混凝土塑膜敷衬护层渠道的冻胀应力研究

赖学云

（江西省水利水电建设有限公司，江西 南昌 330000）

衬膜抗冻胀是北方寒区水工渠道设计筑建的重要技术环节。本文基于所收集的混凝土护层塑膜敷衬渠道的冻胀应力损坏研究资料，针对我国北方寒区梯形砼衬膜水工渠道的筑建特点，着重研究和探讨铺衬塑膜结构下的混凝土衬砌渠道冻胀性损坏和整治规律。

1 衬砌体冻胀损坏基本分析

虽然塑料薄膜拥有较好的水工防渗性，但如果过渡层含水量偏高，在寒冷地区封冻前，渠床容易造成严重冻胀，过量形变会使混凝保护层受到损坏。

通道水压砌体的冻胀损坏一般是由砌体下土体的变形引起的。土壤冻胀一般发生在多个方向上，因为侧向出现常常相互平衡，以致向上垂直性的现象形成并不突出。流动迁移理论和土壤颗粒热位移效应分析表明，由于年度温度周期在寒冷地区表层土壤中波动，反复冻融，土壤坡度得到再生。突出表现在三个方面：（1）由于水汽迁移现象发生的冰层下部凝结，导致土壤冻胀的发生；（2）水分运移导致溶质运移，导致土壤中高浓度区出现，导致上升的解冻弱层出现；（3）土壤颗粒在内部和外部应力作用下发生位移，冷生成剖面伴随之变化，导致土壤性质的变化[1]。

土壤是松散的介质并且是多孔的，其成分例如有机物质、矿物颗粒、孔隙水等在孔隙中的排列通常是随机和无序的。冻结作用对土体施加额外的压力，引起冻胀。由此产生冻胀力推移土壤颗粒。土壤孔隙水中的自由水不受土壤颗粒电性颗粒的重力束缚，更易冻结。由于土壤颗粒的结合力较强，因此孔隙中的结合水一般不易冻结。土壤颗粒越细，电子分子的重力结合越强，并且冷冻过程越慢，在土壤的冷冻过程中，大孔隙中的自由水通常会冻结，大颗粒的土壤被提起，被称为热筛效应。在冷冻过程中，有一个现象，土壤水分迁移到冷锋。当迁移水流量达到一定水平时，微小的土壤颗粒开始迁移。其次，冻结力可以逐渐使土壤颗粒和孔隙空间的组合和排列从原来的随机紊乱变得相对有序。这会降低土壤的密度和抗剪强度，从而影响渠道的稳定性。

研究发现，最温暖的冰晶体底面和冰冻锋面之间有一个低含水量和低含水量的无霜区，称为冰冻边缘。测试表明，冻结边缘的厚度随着冻结历史的变化而变化。冷凝冰的位置最有可能发生在没有结构连接的地方，并且冷凝冰层的温度随着冷锋的温度降低而降低。一般在冻结期间，土壤中会形成多层凝结冰。在存储结构体系中，根据水运迁移的基本原理和冻土中冰水平衡原理，一方面，在温度梯度引起的非冻结水势梯度的影响下，冻结系统中的未冻结水源将继续从较高温度端向较低温度端迁移。另一方面，冷冻系统内不同位置的温度使得在该位置存在与该温度相对应的非冷冻水含量。非冰冻水迁移到这个地方会以冰的形式出现，并且体积会增加。则产生相应的冻胀力。如果由冻胀引起的剪切应力大于材料的剪切强度，则会发生剪切损坏并在该处形成分离的冰层。这是土壤结冰层和土壤冻胀的基本形成机制。

冻结通常具有叠加属性。随着研究的快速发展，亚冷凝冰层在土壤冻胀过程中的作用基本相当于一个启动千斤顶。凝结的冰层越多，总的冻胀越大;如果每层的冰厚度较大，则冻胀总量会增加。

2 缘于冻胀的衬砌体损坏形式

冻结后土壤表面部分的高程，与冻结前的高程间存在差异，此称为土壤冻胀量。如果土壤冻胀不受约束，一般只会经历相对轻微的膨胀形变。而当冻结受到限制时，土壤中会产生相对剧烈的，相反于约束应力方向的冻胀应力[2]。

寒冷环境下，衬砌层同冻土层因为冷凝水而牢固地冻结在一起。使两者联结为一个整体，相互约束，此被称为外部全约束体系。如果冻胀应力超过一定限度，并达到保护材料的允许极限，则通道的保护层将受到损坏。通常有四种损坏形式：

1）鼓胀及裂缝

衬砌渠道的冻胀裂缝更可能出现在现浇的大型混凝土板的上方。接缝位置通常在通道底部上方或斜坡上方，斜坡长度约1/4～3/4的范围内。

2）隆起架空

这种现象主要发生于地下水位之上。它通常发生在坡脚处，河道底部中部或水面以上约0.5 m～1.5 m的坡面处。

3）滑塌

当起伏升起时，脚支撑相应受损，衬板垫失稳。当基础土壤溶解时，上部板块将沿着斜坡滑移，互相渗透或相互重叠。

4）整体上抬

对于衬砌完整性较好的通道或冻胀较弱的区域（如U型混凝土小通道），在冻胀应力影响下，可能出现衬砌向上提升。

3 渠床冻胀规律及其影响

渠床内不同含水量部位的膨胀表现是不尽相同的，运河底部的含水量通常很高，所以在这个位置的膨胀也相对较大。渠底混凝土护层承受的膨胀力比较大，渠床各部位的膨胀量各不相同，应力不均衡导致混凝土护层损坏[3]。

