基于水熱變化的渠基凍土單軸抗壓強度試驗研究

萬開唯，王 斌，2，3

（1.寧夏大學土木與水利工程學院，寧夏 銀川 750021；2.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，寧夏 銀川 750021；3.寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術研究中心，寧夏 銀川 750021）

1 研究背景

季節(jié)性凍土地區(qū)的混凝土襯砌渠道受到渠基土的不均勻凍脹變形影響[1］，發(fā)生開裂，造成水分滲漏，嚴重影響了輸配水渠道的正常運行。影響渠基土凍脹力學性能的因素主要是土壤凍結溫度和水分條件。寧夏地區(qū)冬季氣溫日較差及年較差大，渠基土凍脹明顯，同時土壤物理風化強，土壤質(zhì)地偏輕，多為沙質(zhì)土及壤質(zhì)黏土。由于土質(zhì)原因，渠基土的凍脹量十分顯著[2，3］，對渠道襯砌的破壞作用明顯。

研究發(fā)現(xiàn)，凍土力學性能變化與加載速率，溫度、含水率和土質(zhì)都有十分密切的關系。凍土的抗壓強度隨著溫度的降低而升高[4，5］。凍土的制樣技術同樣會影響力學性能的測定，制樣技術的不同通常會反映出不同的力學性能，研究[6］得出兩頭壓實法比分層擊實法能制作出更加均勻的土樣。動態(tài)加載條件下凍土力學性能的研究[7，8］，進一步完善了凍土力學的發(fā)展，為探明襯砌渠道凍脹破壞打下了堅實的基礎。

很多學者對凍土的力學性能進行了大量的研究，也提出了相應的本構模型來描述了凍土的應力-應變關系。但基于凍土力學性能的復雜性和多樣性，研究成果還未能全面反應所有工程條件下的凍土力學特性，而輸水襯砌渠道中渠基凍土的力學性能還少有人研究。由于輸水渠道不同深度的土壤溫度及水分差異明顯[9］，其在水熱變化條件下的力學性能及其產(chǎn)生的凍脹作用存在明顯不均勻性，襯砌渠道在這種不均勻凍脹作用下發(fā)生變形導致開裂及破壞同樣呈現(xiàn)不均勻性。本文通過采集渠基土樣，制備凍土試樣并進行力學性能試驗，研究水熱變化對渠基凍土的力學性能的影響，渠基凍土彈塑性模量和變形性能的變化，為進一步研究不均勻凍脹作用下對襯砌渠道破壞提供依據(jù)。

2 凍土試樣制備及試驗方法

2.1 土壤特性

試驗用渠基土取自寧夏石嘴山市平羅縣永惠村，土樣取自D80-U 形襯砌渠道兩側，由于寧夏地區(qū)平均凍土深度在1 m 左右[10］，故取土深度選為1 m。渠道為東西走向的田間灌溉斗渠。襯砌渠道斷面如圖1 所示。試驗測得土壤的天然含水率為33.26%，密度1.80 g／cm3，土質(zhì)為黏土。土的顆粒級配曲線，見圖1。

圖1 土的顆粒級配曲線

2.2 試驗儀器

試驗采用的設備為LD26.105 微機控制的電子萬能試驗機，最大軸向荷載為100 kN，精度0.5 級。試驗機搭載的高低溫試驗箱的控溫范圍為-50℃到50℃，精度±1℃。凍土試樣的凍結采用海爾-40℃超低溫冰柜，凍結過程中使用JM3816 應變采集儀搭配PT-100 型熱電偶（精度±0.01℃）監(jiān)測土樣表面溫度及中心溫度，確證土樣達到相應凍結溫度。

2.3 試樣制備

凍土試樣采用直徑d=50 mm，高度h=100 mm 的圓柱形土樣，見圖2。天然土樣從現(xiàn)場采集后，將其破碎，過2 mm 土工篩，去除土中雜質(zhì)。篩過的土樣在105℃下烘8 h 以上。待土樣冷卻后，加入所需含水率的水，攪拌均勻，放置24 h。清洗模具，把土樣分次均勻的放入模具擊實。制備好的土樣和模具一起在-10℃凍結8 h 后取出，在脫模機上快速脫模。最后在試驗溫度下凍結48 h 后，即可用于試驗。

圖2 凍土單軸抗壓試樣

2.4 試驗方案

為研究水熱變化對凍土力學性能的影響。本試驗制備了10%、15%、20%、25%、30%、35%含水率的凍土試樣在-1℃、-5℃、-10℃、-15℃、-20℃溫度下凍結，研究溫度和含水率對力學性能的影響。每組試驗制備4 個土樣，通過萬能試驗機進行單軸抗壓強度試驗，得出不同土樣的抗壓強度，同時繪制應力-應變曲線。試驗方案見表 1。

表1 試驗方案

試驗中，高低溫試驗箱的溫度設定為凍土試樣的凍結溫度，并維持2 h，待箱內(nèi)溫度保持穩(wěn)定后再開展試驗。

單軸抗壓強度試驗控制加載速率設定為1.0%／min，當力值達到峰值或穩(wěn)定時，再繼續(xù)增加3%～5%的應變值，即可停止試驗；如果力值一直增加，則試驗進行到軸向應變達到或大于20%止。

