萬開唯，王 斌，2，3

（1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021；2.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，寧夏 銀川 750021；3.寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心，寧夏 銀川 750021）

1 研究背景

季節(jié)性凍土地區(qū)的混凝土襯砌渠道受到渠基土的不均勻凍脹變形影響[1］，發(fā)生開裂，造成水分滲漏，嚴(yán)重影響了輸配水渠道的正常運(yùn)行。影響渠基土凍脹力學(xué)性能的因素主要是土壤凍結(jié)溫度和水分條件。寧夏地區(qū)冬季氣溫日較差及年較差大，渠基土凍脹明顯，同時(shí)土壤物理風(fēng)化強(qiáng)，土壤質(zhì)地偏輕，多為沙質(zhì)土及壤質(zhì)黏土。由于土質(zhì)原因，渠基土的凍脹量十分顯著[2，3］，對渠道襯砌的破壞作用明顯。

研究發(fā)現(xiàn)，凍土力學(xué)性能變化與加載速率，溫度、含水率和土質(zhì)都有十分密切的關(guān)系。凍土的抗壓強(qiáng)度隨著溫度的降低而升高[4，5］。凍土的制樣技術(shù)同樣會(huì)影響力學(xué)性能的測定，制樣技術(shù)的不同通常會(huì)反映出不同的力學(xué)性能，研究[6］得出兩頭壓實(shí)法比分層擊實(shí)法能制作出更加均勻的土樣。動(dòng)態(tài)加載條件下凍土力學(xué)性能的研究[7，8］，進(jìn)一步完善了凍土力學(xué)的發(fā)展，為探明襯砌渠道凍脹破壞打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

很多學(xué)者對凍土的力學(xué)性能進(jìn)行了大量的研究，也提出了相應(yīng)的本構(gòu)模型來描述了凍土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。但基于凍土力學(xué)性能的復(fù)雜性和多樣性，研究成果還未能全面反應(yīng)所有工程條件下的凍土力學(xué)特性，而輸水襯砌渠道中渠基凍土的力學(xué)性能還少有人研究。由于輸水渠道不同深度的土壤溫度及水分差異明顯[9］，其在水熱變化條件下的力學(xué)性能及其產(chǎn)生的凍脹作用存在明顯不均勻性，襯砌渠道在這種不均勻凍脹作用下發(fā)生變形導(dǎo)致開裂及破壞同樣呈現(xiàn)不均勻性。本文通過采集渠基土樣，制備凍土試樣并進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，研究水熱變化對渠基凍土的力學(xué)性能的影響，渠基凍土彈塑性模量和變形性能的變化，為進(jìn)一步研究不均勻凍脹作用下對襯砌渠道破壞提供依據(jù)。

2 凍土試樣制備及試驗(yàn)方法

2.1 土壤特性

試驗(yàn)用渠基土取自寧夏石嘴山市平羅縣永惠村，土樣取自D80-U 形襯砌渠道兩側(cè)，由于寧夏地區(qū)平均凍土深度在1 m 左右[10］，故取土深度選為1 m。渠道為東西走向的田間灌溉斗渠。襯砌渠道斷面如圖1 所示。試驗(yàn)測得土壤的天然含水率為33.26%，密度1.80 g／cm3，土質(zhì)為黏土。土的顆粒級配曲線，見圖1。

圖1 土的顆粒級配曲線

2.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)采用的設(shè)備為LD26.105 微機(jī)控制的電子萬能試驗(yàn)機(jī)，最大軸向荷載為100 kN，精度0.5 級。試驗(yàn)機(jī)搭載的高低溫試驗(yàn)箱的控溫范圍為-50℃到50℃，精度±1℃。凍土試樣的凍結(jié)采用海爾-40℃超低溫冰柜，凍結(jié)過程中使用JM3816 應(yīng)變采集儀搭配PT-100 型熱電偶（精度±0.01℃）監(jiān)測土樣表面溫度及中心溫度，確證土樣達(dá)到相應(yīng)凍結(jié)溫度。