4 梯形砼衬膜结构的冻胀损坏分析

与温度应力类似，土壤冻胀力也是一种材料体积力。在相同的温度、土壤和湿度条件下，约束条件决定并影响冻胀力的大小。约束不存在，冻胀力即为0值。如果结合力大，则霜膨胀力增大。

梯形渠道底部衬砌板和渠坡的下部，冻胀性损坏相对容易发生，因为在坡脚处，衬砌板约束着基土冻胀，而越接近斜坡，冻胀量越小，相应的冻胀应力越大。弯曲应力是造成混凝土护套损坏的主要原因。混凝土是一种脆性材料，其抗弯曲性能通常远低于其抵抗压力的能力。

对衬砌膜护层混凝土渠道的冻胀性损坏开展力学计算分析前，首先要对渠道及冻土做如下假设：

1）法向渠脚冻胀跟法向坡脚冻胀应力值大致相同；

2）渠道边坡的自由冻胀量一般沿渠坡按线性分布，渠顶最小，渠底最大；

3）冻土弹性模量较混凝土弹性模量小很多，冻土只对衬砌板施加冻胀力和提供被动的冻结约束，基本不参与衬砌板的弯曲形变；

4）一般不考虑沿断面周长方向的渠道冻结影响，渠底段和渠边坡段多单向冻结；

5）渠底板的两端，受到来自坡板的铰性约束，其法向冻胀力呈均匀分布，故可以简化两端的简支梁；

6）法向冻胀量催生法向冻胀力，如果边坡板法向冻胀力沿坡长线性分布，则坡顶为0值，至坡底值会达到最大[4]。

4.1 边坡板受力

含水量沿边坡高程相应分布，边坡冻胀在沿高程一线，各处表现不同。靠近渠底的冻胀量高，缘于这里的含水量大。图1为衬膜渠边坡应力状态。

图1 衬膜渠边坡应力状态

（1）重力

边坡板重力在未冻结前，由底板和渠基平衡顶推力，冻结后，重力由底板的约束力、法向冻胀力和冻结力平衡，故在计算内力时一般不去考虑它。

（2）法向 Ndz冻胀力

法向冻胀力为垫层冻胀产生的垂直加载于基础的应力，其方向总是垂直于坡面，渠床的含水率决定冻胀量，冻胀量决定冻胀力，含水率降低则冻胀量减小。可依据文献计算法向冻胀应力值。为了便于计算，通常以三角形分布来设定法向冻胀应力。Ndz冻胀力是致使衬砌遭受损坏的重要原因，可依据渠床含水量、当地土质和气温揭示Ndz冻胀力[5]。

边坡板所承受的冻胀应力之和为：

（3）切向Nx冻结力

塑料薄膜和冻结，把边坡板与土壤联结成整体。冻胀量存在差值，促使其呈现压缩形变趋势，混凝土板假设为刚性，其形变量为零值，不协调变形在边坡板与冻土之间产生。呈现向上位移趋势是边坡板一大特点，这时候，膜土间及膜板间剪应力取代冻结力，制约膜土间及膜板间相对滑移。在塑料薄膜上下两个层面的冻结力中，含水量在膜的下表面较低，膜土冻结力则相对小，上表面含水量相对高，则膜土冻结力则相对大。

任意断面计算公式：

（4）法向 Ndj冻结力

法向Ndj冻结力是因为底板Ny约束力和法向Ndz冻胀力的作用，使得坡板绕下支点可能发生回转，但上部渠床土体要制约这一转动的发生。为了方便计算，这里把法向冻结力作用点，定于坡板顶端，如此计算利于结构安全。

4.2 边坡板基本内应力

法向冻胀力弯矩与切向冻结力弯矩之和，构成边坡板弯矩，即：

式中：t代表板厚度。

计算最大弯矩所处的截面：

最大弯矩值计算：

如果把剪力作用忽略去，但考虑关注了单位渠长，则混凝土边坡板的最大应力计算为：

式中：S标志基于截面的边坡板面积；Wy是抗弯模量。

最小边坡板厚度计算为：

式中：[σ]为混凝土拉伸许用应力[6]。

4.3 底板基本内应力

底板垫层各处含水量基本一致，冻胀量基本相同。基于刚性底板条件设定，底板冻胀应力呈现均匀分布。衬膜渠之底板应力状态分布，见图2（标志渠道的边坡角）。

图2 衬膜渠之底板应力状态分布

中央底板处发生最大弯矩，不计重力计算其值为：

最大轴向力：

式中：S是截面积，Wy是抗弯曲模量。

最小底板厚度计算为：

式中：[σ]为混凝土拉伸许用应力。

冻胀引发的冻胀力导致衬砌层遭遇冻胀损坏，为消除冻胀力危害，除提高衬砌层厚度和混凝土标号外，还应采取如下措施：

1）提高垫层土体密度，以降低土体孔隙率。同时还要注意防止雨水经上盖板渗入到防渗层和衬砌层之间。

2）尽可能解除或消弱冻土层和衬砌层之间的冻结约束，使两者相对独立。

3）改进衬砌体的架构形式，区别对待阳阴坡，采用曲面或变截面衬砌方式，以提升截面惯量，提高抗形变性能。

5 结语

本文基于所收集的混凝土护层塑膜敷衬渠道的冻胀应力损坏研究资料，针对我国北方寒区梯形砼衬膜水工渠道的筑建特点，着重研究和探讨了铺衬塑膜结构下的混凝土衬砌渠道冻胀性损坏和整治规律，分析了相关冻胀力影响因素，建立了混凝土塑膜敷衬护层渠道冻胀损伤模型，给出了梯形砼衬膜渠道的冻胀损坏计算模型，可为寒区梯形砼衬膜渠道设计提供参考。