章賽澤　卞漢兵　董小花　孫兆輝　韓慧敏　邱秀梅

摘要：為研究渠道下臥土-混凝土襯砌凍結(jié)接觸面抗剪強(qiáng)度及其隨主要影響因素的變化規(guī)律，采用直剪儀開展了不同含水率、凍結(jié)溫度、法向應(yīng)力及凍結(jié)時(shí)間條件下渠道下臥土-混凝土襯砌凍結(jié)接觸面直剪試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：剪切的初始階段，接觸面存在局部剪應(yīng)力釋放現(xiàn)象，釋放量大小受土體含水率、法向應(yīng)力、凍結(jié)時(shí)間因素影響，但不受凍結(jié)溫度的影響；在本試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，接觸面峰值抗剪強(qiáng)度隨著土體含水率、法向應(yīng)力、凍結(jié)時(shí)間的增加而增大，隨凍結(jié)溫度的降低而增大；接觸面的抗剪強(qiáng)度實(shí)質(zhì)上是凍土中的冰晶與混凝土襯砌接觸面之間的膠結(jié)力，以及土體與混凝土襯砌接觸面之間的黏聚力與摩擦力；峰值抗剪強(qiáng)度大小主要受膠結(jié)力影響；黏聚力和摩擦力主要受法向應(yīng)力、凍結(jié)時(shí)間的影響。

關(guān)鍵詞：接觸面；凍結(jié)；抗剪強(qiáng)度；下臥土；混凝土襯砌；剪應(yīng)力

中圖分類號(hào)：TU411.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-1683（2017）05-0164-06

中國(guó)凍土分布十分廣泛，多年凍土和季節(jié)性凍土的影響面積約占陸地總面積的70%。對(duì)于季凍區(qū)中的灌溉渠道而言，由于氣候寒冷、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，極易發(fā)生渠道凍害破壞。在同一地質(zhì)及水文地質(zhì)條件下，渠道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、斷面形式等不同，其遭受的凍脹破壞的部位、程度和形式也不同。在發(fā)生凍脹情況下，渠道破壞往往是從襯砌開始，例如發(fā)生襯砌的滑塌、折斷、產(chǎn)生裂縫、隆起架空、表面剝落等，隨之渠道的抗?jié)B性能迅速下降，導(dǎo)致渠道滲漏而浪費(fèi)水資源。盡管它們?cè)趦龊ζ茐男问缴嫌兴町?，但是它們?cè)趦龊ζ茐奶卣魃嫌泻芏喙餐帲簝雒浂际怯捎谙屡P土孔隙水結(jié)晶粘聚，導(dǎo)致其體積膨脹。因而渠道凍脹破壞的程度主要取決于下臥土的凍脹引起的膨脹力。而下臥土的凍脹膨脹力主要取決于邊界約束力，特別是渠道混凝土襯砌與下臥土的接觸面力學(xué)性能。因此，對(duì)于季凍區(qū)中的渠道，其下臥土與混凝土襯砌接觸面性能對(duì)于研究渠道凍脹破壞及其防護(hù)尤為重要。

