蔡正銀，朱 銳，2，黃英豪，張 晨，郭萬(wàn)里，陳 皓

（1.南京水利科學(xué)研究院 巖土工程研究所，江蘇 南京 210024；2.河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210098）

1 研究背景

干濕循環(huán)作用和凍融循環(huán)作用的本質(zhì)都是由于水分的遷移或形態(tài)變化簡(jiǎn)化而得的邊界條件?；诖耍罅康脑囼?yàn)研究、數(shù)值模擬研究和理論研究對(duì)干濕或凍融循環(huán)作用下的邊坡劣化失穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行了深入的探索[1-3]。由于應(yīng)力狀態(tài)和時(shí)間跨度方面均具有更好的相似性，離心模擬技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于巖土工程問(wèn)題的研究中[4-5]。陳生水等[6-7]通過(guò)離心模型試驗(yàn)對(duì)干濕循環(huán)作用下的膨脹土邊坡變形發(fā)展過(guò)程進(jìn)行了探索，認(rèn)為膨脹土渠道邊坡的劣化失穩(wěn)具有淺層性和漸進(jìn)性的特點(diǎn)；陳皓等[8-9]開(kāi)展了考慮干濕循環(huán)作用的膨脹土渠道邊坡破壞機(jī)制離心模型試驗(yàn)研究，提出了淺層崩解剝落式的失穩(wěn)破壞形式。對(duì)于干濕循環(huán)作用下的膨脹土邊坡劣化失穩(wěn)機(jī)理，基本形成了統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，即干濕循環(huán)作用對(duì)膨脹土的裂隙發(fā)育和強(qiáng)度衰減有著促進(jìn)作用，并由此削弱了膨脹土渠道邊坡的穩(wěn)定性。對(duì)于凍融循環(huán)作用下的邊坡劣化失穩(wěn)機(jī)理，受限于凍土離心模擬技術(shù)發(fā)展緩慢，僅有少數(shù)學(xué)者做了探索[10-11]，張晨等[12]通過(guò)自主研制的渠道凍脹離心模擬設(shè)備開(kāi)展了凍融循環(huán)作用下的渠道邊坡劣化研究，認(rèn)為在無(wú)外界水源補(bǔ)給的閉場(chǎng)系統(tǒng)中，凍融循環(huán)作用導(dǎo)致的渠基土凍脹融沉變形量較小；唐少容等[13]開(kāi)展了考慮凍融循環(huán)作用的U 形襯砌渠道邊坡凍脹特性離心模型試驗(yàn)，認(rèn)為渠道在持續(xù)的低溫環(huán)境中未發(fā)生明顯的破壞，渠底和渠坡位置產(chǎn)生了顯著的凍脹變形。

圖1 北疆渠道劣化失穩(wěn)圖

然而，渠道現(xiàn)場(chǎng)并非單一的閉場(chǎng)系統(tǒng)，而是復(fù)雜的多物理場(chǎng)耦合系統(tǒng)。以北疆季節(jié)性供水渠道為例，渠道一般在4月通水、9月停水，此外該渠道處于高緯度季節(jié)性?xún)鐾恋貐^(qū)，渠道現(xiàn)場(chǎng)冬季最低溫度和夏季最高溫度分別達(dá)到-40 ℃和30 ℃。從水分和溫度變化的角度出發(fā)，該渠道每年經(jīng)歷反復(fù)的濕干交替過(guò)程和凍融循環(huán)過(guò)程[14]。通水近20年的北疆季凍區(qū)輸水渠道已經(jīng)證實(shí)，干濕和凍融之間的相互影響和耦合循環(huán)作用會(huì)造成膨脹土渠道更加嚴(yán)重的劣化破壞，如圖1所示。對(duì)此，蔡正銀等提出了濕干凍融耦合循環(huán)邊界條件（下文簡(jiǎn)稱(chēng)耦合循環(huán)），對(duì)耦合循環(huán)作用下膨脹土的劣化機(jī)理進(jìn)行了探索[15-16]，但對(duì)于耦合循環(huán)作用和濕干循環(huán)作用下膨脹土渠道邊坡劣化模式的異同，即耦合循環(huán)作用中的凍融過(guò)程對(duì)膨脹土渠道邊坡劣化模式的影響尚未得出明確結(jié)論。

