冻土-复合土工膜-混凝土界面抗剪强度试验研究

2022-02-16唐少容

水科学与工程技术 2022年6期

唐少容，任磊

（1.宁夏大学土木与水利工程学院，银川 750021；2.宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心，银川 750021；3.旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心，银川 750021）

据调查，寒旱区农业用水的45%是由混凝土衬砌渠道因冻融破坏引起的输水损失［1］，破坏主要发生在衬砌结构与渠道基土的界面上，有衬砌板抬升、滑塌、开裂及与基土分离等多种形态。在土体冻结期间，界面上的冻结力是渠道衬砌与基土共同工作的重要基础。何鹏飞等［2］用四联应变控制直剪仪开展冻土-混凝土界面抗剪强度试验，发现冰胶结强度受含水率影响较大；章赛泽等［3］明确了渠道基土与混凝土衬砌界面极限抗剪强度与法向应力呈线性关系；吉延峻等［4］发现粗糙界面所产生的抗剪强度大于光滑界面产生的抗剪强度；吕鹏等［5］发现抗剪强度在负温范围内与温度具有很强的相关性；LIU等［6］发现冻土-混凝土界面峰值抗剪强度和残余抗剪强度均与法向应力呈正线性关系，与低温呈负线性关系。这些研究表明，土体与基础材料界面抗剪强度在很大程度上取决于负温度、法向应力、应变速率、含冰量和土壤类型。在寒旱区，为了阻挡渠道衬砌开裂渗水、提升渠道抗冻胀能力，在渠基土和混凝土衬砌之间加入复合土工膜用于防渗，复合土工膜具有良好的抗拉强度、抗撕裂强度和耐冲压强度性能，埋在土壤中也具有耐腐蚀性和抗微生物侵蚀性。加入复合土工膜后，衬砌结构冻胀效应的研究多采用数值模拟方法。董江伟等［7］模拟了弧底梯形和U形刚柔混合衬砌渠道冻胀过程；张存等［8］对刚柔混合衬砌渠道接触特性进行数值模拟，得出复合土工膜与渠基土壤接触面剪切变形和位移的分布规律。刚柔复合衬砌渠道基土、复合土工膜及混凝土衬砌形成的接触面不同于冻土-混凝土界面，冻土-复合土工膜-混凝土界面上的冻结强度受复合土工膜的影响，从而在强度、形成特征及影响因素等各方面具有特殊性，对揭示刚柔复合衬砌渠道的抗冻胀破坏机理具有重要理论意义，但目前的试验研究还较少。本文以冻土-复合土工膜-混凝土体系为对象进行直剪试验，研究界面冻结强度特征，分析冻结温度、法向应力、土体含水率等因素对界面冻结强度的影响，并提出冻结强度与各影响因素间的拟合公式，揭示复合土工膜对界面强度的影响机理，为寒旱区刚柔复合衬砌渠道的抗冻胀设计提供参考。

1 材料制备及实验方法

实验用土选自宁夏银川市西干渠地表以下1 m深处的渠基土，土质含细粒土砂，天然含水率为1.5%，最大干密度为1.86g/cm3，液限为21.6%，塑限为15.5%，塑性指数为6.1，土的粒径粒度为＞1，1～0.25，0.25 ～0.075，＜0.075mm 的分布分别为32.2%，12.2%，46.3%，9.3%。

按照《土工试验方法标准》，土样自然风干后充分碾压并过2mm筛。实验预设含水率为8%、13%、18%，充分拌合土样，装入铝盒，在其表面覆盖一层保鲜膜，静置24h使水分均匀分布。复合土工膜为由一层土工织物和一层高分子材料复合而成的一布一膜。

1.1 复合土工膜-混凝土试样制备

受环刀尺寸的制约，不能严格按照实际混凝土板的厚度、材料及配合比制作试样，故选择导热系数和抗压性能都与混凝土相近的水泥砂浆代替混凝土，忽略混凝土中粗骨料对抗剪强度的贡献。复合土工膜-混凝土试样直径61.8mm，总高10mm，制作过程分为5步：①将复合土工膜裁剪成直径为61.8mm的圆片，挑选出表面光滑，无明显痕迹的备用； ②选用PO42.5的硅酸盐水泥，水泥、河砂、水比例为2∶3∶1，充分拌合，由于试块尺寸较小，拌合前应将较大的砂石颗粒剔除；③高10mm环刀内涂抹凡士林，放置于一块光滑平整的玻璃上，将复合土工膜放入环刀内，膜面朝向玻璃，布面朝外，向环刀内填充水泥砂浆，抹平，使其和环刀高度齐平，制成复合土工膜-混凝土试样；④将复合土工膜-混凝土试样在标准条件下养护28d；⑤用千斤顶将试样顶出，选取表面平整，厚度为10mm的作为备用试样。

1.2 冻土-复合土工膜-混凝土试样制备

选择高20mm，直径61.8mm的环刀作为填充容器，制作过程：①选择高为10mm的复合土工膜-混凝土试样，将混凝土一面朝下，膜朝上放入环刀；②把配好含水率的土慢慢填装进环刀；③使用压样器，缓缓向下压，让土和环刀齐平，成型试样高度为20mm；④用保鲜膜将土-复合土工膜-混凝土试样包裹起来，放入冰箱冻结24h，让样品完全冻结，成为冻土-复合土工膜-混凝土试样。