關(guān)于土與混凝土接觸面力學(xué)特性的研究，國(guó)內(nèi)外已有較多研究成果。Clough等進(jìn)行了土與混凝土接觸面的直剪試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果建立了τ-μ的雙曲線模型，該模型由于參數(shù)易確定，直到現(xiàn)在還應(yīng)用廣泛。Boulon等依據(jù)剪應(yīng)力和位移關(guān)系曲線，提出了彈塑性模型。Brandtt經(jīng)過深入的室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)研究提出1個(gè)簡(jiǎn)化模型描述接觸面切向應(yīng)力和變形，用2條折線描述（τ/σ）-μ曲線。陳慧遠(yuǎn)提出在垂直或傾斜度較陡的土和結(jié)構(gòu)物的接觸面上，由于土體沿接觸面方向應(yīng)變的累加，在接觸面上會(huì)產(chǎn)生較大的相對(duì)位移，遠(yuǎn)超接觸面兩種材料之間的極限剪切位移而發(fā)生摩擦滑移。殷宗澤等發(fā)現(xiàn)接觸面直剪試驗(yàn)所測(cè)出的上下盒相對(duì)位移隨平均剪應(yīng)力下的增加而逐步增加，這是由于接觸面上剪切破壞邊緣向內(nèi)部逐步發(fā)展的結(jié)果。高俊合等研制大型單剪儀進(jìn)行土-混凝土接觸面單剪試驗(yàn)，分析得到剪切破壞帶及其厚度。提出了接觸面剪切滑移薄層單元概念，并推導(dǎo)了其本構(gòu)方程。胡黎明進(jìn)行了系統(tǒng)的土與結(jié)構(gòu)物接觸面的直剪試驗(yàn)，研究了接觸面力學(xué)性質(zhì)和變形機(jī)理根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果建立了描述接觸面應(yīng)變軟化和剪脹現(xiàn)象的損傷力學(xué)模型。欒茂田等同時(shí)考慮接觸面的非線性剪切變形與非彈性的錯(cuò)動(dòng)變形將雙曲線模型與剛塑性模型結(jié)合提出了非線性彈任理想塑性本構(gòu)模型。張嘎等進(jìn)行了粗粒土與結(jié)構(gòu)接觸面靜動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)，指出抗剪強(qiáng)度與法向應(yīng)力近似成線性關(guān)系、單條法向應(yīng)力不變下的單調(diào)剪切應(yīng)力路徑中，剪應(yīng)力隨剪應(yīng)變的增加而不斷增長(zhǎng)并趨向于一穩(wěn)定值等五條粗粒土與結(jié)構(gòu)接觸面靜動(dòng)力學(xué)特性的基本規(guī)律。從中可以發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)儀器與方法、接觸面單元和本構(gòu)模型等三個(gè)方面是土與混凝土接觸面特性研究的關(guān)鍵問題；現(xiàn)行很多數(shù)值模型，數(shù)值分析其結(jié)果的可靠性、可信度都取決于正確的凍結(jié)接觸面本構(gòu)關(guān)系。

上述研究，均是在常溫下進(jìn)行的。而目前針對(duì)負(fù)溫條件下的凍土_混凝土接觸面的研究相對(duì)較少。相關(guān)研究如下：崔穎輝、呂鵬等開發(fā)了一種低溫動(dòng)荷載直剪儀，并通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)凍土-混凝土接觸面的動(dòng)強(qiáng)度幅值與溫度、法向壓力、含水率等有關(guān)；并總結(jié)了垂直壓力、溫度、含水量對(duì)接觸面抗剪強(qiáng)度的影響。趙聯(lián)楨等研制了大型多功能凍土一結(jié)構(gòu)接觸面循環(huán)直剪系統(tǒng)DDJ-1。孫厚超等研發(fā)了微米級(jí)變形測(cè)量系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)不同法向荷載或不同凍土體溫度條件下發(fā)生接觸面剪切時(shí)，界面層內(nèi)土體水平位移隨深度增加而減小。溫智等通過試驗(yàn)研究了青藏粉土-玻璃鋼接觸面力學(xué)特性，得出凍結(jié)狀態(tài)下接觸面應(yīng)力_一位移性狀呈脆性破壞型，存在明顯峰值等結(jié)論。

目前對(duì)凍土-混凝土接觸面的研究主要以砂土、黏性土為主，而針對(duì)粉土展開的相關(guān)研究少之又少。以灌溉渠道為研究對(duì)象，針對(duì)渠基凍（粉）土-混凝土襯砌接觸面力學(xué)特性的研究目前并未見到。山東省作為中國(guó)的農(nóng)業(yè)大省，耕地率高，灌溉渠道遍布，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活中起著重要的作用。山東處于季凍區(qū)域，冬季氣候寒冷，輸水渠道極易發(fā)生凍害破壞。因此，本文以山東黃河流域位山灌區(qū)（灌區(qū)灌溉渠道下臥土以粉土為主）為工程背景，研究其灌溉渠道渠基凍（粉）土-混凝土襯砌接觸面在多因素作用下剪切性能的變化規(guī)律。開展此項(xiàng)研究，對(duì)渠道防滲性能的提升，渠道冬季凍脹破壞防治措施的實(shí)施等都具有重要意義。

