唐少容，任 磊

（1.寧夏大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，銀川 750021；2.寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心，銀川 750021；3.旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程研究中心，銀川 750021）

據(jù)調(diào)查， 寒旱區(qū)農(nóng)業(yè)用水的45%是由混凝土襯砌渠道因凍融破壞引起的輸水損失［1］，破壞主要發(fā)生在襯砌結(jié)構(gòu)與渠道基土的界面上，有襯砌板抬升、滑塌、開裂及與基土分離等多種形態(tài)。在土體凍結(jié)期間， 界面上的凍結(jié)力是渠道襯砌與基土共同工作的重要基礎(chǔ)。 何鵬飛等［2］用四聯(lián)應(yīng)變控制直剪儀開展凍土-混凝土界面抗剪強(qiáng)度試驗，發(fā)現(xiàn)冰膠結(jié)強(qiáng)度受含水率影響較大；章賽澤等［3］明確了渠道基土與混凝土襯砌界面極限抗剪強(qiáng)度與法向應(yīng)力呈線性關(guān)系；吉延峻等［4］發(fā)現(xiàn)粗糙界面所產(chǎn)生的抗剪強(qiáng)度大于光滑界面產(chǎn)生的抗剪強(qiáng)度；呂鵬等［5］發(fā)現(xiàn)抗剪強(qiáng)度在負(fù)溫范圍內(nèi)與溫度具有很強(qiáng)的相關(guān)性；LIU等［6］發(fā)現(xiàn)凍土-混凝土界面峰值抗剪強(qiáng)度和殘余抗剪強(qiáng)度均與法向應(yīng)力呈正線性關(guān)系，與低溫呈負(fù)線性關(guān)系。這些研究表明， 土體與基礎(chǔ)材料界面抗剪強(qiáng)度在很大程度上取決于負(fù)溫度、法向應(yīng)力、應(yīng)變速率、含冰量和土壤類型。 在寒旱區(qū)， 為了阻擋渠道襯砌開裂滲水、提升渠道抗凍脹能力，在渠基土和混凝土襯砌之間加入復(fù)合土工膜用于防滲， 復(fù)合土工膜具有良好的抗拉強(qiáng)度、抗撕裂強(qiáng)度和耐沖壓強(qiáng)度性能，埋在土壤中也具有耐腐蝕性和抗微生物侵蝕性。 加入復(fù)合土工膜后， 襯砌結(jié)構(gòu)凍脹效應(yīng)的研究多采用數(shù)值模擬方法。 董江偉等［7］模擬了弧底梯形和U形剛?cè)峄旌弦r砌渠道凍脹過程；張存等［8］對剛?cè)峄旌弦r砌渠道接觸特性進(jìn)行數(shù)值模擬， 得出復(fù)合土工膜與渠基土壤接觸面剪切變形和位移的分布規(guī)律。 剛?cè)釓?fù)合襯砌渠道基土、 復(fù)合土工膜及混凝土襯砌形成的接觸面不同于凍土-混凝土界面，凍土-復(fù)合土工膜-混凝土界面上的凍結(jié)強(qiáng)度受復(fù)合土工膜的影響， 從而在強(qiáng)度、形成特征及影響因素等各方面具有特殊性，對揭示剛?cè)釓?fù)合襯砌渠道的抗凍脹破壞機(jī)理具有重要理論意義，但目前的試驗研究還較少。 本文以凍土-復(fù)合土工膜-混凝土體系為對象進(jìn)行直剪試驗，研究界面凍結(jié)強(qiáng)度特征，分析凍結(jié)溫度、法向應(yīng)力、土體含水率等因素對界面凍結(jié)強(qiáng)度的影響， 并提出凍結(jié)強(qiáng)度與各影響因素間的擬合公式， 揭示復(fù)合土工膜對界面強(qiáng)度的影響機(jī)理， 為寒旱區(qū)剛?cè)釓?fù)合襯砌渠道的抗凍脹設(shè)計提供參考。

