賴學(xué)云

（江西省水利水電建設(shè)有限公司，江西 南昌 330000）

襯膜抗凍脹是北方寒區(qū)水工渠道設(shè)計(jì)筑建的重要技術(shù)環(huán)節(jié)。本文基于所收集的混凝土護(hù)層塑膜敷襯渠道的凍脹應(yīng)力損壞研究資料，針對(duì)我國北方寒區(qū)梯形砼襯膜水工渠道的筑建特點(diǎn)，著重研究和探討鋪襯塑膜結(jié)構(gòu)下的混凝土襯砌渠道凍脹性損壞和整治規(guī)律。

1 襯砌體凍脹損壞基本分析

雖然塑料薄膜擁有較好的水工防滲性，但如果過渡層含水量偏高，在寒冷地區(qū)封凍前，渠床容易造成嚴(yán)重凍脹，過量形變會(huì)使混凝保護(hù)層受到損壞。

通道水壓砌體的凍脹損壞一般是由砌體下土體的變形引起的。土壤凍脹一般發(fā)生在多個(gè)方向上，因?yàn)閭?cè)向出現(xiàn)常常相互平衡，以致向上垂直性的現(xiàn)象形成并不突出。流動(dòng)遷移理論和土壤顆粒熱位移效應(yīng)分析表明，由于年度溫度周期在寒冷地區(qū)表層土壤中波動(dòng)，反復(fù)凍融，土壤坡度得到再生。突出表現(xiàn)在三個(gè)方面：（1）由于水汽遷移現(xiàn)象發(fā)生的冰層下部凝結(jié)，導(dǎo)致土壤凍脹的發(fā)生；（2）水分運(yùn)移導(dǎo)致溶質(zhì)運(yùn)移，導(dǎo)致土壤中高濃度區(qū)出現(xiàn)，導(dǎo)致上升的解凍弱層出現(xiàn)；（3）土壤顆粒在內(nèi)部和外部應(yīng)力作用下發(fā)生位移，冷生成剖面伴隨之變化，導(dǎo)致土壤性質(zhì)的變化[1]。

土壤是松散的介質(zhì)并且是多孔的，其成分例如有機(jī)物質(zhì)、礦物顆粒、孔隙水等在孔隙中的排列通常是隨機(jī)和無序的。凍結(jié)作用對(duì)土體施加額外的壓力，引起凍脹。由此產(chǎn)生凍脹力推移土壤顆粒。土壤孔隙水中的自由水不受土壤顆粒電性顆粒的重力束縛，更易凍結(jié)。由于土壤顆粒的結(jié)合力較強(qiáng)，因此孔隙中的結(jié)合水一般不易凍結(jié)。土壤顆粒越細(xì)，電子分子的重力結(jié)合越強(qiáng)，并且冷凍過程越慢，在土壤的冷凍過程中，大孔隙中的自由水通常會(huì)凍結(jié)，大顆粒的土壤被提起，被稱為熱篩效應(yīng)。在冷凍過程中，有一個(gè)現(xiàn)象，土壤水分遷移到冷鋒。當(dāng)遷移水流量達(dá)到一定水平時(shí)，微小的土壤顆粒開始遷移。其次，凍結(jié)力可以逐漸使土壤顆粒和孔隙空間的組合和排列從原來的隨機(jī)紊亂變得相對(duì)有序。這會(huì)降低土壤的密度和抗剪強(qiáng)度，從而影響渠道的穩(wěn)定性。

研究發(fā)現(xiàn)，最溫暖的冰晶體底面和冰凍鋒面之間有一個(gè)低含水量和低含水量的無霜區(qū)，稱為冰凍邊緣。測試表明，凍結(jié)邊緣的厚度隨著凍結(jié)歷史的變化而變化。冷凝冰的位置最有可能發(fā)生在沒有結(jié)構(gòu)連接的地方，并且冷凝冰層的溫度隨著冷鋒的溫度降低而降低。一般在凍結(jié)期間，土壤中會(huì)形成多層凝結(jié)冰。在存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)體系中，根據(jù)水運(yùn)遷移的基本原理和凍土中冰水平衡原理，一方面，在溫度梯度引起的非凍結(jié)水勢梯度的影響下，凍結(jié)系統(tǒng)中的未凍結(jié)水源將繼續(xù)從較高溫度端向較低溫度端遷移。另一方面，冷凍系統(tǒng)內(nèi)不同位置的溫度使得在該位置存在與該溫度相對(duì)應(yīng)的非冷凍水含量。非冰凍水遷移到這個(gè)地方會(huì)以冰的形式出現(xiàn)，并且體積會(huì)增加。則產(chǎn)生相應(yīng)的凍脹力。如果由凍脹引起的剪切應(yīng)力大于材料的剪切強(qiáng)度，則會(huì)發(fā)生剪切損壞并在該處形成分離的冰層。這是土壤結(jié)冰層和土壤凍脹的基本形成機(jī)制。