1試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)方案

1.1試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備主要為ZJ（DSJ-3）型電動(dòng)四聯(lián)等應(yīng)變直剪儀及中科美菱DW-HL290型超低溫冷凍儲(chǔ)存箱。直剪儀最大垂直荷載400 kPa，推動(dòng)軸推進(jìn)速率分別為2.4、0.8、0.1、0.02 mm/min，量力環(huán)測(cè)量精度為0.01mm。超低溫冷凍儲(chǔ)存箱存儲(chǔ)溫度-5℃～-87℃，溫度控制精度為±0.5℃。

試驗(yàn)用土與混凝土襯砌均取自山東黃河流域灌區(qū)——位山灌區(qū)。土樣基本物理參數(shù)見表1。預(yù)制混凝土襯砌塊的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20，抗凍標(biāo)號(hào)為F150，抗?jié)B標(biāo)號(hào)為W8。

1.2試驗(yàn)方案

影響灌溉渠道渠道下臥土-混凝土襯砌凍結(jié)接觸面抗剪強(qiáng)度的因素有土的含水率、凍結(jié)溫度、法向應(yīng)力、凍結(jié)時(shí)間、接觸面粗糙度、土的類型等。本文取前四個(gè)控制參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)同一控制參數(shù)的試驗(yàn)采用相同土樣與混凝土襯砌。不同試樣試驗(yàn)數(shù)值對(duì)比見表2。

將試驗(yàn)用土過2 mm篩后，置于烘箱烘干8 h后，參照相關(guān)土工規(guī)程（SL 237-1999土工試驗(yàn)規(guī)程），按試驗(yàn)設(shè)計(jì)含水量配置土樣?；炷烈r砌按直剪儀剪切盒的下剪切盒尺寸（直徑61.8 mm，厚度21 mm）切割。試驗(yàn)時(shí)，將切割后的混凝土襯砌置于下剪切盒，土樣經(jīng)過擊實(shí)之后使用環(huán)刀取相應(yīng)尺寸土樣，然后壓入上剪切盒，固定剪切盒之后用200 kPa垂直荷載壓實(shí)1.5 h，使土樣和混凝土襯接觸面充分貼合。壓實(shí)后，將剪切盒整體放入冷凍儲(chǔ)存箱按設(shè)計(jì)要求凍結(jié)相應(yīng)時(shí)間。冷凍完成之后，取出剪切盒迅速置于直剪儀上，施加所需法向應(yīng)力，用2.4 mm/min的速度進(jìn)行剪切試驗(yàn)，剪切試驗(yàn)基本上在20～90 s的短時(shí)間內(nèi)完成，以彌補(bǔ)由于試驗(yàn)儀器等條件制約導(dǎo)致的剪切試驗(yàn)需在常溫下進(jìn)行這一問題。

試驗(yàn)結(jié)束后卸載，取出上剪切盒的土樣，采用烘干法測(cè)量土樣的含水率。

2試驗(yàn)結(jié)果分析

本試驗(yàn)中，在試驗(yàn)初始階段可聽到輕微斷裂聲，測(cè)力計(jì)指針存在不同程度的倒退現(xiàn)象，這說明試驗(yàn)初始階段渠道下臥土-混凝土襯砌凍結(jié)接觸面存在不同程度的局部破壞和剪應(yīng)力釋放。渠道下臥土與混凝土襯砌凍結(jié)接觸面一般在2 mm位移以內(nèi)發(fā)生破壞，破壞時(shí)可觀察到試樣明顯滑動(dòng)并發(fā)出響亮的斷裂聲，同時(shí)直剪儀測(cè)力計(jì)讀數(shù)瞬時(shí)歸零，以此作為試驗(yàn)結(jié)束標(biāo)志。