鑒于此，通過(guò)模擬現(xiàn)場(chǎng)干濕交替、凍融循環(huán)的復(fù)雜多物理場(chǎng)環(huán)境，擬開(kāi)展膨脹土渠道邊坡在濕干循環(huán)（WD）以及耦合循環(huán)作用（WDFT）下的離心模型試驗(yàn)，描述濕干循環(huán)及耦合循環(huán)作用下膨脹土渠道邊坡的劣化過(guò)程，對(duì)耦合循環(huán)作用中的凍融過(guò)程對(duì)膨脹土渠道邊坡劣化模式的影響作進(jìn)一步探討。

2 凍土離心模型試驗(yàn)相似比尺

相似比尺是進(jìn)行凍土離心模型試驗(yàn)研究的理論依據(jù)[8]。Miller[17]最早對(duì)凍土離心模型試驗(yàn)的相似比尺進(jìn)行了研究，認(rèn)為適用于“剛性冰”模型中土體應(yīng)力（孔隙冰壓力、有效應(yīng)力等）的相似比尺（原型/模型）為1。Savvidou 等則對(duì)土工離心模型試驗(yàn)中的熱擴(kuò)散效應(yīng)進(jìn)行了研究，諸多學(xué)者基于此開(kāi)展了離心模型試驗(yàn)并對(duì)熱擴(kuò)散效應(yīng)的相似比尺進(jìn)行了驗(yàn)證[18-19]。但是凍土作為一種多相介質(zhì)，顆粒間孔隙水相變引起的土體變形是多場(chǎng)耦合作用的結(jié)果，故以充分考慮水-熱耦合作用的相似比尺為依據(jù)的凍土離心模型試驗(yàn)才能更為準(zhǔn)確地反映寒區(qū)膨脹土渠道的凍融作用特征。鑒于此，試驗(yàn)比尺參考文獻(xiàn)[19]以及張晨等[20]基于Butterfield 量綱分析法建立的一系列凍土離心模型試驗(yàn)相似比尺，如表1所示。

3 試驗(yàn)方案及試驗(yàn)方法

3.1 試驗(yàn)方案試驗(yàn)以北疆膨脹土渠道邊坡為研究對(duì)象，2組濕干循環(huán)作用下的離心模型試驗(yàn)和2組耦合循環(huán)作用下的離心模型試驗(yàn)分別在南京水利科學(xué)研究院中型（60g·t）和大型（400g·t）土工離心機(jī)上進(jìn)行，如圖2所示。其中，中型土工離心機(jī)上安裝有自制的濕干循環(huán)模擬裝置，主要由水箱、電子閥、鹵素?zé)?、試?yàn)控制系統(tǒng)等組成，可用于濕干循環(huán)作用下渠道穩(wěn)定性的離心模型試驗(yàn)研究；大型土工離心機(jī)上安裝有自主研發(fā)的季凍區(qū)渠道濕干凍融離心模型試驗(yàn)設(shè)備，主要由干濕系統(tǒng)、熱交換系統(tǒng)、試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖?、地面冷卻水循環(huán)裝置、試驗(yàn)控制系統(tǒng)等組成，可精準(zhǔn)控制超重力場(chǎng)下模型渠道的水位升降過(guò)程、干燥過(guò)程、溫度（-40 ℃～30 ℃）變化過(guò)程，試驗(yàn)即通過(guò)該設(shè)備在離心場(chǎng)下模擬了渠道經(jīng)歷濕潤(rùn)-干燥-凍結(jié)-融化作用的過(guò)程。四組試驗(yàn)用土均取自北疆渠道現(xiàn)場(chǎng)，且具有區(qū)域代表性，分別為弱～中等脹縮性的青色膨脹土和中～強(qiáng)脹縮性的黃色膨脹土，其土體參數(shù)如表2所示。

表1 試驗(yàn)相似率（原型/模型）

圖2 試驗(yàn)設(shè)備

表2 土樣基本性質(zhì)