凍結(jié)通常具有疊加屬性。隨著研究的快速發(fā)展，亞冷凝冰層在土壤凍脹過程中的作用基本相當(dāng)于一個(gè)啟動(dòng)千斤頂。凝結(jié)的冰層越多，總的凍脹越大;如果每層的冰厚度較大，則凍脹總量會(huì)增加。

2 緣于凍脹的襯砌體損壞形式

凍結(jié)后土壤表面部分的高程，與凍結(jié)前的高程間存在差異，此稱為土壤凍脹量。如果土壤凍脹不受約束，一般只會(huì)經(jīng)歷相對(duì)輕微的膨脹形變。而當(dāng)凍結(jié)受到限制時(shí)，土壤中會(huì)產(chǎn)生相對(duì)劇烈的，相反于約束應(yīng)力方向的凍脹應(yīng)力[2]。

寒冷環(huán)境下，襯砌層同凍土層因?yàn)槔淠喂痰貎鼋Y(jié)在一起。使兩者聯(lián)結(jié)為一個(gè)整體，相互約束，此被稱為外部全約束體系。如果凍脹應(yīng)力超過一定限度，并達(dá)到保護(hù)材料的允許極限，則通道的保護(hù)層將受到損壞。通常有四種損壞形式：

1）鼓脹及裂縫

襯砌渠道的凍脹裂縫更可能出現(xiàn)在現(xiàn)澆的大型混凝土板的上方。接縫位置通常在通道底部上方或斜坡上方，斜坡長度約1/4～3/4的范圍內(nèi)。

2）隆起架空

這種現(xiàn)象主要發(fā)生于地下水位之上。它通常發(fā)生在坡腳處，河道底部中部或水面以上約0.5 m～1.5 m的坡面處。

3）滑塌

當(dāng)起伏升起時(shí)，腳支撐相應(yīng)受損，襯板墊失穩(wěn)。當(dāng)基礎(chǔ)土壤溶解時(shí)，上部板塊將沿著斜坡滑移，互相滲透或相互重疊。

4）整體上抬

對(duì)于襯砌完整性較好的通道或凍脹較弱的區(qū)域（如U型混凝土小通道），在凍脹應(yīng)力影響下，可能出現(xiàn)襯砌向上提升。

3 渠床凍脹規(guī)律及其影響

渠床內(nèi)不同含水量部位的膨脹表現(xiàn)是不盡相同的，運(yùn)河底部的含水量通常很高，所以在這個(gè)位置的膨脹也相對(duì)較大。渠底混凝土護(hù)層承受的膨脹力比較大，渠床各部位的膨脹量各不相同，應(yīng)力不均衡導(dǎo)致混凝土護(hù)層損壞[3]。

4 梯形砼襯膜結(jié)構(gòu)的凍脹損壞分析

與溫度應(yīng)力類似，土壤凍脹力也是一種材料體積力。在相同的溫度、土壤和濕度條件下，約束條件決定并影響凍脹力的大小。約束不存在，凍脹力即為0值。如果結(jié)合力大，則霜膨脹力增大。

梯形渠道底部襯砌板和渠坡的下部，凍脹性損壞相對(duì)容易發(fā)生，因?yàn)樵谄履_處，襯砌板約束著基土凍脹，而越接近斜坡，凍脹量越小，相應(yīng)的凍脹應(yīng)力越大。彎曲應(yīng)力是造成混凝土護(hù)套損壞的主要原因?；炷潦且环N脆性材料，其抗彎曲性能通常遠(yuǎn)低于其抵抗壓力的能力。

對(duì)襯砌膜護(hù)層混凝土渠道的凍脹性損壞開展力學(xué)計(jì)算分析前，首先要對(duì)渠道及凍土做如下假設(shè)：

1）法向渠腳凍脹跟法向坡腳凍脹應(yīng)力值大致相同；

2）渠道邊坡的自由凍脹量一般沿渠坡按線性分布，渠頂最小，渠底最大；

3）凍土彈性模量較混凝土彈性模量小很多，凍土只對(duì)襯砌板施加凍脹力和提供被動(dòng)的凍結(jié)約束，基本不參與襯砌板的彎曲形變；

4）一般不考慮沿?cái)嗝嬷荛L方向的渠道凍結(jié)影響，渠底段和渠邊坡段多單向凍結(jié)；

5）渠底板的兩端，受到來自坡板的鉸性約束，其法向凍脹力呈均勻分布，故可以簡化兩端的簡支梁；

6）法向凍脹量催生法向凍脹力，如果邊坡板法向凍脹力沿坡長線性分布，則坡頂為0值，至坡底值會(huì)達(dá)到最大[4]。

4.1 邊坡板受力

含水量沿邊坡高程相應(yīng)分布，邊坡凍脹在沿高程一線，各處表現(xiàn)不同?？拷椎膬雒浟扛?，緣于這里的含水量大。圖1為襯膜渠邊坡應(yīng)力狀態(tài)。

圖1 襯膜渠邊坡應(yīng)力狀態(tài)

（1）重力

邊坡板重力在未凍結(jié)前，由底板和渠基平衡頂推力，凍結(jié)后，重力由底板的約束力、法向凍脹力和凍結(jié)力平衡，故在計(jì)算內(nèi)力時(shí)一般不去考慮它。