凍結(jié)接觸面的抗剪強(qiáng)度用峰值抗剪強(qiáng)度表示。峰值抗剪強(qiáng)度是接觸面破壞前的最大剪應(yīng)力，對(duì)應(yīng)于剪應(yīng)力τ相對(duì)于剪切盒水平位移u的變化曲線（以下簡(jiǎn)稱τ-μ曲線）上剪應(yīng)力釋放前的最高點(diǎn)。

2.1土體含水率對(duì)接觸面抗剪強(qiáng)度的影響

土體不同含水率下的接觸面直剪試驗(yàn)一共進(jìn)行9組試驗(yàn)，不同控制參數(shù)見表2中編號(hào)1-1～1-9。其中取土體含水率分別為15.77%、16.85%、17.56%的三組試驗(yàn)（1-6～10）的凍結(jié)接觸面剪切τ-μ曲線如圖1所示進(jìn)行對(duì)比分析，這三組試驗(yàn)的凍結(jié)時(shí)間都是24 h，凍結(jié)溫度均為-10℃左右，在相同的正應(yīng)力100 kPa下進(jìn)行。含水率15.77%的曲線呈近似單調(diào)上升后接近破壞時(shí)逐漸趨于平緩，直至試件破壞。含水率16.85%與17.56%的曲線形態(tài)相似，剛開始短時(shí)間內(nèi)呈近似單調(diào)上升，之后短時(shí)間內(nèi)趨于平緩（含水率越高，平緩期越長(zhǎng)），之后曲線繼續(xù)呈單調(diào)上升狀態(tài)在臨近破壞時(shí)逐漸趨于平緩，直至試件破壞。

分析表明：通過前面得出的剪切初始階段剪應(yīng)力釋放現(xiàn)象，結(jié)合τ-μ曲線可以發(fā)現(xiàn)τ-μ曲線初始階段平緩期與初始階段剪應(yīng)力釋放存在相關(guān)關(guān)系。可以發(fā)現(xiàn)，隨著土體含水率的增長(zhǎng)，剪切的初始階段剪應(yīng)力增長(zhǎng)速率減小，說明隨著含水率的增長(zhǎng)，初始階段局部剪應(yīng)力釋放量增大。土體含水率越低，接觸面抗剪強(qiáng)度越快達(dá)到峰值。對(duì)土體不同含水率下的峰值抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律采用三次多項(xiàng)式函數(shù)進(jìn)行擬合（圖2）可以發(fā)現(xiàn)，土體含水率越高，凍結(jié)接觸面的抗剪強(qiáng)度也越高，尤其是當(dāng)含水率超過15%時(shí)，峰值抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)速率呈快速上升狀態(tài)。在T=-10.1℃，σ=100 kPa，h=24 h，8.35%≤ω≤19.51%范圍內(nèi)τ_max為：

2.2凍結(jié)溫度對(duì)接觸面抗剪強(qiáng)度的影響

不同凍結(jié)溫度下的接觸面直剪試驗(yàn)一共進(jìn)行3組試驗(yàn)，不同控制參數(shù)見表2中編號(hào)2-1～2-3。對(duì)不同凍結(jié)溫度的τ-μ曲線（圖3）的曲線形態(tài)進(jìn)行分析，不同溫度下的曲線形態(tài)相似，首先曲線呈近似單調(diào)上升，直至臨近破壞，曲線趨于平緩，直至試件破壞。

分析表明：剪切的初始階段剪應(yīng)力增長(zhǎng)速率相近，這說明凍結(jié)溫度對(duì)初始階段局部剪應(yīng)力釋放影響較小。凍結(jié)溫度越高，接觸面抗剪強(qiáng)度越快達(dá)到峰值。從不同凍結(jié)溫度下的峰值抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律的趨勢(shì)線（圖4）可以看出，在ω=16 42%，σ=100kPa，h=24 h，-15≤T≤-5.2溫度范圍內(nèi)，凍結(jié)溫度越低，凍結(jié)接觸面的峰值抗剪強(qiáng)度越高。