1 材料制備及實驗方法

實驗用土選自寧夏銀川市西干渠地表以下1 m深處的渠基土， 土質(zhì)含細(xì)粒土砂， 天然含水率為1.5%，最大干密度為1.86g/cm3，液限為21.6%，塑限為15.5%， 塑性指數(shù)為6.1， 土的粒徑粒度為＞1，1～0.25，0.25 ～0.075，＜0.075mm 的 分 布 分 別 為32.2%，12.2%，46.3%，9.3%。

按照《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》，土樣自然風(fēng)干后充分碾壓并過2mm篩。 實驗預(yù)設(shè)含水率為8%、13%、18%，充分拌合土樣，裝入鋁盒，在其表面覆蓋一層保鮮膜，靜置24h使水分均勻分布。 復(fù)合土工膜為由一層土工織物和一層高分子材料復(fù)合而成的一布一膜。

1.1 復(fù)合土工膜-混凝土試樣制備

受環(huán)刀尺寸的制約， 不能嚴(yán)格按照實際混凝土板的厚度、材料及配合比制作試樣，故選擇導(dǎo)熱系數(shù)和抗壓性能都與混凝土相近的水泥砂漿代替混凝土，忽略混凝土中粗骨料對抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)。復(fù)合土工膜-混凝土試樣直徑61.8mm，總高10mm，制作過程分為5步：①將復(fù)合土工膜裁剪成直徑為61.8mm的圓片， 挑選出表面光滑， 無明顯痕跡的備用； ②選用PO42.5的硅酸鹽水泥，水泥、河砂、水比例為2∶3∶1，充分拌合，由于試塊尺寸較小，拌合前應(yīng)將較大的砂石顆粒剔除；③高10mm環(huán)刀內(nèi)涂抹凡士林，放置于一塊光滑平整的玻璃上，將復(fù)合土工膜放入環(huán)刀內(nèi)，膜面朝向玻璃，布面朝外，向環(huán)刀內(nèi)填充水泥砂漿，抹平，使其和環(huán)刀高度齊平，制成復(fù)合土工膜-混凝土試樣；④將復(fù)合土工膜-混凝土試樣在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28d；⑤用千斤頂將試樣頂出，選取表面平整，厚度為10mm的作為備用試樣。

1.2 凍土-復(fù)合土工膜-混凝土試樣制備

選擇高20mm， 直徑61.8mm的環(huán)刀作為填充容器，制作過程：①選擇高為10mm的復(fù)合土工膜-混凝土試樣，將混凝土一面朝下，膜朝上放入環(huán)刀；②把配好含水率的土慢慢填裝進(jìn)環(huán)刀；③使用壓樣器，緩緩向下壓，讓土和環(huán)刀齊平，成型試樣高度為20mm；④用保鮮膜將土-復(fù)合土工膜-混凝土試樣包裹起來，放入冰箱凍結(jié)24h，讓樣品完全凍結(jié)，成為凍土-復(fù)合土工膜-混凝土試樣。

1.3 實驗方法

根據(jù)對寧夏地區(qū)地溫的實際觀測，采用-5，-10，-15℃3種凍結(jié)溫度，土樣含水率分為8%、13%、18%，法向應(yīng)力為50，100，200 kPa，共設(shè)計9組試驗。 為了進(jìn)行結(jié)果對比，制作了不含土工膜的凍土-混凝土試樣。由于制樣過程中，混凝土和復(fù)合土工膜已完全結(jié)為一體，故忽略兩者之間的摩擦效應(yīng)，使用南京寧曦土壤儀器有限公司生產(chǎn)的ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀進(jìn)行直剪試驗。 界面發(fā)生剪切破壞的依據(jù)為百分表讀數(shù)不變或明顯后退， 取指針后退之前或指針不變時對應(yīng)的讀數(shù)為界面抗剪強(qiáng)度，即峰值抗剪強(qiáng)度。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 剪切應(yīng)力-剪切位移曲線