2.3 試樣制備

凍土試樣采用直徑d=50 mm，高度h=100 mm 的圓柱形土樣，見圖2。天然土樣從現(xiàn)場采集后，將其破碎，過2 mm 土工篩，去除土中雜質(zhì)。篩過的土樣在105℃下烘8 h 以上。待土樣冷卻后，加入所需含水率的水，攪拌均勻，放置24 h。清洗模具，把土樣分次均勻的放入模具擊實(shí)。制備好的土樣和模具一起在-10℃凍結(jié)8 h 后取出，在脫模機(jī)上快速脫模。最后在試驗(yàn)溫度下凍結(jié)48 h 后，即可用于試驗(yàn)。

圖2 凍土單軸抗壓試樣

2.4 試驗(yàn)方案

為研究水熱變化對凍土力學(xué)性能的影響。本試驗(yàn)制備了10%、15%、20%、25%、30%、35%含水率的凍土試樣在-1℃、-5℃、-10℃、-15℃、-20℃溫度下凍結(jié)，研究溫度和含水率對力學(xué)性能的影響。每組試驗(yàn)制備4 個(gè)土樣，通過萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，得出不同土樣的抗壓強(qiáng)度，同時(shí)繪制應(yīng)力-應(yīng)變曲線。試驗(yàn)方案見表 1。

表1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)中，高低溫試驗(yàn)箱的溫度設(shè)定為凍土試樣的凍結(jié)溫度，并維持2 h，待箱內(nèi)溫度保持穩(wěn)定后再開展試驗(yàn)。

單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)控制加載速率設(shè)定為1.0%／min，當(dāng)力值達(dá)到峰值或穩(wěn)定時(shí)，再繼續(xù)增加3%～5%的應(yīng)變值，即可停止試驗(yàn)；如果力值一直增加，則試驗(yàn)進(jìn)行到軸向應(yīng)變達(dá)到或大于20%止。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

凍土試樣在凍結(jié)過程中，將同批次試樣A、B 插入PT-100 型熱電偶，采集土體中心溫度，確保土體內(nèi)外溫度一致。凍土試樣的凍結(jié)過程為封閉系統(tǒng)，無外界補(bǔ)水，保證在凍結(jié)過程中含水率不會(huì)發(fā)生變化。從土體的凍結(jié)時(shí)間曲線（見圖 3）可以看出，凍土試樣在前12 h 溫度下降較快，達(dá)到了0.3℃／h，12 h～24 h 后，試樣的降溫速率減慢，僅為0.11℃／h，48 h 后土樣的溫度基本保持穩(wěn)定，達(dá)到了試驗(yàn)要求溫度。

圖3 土體的凍結(jié)時(shí)間曲線

3.1 含水率對渠基土抗壓強(qiáng)度的影響

通過分析發(fā)現(xiàn)單軸抗壓試驗(yàn)中含水率10%～20%的試樣通常發(fā)生整體破壞，出現(xiàn)貫通裂縫和斜裂縫。曲線沒有明顯的彈性屈服點(diǎn)，呈現(xiàn)連續(xù)的應(yīng)變硬化-軟化形態(tài)，有峰值強(qiáng)度。隨著含水率升高（25%～35%）試樣多發(fā)生局部破壞，從試樣兩端開裂膨脹，呈啞鈴形態(tài)。凍土試樣的曲線有明顯的屈服變形，峰值強(qiáng)度不明顯。不同含水率下凍土試樣破壞形態(tài)見圖 4。

圖4 不同含水率試樣破壞圖

相同溫度下，凍土試樣的抗壓強(qiáng)度隨著含水率的上升而提高，但在超過一定含水率（30%）后，抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)了下降。分析可知，隨著溫度的降低，土中的水轉(zhuǎn)化成冰結(jié)晶，冰結(jié)晶與土顆粒間的黏聚力增強(qiáng)，抗壓強(qiáng)度提高。低含水率下，土中形成冰結(jié)晶不足，土顆粒間粘聚力弱，比較松散，破壞時(shí)土樣變形較小，沒有明顯屈服點(diǎn)。含水率上升到20%后，冰結(jié)晶數(shù)量增多，粘聚力增大，破壞時(shí)變形增大，抗壓強(qiáng)度提高，改變了曲線的形態(tài)。超過一定含水率（30%）后，土中冰結(jié)晶已經(jīng)飽和，大量的冰結(jié)晶破壞了土體原有的狀態(tài)，粘聚力下降，抗壓強(qiáng)度下降，見圖 5。