1.3 实验方法

根据对宁夏地区地温的实际观测，采用-5，-10，-15℃3种冻结温度，土样含水率分为8%、13%、18%，法向应力为50，100，200 kPa，共设计9组试验。为了进行结果对比，制作了不含土工膜的冻土-混凝土试样。由于制样过程中，混凝土和复合土工膜已完全结为一体，故忽略两者之间的摩擦效应，使用南京宁曦土壤仪器有限公司生产的ZJ型应变控制式直剪仪进行直剪试验。界面发生剪切破坏的依据为百分表读数不变或明显后退，取指针后退之前或指针不变时对应的读数为界面抗剪强度，即峰值抗剪强度。

2 试验结果分析

2.1 剪切应力-剪切位移曲线

冻土-混凝土界面峰值强度划分为冰胶结强度、土与混凝土界面黏聚、摩擦作用三者构成，而残余强度由黏聚作用、摩擦作用及少量重新冻结的胶结冰构成。忽略少量重新冻结的胶结冰在残余强度中的作用，冻土-复合土工膜-混凝土界面抗剪强度可定义为：

式中 τ为界面抗剪强度（kPa）；τi为冰胶结力（kPa）；ci为黏聚力（kPa）；fi为摩擦力（kPa）。

图1为冻土-复合土工膜-混凝土和冻土-混凝土的应力应变关系曲线。剪切位移约为1mm时剪切应力达到峰值，在此之前，剪切位移和剪切应力之间基本呈线性变化。超过峰值强度之后，曲线均出现明显的应变软化，主要是冰晶间发生脆性破坏导致冰胶结力急剧下降。由于复合土工膜布面与混凝土黏结为一体，随着位移不断增大，剪切强度主要由膜面和冻土间的黏聚力和摩擦力提供，曲线逐渐趋于平滑，达到残余强度［4］，图1（a）和（b）对比发现，有复合土工膜的界面抗剪强度比混凝土-冻土界面低，原因是两种界面粗糙度不同造成的差异。

图1 剪切应力-剪切位移曲线

不同温度和含水率下，抗剪强度随法向应力、温度和含水率的变化关系如图2～图4。从图2可知，法向应力主要影响黏聚力和摩擦力，峰值强度和残余强度均随法向应力增大而增大，冰胶结强度无明显变化，这与何鹏飞等［4］的结论一致。图3中，冻结温度主要影响峰值强度和冰胶结强度，残余强度无明显变化。温度越低，峰值强度越大。对于一定含水率的土体，当冻结温度较高时，土孔隙中存在较多的自由水和不稳定的冻结自由水，冰胶结能力较弱。随着温度降低，自由水逐渐冻结成冰，冻土-复合土工膜界面析出的大量冰晶会形成一层具有胶结作用和强度的薄冰膜，薄冰膜将冻土-复合土工膜-混凝土联结成一个整体，具有抵抗剪切变形的能力。图4中，含水率主要影响界面间的峰值强度和冰胶结强度，两者均随含水率增大而增大，残余强度变化不明显。随着温度不断降低，界面生成较多冰晶，能够参与形成冻结力的冰分子增多，冰胶结作用得到增强，使得界面的黏聚力和抗剪强度增大［15］。图5是50kPa下冰胶结力随含水率变化图，对实验数据进行线性拟合，可以发现-5，-10，-15℃下冰胶结力拟合函数的斜率分别为0.9936，1.5457，2.9801，随着温度降低而增大。冰胶结力大小与冰晶增长的速度和数量有关，温度下降越快，冰晶增长速度越快、冰晶数量增加越多，冰胶结作用得到增强，界面抗剪强度也因此增大。总体来讲，法向应力、温度和含水率对峰值强度都有较大影响，冰胶结强度主要受温度和含水率影响。

图2 抗剪强度随法向应力的变化（-15℃）

图3 抗剪强度随冻结温度的变化（13%含水率）

图4 抗剪强度随含水率的变化（-15℃）

图5 冰胶结力随含水率变化（50kPa）

为探究各试验因素对结果的显著性，对实验数据进行直观分析和方差分析。限于篇幅，此处仅给出分析结果。分析表明，法向应力为影响界面抗剪强度的主要因素，影响最为显著。采用多元线性回归方程建立接触面峰值强度的回归模型，可得到回归方程：

式中 τmax为峰值抗剪强度（kPa）；ω为土体含水率（%）；F为法向应力（kPa）；T为冻结温度（℃）。

拟合相关系数为0.978，表明该回归方程可用于模拟有土工膜的混凝土-冻土界面抗剪强度与土体含水率、法向应力及冻结温度间的关系。

2.2 界面强度特征

不同冻结温度和含水率时，峰值强度均随法向应力的增大而线性增强，摩尔-库伦定律可用于描述冻土-复合土工膜-混凝土界面剪切特性。表1是通过莫尔-库仑公式计算的不同含水率和冻结温度时界面剪切强度指标。可以看出，对冻土-复合土工膜-混凝土界面来说，法向应力主要影响黏聚力和摩擦力。含水率不变时，随冻结温度不断降低，黏聚力增加较明显，而内摩擦角无明显的变化趋势。黏聚力包括峰值黏聚力和残余黏聚力［4］，温度主要影响着峰值黏聚力，残余黏聚力主要是土颗粒与土工膜界面的黏聚力。对比不加入土工膜的冻土-混凝土界面剪切强度指标可知，温度对界面强度的影响规律类似，其残余黏聚力主要是土颗粒与混凝土界面的黏聚力。表1中还可看出，同一温度和含水率前提下，无复合土工膜的界面内摩擦角和黏聚力均高于有土工膜的界面，说明复合土工膜在界面中主要提供摩擦力和黏聚力，并加剧着界面处土颗粒的滑动和翻滚，降低界面的抗剪强度。