新疆某灌区U型渠水平冻胀力变化试验研究

张红良

（和田鼎晟工程试验检测有限公司，新疆 和田848000）

寒冷地区约占陆地总面积的50%，地面水分冻结是造成冻胀的主要原因，冻胀随着冻结面向下运动而发生，原孔隙中的水变成冰，其冻结时体积增加约9%［1-2］。由于冻胀产生的额外隆起是由于垂直于热流方向的冰透镜的形成造成的，因为水通过毛细作用穿过土壤孔隙向冰冻表面移动造成的［3］。 许多工程如果在季节性冻土上建设，就会遭受冻害。 因此，为了维持正常输水，降低工程造价，研究寒区渠道冻害机理是十分必要和迫切的。 本文在某灌区选择典型U型渠道，通过对其长达半年多的温度及应力监测，分析其水平冻胀力随时间的变化，以及不同埋深和土壤含水量对水平冻胀力变化的影响。

1 试验及水平冻胀力

1.1 试验

研究新疆某灌区，其冻土类型为少冰冻土，多年平均最大冻结深度2.3m，地表平均冻结温度-0.79 ℃，属于不稳定性多年冻土。

本文在互助县灌区内，选择某U型槽输水结构进行了试验研究，U型槽深度1.68m，宽度0.76m，在U型槽侧面的混凝土上及邻近的土壤内分别安装了12个应变计及21个温度传感器，分3排，每排放置4个应变计及7个温度传感器。 仪器布置如图1。

图1 U型槽尺寸及传感器布置

U型槽附近的温度传感器与U型槽间距0.3m，传感器之间的间距0.5m，竖向间距分别为0.5，0.6，0.3m。 试验周期1年，数据采集频率2次/月，本次采用QST100I和L多功能数据采集器［5］收集传感器传回的温度及压力监测数据。 温度传感器监测的地表温度数据如图2，监测时间为2014年9月～2015年7月。

图2 U型渠道旁地表温度变化曲线

由图2可看出，研究期内，地表温度在1月和2月达到一年中温度的最低值，最低温度-14.7 ℃，该时期为土体发生冻胀破坏最显著的时段，承受两侧土体的双向冻胀力。10月份和5月份为土体温度变化的两个转折点，10月份以后，随着温度降低，外界冷量逐渐流入土体内部，土体内水分逐渐发生冻胀，土体膨胀，U型槽两侧土体压力逐渐增大，到1月份达到最大值，随着温度的升高，5月份以后，温度由负温度变化正值，土体逐渐升温，冻胀力逐渐减小。

1.2 水平冻胀力计算

由于应力传感器所测得的是一点的应力，而并非实际工程中U型槽所受的水平冻胀力，因此需采用材料力学中的力矩公式转换计算获得。

本文将U型槽看做悬臂梁进行计算，其水平冻胀力σH如式（1）：

式中 σH为水平冻胀力 （kPa）；Fn为U型槽侧面总水平冻胀力，n=1，2，3；A为水平冻胀力作用面积（m2）。

计算简图如图3。

图3 U型渠道水平冻胀力分布

2 结果分析

不同深度处U型渠水平冻胀力随时间的变化曲线如图4，深度分别为0.24，0.56，0.88m。

图4 U型渠水平冻胀力随时间变化曲线

由图4可知，12月15日以前水平冻胀力接近0，其后外界温度逐渐降低，两侧土体发生冻胀，U型渠水平冻胀力逐渐增加。 2月份时，冻胀力达到最大值，0.24m深度处的冻胀力最大值-24.19，0.56m深度处的最大值-32.59，0.88m深度处的最大值-16.79。 3月初以后温度逐渐升高，水平冻胀力逐渐减小，土体内部温度逐渐升高。 0.56m和0.88m深度处的水平冻胀力变化趋势较相同，在温度最低的1月和2月份，土地深度最大，0.88m＞0.56m＞0.24m，冻胀力越大。

不同时间及深度处的水平冻胀力数值如表1。

表1 不同时间及深度处的水平冻胀力值 单位：kPa

由表1可知，传感器监测的水平冻胀力最大值出 现 在2018 年2 月15 日 ，为31.32kPa，土 壤 深 度0.56m，最低值出现在2017年11月15日，为1.86kPa，土壤深度0.88m。 可以看出并非随着土壤深度的增加，水平冻胀力也在增加，其表现出先增加后减小的趋势。

