盐渍土和混凝土的衬砌冻结强度直剪试验分析

俞长隆

(水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000)

当前国家大力倡导节水农业的实现，旨在减少输水浪费的问题，防止渠道工程遭到破坏，这表明提升输水实际效益在重要性方面越发明显。文章主要将某工程作为主要背景，针对渠道工程受冻害破坏十分严重问题进行系统分析。针对不同含盐量、类型，以及法向应力盐渍土与混凝土衬砌接触面直剪试验进行研究，然后结合试验最终结果，对不同含盐量与含盐类型状态下接触面破坏呈现出变形规律，以及剪切破坏实际过程作出合理解释[1]。

1 试验设备与方案

1.1 材料与设备

试验用土和混凝土衬砌均来自于某灌区，试验中使用的用土需先使用去离子水进行浸泡，通过EC 电导率笔详细检测滤液电导率值实际，结合电导率和含盐量之间存在的关系，针对土中盐分含量进展开换算，然后实施多次浸泡，到土样整体含盐量不超过 0.1%为止。本次试验过程中，抗冻标号可以设置为F150，就抗渗标号来讲，可以设置为 W8 ，其中为混凝土衬砌板构成，强度等级方面为 C20，加工以后产生混凝土试件直径实际上为61.8 mm，在厚度上为 20 mm。展开试验过程中，试验设备使用的为低温冷冻箱。

1.2 方案

本次研究对象为氯化钠以及硫酸钠，也可以将其称之为氯盐渍土以及硫酸盐渍土。盐度梯度方面，可以设置百分比分别为4、2、1、0.5，以及素土，方面法向应力，选取的Pa分别设置为400、300、200、100，就含水率来讲，最高达到16.7%，整体试验组数为36组。试样选取时，可以定量素土和分析纯的NaCl 将二者掺合充分掺和均匀之后，在土中喷水，喷水时需注重对量的控制，充分拌和情况下，通过保鲜袋做好密封工作，密封时，时间需达到 24 h[2]。然后针对试验土样实施标准击实，在此过程中，需使用环刀，直径为 61.8 mm，高度达到40 mm ，并且上面涂着凡士林，然后运用逐次方式对土样进行钻取，并且混凝土装仓相关工作完成，将试样充分制备好以后，及时通过保鲜膜包裹好环刀，然后在冰箱中当值，放置式样时，需保证冰箱温度科学性与合理性，一般情况下为-10 ℃，试验冻结 时间应为24 h[3]。在冻结结束情况下，利用土工脱模完整将式样取出，将其放置在已经预冷剪切盒当中进行剪切，剪切时的速度为 2.4 mm/min，进而实现直剪试验。剪切盒预冷完全结束情况下进行装样，这种方式能够使外界温度作用与影响尽量减少，一般情况下，每次剪切工作在2-3min之间便能完成。试验时可以将验环境产生的影响忽略，不考虑温度产生的影响。

2 氯化钠在冻结强度方面发生的作用与影响

2.1 氯盐渍土发生剪切应力位移时的特征

剪切应力使用τ表示，剪切位移使用μ表示，剪切处于初期时，这两个曲线会产生剪应力以及剪切位移呈现比例性增加这一情况，这一阶段属于线弹性阶段，曲线斜率即剪切模量会与法向应力二者之间呈现出正相关，含盐量在逐渐增加情况下有所降低[4]。就破坏形式来讲，为脆性破坏，τ曲线、以及μ曲线出现峰值比较明显，峰值应力在达到情况下，接触面会集中体现在破坏曲线下降，下降时十分迅速，并且与随剪应力一同释放，就应力释放量而言，与法向应力、含盐量二者之间联系紧密，与法向应力为正相关，含盐量不断增高时，释放现象呈现出减弱状态。在应力释放完全结束之后，曲线往往会趋于稳定，这和水平线较为类似。针对剪切过程展开划分时，根据的实际情况，可以划分为3个阶段，即线弹性、屈服、应变硬化。

上述试验结果表明，处于冻结状态时，氯盐渍土以及混凝土二者接触面为低含盐量情况时，破坏性状为脆性破坏，在此过程中，峰值应力十分明显，进行剪切时存在明显黏滞以及滑移问题，当氯化钠整体含量呈现出逐渐增加状态时，黏滑现象变得不是十分明显，一定程度上有所减弱[5]。这种情况发生的主要原因在于，抗剪强度来源会受到内摩擦角和黏聚力影响，如果含盐量比较低，对于冻结温度产生整体影响将会比较小，并且接触面存在的冰晶数量越多，可以提供黏聚力则越大，剪切破坏过程实际上便是接触面当中冰晶破坏过程。应力释放、冰晶数量和冰胶结强度这几者之间联系紧密[6]。氯化钠含量在逐渐增加时，冻结温度也会有一定降低，当冰晶数量发生减少时，会让冰晶胶结过程中强度降低。在此过程中，黏滞滑移出现主要是受剪切产生影响。接触面破坏的冰晶受位移作用影响会有所增加，产生低温重组情况，而冰晶在重组后将会继续抵抗剪切发生的变形问题。当氯化钠整体含量高于 2% 时，剪切位移如果不断增加，受接触面当中冰晶整体数量不足影响，难以实现再次凝结，最终导致黏滞滑移完全消失，同时剪应力会处于屈服强度，从破坏性状层面讲，为塑性破坏。