北疆膨脹土渠道邊坡斷面為梯形，渠高約為5 m，渠水深度約為4 m，兩邊渠坡坡比均為1∶2?？紤]到渠坡斷面的對(duì)稱(chēng)性，四組試驗(yàn)均取現(xiàn)場(chǎng)渠道邊坡斷面的一半進(jìn)行模擬。4組試驗(yàn)均進(jìn)行3次循環(huán)作用，其中，進(jìn)行3次濕干循環(huán)作用，進(jìn)行3次耦合循環(huán)作用。試驗(yàn)設(shè)計(jì)離心加速度均為50g，進(jìn)行縮尺計(jì)算后模型渠道的具體斷面尺寸如圖3所示。模型制作時(shí)首先按設(shè)定含水率和干密度配土分層擊實(shí)，再按設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行開(kāi)挖和削坡。其中，4組試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯馏w干密度均為1.6 g/cm3，和的模型土體初始含水率分別為18.8%和18.4%。

圖3 模型尺寸和傳感器布置

為便于進(jìn)行對(duì)比分析，僅選取4組試驗(yàn)中均測(cè)量或捕捉的特征進(jìn)行描述，即濕潤(rùn)過(guò)程中渠基土的孔隙水壓力和模型渠道表面裂隙劣化特征。其中，采用的孔隙水壓力傳感器相同，尺寸為φ13×12.5 mm，量程為0～100 kPa，精度± 0.01 kPa。傳感器的具體布置方式如圖3所示。

3.2 試驗(yàn)方法基于濕干循環(huán)[8-9]和濕干凍融耦合循環(huán)[15-16]簡(jiǎn)化邊界條件分別進(jìn)行換算，濕干循環(huán)和耦合循環(huán)的試驗(yàn)方法和試驗(yàn)步驟如圖4所示。其中，在中，在1g條件下注水至預(yù)定水位線處后再將離心機(jī)加速度從1g升至50g，以模擬濕潤(rùn)過(guò)程；渠水排盡后通過(guò)模型箱頂部的鹵素?zé)艄庹丈淠Ｐ颓溃浜想x心機(jī)自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的強(qiáng)迫對(duì)流來(lái)對(duì)模型渠道進(jìn)行干燥。在中，通過(guò)離心機(jī)載水位升降裝置在不停機(jī)的情況下模擬渠道濕潤(rùn)過(guò)程；隨后打開(kāi)通風(fēng)口，以離心機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的風(fēng)力吹過(guò)模型渠道上方模擬渠道現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)干過(guò)程；通過(guò)遠(yuǎn)程設(shè)定半導(dǎo)體熱交換裝置的溫度輸出，分別自上而下的對(duì)模型渠道進(jìn)行制冷/制熱（圖3（b））（機(jī)室環(huán)境溫度約為32 ℃），以模擬現(xiàn)場(chǎng)渠道的凍結(jié)和融化過(guò)程。渠道凍結(jié)過(guò)程的終止標(biāo)準(zhǔn)為達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)渠道最大凍深2 m（對(duì)應(yīng)至離心模型試驗(yàn)中為模型渠道法向深度40 mm），融化過(guò)程的終止標(biāo)準(zhǔn)為凍結(jié)土體全部融化，判斷標(biāo)準(zhǔn)基于模型渠道法向深度40 mm 測(cè)點(diǎn)處的溫度變化情況，即低于或高于0 ℃。從上述試驗(yàn)方法可以看出，相較于不僅在簡(jiǎn)化邊界條件上更為貼切現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜氣候條件，在模擬方式上也更為迎合現(xiàn)場(chǎng)渠道實(shí)際情況。

圖4 試驗(yàn)方法和步驟

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 凍融過(guò)程對(duì)渠水入滲的影響為更好地表征渠水入滲程度，引入無(wú)量綱數(shù)參數(shù)D，定義為實(shí)測(cè)孔壓傳感器讀數(shù)[8-9]與對(duì)應(yīng)位置靜水壓力計(jì)算的比值，D愈高即代表渠水入滲愈充分，當(dāng)D為1時(shí)，表明該測(cè)點(diǎn)處渠基土已飽和。

