基于水热变化的渠基冻土单轴抗压强度试验研究

万开唯，王 斌，2，3

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

1 研究背景

季节性冻土地区的混凝土衬砌渠道受到渠基土的不均匀冻胀变形影响[1］，发生开裂，造成水分渗漏，严重影响了输配水渠道的正常运行。影响渠基土冻胀力学性能的因素主要是土壤冻结温度和水分条件。宁夏地区冬季气温日较差及年较差大，渠基土冻胀明显，同时土壤物理风化强，土壤质地偏轻，多为沙质土及壤质黏土。由于土质原因，渠基土的冻胀量十分显著[2，3］，对渠道衬砌的破坏作用明显。

研究发现，冻土力学性能变化与加载速率，温度、含水率和土质都有十分密切的关系。冻土的抗压强度随着温度的降低而升高[4，5］。冻土的制样技术同样会影响力学性能的测定，制样技术的不同通常会反映出不同的力学性能，研究[6］得出两头压实法比分层击实法能制作出更加均匀的土样。动态加载条件下冻土力学性能的研究[7，8］，进一步完善了冻土力学的发展，为探明衬砌渠道冻胀破坏打下了坚实的基础。

很多学者对冻土的力学性能进行了大量的研究，也提出了相应的本构模型来描述了冻土的应力-应变关系。但基于冻土力学性能的复杂性和多样性，研究成果还未能全面反应所有工程条件下的冻土力学特性，而输水衬砌渠道中渠基冻土的力学性能还少有人研究。由于输水渠道不同深度的土壤温度及水分差异明显[9］，其在水热变化条件下的力学性能及其产生的冻胀作用存在明显不均匀性，衬砌渠道在这种不均匀冻胀作用下发生变形导致开裂及破坏同样呈现不均匀性。本文通过采集渠基土样，制备冻土试样并进行力学性能试验，研究水热变化对渠基冻土的力学性能的影响，渠基冻土弹塑性模量和变形性能的变化，为进一步研究不均匀冻胀作用下对衬砌渠道破坏提供依据。

2 冻土试样制备及试验方法

2.1 土壤特性

试验用渠基土取自宁夏石嘴山市平罗县永惠村，土样取自D80-U 形衬砌渠道两侧，由于宁夏地区平均冻土深度在1 m 左右[10］，故取土深度选为1 m。渠道为东西走向的田间灌溉斗渠。衬砌渠道断面如图1 所示。试验测得土壤的天然含水率为33.26%，密度1.80 g／cm3，土质为黏土。土的颗粒级配曲线，见图1。

图1 土的颗粒级配曲线

2.2 试验仪器

试验采用的设备为LD26.105 微机控制的电子万能试验机，最大轴向荷载为100 kN，精度0.5 级。试验机搭载的高低温试验箱的控温范围为-50℃到50℃，精度±1℃。冻土试样的冻结采用海尔-40℃超低温冰柜，冻结过程中使用JM3816 应变采集仪搭配PT-100 型热电偶（精度±0.01℃）监测土样表面温度及中心温度，确证土样达到相应冻结温度。

2.3 试样制备

冻土试样采用直径d=50 mm，高度h=100 mm 的圆柱形土样，见图2。天然土样从现场采集后，将其破碎，过2 mm 土工筛，去除土中杂质。筛过的土样在105℃下烘8 h 以上。待土样冷却后，加入所需含水率的水，搅拌均匀，放置24 h。清洗模具，把土样分次均匀的放入模具击实。制备好的土样和模具一起在-10℃冻结8 h 后取出，在脱模机上快速脱模。最后在试验温度下冻结48 h 后，即可用于试验。

图2 冻土单轴抗压试样

2.4 试验方案

为研究水热变化对冻土力学性能的影响。本试验制备了10%、15%、20%、25%、30%、35%含水率的冻土试样在-1℃、-5℃、-10℃、-15℃、-20℃温度下冻结，研究温度和含水率对力学性能的影响。每组试验制备4 个土样，通过万能试验机进行单轴抗压强度试验，得出不同土样的抗压强度，同时绘制应力-应变曲线。试验方案见表 1。

表1 试验方案

试验中，高低温试验箱的温度设定为冻土试样的冻结温度，并维持2 h，待箱内温度保持稳定后再开展试验。

单轴抗压强度试验控制加载速率设定为1.0%／min，当力值达到峰值或稳定时，再继续增加3%～5%的应变值，即可停止试验；如果力值一直增加，则试验进行到轴向应变达到或大于20%止。

