渠基土室内换填冻胀试验

姜国辉，田金玉，王思文，李玉清

（沈阳农业大学水利学院，沈阳110161）

渠道冻胀破坏是农田灌溉水利用率低的原因之一，解决渠道冻胀破坏对提高农田水利用效率有着重要意义。土体经过多次冻融循环之后，土体容重、孔隙度、渗透系数均有不同程度的变化[1]，导致每年渠基土冻胀程度不尽相同，混凝土衬砌板经过反复不均匀冻胀、沉降之后，产生裂缝、抬起等破坏。GRAHAMJ等[2]针对渠道冻胀破坏问题进行了渠基土试验，指出渠基土经过一个冻融循环周期后，土体原有结构有很大程度的破坏。持续负温、充足孔隙水是冻胀敏感性土体发生冻胀破坏必不可少的条件[3]。目前，渠道防冻胀措施主要针对水分和温度进行控制，换填法是当前渠道防冻胀有效措施之一[4]。换填法是将渠基原有的冻胀敏感性土，部分或全部替换成弱冻胀性或无冻胀性土，减小渠基土冻结厚度，降低渠基土体内部孔隙水含量和毛管水上升高度，进而有效地削减渠基土冻胀量，达到削减渠道衬砌板上冻胀应力，降低渠道冻胀破坏的目的。换填深度因土壤类型、冻结深度、地下水埋深等因素不尽相同[5]。近年来，许多学者已经对换填法进行了大量的研究。申利刚等[6]通过有限元分析指出换填粉细沙换填率达到90%以上时，可基本消除渠道冻胀量。徐峰等[7]通过ANSYS软件对渠基土换填进行数值模拟得出换填后的渠道冻胀量较无换填明显降低。王文杰等[8]通过对渠道原型冻胀量进行有限元分析指出不同换填深度时渠道衬砌板上法向冻胀量较无换填时整体减小并且分布更加均匀。魏鹏[9]对玛纳斯河红山嘴四级电站引水渠进行换填砂砾土指出换填砂砾土对降低渠道冻胀有着明显效果。张春洋[10]通过碎石填料试验指出渠道换填技术是通过碎石、砂砾料等非冻胀性材料将冻深内土体进行换填，以使冻深内没有冻胀性土。目前大部分学者都是应用有限元软件对渠道换填进行数值模拟分析，通过室内试验对渠基土换填进行细致的研究较少[11-14]。LI等[15]选用水热耦合数值模型分析对比传统渠道和采用换填措施新型渠道的温度特性，并通过原位试验验证了模型的准确性。因此，本研究选取常用的换填材料砂砾料、粉细沙对浑浦灌区土体进行室内换填试验研究，分析不同换填材料、不同换填深度土体的冻胀特性，同时也从试验的角度寻找换填材料的最佳厚度。

1 材料与方法

1.1 材料及设备

土样取自于沈阳市浑蒲灌区，属季节性冻土地区。冻结前期，在浑蒲灌区辽中段混凝土衬砌渠道，由上至下开挖120cm深度的土层，每层40cm，对土样依次进行密度、含水率、土粒比重、颗粒级配、液塑限等指标试验，其基本参数为：密度1.84g·cm-3、含水率30%、比重2.71、液限含水率51.8%、塑限含水率25.3%。根据《土的工程分类标准》（GB50145-2007）定义该土样为高液限粉质粘土CH，属强冻胀性土质。

由于浑浦灌区地下水位低，故做模拟封闭系统下室内单向冻结试验，试验装置由冻融循环机、12cm圆柱桶、位移变化表、温度传感器、保温装置5部分组成[16]。

浑浦灌区地处于浑河的中下游，沈阳市的西南部。冬季寒冷期长达4个月，最冷月份在次年1月，极度低温为-35℃，近10年月平均最低温度-20℃[17]。试验冷端温度选取近10年浑浦灌区月平均最低温度-20℃，历时为70d，根据相似比准则[18]，计算出时间比尺为1∶100，确定每组试验冻结历时为16.8h，故试验降温速率选为-1.2℃·h-1。试验桶侧面和底部采用保温板做保温处理，在试验桶上侧安放位移变化表对试验土样位移冻胀量进行统计，在试验桶一侧每间隔2cm安置温度传感器，实时监测土样内部温度变化情况。