2.2 氯化钠含量在接触面实际冻结强度方面发生的作用与影响

受法向应力产生的影响，氯化钠实际含量在逐渐增加情况下，盐渍土以及混凝土二者抗剪强度会出现降低。出现这一情况主要原因在于 Na+ 离子与Cl - 离子对于冻结温度产生的影响比较显著，氯化钠整体含量在逐渐增加时，实际冻结温度会呈现出降低趋势，同时冰晶数量会有所减少，并且胶结作用会发生减弱，导致接触面实际冻结强度呈现出降低发展趋势[7]。在氯化钠整体含量不高于2% 情况下，在曲线斜率上基本相同，并且内摩擦角不变。在氯化钠整体含量高于 2%情况下，法向应力能够达到 100 kPa，在含盐达到 2% ，以及含盐量达到4% 时，在此过程中，接触面抗剪强度之间相差 为3.85 kPa，并且法向应力发生了一定变化，达到了400 kPa时，在抗剪强度方面，相差实际上为13.46 kPa，这在一定程度上表明，差值增加比较明显，同时曲线斜率会有所降低，除此之外，内摩擦角也会有所减小。当氯化钠实际含量为 2% 时，脆性破坏性质会发生一定转变，逐渐发展到塑性破坏状态。

3 硫酸钠在冻结强度方面发生的作用与影响

3.1 硫酸盐渍土发生剪切应力位移具体特征

在线弹性阶段时，剪应与其位移二者之间呈正比，在接触面受到剪应力影响时，会逐渐发生弹性变形，这一阶段结束以后会出现应变硬化，但是应变硬化一般比较短暂[8]。在黏滞滑移阶段时，当剪应力到处于峰值时，会听到断裂，在断裂声发出情况下，剪应力以及剪切位移逐渐会出现突变，当剪应力出现下降，并且降到某一程度时，在位移逐渐增大时会有所增大，当应力逐渐增大到某一程度时，会逐渐降低，这种状态会进行多次循环，转折每次实现时，应力差值都会减小，然后达到某种平衡。在屈服阶段时，在应力处于平衡状态情况下，不会剪切位移出现增大时发生比较大的波动，处于这一阶段，可以了解到，曲线属于水平线。当剪切试验为初期时，这段期间为线弹性阶段，这一阶段中剪切模量以及法向应力二者之间属于正相关。含盐量一致时，如果硫酸盐渍土自身接触面发生剪切破坏，曲线在经过数次波动以后逐渐处于屈服状态，出现这一情况主要原因在于，不同离子对于土冻结温度的影响会呈现出一定差异，对于氯离子而言，在土冻结温度方面发挥降低作用如果和硫酸根离子之间相比会明显更强。当含盐量一致时，氯化钠可以运用降低冻结上时的温度形式让冻水向着未冻水转变，在未冻水含量逐渐增大情况下，可以发挥将剪切破坏有效缓冲作用，另剪切变形发生变化，向塑性变形发展。

3.2 硫酸钠含量在接触面冻结强度方面产生的影响

受法向应力作用与影响，如果硫酸钠钠整体含量有所增加，冻结时的实际强度会呈现出降低趋势。当硫酸钠整体含量低于 2% 时，在曲线斜率方面基本上相同，同时内摩擦角也不会发生变化。当硫酸钠整体含量达到4% 时，在曲线斜率方面，会出现较为明显的降低，并且内摩擦角有所减小。在含盐量地域 2% 情况下，Na2SO4·10H2O 晶体进行析出目的在于将冰晶胶结作用降低，对接触面摩擦角产生的影响并不大；在硫酸钠含量增加过程中，土中的 Na2SO4·10H2O 晶体会有所增多，然后均匀在接触表面上分布，与冰晶之间形成晶体膜，就晶体膜来讲，润滑作用比较明显，能够让接触面当中产生内摩擦角明显降低。接触面实际抗剪强度会受到法向应力、黏聚强度、内摩擦角影响，法向应力为零情况下，则抗剪强度与黏聚强度相等，黏聚力反映了接触面处于初始状态下的冻结强度，在黏聚力为零以及负值状态下，则说明与混凝土并未出现冻结情况。接触面如果失去初始状态下冻结强度，一般与含盐量有关。

4 结 语

总体来讲，盐渍土以及混凝土二者衬砌接触面如果冻结状态下应力位移发生的破坏性状在含盐量存在差异时会发生改变，接触面最初冻结强度来自接触面中的冰晶，并且会受含盐以及含盐类型作用与影响，氯化钠对于接触面产生最初冻结强度整体影响比较大。