3 试验数据分析

冻土试样在冻结过程中，将同批次试样A、B 插入PT-100 型热电偶，采集土体中心温度，确保土体内外温度一致。冻土试样的冻结过程为封闭系统，无外界补水，保证在冻结过程中含水率不会发生变化。从土体的冻结时间曲线（见图 3）可以看出，冻土试样在前12 h 温度下降较快，达到了0.3℃／h，12 h～24 h 后，试样的降温速率减慢，仅为0.11℃／h，48 h 后土样的温度基本保持稳定，达到了试验要求温度。

图3 土体的冻结时间曲线

3.1 含水率对渠基土抗压强度的影响

通过分析发现单轴抗压试验中含水率10%～20%的试样通常发生整体破坏，出现贯通裂缝和斜裂缝。曲线没有明显的弹性屈服点，呈现连续的应变硬化-软化形态，有峰值强度。随着含水率升高（25%～35%）试样多发生局部破坏，从试样两端开裂膨胀，呈哑铃形态。冻土试样的曲线有明显的屈服变形，峰值强度不明显。不同含水率下冻土试样破坏形态见图 4。

图4 不同含水率试样破坏图

相同温度下，冻土试样的抗压强度随着含水率的上升而提高，但在超过一定含水率（30%）后，抗压强度出现了下降。分析可知，随着温度的降低，土中的水转化成冰结晶，冰结晶与土颗粒间的黏聚力增强，抗压强度提高。低含水率下，土中形成冰结晶不足，土颗粒间粘聚力弱，比较松散，破坏时土样变形较小，没有明显屈服点。含水率上升到20%后，冰结晶数量增多，粘聚力增大，破坏时变形增大，抗压强度提高，改变了曲线的形态。超过一定含水率（30%）后，土中冰结晶已经饱和，大量的冰结晶破坏了土体原有的状态，粘聚力下降，抗压强度下降，见图 5。

图5 不同含水率试样抗压应力应变曲线

通过统计分析可知，冻土的抗压强度和初始含水率在相同的冻结温度下具有一定的相关性，见图 6。可以使用拟合公式表示为：

图6 不同含水率试样抗压强度拟合曲线

其中fc为冻土的单轴抗压强度，MPa； 为冻土的初始含水率，%。

3.2 温度对渠基土抗压强度的影响

温度对于不同含水率冻土试样的抗压强度影响显著。从-1℃下降到-20℃，含水率15%冻土抗压强度提高，但曲线都没有明显的屈服变形，有峰值强度，呈现连续的应变硬化软化形态， 25%和35%的冻土曲线有明显的屈服变形，峰值强度不明显，如图 7 所示。相同初始含水率下温度的下降没有改变曲线的形态。温度在冻结温度（0℃）附近时，不同初始含水率的冻土抗压强度表现都很低。分析认为此时冻土中只有少量的水转换成冰结晶，土与冰晶间粘聚力较小，试样的抗压强度很小。

图7 不同温度下冻土应力应变曲线

如图 8 所示，低含水率（15%）的试样在0℃到-10℃抗压强度增长不明显，-10℃到-20℃间平均增长率为0.49 MPa／℃。随着含水率的增加（25%，35%）试样的平均增长率分别为0.69 MPa／℃和0.59 MPa／℃。低含水率试样的抗压强度增长率小于高含水率的试样。这和土中含水量较少，土中的水转化成冰结晶的数量有限，粘聚力较低有关。

图8 不同温度下试样的抗压强度及拟合曲线

温度的降低提高了冻土试样的抗压强度。在温度-20℃下，25%含水率的冻土试样的单轴抗压强度为7.59 MPa，大于15%和35%含水率的冻土试样。分析认为当土壤含水率过多或过少时，冰晶数量都会降低冰晶与土颗粒间的粘聚力，冻土中存在一个适宜含水率，此时力学性能表现最优，抗压强度最大。

统计分析表明冻土试样的抗压强度和温度存在较强的相关性。温度变化下，不同含水率冻土的抗压强度增长趋势差异皆明显。冻土抗压强度和温度的拟合公式为：

其中fc为冻土的单轴抗压强度，MPa； 为冻土的冻结温度，℃。

4 结论

（1）随着土壤初始含水率的增加，冻土的抗压会上升，在超过30%含水率后，强度出现下降。

（2）25%～35%含水率的冻土单轴抗压时会发生屈服变形，峰值强度不显著，应力-应变曲线形态发生改变。

（3）冻土冻结温度的降低，其抗压强度呈线性增加的趋势，土壤的初始含水率越高，随着冻结温度的降低，强度增长率越大。

（4）含水率较低（＆lt;15%）和冻结温度在结冰点（0℃）附近的冻土抗压。可见初始含水率的变化和冻结温度的不同是渠基土发生非均匀冻胀的重要条件。