3 試驗數(shù)據(jù)分析

凍土試樣在凍結過程中，將同批次試樣A、B 插入PT-100 型熱電偶，采集土體中心溫度，確保土體內(nèi)外溫度一致。凍土試樣的凍結過程為封閉系統(tǒng)，無外界補水，保證在凍結過程中含水率不會發(fā)生變化。從土體的凍結時間曲線（見圖 3）可以看出，凍土試樣在前12 h 溫度下降較快，達到了0.3℃／h，12 h～24 h 后，試樣的降溫速率減慢，僅為0.11℃／h，48 h 后土樣的溫度基本保持穩(wěn)定，達到了試驗要求溫度。

圖3 土體的凍結時間曲線

3.1 含水率對渠基土抗壓強度的影響

通過分析發(fā)現(xiàn)單軸抗壓試驗中含水率10%～20%的試樣通常發(fā)生整體破壞，出現(xiàn)貫通裂縫和斜裂縫。曲線沒有明顯的彈性屈服點，呈現(xiàn)連續(xù)的應變硬化-軟化形態(tài)，有峰值強度。隨著含水率升高（25%～35%）試樣多發(fā)生局部破壞，從試樣兩端開裂膨脹，呈啞鈴形態(tài)。凍土試樣的曲線有明顯的屈服變形，峰值強度不明顯。不同含水率下凍土試樣破壞形態(tài)見圖 4。

圖4 不同含水率試樣破壞圖

相同溫度下，凍土試樣的抗壓強度隨著含水率的上升而提高，但在超過一定含水率（30%）后，抗壓強度出現(xiàn)了下降。分析可知，隨著溫度的降低，土中的水轉化成冰結晶，冰結晶與土顆粒間的黏聚力增強，抗壓強度提高。低含水率下，土中形成冰結晶不足，土顆粒間粘聚力弱，比較松散，破壞時土樣變形較小，沒有明顯屈服點。含水率上升到20%后，冰結晶數(shù)量增多，粘聚力增大，破壞時變形增大，抗壓強度提高，改變了曲線的形態(tài)。超過一定含水率（30%）后，土中冰結晶已經(jīng)飽和，大量的冰結晶破壞了土體原有的狀態(tài)，粘聚力下降，抗壓強度下降，見圖 5。

圖5 不同含水率試樣抗壓應力應變曲線

通過統(tǒng)計分析可知，凍土的抗壓強度和初始含水率在相同的凍結溫度下具有一定的相關性，見圖 6?？梢允褂脭M合公式表示為：

圖6 不同含水率試樣抗壓強度擬合曲線

其中fc為凍土的單軸抗壓強度，MPa； 為凍土的初始含水率，%。

3.2 溫度對渠基土抗壓強度的影響

溫度對于不同含水率凍土試樣的抗壓強度影響顯著。從-1℃下降到-20℃，含水率15%凍土抗壓強度提高，但曲線都沒有明顯的屈服變形，有峰值強度，呈現(xiàn)連續(xù)的應變硬化軟化形態(tài)， 25%和35%的凍土曲線有明顯的屈服變形，峰值強度不明顯，如圖 7 所示。相同初始含水率下溫度的下降沒有改變曲線的形態(tài)。溫度在凍結溫度（0℃）附近時，不同初始含水率的凍土抗壓強度表現(xiàn)都很低。分析認為此時凍土中只有少量的水轉換成冰結晶，土與冰晶間粘聚力較小，試樣的抗壓強度很小。

圖7 不同溫度下凍土應力應變曲線

如圖 8 所示，低含水率（15%）的試樣在0℃到-10℃抗壓強度增長不明顯，-10℃到-20℃間平均增長率為0.49 MPa／℃。隨著含水率的增加（25%，35%）試樣的平均增長率分別為0.69 MPa／℃和0.59 MPa／℃。低含水率試樣的抗壓強度增長率小于高含水率的試樣。這和土中含水量較少，土中的水轉化成冰結晶的數(shù)量有限，粘聚力較低有關。

圖8 不同溫度下試樣的抗壓強度及擬合曲線

溫度的降低提高了凍土試樣的抗壓強度。在溫度-20℃下，25%含水率的凍土試樣的單軸抗壓強度為7.59 MPa，大于15%和35%含水率的凍土試樣。分析認為當土壤含水率過多或過少時，冰晶數(shù)量都會降低冰晶與土顆粒間的粘聚力，凍土中存在一個適宜含水率，此時力學性能表現(xiàn)最優(yōu)，抗壓強度最大。

統(tǒng)計分析表明凍土試樣的抗壓強度和溫度存在較強的相關性。溫度變化下，不同含水率凍土的抗壓強度增長趨勢差異皆明顯。凍土抗壓強度和溫度的擬合公式為：

其中fc為凍土的單軸抗壓強度，MPa； 為凍土的凍結溫度，℃。

4 結論

（1）隨著土壤初始含水率的增加，凍土的抗壓會上升，在超過30%含水率后，強度出現(xiàn)下降。

（2）25%～35%含水率的凍土單軸抗壓時會發(fā)生屈服變形，峰值強度不顯著，應力-應變曲線形態(tài)發(fā)生改變。

（3）凍土凍結溫度的降低，其抗壓強度呈線性增加的趨勢，土壤的初始含水率越高，隨著凍結溫度的降低，強度增長率越大。

（4）含水率較低（＆lt;15%）和凍結溫度在結冰點（0℃）附近的凍土抗壓。可見初始含水率的變化和凍結溫度的不同是渠基土發(fā)生非均勻凍脹的重要條件。