图1 试验装置示意图Figure 1 Schematic diagram of test device

1.2 方法

换填法是将渠道原有强冻胀性土体用弱冻胀性土体或无冻胀性土体进行替换，由于砂砾料与粉细沙为常用的换填材料，故本研究选择其作为换填材料；根据《渠道防渗工程技术规范》（GB/T50600－2010），渠底换填比为70%～80%，坡板上换填比为50%～70%，可知理论换填深度60～96mm，为了充分研究不同换填深度对渠道冻胀量的影响，换填深度选择从30mm开始每20mm为一梯度，本研究对土样分别进行换填0，30，50，70，90，110mm砂砾料（粉细沙）室内单向冻结试验，共11组。以换填30mm砂砾料为例，土样下方放置90mm渠基土，上方放置30mm砂砾料，记SL1。其他组别相同，仅改变换填材料和深度。具体试验设计如表1。

表1 试验设计Table 1 Test design

试验过程为根据室外实测土的密度、含水率等参数制备土样，完成后盖上保鲜膜放置8h，使土样含水率更均匀，将制备好的土样和砂砾料（粉细沙）分层填筑到试验桶内，将试样放入冻融循环机中，调节温度至15℃恒温养护，当试样内各温度传感器温度达到15℃时开始进行试验，试验以-1.2℃·h-1为降温速率从0℃起将冻融循环机内部温度降至-20℃，历时16.8h。试验过程中，实时监测土样冻胀变形量及内部温度数据。各个组别试验更换换填材料及换填深度，试验步骤相同。

2 结果与分析

2.1 不同换填工况土样内部温度分析

由图2可知，各试验组别曲线均呈现“S”型分布，表现出试验初期，由于外界温度迅速降低，试样土体内温度随着大幅度降低，当土体各点位趋近于冻结锋面时，土体温度下降趋势趋近于0，随着冻融循环机内温度继续降低，试样土体内温度降温梯度开始增加，最终趋近于冻融循环机内降温梯度-1.2℃·h-1。以SL1组别为例，观察不同高度土体内部温度场分布，同一时间，从上至下，土体内部温度先后降低，且降温速率下层土体滞后于上层土体。在试验土体形成冻结锋面之前，由上至下冻结速率呈现逐渐降低趋势，在各层土体达到冻结锋面时，冻结速率接近。对比换填与无换填组别温度场分布规律，可以得出2种换填材料均表现出加速土样内部温度热传导作用，对于换填组别未做换填处理部分土体与无换填组别试验对应部分在相同冻结历时下，土体内部温度下降速率前者要快于后者；当冻结锋面经过换填部分，达到渠基土时，土体内部温度呈现迅速下降趋势。对比2种换填材料对温度场的影响可知，虽然2种换填材料都表现出加速土样温度下降作用，但由于砂砾料的孔隙率的不均匀系数要大于粉细沙，故表现出的加速冻结锋面迁移速率的效果更明显。粉细沙的物理性质与砂砾料对比，粉细沙更相近于原有土样，故粉细沙达冻结锋面持续时间长于砂砾料到达冻结锋面持续时间。

图2 不同换填情况土样内部温度随时间关系曲线Figure 2 Curve of internal temperature of soil samples with different filling conditions over time

由表2可知，在初始条件和外界降温速率相同的情况下，换填后的土样起始冻结时间均快于无换填情况下土体起始冻结时间，砂砾料、粉细砂分别快2h和1.3h；由于砂砾料和粉细沙具有保温效果，换填后换填材料下部渠道原有冻胀性土体起始冻结时间要慢于无换填组别。以WH和SL2为例，WH组别渠道原有土体起始冻结时间为7h，SL2组别渠道土体起始冻结时间约为8h，延缓了渠道原有土体的起始冻结时间，给下部残留冻胀土体滞留一定的排水缓冲时间，减小土体空隙中水分含量，降低土体冻胀强度。

表2 试验土柱各层土体起始冻结时间Table 2 Initial freezing time of soil in each layer of the test soil column h

在相同冻结历时情况下，换填后渠道原有土体冻结历时缩短，冻胀敏感性土体冻结厚度减小，进而降低冻胀量，这也是换填法可以降低渠道冻胀破坏的原因之一。通过对比SL1～FX5的冻结时间，以SL3和FX3为例，冻结时间分别缩减45.5%和22.9%，砂砾料较粉细沙对冻结时间的缩减效果要明显，冻结速度要更快些。这是因为砂砾料的孔隙比、导热系数、不均匀系数均大于粉细沙和粉质黏土的。

