔隙直徑減小，孔隙分布指數(shù)隨凍融循環(huán)增加先負(fù)向增大，而后趨于穩(wěn)定。凍融循環(huán)后，土的宏細(xì)觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，各相物質(zhì)在土中占比發(fā)生改變。由于土中各相物質(zhì)的熱物理性質(zhì)不同，所以凍融循環(huán)通過宏細(xì)觀結(jié)構(gòu)的變化來改變土體的熱物理性質(zhì)，影響土在凍結(jié)過程中溫度場(chǎng)的變化，最終改變土的凍結(jié)溫度。

吳謀松[10]研究了凍結(jié)溫度降低值與土結(jié)構(gòu)的關(guān)系，并建立了凍結(jié)溫度降低值與土中孔隙分布指數(shù)的關(guān)系式：

式中，ΔT為凍結(jié)溫度降低值；E為土樣在溫度T時(shí)的熱量；Ef為土樣在溫度Tf時(shí)的熱量；d2，d3為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，本文設(shè)定d2=d3=1。

由式（2）可得，E和Ef分別為土樣溫度為T和Tf時(shí)的熱量，且Ef＞E。設(shè)E和Ef為定值，則式（2）中，凍結(jié)點(diǎn)（凍結(jié)溫度）降低值只與孔隙分布指數(shù)有關(guān)。由式（1）可知，孔隙分布指數(shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)增多先負(fù)向增大，后趨于穩(wěn)定。結(jié)合式（1）和式（2）可得，凍結(jié)溫度降低值隨凍融循環(huán)次數(shù)增多而逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定。由此可得，黃土凍結(jié)溫度隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多而先降低，后趨于穩(wěn)定。

2.3 U型黃土渠道凍融穩(wěn)定性分析

由上文可知，U型渠道內(nèi)含鹽黃土凍結(jié)溫度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增多先降低，后趨于穩(wěn)定。凍融循環(huán)改變了土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，由于土的各相水熱性質(zhì)均不同，凍融作用改變了各相物質(zhì)在土中所占比例，土的水熱狀態(tài)發(fā)生變化，最終影響土的凍結(jié)溫度。

以凍結(jié)溫度的變化為基礎(chǔ)，對(duì)U型黃土渠道凍結(jié)深度進(jìn)行數(shù)值模擬分析。發(fā)現(xiàn)凍結(jié)過程中溫度梯度不斷增大，渠道凍結(jié)深度在一定范圍內(nèi)不斷增大；土層凍結(jié)深度隨凍結(jié)溫度的降低而加深，即一定溫度范圍內(nèi)，凍結(jié)溫度越低，土層凍結(jié)深度越深。

由此可知，在凍結(jié)溫度影響范圍內(nèi)，U型黃土渠道襯砌下的黃土凍結(jié)深度隨凍結(jié)溫度的降低而逐漸加深，改變了黃土內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致黃土結(jié)構(gòu)的整體性降低，力學(xué)性質(zhì)降低。外力作用下，U型渠道的穩(wěn)定性降低，襯砌面板出現(xiàn)凍脹裂縫，渠道襯砌發(fā)生滑塌等病害，影響灌溉輸水渠道的正常使用。

3 結(jié)論

本文通過室內(nèi)凍融循環(huán)試驗(yàn)，研究了不同凍融次數(shù)條件下U型渠道黃土凍結(jié)溫度的變化，渠道凍結(jié)深度及穩(wěn)定性的變化，主要結(jié)論如下：

1）隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，黃土試樣凍結(jié)溫度先降低后趨于平穩(wěn)；

2）凍融循環(huán)改變了土的宏細(xì)觀結(jié)構(gòu)，黃土凍融循環(huán)過程中，隨著凍融次數(shù)的增加，土中的孔隙體積先增大后減小，等效孔隙直徑先增大后減小，而孔隙率會(huì)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增大而增大，等效孔隙數(shù)量隨凍融次數(shù)的增加而增多；

3）臨界孔隙直徑一定時(shí)，凍融循環(huán)次數(shù)增多，等效孔隙數(shù)量隨之增大，等效孔隙直徑減小，孔隙分布指數(shù)隨凍融循環(huán)增加先負(fù)向增大，而后趨于穩(wěn)定；

4）凍結(jié)溫度降低值只與孔隙分布指數(shù)有關(guān)，孔隙分布指數(shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)增多而先負(fù)向增大，后趨于穩(wěn)定，故凍結(jié)溫度降低值隨凍融循環(huán)次數(shù)增多而逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定；所以黃土凍結(jié)溫度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增多而先降低，后趨于穩(wěn)定；

5）土層凍結(jié)深度隨凍結(jié)溫度的降低而加深，即一定溫度范圍內(nèi)，凍結(jié)溫度越低，土層凍結(jié)深度越大；

6）凍融循環(huán)改變了黃土內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)，使得黃土結(jié)構(gòu)的整體性降低，力學(xué)性質(zhì)降低，在同等外力作用下，凍融影響下的U型渠道的穩(wěn)定性降低。