圖5為不同循環(huán)次數(shù)下各測(cè)點(diǎn)處D的變化曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)隨著濕干循環(huán)或耦合循環(huán)次數(shù)的增長(zhǎng)，四組試驗(yàn)中D的變化規(guī)律相似，均呈不斷上升的趨勢(shì)。在同一組試驗(yàn)中，不同循環(huán)次數(shù)后D的波動(dòng)差別較大。這是因?yàn)樵诘谝淮窝h(huán)過(guò)程中，土體初始飽和度較低，渠水入滲較為顯著進(jìn)而導(dǎo)致孔隙水壓力消散，實(shí)測(cè)孔壓傳感器讀數(shù)較低且波動(dòng)幅度較大；在第二次、第三次循環(huán)過(guò)程中，入滲行為趨于穩(wěn)定，D的波動(dòng)差別隨之明顯降低。沿模型渠道斷面長(zhǎng)度方向來(lái)看，D在模型渠底、渠坡、渠頂?shù)臄?shù)值逐步減小，表明渠水入滲不斷深入，且模型渠底的渠水入滲最為充分（D≈1、，飽和狀態(tài)）、渠坡次之（D為0.85～1，接近飽和狀態(tài)），渠頂入滲程度最低（D為0.6～0.95，非飽和狀態(tài)）。對(duì)比三次濕干循環(huán)和耦合循環(huán)作用過(guò)程中模型渠道的渠水入滲程度，中渠底、渠坡、渠頂處D的平均值均高于這說(shuō)明耦合循環(huán)作用中的凍融過(guò)程使得渠水入滲進(jìn)一步地深入，宏觀表現(xiàn)為渠水入滲量的增加。

將三次耦合循環(huán)后與濕干循環(huán)后D的均值繪制于圖6中。從圖6（a）中可以發(fā)現(xiàn)，在渠底、渠坡、渠頂處，和中的D值均高于且相較于分別增長(zhǎng)約了1%、1%、27%和0.2%、4%、8%，表明耦合循環(huán)作用中的凍融過(guò)程使得渠頂處的渠水入滲量大幅增長(zhǎng)，造成渠頂土體的干濕循環(huán)幅度增大，進(jìn)而誘發(fā)渠頂土體的進(jìn)一步劣化?？紤]到試驗(yàn)中所用土料未剔除部分砂礫石雜質(zhì)，滲透系數(shù)應(yīng)略大于試驗(yàn)中所用土料，可以認(rèn)為計(jì)算得到的渠水入滲增量是較為保守的。另外，從圖6（b）中可以看出，中的D值在渠頂處高出約16%，而和中的D值則近似相等，表明濕干循環(huán)作用下土體膨脹性較強(qiáng)的模型渠道渠水入滲更為顯著，耦合循環(huán)作用下土體膨脹性對(duì)于模型渠道中渠水入滲行為的影響較小。