圖5 不同含水率試樣抗壓應(yīng)力應(yīng)變曲線

通過統(tǒng)計(jì)分析可知，凍土的抗壓強(qiáng)度和初始含水率在相同的凍結(jié)溫度下具有一定的相關(guān)性，見圖 6?？梢允褂脭M合公式表示為：

圖6 不同含水率試樣抗壓強(qiáng)度擬合曲線

其中fc為凍土的單軸抗壓強(qiáng)度，MPa； 為凍土的初始含水率，%。

3.2 溫度對渠基土抗壓強(qiáng)度的影響

溫度對于不同含水率凍土試樣的抗壓強(qiáng)度影響顯著。從-1℃下降到-20℃，含水率15%凍土抗壓強(qiáng)度提高，但曲線都沒有明顯的屈服變形，有峰值強(qiáng)度，呈現(xiàn)連續(xù)的應(yīng)變硬化軟化形態(tài)， 25%和35%的凍土曲線有明顯的屈服變形，峰值強(qiáng)度不明顯，如圖 7 所示。相同初始含水率下溫度的下降沒有改變曲線的形態(tài)。溫度在凍結(jié)溫度（0℃）附近時(shí)，不同初始含水率的凍土抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)都很低。分析認(rèn)為此時(shí)凍土中只有少量的水轉(zhuǎn)換成冰結(jié)晶，土與冰晶間粘聚力較小，試樣的抗壓強(qiáng)度很小。

圖7 不同溫度下凍土應(yīng)力應(yīng)變曲線

如圖 8 所示，低含水率（15%）的試樣在0℃到-10℃抗壓強(qiáng)度增長不明顯，-10℃到-20℃間平均增長率為0.49 MPa／℃。隨著含水率的增加（25%，35%）試樣的平均增長率分別為0.69 MPa／℃和0.59 MPa／℃。低含水率試樣的抗壓強(qiáng)度增長率小于高含水率的試樣。這和土中含水量較少，土中的水轉(zhuǎn)化成冰結(jié)晶的數(shù)量有限，粘聚力較低有關(guān)。

圖8 不同溫度下試樣的抗壓強(qiáng)度及擬合曲線

溫度的降低提高了凍土試樣的抗壓強(qiáng)度。在溫度-20℃下，25%含水率的凍土試樣的單軸抗壓強(qiáng)度為7.59 MPa，大于15%和35%含水率的凍土試樣。分析認(rèn)為當(dāng)土壤含水率過多或過少時(shí)，冰晶數(shù)量都會(huì)降低冰晶與土顆粒間的粘聚力，凍土中存在一個(gè)適宜含水率，此時(shí)力學(xué)性能表現(xiàn)最優(yōu)，抗壓強(qiáng)度最大。

統(tǒng)計(jì)分析表明凍土試樣的抗壓強(qiáng)度和溫度存在較強(qiáng)的相關(guān)性。溫度變化下，不同含水率凍土的抗壓強(qiáng)度增長趨勢差異皆明顯。凍土抗壓強(qiáng)度和溫度的擬合公式為：

其中fc為凍土的單軸抗壓強(qiáng)度，MPa； 為凍土的凍結(jié)溫度，℃。

4 結(jié)論

（1）隨著土壤初始含水率的增加，凍土的抗壓會(huì)上升，在超過30%含水率后，強(qiáng)度出現(xiàn)下降。

（2）25%～35%含水率的凍土單軸抗壓時(shí)會(huì)發(fā)生屈服變形，峰值強(qiáng)度不顯著，應(yīng)力-應(yīng)變曲線形態(tài)發(fā)生改變。

（3）凍土凍結(jié)溫度的降低，其抗壓強(qiáng)度呈線性增加的趨勢，土壤的初始含水率越高，隨著凍結(jié)溫度的降低，強(qiáng)度增長率越大。

（4）含水率較低（＆lt;15%）和凍結(jié)溫度在結(jié)冰點(diǎn)（0℃）附近的凍土抗壓?？梢姵跏己实淖兓蛢鼋Y(jié)溫度的不同是渠基土發(fā)生非均勻凍脹的重要條件。