根据图4土壤温度在1月和2月达到最低值，而表1中最大水平冻胀力表现出延迟出现的现象，并未在1月份达到最大值。 原因是由于外界冷量在进入土壤内改变土壤应力，使其重分布的过程中，随着温度的降低，外界冷量由地表逐渐向下移动，土壤内水分逐渐冻结，但受白天温度回升影响，会影响水分冻结速率，水平冻胀力表现出缓慢增加的趋势，在1月份上层土壤的水分几乎完全冻结，而下层土壤水分并未完全冻结，因此随着冻结持续时间的推移，在2月份水平冻胀力达到了最大值。

王晓巍［6］、王涛［7］、石翔友［7］针对季节性冻土冻融规律的研究结果表明，土壤冻结存在单向冻结和双向融化，其单向冻结深度并不随土壤深度的增加而增大。在东北冻土区的研究表明，40cm深度处土壤的冻结达到最大值。结合本次应力试验结果，水平冻胀力并不随深度的增加而增加，表现出先增加后减小的趋势，与上述学者的冻结深度相符合，冻结深度最大处其冻胀力也较大。

为了进一步了解不同埋置深度及不同含水量U型渠水平冻胀特点，采用COMSOL Multiphysics有限元软件的固体力学模块对U型槽水平冻胀力进行了数值模拟，采用11月至第二年5月的温度及冻胀力数据对0.9和1.4m深度校准模型，模拟值与真实值模拟结果较好，误差均小于6%，能够反映实际U型渠的水平受力特性，其中粉质黏土的初始含冰量模型取0.6%，模型中采用线弹性理论计算U型槽冻胀变形。本文分别针对0.7m 及3m 深度，采用已建立的COMSOL Multiphysics模型研究了不同土体埋置深度下，U型槽水平冻胀力的变化，模型模拟结果如图5和图6。

图5 0.7m深度处U型槽水平冻胀力分布

图6 3m深度处U型槽水平冻胀力分布

由图5、图6可以看出，不同时间点水平冻胀力的变化趋势均相同，先增加后减小，0.7埋深U型槽达到冻胀力最大值的时间基本相同，深度在0.36m左右。而埋深3m较深的U型槽其冻胀力最大值随着温度的降低向下移动，由1.5m下降到1.8m左右。 可能是由于0.7m埋深U型槽与土体的接触面积较小，受双向冻结作用弱于3m埋深，表现出单向冻作用。两种埋深均在温度最低的2月15日达到冻胀力的最大值。

U型槽发生冻胀破坏有两方面的原因，随着温度的降低，一是由于土体颗粒发生冷缩，体积减小，二是由于土壤内水分发生冻胀，体积增加，导致渠道发生破坏。 土壤不同含水量（15%和20%，粉质黏土初始饱和度为0.33和0.46）下U型槽所受的水平冻胀力如图7和图8。

图7 含水量15%情况下水平冻胀力分布

图8 含水量20%情况下水平冻胀力分布

由图7、图8可以看出，两种含水量下水平冻胀力的变化趋势基本相同，均在2月15日水平冻胀力达到了最大值，在1月份起冻胀力达到最大值后随着深度的增加，冻胀力减小速度较快，最大冻胀力在0.56m深度处，为35.48kPa。

为了进一步对比不同埋深及含水量下水平冻胀力变化，选择东胀破坏最严重的2月份，绘制的对比图如图9和图10。

由图9和图10可以看出，随着埋深的增加，最大冻胀力也逐渐增加，变化显著，而最大冻胀力与埋深表现出正比关系。含水量越大，其最大水平冻胀力也越大，但其出现的深度基本相同，说明在埋深相同时，温度场对不同含水量的U型渠所受的冻胀力的影响主要集中渠道中部，上部和下部的变化基本相同。

图9 不同埋深下2月份水平冻胀力对比

图10 不同含水量2月份水平冻胀力

3 结语

通过对灌区U型渠道不同埋深及含水量下水平冻胀力的变化，并对比分析了最大水平冻胀力随深度的变化，得出的主要结论为：

（1）U型渠的水平冻胀力在2月份达到最大值，并非随着土壤深度的增加，水平冻胀力也在增加，其表现出先增加后减小的趋势。

（2）0.24m和0.56m深度处的最大值约为-24.19kPa和-32.59kPa。

（3）土壤不同埋深下，其冻胀力最大值随着埋深的增加，逐渐向下移动。

（4）不同含水量下，其冻胀力最大值出现的深度基本不变，位于渠道中部，上部和下部冻胀力具有相同的变化趋势。