2.2 不同换填工况冻胀量变化规律

由表3、图3、图4可知，由于将渠道中冻胀敏感性土体换成弱冻胀性土体，土样冻胀量较无换填时均呈现明显降低。由图3可知，冻胀量与换填深度呈反比关系，即随着换填深度增加土体冻胀变形量减小；由图4可知，冻胀量削减率与换填深度呈正比关系。当换填深度为30cm时，换填砂砾料或粉细沙的试验土样冻胀量分别降低30.59%和25.29%；但随着换填深度的增加，2种换填材料对土样冻胀量的削减效果均表现出逐渐减小的趋势；比较2种换填材料可知，砂砾料相对于粉细沙，换填后对冻胀量削减效果稍好于后者，这是由于砂砾料的孔隙率要大于粉细沙，粉细沙本身物理性质更接近渠基土，二者对渠基土冻胀量的削减效果砂砾料要比粉细沙好很多；饱和状态下的粉细沙自身也会产生一定的冻胀量，但冻胀率一般小于1%，这也是换填砂砾料对冻胀量的削减效果好于粉细沙的原因之一。观察两条曲线可知，2种换填材料冻胀量变化率和冻胀量削减率变化率基本保持一致。

图3 冻胀量与换填深度关系曲线Figure 3 Relation curve between frost heave and filling depth

图4 冻胀量削减率与换填深度关系曲线Figure 4 Relation curve between frost heave reduction rate and filling depth

表3 不同情况下土体冻胀特性Table 3 Freezing heave characteristics of soil under different conditions

由表4和表5可知，两个拟合回归方程R2分别为0.9959和0.9966，F值均远小于F0.05，证明针对本研究2种换填材料冻结试验拟合的曲线较好，可以作为2种材料的土体冻胀预报方程。根据两个回归方程计算出满足冻胀标准的所需换填深度分别为81.625mm和111.326mm。

表4 冻胀量与换填深度拟合曲线方程Table 4 The curve equation of frost heave and filling depth is fitted

表5 方差分析结果Table 5 Variance analysis result

2.3 不同换填情况对土样冻结深度、渠基土冻结厚度影响

2.3.1 不同换填情况对土样冻结深度影响 由图5可知，2种换填材料在相同冻结历时下，均会不同程度地增加渠道冻结深度，由于粉细沙与渠基土物理性质较砂砾料相比更为接近，故增加冻深效果没有砂砾料明显；以SL3和FX3为例，在2种材料换填深度均为70mm时，冻深分别为16.7457cm和15.2001cm。随着换填深度的增加，冻深增加变化量逐渐趋于平稳。观察冻深随换填深度关系曲线得出：换填砂砾料与粉细砂达到稳定冻深时临界换填深度分别为13.82cm和11.23cm，稳定冻深分别为18.69cm和15.93cm。

图5 冻结深度与换填深度关系曲线图Figure 5 Curve of relation between freezing depth and filling depth

2.3.2 不同换填情况对渠基土冻结厚度影响 渠道冻结深度受换填材料与换填深度影响，进而影响渠道冻深内渠道原有渠基土冻结厚度。图6为相同冻结历时，换填前后渠基土冻结深度、冻结厚度示意图，h0为无换填组别冻结深度，h2为换填组别渠基土冻结厚度，h1+h2为换填组冻结深度。相同冻结时间下，无换填组别渠基土冻结深度要小于换填组别，即h1+h2＞h0；但换填组别渠基土冻结厚度要小于无换填组，即h2＜h0。为研究不同换填情况对渠基土冻结厚度的影响规律，对相同冻结历时下，不同换填情况渠基土的冻结厚度进行拟合分析，求得只考虑换填材料对渠基土冻结厚度影响时不同换填情况下渠基土冻胀量，得出表6。由表6可知，换填后试验组别在对照组别渠基土冻深达到12cm冻深时对应相同冻结历时条件下，渠基土冻结厚度均小于无换填组别，随着换填深度的增加，渠基土冻结厚度减小趋势逐渐增强，进而降低渠道冻胀量，这也是换填法降低渠道冻胀量，减小渠道冻胀破坏的原因之一。单一从换填后2种换填材料对冻胀性土体厚度方面考虑，换填粉细沙后冻胀性土体厚度要小于砂砾料，削减冻胀量效果好于砂砾料。但由于砂砾料对冻胀量的削减效果好于粉细沙，故2种换填材料对渠基土冻结厚度影响较冻胀量削减对削弱渠道冻胀破坏的作用较小。

图6 换填前后渠基土冻结厚度示意图Figure 6 Schematic diagram of frozen thickness of channel foundation soil before and after refill

表6 不同换填情况渠基土冻结厚度Table 6 Freezing thickness of channel foundation soil under different filling conditions