凍土-混凝土界面峰值強(qiáng)度劃分為冰膠結(jié)強(qiáng)度、土與混凝土界面黏聚、摩擦作用三者構(gòu)成，而殘余強(qiáng)度由黏聚作用、 摩擦作用及少量重新凍結(jié)的膠結(jié)冰構(gòu)成。 忽略少量重新凍結(jié)的膠結(jié)冰在殘余強(qiáng)度中的作用，凍土-復(fù)合土工膜-混凝土界面抗剪強(qiáng)度可定義為：

式中 τ為界面抗剪強(qiáng)度（kPa）；τi為冰膠結(jié)力（kPa）；ci為黏聚力（kPa）；fi為摩擦力（kPa）。

圖1為凍土-復(fù)合土工膜-混凝土和凍土-混凝土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線。 剪切位移約為1mm時剪切應(yīng)力達(dá)到峰值，在此之前，剪切位移和剪切應(yīng)力之間基本呈線性變化。超過峰值強(qiáng)度之后，曲線均出現(xiàn)明顯的應(yīng)變軟化， 主要是冰晶間發(fā)生脆性破壞導(dǎo)致冰膠結(jié)力急劇下降。 由于復(fù)合土工膜布面與混凝土黏結(jié)為一體，隨著位移不斷增大，剪切強(qiáng)度主要由膜面和凍土間的黏聚力和摩擦力提供，曲線逐漸趨于平滑，達(dá)到殘余強(qiáng)度［4］，圖1（a）和（b）對比發(fā)現(xiàn)，有復(fù)合土工膜的界面抗剪強(qiáng)度比混凝土-凍土界面低，原因是兩種界面粗糙度不同造成的差異。

圖1 剪切應(yīng)力-剪切位移曲線

不同溫度和含水率下，抗剪強(qiáng)度隨法向應(yīng)力、溫度和含水率的變化關(guān)系如圖2～圖4。從圖2可知，法向應(yīng)力主要影響?zhàn)ぞ哿湍Σ亮Γ?峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度均隨法向應(yīng)力增大而增大， 冰膠結(jié)強(qiáng)度無明顯變化，這與何鵬飛等［4］的結(jié)論一致。 圖3中，凍結(jié)溫度主要影響峰值強(qiáng)度和冰膠結(jié)強(qiáng)度， 殘余強(qiáng)度無明顯變化。 溫度越低，峰值強(qiáng)度越大。 對于一定含水率的土體，當(dāng)凍結(jié)溫度較高時，土孔隙中存在較多的自由水和不穩(wěn)定的凍結(jié)自由水，冰膠結(jié)能力較弱。隨著溫度降低，自由水逐漸凍結(jié)成冰，凍土-復(fù)合土工膜界面析出的大量冰晶會形成一層具有膠結(jié)作用和強(qiáng)度的薄冰膜， 薄冰膜將凍土-復(fù)合土工膜-混凝土聯(lián)結(jié)成一個整體，具有抵抗剪切變形的能力。圖4中，含水率主要影響界面間的峰值強(qiáng)度和冰膠結(jié)強(qiáng)度， 兩者均隨含水率增大而增大，殘余強(qiáng)度變化不明顯。隨著溫度不斷降低，界面生成較多冰晶，能夠參與形成凍結(jié)力的冰分子增多，冰膠結(jié)作用得到增強(qiáng)，使得界面的黏聚力和抗剪強(qiáng)度增大［15］。 圖5是50kPa下冰膠結(jié)力隨含水率變化圖，對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，可以發(fā)現(xiàn)-5，-10，-15℃下冰膠結(jié)力擬合函數(shù)的斜率分別為0.9936，1.5457，2.9801，隨著溫度降低而增大。 冰膠結(jié)力大小與冰晶增長的速度和數(shù)量有關(guān)， 溫度下降越快，冰晶增長速度越快、冰晶數(shù)量增加越多，冰膠結(jié)作用得到增強(qiáng)，界面抗剪強(qiáng)度也因此增大?？傮w來講，法向應(yīng)力、溫度和含水率對峰值強(qiáng)度都有較大影響，冰膠結(jié)強(qiáng)度主要受溫度和含水率影響。