（2）法向 Ndz凍脹力

法向凍脹力為墊層凍脹產(chǎn)生的垂直加載于基礎(chǔ)的應(yīng)力，其方向總是垂直于坡面，渠床的含水率決定凍脹量，凍脹量決定凍脹力，含水率降低則凍脹量減小?？梢罁?jù)文獻(xiàn)計(jì)算法向凍脹應(yīng)力值。為了便于計(jì)算，通常以三角形分布來設(shè)定法向凍脹應(yīng)力。Ndz凍脹力是致使襯砌遭受損壞的重要原因，可依據(jù)渠床含水量、當(dāng)?shù)赝临|(zhì)和氣溫揭示Ndz凍脹力[5]。

邊坡板所承受的凍脹應(yīng)力之和為：

（3）切向Nx凍結(jié)力

塑料薄膜和凍結(jié)，把邊坡板與土壤聯(lián)結(jié)成整體。凍脹量存在差值，促使其呈現(xiàn)壓縮形變趨勢，混凝土板假設(shè)為剛性，其形變量為零值，不協(xié)調(diào)變形在邊坡板與凍土之間產(chǎn)生。呈現(xiàn)向上位移趨勢是邊坡板一大特點(diǎn)，這時(shí)候，膜土間及膜板間剪應(yīng)力取代凍結(jié)力，制約膜土間及膜板間相對(duì)滑移。在塑料薄膜上下兩個(gè)層面的凍結(jié)力中，含水量在膜的下表面較低，膜土凍結(jié)力則相對(duì)小，上表面含水量相對(duì)高，則膜土凍結(jié)力則相對(duì)大。

任意斷面計(jì)算公式：

（4）法向 Ndj凍結(jié)力

法向Ndj凍結(jié)力是因?yàn)榈装錘y約束力和法向Ndz凍脹力的作用，使得坡板繞下支點(diǎn)可能發(fā)生回轉(zhuǎn)，但上部渠床土體要制約這一轉(zhuǎn)動(dòng)的發(fā)生。為了方便計(jì)算，這里把法向凍結(jié)力作用點(diǎn)，定于坡板頂端，如此計(jì)算利于結(jié)構(gòu)安全。

4.2 邊坡板基本內(nèi)應(yīng)力

法向凍脹力彎矩與切向凍結(jié)力彎矩之和，構(gòu)成邊坡板彎矩，即：

式中：t代表板厚度。

計(jì)算最大彎矩所處的截面：

最大彎矩值計(jì)算：

如果把剪力作用忽略去，但考慮關(guān)注了單位渠長，則混凝土邊坡板的最大應(yīng)力計(jì)算為：

式中：S標(biāo)志基于截面的邊坡板面積；Wy是抗彎模量。

最小邊坡板厚度計(jì)算為：

式中：[σ]為混凝土拉伸許用應(yīng)力[6]。

4.3 底板基本內(nèi)應(yīng)力

底板墊層各處含水量基本一致，凍脹量基本相同。基于剛性底板條件設(shè)定，底板凍脹應(yīng)力呈現(xiàn)均勻分布。襯膜渠之底板應(yīng)力狀態(tài)分布，見圖2（標(biāo)志渠道的邊坡角）。

圖2 襯膜渠之底板應(yīng)力狀態(tài)分布

中央底板處發(fā)生最大彎矩，不計(jì)重力計(jì)算其值為：

最大軸向力：

式中：S是截面積，Wy是抗彎曲模量。

最小底板厚度計(jì)算為：

式中：[σ]為混凝土拉伸許用應(yīng)力。

凍脹引發(fā)的凍脹力導(dǎo)致襯砌層遭遇凍脹損壞，為消除凍脹力危害，除提高襯砌層厚度和混凝土標(biāo)號(hào)外，還應(yīng)采取如下措施：

1）提高墊層土體密度，以降低土體孔隙率。同時(shí)還要注意防止雨水經(jīng)上蓋板滲入到防滲層和襯砌層之間。

2）盡可能解除或消弱凍土層和襯砌層之間的凍結(jié)約束，使兩者相對(duì)獨(dú)立。

3）改進(jìn)襯砌體的架構(gòu)形式，區(qū)別對(duì)待陽陰坡，采用曲面或變截面襯砌方式，以提升截面慣量，提高抗形變性能。

5 結(jié)語

本文基于所收集的混凝土護(hù)層塑膜敷襯渠道的凍脹應(yīng)力損壞研究資料，針對(duì)我國北方寒區(qū)梯形砼襯膜水工渠道的筑建特點(diǎn)，著重研究和探討了鋪襯塑膜結(jié)構(gòu)下的混凝土襯砌渠道凍脹性損壞和整治規(guī)律，分析了相關(guān)凍脹力影響因素，建立了混凝土塑膜敷襯護(hù)層渠道凍脹損傷模型，給出了梯形砼襯膜渠道的凍脹損壞計(jì)算模型，可為寒區(qū)梯形砼襯膜渠道設(shè)計(jì)提供參考。