2.4 换填法与保温法相结合对渠道冻胀的影响

根据渠道抗冻胀设计规范要求，渠道中使用的聚苯乙烯保温板厚度一般为冻深1/10～1/15，浑蒲灌区冻深为1.2m，理论上浑蒲灌区渠道保温板合理厚度约为8～12cm，但本研究探讨的是换填法与保温法相结合对渠道冻胀的影响，故研究聚苯乙烯保温板厚度选取4cm。对铺设4cm保温板与未铺设保温板的换填30cm砂砾料与粉细沙模型进行冻胀量模拟分析（图7），由图7可知，2种换填材料在铺设4cm保温板后，渠道的冻胀量均有减小，对于铺设4cm保温板，2种换填材料在在换填深度为30cm时，渠道混凝土衬砌板上冻胀量均满足设计规范要求。故适当的铺设保温板可以有效的降低渠基土换填深度。

3 讨论与结论

对不同情况下土样内部温度数据统计分析得出，各组别温度时间关系曲线均呈“S”型分布。表现为冻结试验第一阶段，试验土柱内各点温度均呈快速下降的趋势，第二阶段随着试样土柱内各点逐渐达到冻结锋面，温度变化逐渐变缓趋近于0，第三阶段冻结锋面经过之后，温度下降趋势逐渐增大，最终趋近于冻融循环机降温速率。与王思文[19]对渠基土单向冻结试验土柱内部温度场分布保持一致。试验土柱是重塑土，尽管仍具有一定的结构性，但由于土样较小，故不能清晰反映出实际室外渠基土冻结过程不同深度温度变化情况。试验土柱高度相同时，2种换填材料均表现出加快土体起始冻结时间、缩短土体冻结历时的效果。砂砾料和粉细沙均可改善渠道的冻胀破坏，在相同换填深度时，前者削减冻胀量的程度要大于后者；随着换填深度的增加，2者冻胀量削减率逐渐趋于平缓,这与赵碧雄等[20]通过风积沙换填重粉质黏土所得规律保持一致，但其主要研究渠基土在同一换填材料不同换填高度对渠道冻胀量的影响，而本研究在探究不同换填深度基础上对比分析2种换填材料对减小渠道冻胀量及其机理进行研究。由于试验冻融循环机容量与试验桶最大高度限制，本试验未能通过试验实测出土样在2种换填材料后实际冻深情况，故本研究通过温度数据与土样各时间段冻结情况模拟出不同换填情况实际冻深情况。朱强等[21]对换填法减小渠道冻胀量降低渠道冻胀破坏理论进行阐述，指出换填砂砾料与粉细沙均会推迟渠道原有土体起始冻结时间与冻结历时，给土体滞留一定的排水缓冲时间，减小土体中孔隙水，降低冻胀量，与本研究2种换填材料后渠基土原有冻胀性土体起始冻结时间均会滞后相一致。比较砂砾料与粉细沙对渠道冻胀量削减效果的影响因素：最主要原因是粉细沙的物理性质与渠基土更为相近,砂砾料孔隙率较大，对渠基土冻胀量削减效果要好于粉细沙，且饱和状态下的粉细沙也会产生一定的冻胀量，对于相同高度土体的砂砾料组别，进一步加大了土体的冻胀量，故砂砾料对冻胀量的削减效果更为明显。单一从换填后2种换填材料对冻胀性土体厚度方面考虑，换填粉细沙后冻胀性土体厚度要小于砂砾料，削减冻胀量效果好于砂砾料。但由于砂砾料对冻胀量的削减效果好于粉细沙，故2种换填材料对渠基土冻结厚度影响较冻胀量削减对削弱渠道冻胀破坏的作用较小。因此，在本试验条件基础上，换填砂砾料削减渠道冻胀量，降低渠道冻胀破坏的效果要好于粉细沙，其最优换填深度前者要小于后者。

对比2种换填材料，相同换填深度砂砾料降低冻胀量效果好于粉细沙；通过对2种换填材料冻胀量与换填深度曲线拟合，得出针对浑蒲灌区辽中段，2种换填材料的最佳换填深度为81.625mm和111.326mm，但由于本试验未考虑渠道混凝土衬砌板对渠基土冻胀量的抑制作用与造价情况，实际工程一般选取50cm为最合适换填深度。通过对2种换填材料换填后渠基土冻深分析得出深度均为70mm时，冻深分别为16.7457cm和15.2001cm。在渠道铺设4cm保温板后，2种换填材料在换填深度为30cm时均可使渠道衬砌板上冻胀量达到设计规范标准。