圖5 D 的變化曲線

圖6 D 的平均值

4.2 凍融過(guò)程對(duì)模型渠道劣化特征的影響在離心場(chǎng)下經(jīng)過(guò)三次濕干循環(huán)或耦合循環(huán)作用后，4組試驗(yàn)中模型渠道均出現(xiàn)顯著的劣化特征，如圖7所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，無(wú)論是經(jīng)歷濕干循環(huán)作用還是耦合循環(huán)作用，模型渠道表面均出現(xiàn)了大量不規(guī)則的張拉裂隙，中這些不規(guī)則的張拉裂隙較為細(xì)小、分散，而中則呈現(xiàn)聯(lián)絡(luò)、集中的特征。從單元體角度來(lái)分析，可以認(rèn)為單元土體由于失水收縮產(chǎn)生拉應(yīng)力，進(jìn)而產(chǎn)生拉應(yīng)變，并最終會(huì)產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)變集中點(diǎn)，誘發(fā)了張拉裂隙的產(chǎn)生，裂隙的拓展會(huì)導(dǎo)致裂隙周?chē)惹暗睦瓚?yīng)變得到釋放，裂隙的拓展也因單元土體應(yīng)力場(chǎng)的重分布而放緩[21]。模型渠道邊坡可以看做若干個(gè)單元土體組成，故在濕干循環(huán)作用下，中產(chǎn)生了大量細(xì)小、分散的張拉裂隙。在中，凍結(jié)過(guò)程使得渠基土中的孔隙水產(chǎn)生了相變。在熱-水-力耦合作用下，重分布后的單元土體應(yīng)力場(chǎng)受凍脹變形的影響產(chǎn)生了變化。由于干燥失水后的淺層渠基土飽和度較低，在低溫環(huán)境下渠基土中的水分遷移過(guò)程并不顯著。而水分遷移通量越低，低溫條件下巖土體中的凍脹力越大，此時(shí)非平直裂隙壁面以壓應(yīng)力為主，裂隙尖端則以拉、剪應(yīng)力為主，造成裂隙尖端產(chǎn)生拉應(yīng)力集中和剪應(yīng)力集中[22-23]，分別導(dǎo)致已產(chǎn)生的裂隙進(jìn)一步拓展和偏轉(zhuǎn)行為的發(fā)生。當(dāng)溫度場(chǎng)再次產(chǎn)生變化（融化過(guò)程）時(shí)，渠基土的應(yīng)力場(chǎng)再次產(chǎn)生變化，一次完整的凍融過(guò)程使得干濕階段產(chǎn)生的裂隙進(jìn)一步地拓展、連通，同時(shí)還發(fā)生了破碎、斷裂行為[15-16]。綜上所述，可以認(rèn)為耦合循環(huán)作用中的凍融過(guò)程顯著加劇了渠頂及渠坡水位線以上區(qū)域中裂隙的進(jìn)一步拓展，誘發(fā)的裂隙再次發(fā)育在宏觀上表現(xiàn)為裂隙的連通程度增高。

圖7 模型渠道劣化特征

此外，4組試驗(yàn)中渠坡與渠頂?shù)慕唤缣幘霈F(xiàn)了一條貫穿渠頂表面的橫向裂隙，選取該裂隙進(jìn)行定量分析，結(jié)果如表3所示。可見(jiàn)，的最大張拉裂隙寬度高于較約增加了20%，的最大張拉裂隙寬度和拓展深度均顯著高于，較分別增加了約96%、220%?？梢哉J(rèn)為，在渠頂裂隙拓展過(guò)程中，耦合循環(huán)作用中的凍融過(guò)程顯著增大了渠頂裂隙寬度和裂隙深度，這也與上文所述渠頂處渠水入滲量顯著增加相對(duì)應(yīng)。此外，土體膨脹性強(qiáng)弱對(duì)于裂隙發(fā)育也有一定的影響，的最大張拉裂隙寬度較增加了12%左右，的最大張拉裂隙寬度和拓展深度較分別增加了83%和45%左右。無(wú)論是在濕干循環(huán)還是耦合循環(huán)作用下，相較于弱～中等脹縮性的青色膨脹土模型渠道，中～強(qiáng)脹縮性的黃色膨脹土模型渠道中裂隙拓展行為均更為明顯。前已述及，凍融過(guò)程對(duì)單元土體裂隙拓展有著明顯的促進(jìn)作用[15]，而渠頂與渠坡交界處后緣張拉裂隙的進(jìn)一步拓展發(fā)育除了上述作用外，還應(yīng)從渠道邊坡整體變形角度來(lái)考慮，中模型在離心力作用下模擬了現(xiàn)場(chǎng)渠道的應(yīng)力狀態(tài)，故在渠基土融化過(guò)程中，模型渠道邊坡整體產(chǎn)生了豎直方向的固結(jié)壓密，且渠坡及渠頂產(chǎn)生了水平方向位移[24]，進(jìn)而引發(fā)渠基土應(yīng)力路徑偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致渠頂與渠坡處的后緣張拉裂隙進(jìn)一步拓展，并最終發(fā)展為貫穿渠頂?shù)臋M向張拉裂隙。

表3 最大張拉裂隙定量參數(shù)

