冻融循环对U型黄土渠道的稳定性分析*

2022-09-03王秦泽

南方农机 2022年17期

王秦泽

（陕西省土地工程建设集团有限责任公司，陕西西安 710075）

0 引言

季节性冻融区的输水工程容易发生冻融病害，威胁农田水利设施的供水能力[1]。近年来，黄土高原地区渠道工程的病害频发，反复冻融作用下，冻胀和融沉引起黄土结构发生变化，黄土内部温度场和水盐重新分布，再次冻结时水热参数改变，影响冻结过程，渠道等岩土体的稳定性受到影响。渠道边坡黄土受季节性冻融循环影响出现了土层内盐分随水分向边坡表层持续迁移并汇聚的现象，表层含盐量逐渐增大，表层黄土逐渐剥落并逐步向边坡内部拓展，影响了渠道稳定性[2]。渠道的冻胀破坏现象频发于黄土高原灌区，由于冬季环境气温降低，渠道下部土层中原有水分冻结，并伴随温度梯度作用水盐向基土表层迁移，该过程中产生的冻胀力导致衬砌面板出现冻胀裂缝[3]。进入春季后，已冻土层逐渐融化，表层汇集大量水分，出现融沉变形，渠道衬砌发生滑塌[4]，影响输水渠道的稳定性。要想解决这些问题，首先要准确地评估渠基内的冻结范围，也就是需要准确地确定土的冻结温度，这是界定土是否处于冻结状态的关键指标[5]。

目前，学界关于水分、盐分和压力等因素对土冻结温度的影响已进行了诸多探讨。然而，冻融作用作为一种影响土结构的强风化作用仍然较少见诸报道，有关冻融作用对土结构的细观影响机理及其与土的冻结温度的联系的研究仍然缺少。因此，课题组通过试验分析了冻融次数对U型渠道内部黄土冻结温度的影响规律及变化机理，研究了冻融作用对黄土渠道稳定性的影响，本研究对工程实践具有指导意义。

1 试验方案

本试验用土取自陕西省宝鸡市千阳县高崖镇一处农田输水渠道，取土深度0.3 m～1.0 m。黄土试样天然含水率w=15.0%，干密度ρ=1.42 g·cm-3，液限为32.3%，塑限为18.7%，塑性指数为13.6。根据室内基本物性试验得出所取黄土的基本物理指标如表1所示。

表1 陕西白鹿原黄土基本物理指标

将所取黄土土样烘干碾碎，并过2 mm土工标准筛。本试验控制含盐量为0.0%、0.2%、0.5%、1.0%、2.0%和5.0%六个等级，控制含水量为11.0%、14.0%、17.0%、20.0%和23.0%五个等级。为了防止其他离子对试验结果的影响，本文选用蒸馏水作为试验用水进行配土。将蒸馏水均匀地拌入过筛黄土中，充分搅拌并覆盖保鲜膜保湿，密封静置24 h以保证水分均匀分布。

将配好的土样制成宽50 cm，高30 cm的渠道模型进行冻融循环试验，控制模型试样密度为1.42g·cm-3，冻融循环试验在控温环境箱内进行，控温精度为±0.3 ℃。为了模拟宝鸡市千阳县自然气候条件的真实变化状况，控制冻融循环控温箱的冻结环境温度为-20 ℃，冻结8 h，之后将试样在平均室温为20℃的环境中融化10 h，即为1次冻融循环。为了保证试样在8 h内完全冻结，采用多向快速冻结的方式。本次试验控制冻融次数分别为0、2、5、10和20次。

2 结果分析

2.1 冻融循环对黄土渠道冻结温度的影响分析

为了分析冻融循环对黄土冻结温度的影响，对黄土试样分别进行0、2、5、10、20次的冻融循环试验，得出含盐量一定的条件下，黄土冻结温度与冻融次数的变化关系，如图1所示。

图1 不同冻融次数条件下含盐黄土渠道冻结温度曲线

由图1可知，相同未冻水含量和含盐量条件下，随冻融循环次数的增加，黄土试样冻结温度先降低后趋于平稳。N＜10时，冻结温度随冻融循环次数的增加而降低；10＜N＜20时，冻结温度随冻融循环次数的增加而几乎不变；N＜5时，冻结温度随冻融循环次数的增加而降低，且冻结温度降幅约为70%。

冻融循环后，土的宏细观结构发生变化，通过宏细观结构的变化来改变土体的热物理性质，最终改变土的冻结温度。

2.2 冻结温度变化机理分析

土的冻结实际为土中水分的冻结，水分达到冻结点后，冰晶开始生成。水分在冻结成冰时体积增大约9%[6]，土体发生冻胀，冰晶的体积膨胀对周围土颗粒产生挤压作用。由图2可知，土颗粒间的连接方式发生变化，部分由原先的面接触变为点接触。冰晶的生长使土颗粒受到挤压，增加了土颗粒的团聚性，土中孔隙率增大[7]。随着冻融次数的增加，团粒会破碎为均一的颗粒[8]，即冻融循环后，黄土中等效孔隙数量增多，等效孔隙直径减小。随冻融次数的增加，土的宏细观结构逐渐趋于稳定，土的孔隙率、等效孔隙数量随冻融次数的增加先增大后趋于稳定，而等效孔隙直径随冻融循环次数的增多而减小，最后趋于稳定。为了描述冻结过程中孔隙的分布状况，袁俊平等[9]在冻胀变形规律的基础上提出了孔隙分布指数的概念，并将孔隙分布指数表示为：

图2 冻融循环对土颗粒连接方式的影响

式中，λ为孔隙分布指数，λ＜-1；d0为临界等效孔隙直径，为定值；d为等效孔隙直径；n为粒组等效孔隙数量。

由式（1）可知，临界孔隙直径一定时，随着冻融循环次数增多，等效孔隙数量增大，等效孔隙直径减小，孔隙分布指数随冻融循环增加先负向增大，而后趋于稳定。冻融循环后，土的宏细观结构发生变化，各相物质在土中占比发生改变。由于土中各相物质的热物理性质不同，所以冻融循环通过宏细观结构的变化来改变土体的热物理性质，影响土在冻结过程中温度场的变化，最终改变土的冻结温度。

吴谋松[10]研究了冻结温度降低值与土结构的关系，并建立了冻结温度降低值与土中孔隙分布指数的关系式：

式中，ΔT为冻结温度降低值；E为土样在温度T时的热量；Ef为土样在温度Tf时的热量；d2，d3为经验常数，本文设定d2=d3=1。

由式（2）可得，E和Ef分别为土样温度为T和Tf时的热量，且Ef＞E。设E和Ef为定值，则式（2）中，冻结点（冻结温度）降低值只与孔隙分布指数有关。由式（1）可知，孔隙分布指数随冻融循环次数增多先负向增大，后趋于稳定。结合式（1）和式（2）可得，冻结温度降低值随冻融循环次数增多而逐渐减小，最后趋于稳定。由此可得，黄土冻结温度随着冻融循环次数的增多而先降低，后趋于稳定。