高聚物材料改性下输水渠道渠基土冻胀试验研究

宋 涛

(新疆昌吉方汇水电设计有限公司，新疆 昌吉 831100)

1 试验方法

为确保渠基土改良设计满足实际工程需求，计划采用人工合成地聚合物改性剂为重塑渠基土的改良掺加料[1]，实现抗冻胀、减沉降的效果。图1(a)为自研土体冻胀试验测试装置，包括了低温恒温槽、环境温度箱等，分别为图1(b)、图1(c)所示。低温恒温槽最低温度可知-45 ℃，升温速率区间为0.01～10.00 ℃/min，可根据试验需求进行设定，环境温度箱为恒温环境，可避免外接温度对试验环境的影响，确保试样处于均匀、恒定温度场中。除此之外，本试验还耦接有温度数据装置、LVDT位移监测装置，两者数据均通过独立通道接至数据采集平台，其中LVDT装置量程为-15～15 mm，精度可至1‰，温度采集仪作为试验中温度监测、温度数据记录的中控设备，其与PT 50温度传感器相连，具有实时传输以及数据实时处理的作用。

图1 试验装置

试验前，在头屯河水库下游K5+120～K10+800段内踏勘调研，发现渠基土分布为粉质壤土，颗粒中值粒径为1.2 mm，级配良好，钻孔取样表面完整性较优。粉质壤土冻结层厚度可达1.5～2.5 m，分布厚度为2.8～4.2 m，含水率差异较大，K5+150～K6+450渠段内，粉质壤土含水率分布为12.5%～14.5%，而其他区段含水率差异明显，有16.0%、12.0%，最大含水率可达19.5%。为此，为保证试验样品全面性，本试验从渠道现场钻孔取样覆盖含水率为12.0%～20.0%。经室内对现场样品重塑后，加入人工高聚物改性剂，该类型高聚物具有纤维抗拉能力，同时抗渗能力可至P12。采用环刀法制作出直径、高度分别为50 mm、100 mm试样，并按照试验含水率以及高聚物改性剂含量，分别进行人工含水率控比及改性剂控量，经分层压实，削去多余表层颗粒，制作出满足冻胀试验需求试样，图2所示为原状粉质壤土模型与分层掺杂高聚物改性剂的改良试样。试验过程中，制备好试样放置恒温环境箱内，在与冷冻室、温度传感器以及低温恒温槽连接后，测量装置清零，设定好低温恒温槽温度及受冻时间后，系统开始自动读取试样冻胀量及样品内部温度梯度变化，当冻胀量不超过0.04 mm/h后，视为稳定冻胀，可关闭低温恒温槽结束试验。试验冻胀时间均设定为120 h，冻结温度设定为-20 ℃，在每一层高聚物改性剂处均布置有温度梯度传感器，如图2(c)所示。

图2 试验模型

从头屯河水库干渠改良渠基土的实际现状考虑，含水率以及高聚物改性剂含量为两组典型影响因素，本试验也是基于此开展。在含水率组中，改良渠基土试样分别设定初始含水率为12%、14%、16%、18%、20%共五组，而高聚物改性剂含量组中以分层数为对比，假定试样每层均布置9片高聚物改性剂，但是控制试样内部的布置层数，分别以0层(原状渠基土)、1层、2层、3层、4层、5层、6层为对比组，其中第一层距离试样底部为10 mm，仅研究单一变量因素下改良土的冻胀变化。基于不同组试样冻胀试验，对改良渠基土的冻胀演变过程展开对比分析。

2 改良渠基土冻胀特性影响

2.1 高聚物材料特征

基于不同层数的高聚物改良土试样冻胀试验，获得了冻胀量时程特征，如图3。根据图3中冻胀量变化可知，不同层数的高聚物改良土在冻结过程中具有差异性变化特征，如层数为1层、2层的试样均在初始冻结时间6 h时分别呈陡增变化，冻胀量在短时间内形成较高水平，而高聚物为3～6层时，初始冻结时间6～30 h，冻胀量呈缓慢平稳递增趋势。不仅于此，在临近结束冻胀期，高聚物1层、2层下试样冻胀量仍具有一定涨幅，而高聚物3～6层时，试样冻胀量已处于平稳趋势。从冻胀量差异化表现来看，高聚物层数愈多，改良土试样冻胀表现愈弱，随冻结时间演变，冻胀量整体变幅较低。相比原状渠基土试样，任何一个改良土试样在进入稳定冻胀期内，冻胀量均为缓慢稳定递增变化，而原状渠基土在冻结时间18～60 h内，冻胀量的增长具有较为显著不可控态势，冻胀量平均增幅高达7.6%。分析认为，掺加高聚物改性剂后，改良土试样冻胀量演变具有显著抑制，同时高聚物层数愈多的试样具有更强的冻胀约束表现[2]。