圖2 抗剪強(qiáng)度隨法向應(yīng)力的變化（-15℃）

圖3 抗剪強(qiáng)度隨凍結(jié)溫度的變化（13%含水率）

圖4 抗剪強(qiáng)度隨含水率的變化（-15℃）

圖5 冰膠結(jié)力隨含水率變化（50kPa）

為探究各試驗因素對結(jié)果的顯著性， 對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀分析和方差分析。限于篇幅，此處僅給出分析結(jié)果。分析表明，法向應(yīng)力為影響界面抗剪強(qiáng)度的主要因素，影響最為顯著。采用多元線性回歸方程建立接觸面峰值強(qiáng)度的回歸模型，可得到回歸方程：

式中 τmax為峰值抗剪強(qiáng)度（kPa）；ω為土體含水率（%）；F為法向應(yīng)力（kPa）；T為凍結(jié)溫度（℃）。

擬合相關(guān)系數(shù)為0.978，表明該回歸方程可用于模擬有土工膜的混凝土-凍土界面抗剪強(qiáng)度與土體含水率、法向應(yīng)力及凍結(jié)溫度間的關(guān)系。

2.2 界面強(qiáng)度特征

不同凍結(jié)溫度和含水率時， 峰值強(qiáng)度均隨法向應(yīng)力的增大而線性增強(qiáng)，摩爾-庫倫定律可用于描述凍土-復(fù)合土工膜-混凝土界面剪切特性。表1是通過莫爾-庫侖公式計算的不同含水率和凍結(jié)溫度時界面剪切強(qiáng)度指標(biāo)。可以看出，對凍土-復(fù)合土工膜-混凝土界面來說，法向應(yīng)力主要影響?zhàn)ぞ哿湍Σ亮?。含水率不變時，隨凍結(jié)溫度不斷降低，黏聚力增加較明顯，而內(nèi)摩擦角無明顯的變化趨勢。黏聚力包括峰值黏聚力和殘余黏聚力［4］，溫度主要影響著峰值黏聚力， 殘余黏聚力主要是土顆粒與土工膜界面的黏聚力。對比不加入土工膜的凍土-混凝土界面剪切強(qiáng)度指標(biāo)可知，溫度對界面強(qiáng)度的影響規(guī)律類似，其殘余黏聚力主要是土顆粒與混凝土界面的黏聚力。表1中還可看出，同一溫度和含水率前提下，無復(fù)合土工膜的界面內(nèi)摩擦角和黏聚力均高于有土工膜的界面， 說明復(fù)合土工膜在界面中主要提供摩擦力和黏聚力，并加劇著界面處土顆粒的滑動和翻滾，降低界面的抗剪強(qiáng)度。

表1 有無復(fù)合土工膜的界面剪切強(qiáng)度指標(biāo)

3 結(jié)語

（1）界面凍結(jié)強(qiáng)度符合莫爾-庫侖定律。 凍結(jié)強(qiáng)度主要由冰膠結(jié)力、 黏聚力和摩擦力構(gòu)成。 剪切應(yīng)力-剪切位移曲線呈應(yīng)變軟化， 具有明顯的峰值點；峰值強(qiáng)度、 殘余強(qiáng)度均低于同等溫度和含水率下的凍土-混凝土界面。

（2）法向應(yīng)力主要影響?zhàn)ぞ哿湍Σ亮?，對界面冰晶的膠結(jié)能力影響較小； 溫度和含水率均主要影響峰值強(qiáng)度和冰膠結(jié)強(qiáng)度， 對接觸面殘余強(qiáng)度影響不大。

（3）法向應(yīng)力對界面抗剪強(qiáng)度的影響最大，凍結(jié)溫度其次，含水率最低；建立了考慮含水率、法向應(yīng)力、 凍結(jié)溫度條件的凍土-復(fù)合土工膜-混凝土接觸面凍結(jié)強(qiáng)度回歸方程。

（4） 復(fù)合土工膜在界面中主要提供摩擦力和黏聚力，并加劇著界面處土顆粒的滑動和翻滾，降低界面的抗剪強(qiáng)度。