2.3法向應(yīng)力對(duì)接觸面抗剪強(qiáng)度的影響

不同法向應(yīng)力下的接觸面直剪試驗(yàn)一共進(jìn)行4組試驗(yàn)，不同控制參數(shù)見表2中編號(hào)3-1～3-4。分析不同法向應(yīng)力下接觸面剪切τ-μ曲線（圖5）的曲線形態(tài)，法向應(yīng)力100 kPa、200 kPa、300 kPa的曲線形態(tài)相似，初始階段曲線趨于平緩，且隨著法向應(yīng)力的增長(zhǎng)，平緩期逐漸增長(zhǎng)，之后曲線均呈近似單調(diào)增長(zhǎng)形態(tài)，在臨近破壞時(shí)逐漸趨于平緩，直至試件破壞。法向應(yīng)力400 kPa的曲線形態(tài)初始階段突變之后逐漸減小，之后曲線均呈近似單調(diào)上升形態(tài)，在臨近破壞時(shí)逐漸趨于平緩，直至試件破壞。

分析表明：剪切的初始階段剪應(yīng)力增長(zhǎng)緩慢，且隨著法向應(yīng)力的增加，增長(zhǎng)速率逐漸降低。隨著法向應(yīng)力的增大，初始階段局部剪應(yīng)力釋放的量也隨之增大，這也是剪切初始階段剪應(yīng)力增長(zhǎng)速率隨著法向應(yīng)力增加而逐漸降低的主要原因。法向應(yīng)力越低，接觸面抗剪強(qiáng)度越快達(dá)到峰值。對(duì)不同法向應(yīng)力下的峰值抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律采用線性函數(shù)進(jìn)行擬合（圖6）可以發(fā)現(xiàn)，法向應(yīng)力越大，凍結(jié)接觸面的峰值抗剪強(qiáng)度也越大，法向應(yīng)力與峰值抗剪強(qiáng)度兩者呈線性關(guān)系，在T=-10.0℃，ω=17.95%，h=24h，100 kPa≤σ≤400 kPa內(nèi)τ_max為：

2.4凍結(jié)時(shí)間對(duì)接觸面抗剪強(qiáng)度的影響

不同凍結(jié)時(shí)間下的接觸面直剪試驗(yàn)一共進(jìn)行3組試驗(yàn)，不同控制參數(shù)見表2中編號(hào)4-1～4-3。分析不同凍結(jié)時(shí)間下接觸面剪切τ-μ曲線（圖7）的曲線形態(tài)，凍結(jié)時(shí)間為6 h時(shí)，初始存在一段較長(zhǎng)的平緩期，之后呈近似單調(diào)上升，在臨近破壞前再次逐漸趨于平緩直至試驗(yàn)結(jié)束。凍結(jié)時(shí)間為12 h時(shí)，剪切一定時(shí)間后呈近似單調(diào)上升，接近破壞時(shí)趨于平緩直至試驗(yàn)結(jié)束。當(dāng)凍結(jié)時(shí)間為24 h時(shí)，首先呈近似單調(diào)上升形態(tài)，接近破壞時(shí)趨于平緩直至試驗(yàn)結(jié)束。

分析表明：凍結(jié)時(shí)間越長(zhǎng)，剪切的初始階段局部剪應(yīng)力釋放量越少，剪應(yīng)力增長(zhǎng)速率越快。凍結(jié)時(shí)間越長(zhǎng)，接觸面抗剪強(qiáng)度越快達(dá)到峰值。對(duì)不同凍結(jié)時(shí)間下的峰值抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律采用線性函數(shù)進(jìn)行擬合（圖8）可以發(fā)現(xiàn)，隨著凍結(jié)時(shí)間的增加，凍結(jié)接觸面的峰值抗剪強(qiáng)度也越大。凍結(jié)時(shí)間與峰值抗剪強(qiáng)度呈線性關(guān)系，在T=-15.0℃，ω=16.82%，σ100 kPa，6～12 h時(shí)間范圍內(nèi)τ_max為：