对比冻胀量可知，在原状渠基土试样中，整个冻结时间内，冻胀量分布为0.050～16.300 mm，平均每6 h内冻胀量可增长0.898 mm，增幅为8.1倍，而各改良渠基土试样的冻胀量均弱于前者，如高聚物1层的改良土冻胀量较之原状土减少了5.2%～17.2%，同时在冻结时间梯次6 h下，冻胀量平均增长了7.03倍。类似的，高聚物2层、4层、6层时，冻结时间梯次变化下，冻胀量的增幅分别为6.20倍、0.71倍、0.26倍，峰值冻胀量依次为13.800 mm、7.200 mm、6.160 mm，在高聚物层数1～6层下，每增长1层高聚物，改良土峰值冻胀量平均减少了15.7%，但降低趋势在高聚物1～3层时更为显著，而高聚物4～6层时，峰值冻胀量乃至冻胀稳定段位移，差幅均较小，即高聚物的增多，并没有带来更明显的抗冻胀表现，故高聚物的层数控制在2～3层更适宜。

2.2 含水率特征

同样的，基于不同含水率组下冻胀试验，可获得改良渠基土试样冻胀量与含水率关系，如图4。分析图4可知，与高聚物材料影响初始冻胀过程不同，各含水率下改良土试样冻胀量特征具有类似性，冻结速率呈“递增-稳定”变化，冻结速率增长阶段位于初始冻胀时间0～36 h，在此之后，各试样冻胀量均处于稳定期。相比之下，含水率愈高，冻结速率整体愈大，在冻胀结束期与稳定期，均具有较显著冻结速率，如含水率14%、18%两试样，分别在冻胀末期108～120 h内，冻结速率达0.050 mm/h、0.024 mm/h。综合冻胀量曲线可看出，含水率不影响冻胀历程变化，只会改变冻结速率水平，高含水率试样具有更强的冻胀表现[3]。

对比冻胀量可知，含水率愈高，冻胀量愈大，且含水率超过18%后，冻胀量增长明显高于其他含水率试样。在含水率12%下，试样冻胀量分布为0.050～6.900 mm，随冻胀时间梯次6 h变化，冻胀量平均增长了0.34 mm，增幅为41.4%，而含水率为14%、18%、20%下，试样峰值冻胀量较之前者分别提高了43.6%、82.3%、179.6%，特别是在含水率18%、20%下，峰值冻胀量较之含水率16%下分别增长了14.6%、31.9%。总体上看，含水率每梯次2%变化，引起峰值冻胀量平均提高了1.200 mm，增幅为13.8%，而在含水率18%后，峰值冻胀量分布为10.300～11.750 mm，增幅远高于其他含水率试样。由此分析不难看出，含水率对试样冻胀过程的影响在于控制冻胀率，且含水率超过18%后，试样冻胀表现受之影响敏感更大。

3 改良渠基土冻胀过程温度梯度变化

基于冻胀试验数据监测，可获得改良渠基土冻胀过程温度梯度变化特征，如图5。由图5可知，含水率变化，试样峰值温度梯度与高聚物层数关系仍保持一致，且具有二次函数关系，峰值温度梯度最低点为高聚物3层试样。在高聚物层数递增过程中，试样峰值温度梯度为先减后增变化，递减段位于高聚物1～3层试样，而高聚物4～6层试样下峰值温度梯度为递增变化。以含水率12%下为例，在高聚物4～6层时，试样峰值温度梯度分布为2.04～3.22 ℃，而在高聚物1～3层时，峰值温度梯度平均减少了15.4%。当含水率增大后，峰值温度梯度不仅整体水平得到提高，且峰值温度梯度随高聚物层数变化幅度更大，含水率16%、20%两试样峰值温度梯度较之含水率12%下分别增长了0.59～1.38倍、1.25～2.43倍，且此两者试样在高聚物1～3层，峰值温度梯度平均提高了17.8%、23.5%。分析表明，含水率愈大，则试样冻胀过程中温度梯度变化收高聚物层数影响愈敏感；结合冻胀时程影响特性[4]，在各含水率方案下，温度梯度以高聚物3层时最优，抗冻胀表现最好，因而头屯河水库下游渠道整治渠基土可考虑以此为参考。

图5 峰值温度梯度受含水率、高聚物特征影响变化

4 结 论

(1)高聚物改性剂含量不同，初始冻胀试样具有较明显差异，且高聚物含量愈多，则改良土冻胀表现愈弱；每6 h冻结时间内，原状土试样冻胀量平均增幅达8.1倍，而高聚物1层、4层、6层下增幅分别为7.03倍、0.71倍、0.26倍，随高聚物含量变化，4～6层改良土试样整体冻胀量差幅较小。

(2)含水率不影响改良土冻胀量时程曲线，冻结速率均为“递增-稳定”变化，整体上以高含水率试样冻结速率更大；含水率愈高，冻胀量愈大，含水率每梯次2%变化，引起峰值冻胀量平均增幅为13.8%，且含水率超过18%后，冻胀量增幅表现加强。

(3)改良土试样峰值温度梯度与高聚物层数具有二次函数关系，在高聚物1～3层与4～6层，温度梯度分别为递减、递增变化；含水率愈高，试样温度梯度受高聚物含量影响愈敏感。

(4)结合冻胀时程特征与温度梯度变化，含水率会改变冻结速率，不影响冻胀量发展趋势，而高聚物为3层时改良土抗冻胀效果最好。