5 渠道劣化模式分析

前已述及，北疆季凍區(qū)膨脹土渠道邊坡在經(jīng)歷干濕交替、凍融循環(huán)作用下的劣化失穩(wěn)問(wèn)題可以視為由上述兩種破壞模式相互混合、疊加造成的，基于離心模型試驗(yàn)中渠道邊坡劣化過(guò)程及特征，對(duì)渠道劣化模式進(jìn)行分析：渠道運(yùn)行期間（即濕潤(rùn)過(guò)程），渠水入滲導(dǎo)致淺層土體飽和度增大，與深部土體之間存在一定的含水率差，渠基土由于濕化作用會(huì)產(chǎn)生一定的變形；渠道停水階段（即干燥過(guò)程），渠道淺層土體經(jīng)歷風(fēng)冷干燥過(guò)程，渠道淺層渠基土中的水分流失，渠基土表面由于失水收縮產(chǎn)生細(xì)小、分散的張拉裂隙，導(dǎo)致淺層渠基土的強(qiáng)度降低，已經(jīng)證明往復(fù)的濕干作用造成了膨脹土渠道邊坡淺層土體強(qiáng)度衰減和表面裂隙發(fā)育，并最終導(dǎo)致渠道邊坡淺層崩解剝落式的失穩(wěn)破壞[8-9]。而現(xiàn)場(chǎng)渠道除經(jīng)歷以上干濕交替作用外，還受到凍融作用的影響，中模擬的溫度場(chǎng)變化（-40 ℃～30 ℃）使得渠基土在濕干過(guò)程中產(chǎn)生的微細(xì)裂隙往深層拓展、偏轉(zhuǎn)，渠基土強(qiáng)度進(jìn)一步降低[15-16]，誘發(fā)渠道邊坡發(fā)生豎直方向和水平方向的變形，并在渠頂與渠坡交界處產(chǎn)生一條貫穿渠頂?shù)臋M向張拉裂隙[26]?？梢哉J(rèn)為，耦合循環(huán)作用中的凍融過(guò)程對(duì)膨脹土渠道邊坡劣化模式有著顯著的影響，誘使膨脹土渠道邊坡的劣化過(guò)程由淺層土體往深層土體發(fā)展，造成膨脹土渠道邊坡在耦合循環(huán)作用下有著自貫穿渠頂?shù)臋M向裂隙發(fā)生失穩(wěn)破壞的趨勢(shì)。

6 結(jié)論

通過(guò)自制的干濕裝置以及自主研發(fā)的季凍區(qū)渠道濕干凍融離心模型試驗(yàn)設(shè)備，在離心場(chǎng)下分別開(kāi)展了渠道邊坡劣化過(guò)程離心模型試驗(yàn)，探討了耦合循環(huán)作用中的凍融過(guò)程對(duì)膨脹土渠道邊坡劣化模式的影響，得出如下結(jié)論：

（1）濕干循環(huán)作用下膨脹土渠道邊坡的劣化模式主要為淺層土體強(qiáng)度衰減和表面裂隙發(fā)育，同時(shí)伴隨著顯著的土體崩解剝落特征；濕干凍融耦合循環(huán)作用下膨脹土渠道邊坡劣化過(guò)程中則未出現(xiàn)明顯的土體崩解剝落現(xiàn)象，主要劣化模式為渠頂區(qū)域土體裂隙拓展、連通。

（2）耦合循環(huán)作用中的凍融過(guò)程對(duì)膨脹土渠道邊坡的劣化模式具有顯著的影響，誘使膨脹土渠道邊坡的劣化過(guò)程由淺層土體往深層土體發(fā)展，在宏觀上表現(xiàn)為渠頂及渠坡水位線以上區(qū)域土體裂隙的連通程度增高、拓展寬度及深度增大，并最終發(fā)展為貫穿渠頂?shù)臋M向張拉裂隙，造成耦合循環(huán)作用下的膨脹土渠道邊坡有著自貫穿渠頂?shù)臋M向裂隙發(fā)生失穩(wěn)破壞的趨勢(shì)。

（3）耦合循環(huán)作用中的凍融過(guò)程還使得渠頂處的渠水入滲量大幅增長(zhǎng)，造成渠頂土體的干濕循環(huán)幅度增大，進(jìn)而誘發(fā)渠頂土體進(jìn)一步地劣化。