2.5接觸面抗剪強(qiáng)度機(jī)理

渠道下臥土與混凝土襯砌凍結(jié)接觸面的抗剪強(qiáng)度實(shí)質(zhì)上是土體中的水分在低溫下形成的冰晶與混凝土襯砌接觸面通過膠結(jié)作用形成的膠結(jié)力，以及土體與混凝土襯砌接觸面之間的黏聚力與摩擦力。

凍結(jié)接觸面的峰值抗剪強(qiáng)度主要受膠結(jié)力影響。而膠結(jié)力的大小受土體含水率、凍結(jié)溫度、凍結(jié)時(shí)間等因素的影響。土體含水率的增長(zhǎng)、凍結(jié)溫度的降低以及凍結(jié)時(shí)間增長(zhǎng)都會(huì)使土體中形成更多的冰晶，從而使膠結(jié)力更大。

凍結(jié)接觸面之間的黏聚力和摩擦力主要受法向應(yīng)力、凍結(jié)時(shí)間的影響。所以隨著法向應(yīng)力的增長(zhǎng)，剪切的初始階段剪應(yīng)力釋放時(shí)會(huì)釋放出更多的黏聚力和摩擦力，從而導(dǎo)致釋放量增大。而隨著凍結(jié)時(shí)間的減少，土體中的冰晶也隨之減少，膠結(jié)力對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響降低，而黏聚力和摩擦力的影響上升。

3結(jié)論

本文通過在直剪儀上下盒分別裝入土樣和混凝土襯砌再將剪切盒整體置于低溫環(huán)境進(jìn)行凍結(jié)的簡(jiǎn)易方法，研究了土體含水率、凍結(jié)溫度、法向應(yīng)力、凍結(jié)時(shí)間等因素對(duì)灌溉渠道渠道下臥土與混凝土襯砌凍結(jié)接觸面抗剪強(qiáng)度的影響，繪制出不同條件下的凍結(jié)接觸面剪切τ-μ曲線，較好地反映了整個(gè)剪切過程的變化。主要結(jié)論如下。

（1）剪切試驗(yàn)的初始階段，凍結(jié)接觸面存在局部剪應(yīng)力釋放現(xiàn)象，釋放量的大小與土體含水率、法向應(yīng)力、凍結(jié)時(shí)間密切相關(guān)，而幾乎不受凍結(jié)溫度的影響。在本試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)：土體含水率越高，釋放量越大；法向應(yīng)力越大，釋放量越大；凍結(jié)時(shí)間越長(zhǎng)，釋放量越小。

（2）凍結(jié)接觸面的抗剪強(qiáng)度與土體含水率、凍結(jié)溫度、法向應(yīng)力、凍結(jié)時(shí)間密切相關(guān)。其峰值抗剪強(qiáng)度與法向應(yīng)力、凍結(jié)時(shí)間在本試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)呈線性關(guān)系：法向應(yīng)力越大，峰值抗剪強(qiáng)度越大；凍結(jié)時(shí)間越長(zhǎng)，峰值抗剪強(qiáng)度越大。除此之外，在本試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，土體含水率越高，接觸面的峰值抗剪強(qiáng)度也越大；凍結(jié)溫度越低，峰值抗剪強(qiáng)度越大。

（3）凍結(jié)接觸面的抗剪強(qiáng)度實(shí)質(zhì)上是凍土中的冰晶與混凝土襯砌接觸面之間的膠結(jié)力，以及土體與混凝土襯砌凍結(jié)接觸面之間的黏聚力與摩擦力。峰值抗剪強(qiáng)度大小主要受膠結(jié)力影響。土體與混凝土襯砌凍結(jié)接觸面之間的黏聚力和摩擦力主受法向應(yīng)力、凍結(jié)時(shí)間的影響。

（4）本試驗(yàn)僅考慮了一次凍脹后各因素對(duì)接觸面抗剪強(qiáng)度的影響，至于土體凍融循環(huán)對(duì)接觸面抗剪強(qiáng)度的影響以及試驗(yàn)設(shè)備條件限制造成的如凍結(jié)時(shí)試樣上部未施加法向應(yīng)力等問題有待后續(xù)繼續(xù)研究。