冻融循环条件下土质类型对衬砌与土体接触面力学特征的影响

张健萍

（辽宁天禹实业有限公司，辽宁朝阳122000）

我国具有面积广大的冻土区，而季节性冻土区占国土面积的53.5%。对于季节性冻土区建设的水利工程，特别是输水渠道，必须要考虑冻融循环的影响[1]。对于输水渠道的衬砌结构，混凝土与土体的交界面是冻融循环作用下应力和变形相互传递的重要媒介，也是结构破坏发生的薄弱面[2]。因此，对于季冻区的混凝土衬砌输水渠道，必须要充分考虑冻融循环效应对结构接触面的影响。在反复的冻融作用下，衬砌混凝土和周边土体的承载力会明显下降，继而造成二者之间的错动和滑移，甚至是土体和混凝土结构的分离，对渠道的耐久性及安全稳定运行造成不利影响[3]。不同类型的土体在冻融循环作用下，其力学变化特征也有所不同，其对结构面也会造成不同影响[4]。基于此，研究以实验室试验的方式，对冻融循环条件下土质类型对衬砌与土体接触面剪切强度的影响展开研究，以便为寒区渠道工程建设提供有益的借鉴。

1 试验设计

1.1 试验材料

试验用土为我国西北和东北地区广泛分布的砂土和粉质粘土。按照《土工试验方法标准》将样本烘干、碾碎、过筛、重塑，最终获取符合此次试验需求的土样。经过测试，两种土体的塑限分别为14.6%和15.8%，液限分别为30.6%和28.4%，最大干密度分别为 1.82 和 1.94 g/cm3。

为了更好模拟渠道实际工程情况，混凝土的各项参数全部参照实际工程应用参数，其水灰比例为1∶2，水泥和骨料的比例为1∶3，水泥与抗冻剂的比例为1∶0.15，水泥采用的是P.O42.5 普通硅酸盐水泥，骨料为机制多级配骨料[5]。

1.2 试样的制备

将获取的土样过筛，之后在110 ℃的烘干箱内烘干24 h，将土配置为设定的含水率[6]。按照土体的液限和塑限特征，设置初始含水率为15%，18%和21%。为了保证含水率均匀，试验中将土样均匀平铺在塑料薄膜上，然后将称量好的水均匀喷洒至土体的表面，然后用塑料薄膜覆盖防止水分蒸发，静置8 h 之后，将土体搅拌均匀。将土体利用模具制备成70 mm×70 mm×35 mm 的立方体土样，并编号备用。

参照寒区输水渠道衬砌工程常用的混凝土配合比，称量所需要的各种材料，然后用搅拌机搅拌均匀。再将混凝土浇筑于土样的上方，厚为35 mm，然后利用振动台进行充分捣振，保证混凝土和土样的充分接触，之后将二元试样在标准养护箱内进行养护，在14 d 后拆模取出试样[7]。

1.3 试验过程与方法

对制作完成的试样进行不同冻融循环参数下的冻融循环作用。具体而言，将试样在-20 ℃下冻结12 h，冻结完成后在20 ℃下融化12 h 为一个冻融循环。在进行20 次反复冻融循环之后，开始接触面的剪切试验。剪切试验采用微机控制的电子万能试验机，法向应力设置为50，100 ，150 和200 kPa。当剪切接触面发生剪切破坏时试验结束，同时利用精确度为0.1 ℃的温度计测量土壤样品的实际温度，并记录好相应的数据以备计算分析。

2 试验结果分析

2.1 温度数据

为了获取土质随温度差异性的影响，研究中对不同含水率情况下的温度试验数据进行整理，结果如表1 所示。由表1 中的结果可知，在相同的含水率和法向压力条件下，砂土试样的升温情况比较迅速。究其原因，主要是砂土的土壤颗粒粒径明显偏大，而现有的研究认为粗颗粒土在冻融情况下的热传导系数相对较大[8]。因此，在相同的温度条件下，砂土可以从外界吸收更多的热量，所以温度的上升幅度也相对较大。由此可见，土质类别对混凝土衬砌与土体接触面的温度变化有显著影响。

表1 温度变化试验结果

2.2 抗剪强度

对砂土和粉质粘土试样的抗剪强度试验数据进行统计，由于在第5 次循环之后抗剪强度基本趋于稳定，因此仅列出前6 次冻融循环的试验数据，结果如表2。由试验数据可知，衬砌混凝土和土体界面的抗剪强度会随着冻融循环次数的增加而逐步降低，前3 次冻融循环过程中的下降幅度较大，之后逐渐趋于稳定。土壤的含水率越高，各试验阶段的抗剪强度值也相对越大，原因可能是较大的含水率有助于界面的良好冻结，进而增加了界面的相互作用效果。从两种不同土质的试验结果对比来看，粉质粘土的初始抗剪强度值相对较大，但是在冻融循环的作用下下降速率和幅度较大，稳定之后的抗剪强度值反而偏小；而砂土正好相反。究其原因，主要是砂土的粒径相对较大，其表面更为粗糙，具有较大的表面摩擦系数，因此在相同的法向应力作用下，稳定后的抗剪强度较大。由此可见，在寒区输水渠道工程建设中，利用砂土换填粉质粘土可以获得更好的地基防冻胀效果。

表2 砂土粉质粘土不同冻融循环闪数下的抗剪强度试验结果

2.3 接触面内摩擦角

利用试验数据计算获取不同试样的内摩擦角，并绘制出如图1 所示的内摩擦角变化曲线。由图1 可知，在其他条件相同时，粉质粘土组比砂土组的内摩擦角明显偏大。究其原因，主要是砂土的内摩擦角明显偏大，同时接受的外部热量较多，温度上升较快。在这种情况下，其接触面的未冻水含量会相对较高，进而造成接触面的内摩擦角偏小。

图1 接触面内摩擦角变化曲线

2.4 粘聚力

利用试验数据计算获取不同试样的粘聚力，并绘制出如图2 所示的粘聚力变化曲线。由图2可知，在其他条件相同时，粉质粘土组比砂土组的粘聚力明显偏小，且受到含水率的显著影响。究其原因，由于砂土的颗粒比粉质粘土明显偏大，其化学表面能会明显偏小，在寒区低温环境下，会有较多的土壤自由水转化为冰晶状态，而粉质粘土的粉粒含量明显偏高，水分主要以结合水的形态存在于土壤中，冻结形成的冰晶数量明显偏少，最终导致砂土的接触面粘聚力比粉质粘土大。随着土壤含水率的上升，土壤中的自由水会明显增多，导致低温环境下冰晶数量的增加，进而造成接触面粘聚力的迅速增大。

图2 接触面粘聚力变化曲线

3 结语

此次研究通过室内模拟实验的方式，研究了不同土质类型下渠道混凝土衬砌和基土接触面的力学变化特征。试验结果显示，土质类别对混凝土衬砌与土体接触面的温度变化、抗剪强度、粘聚力和内摩擦角存在十分显著的影响。结合试验结论，在寒区输水渠道工程建设中，利用砂土换填粉质粘土可以获得更好的地基防冻胀效果。当然，在具体的换填方式和参数设计方面并没有进行深入探讨，需要后续进行深入研究，以便为工程应用提供更有力的支持和借鉴。