低温冻结条件下渠道基土与复合土工膜界面抗剪强度研究

罗 强

(甘谷县水务局，甘肃 甘谷 741200)

1 材料与方法

1.1 试验材料

此次试验选用的为灌溉渠道防渗抗冻设计中常用的复合土工膜[1]。该土工膜有一层土工织物和一层高分子材料复合而成，具有较好的延伸性和抗拉强度，同时界面摩擦系数也得到显著提高。经样品测试，其膜厚为0.8 mm，布厚为2.8mm，质量为781 kg/m2，刺破强度为0.97 kN，抗拉强度为21 kN，纵向伸长率为151%。由于此次直剪试验剪切盒直径为61.8 mm，因此要将整块的土工膜裁剪成直径61.8 mm的圆形。

试验土样选某灌区渠系改造工程现场，分别为黏土、粉质黏土和砂土。经测定，其黏粒含量分别为80%、40%和10%。

1.2 试验方案

界面抗剪强度会受到诸多因素的影响[2]。研究中结合渠道复合土工膜-混凝土衬砌柔性支护结构的实际工作环境和特点，选择土样性质、含水率以及冻结温度等3个主要影响因素展开研究。其中，选择黏土、粉土和砂土等3种不同性质的土样；选择6%、12%、18%等3种不同的含水率以及-10 ℃、-15 ℃以及-20 ℃等3种不同的冻结温度进行试验。试验中采用固定两个因素水平，对第三个因素进行试验的方式进行。每种试验方案在试验中测试3个试件，以其均值作为试验结果，提升试验结果的精度。

1.3 试验方法

试验过程中选择直径61.8 mm、高10 mm的环刀作为混凝土试件的浇筑模具[3]。为了方便后期脱模，需要在其内壁均匀涂抹一层凡士林。在环刀内放置一块光滑平整的玻璃，然后将复合土工膜膜面向下放置在玻璃上。将硅酸盐水泥、河沙、水按照2∶3∶1的比例称量并充分拌合，然后导入环刀制作混凝土试件[4]。在试件制作完毕后静置24 h脱模，在编号之后将其放入养护室在标准养护条件下养护至28 d龄期。

将自然风干的土样碾压过筛，剔除其中粒径>2 mm的颗粒，然后按照预设含水率8%、13%和18%添加水分并搅拌均匀，放入塑料袋中密封静置24 h，使水分均匀混合于土样之中。

选择直径61.8 mm，高20 mm的环刀作为填充容器，将养护好带有复合土工膜的混凝土试件放入环刀，使土工膜一面向上。将配置好的土倒入环刀并击实。利用保鲜膜包裹好制作完成的试件放入冰箱，在试验规定的冻结温度条件下冻结24 h备用。

由于试样制作过程中混凝土和复合土工膜已经完全结为一体，两者之间结合强度较高，一般不会发生相对滑动[5]。因此，在试验中可以直接使用直剪仪对冻土和复合土工膜界面进行直剪试验。关于界面抗剪强度，黏聚力和内摩擦角是十分重要的参数，因此研究中以上述两个参数为标准，对不同性质土样、不用冻结温度、不同含水率条件下的界面抗剪强度进行试验评价。

2 试验结果与分析

2.1 土样性质

在试验过程中保持12%的土样含水率和-15 ℃的冻结温度不变，对不同性质土样方案进行直剪试验。根据试验中获取的数据，确定出不同性质土样方案界面的黏聚力和内摩擦角，结果如表1所示。根据试验数据，绘制出黏聚力和内摩擦角分布图，结果如图1所示。从试验结果可以看出，土样性质对冻土-土工膜界面的黏聚力和内摩擦角存在十分显著的影响，黏土、粉土和砂土界面的黏聚力和内摩擦角试验结果存在十分显著的差别，具体来看，黏土的界面黏聚力最大为105.24 kPa，而内摩擦角最小，为15.67°；砂土的黏聚力最小，为30.35 kPa，内摩擦角最大，为32.44°。由此可见，冻土-土工膜界面的黏聚力随着图样中黏粒含量的增加而增大，而内摩擦角则呈现出不断减小的变化特征。因此，渠基土为黏土时，能够有效提升土工布和冻土界面的抗剪性能，有利于冻融条件下坡面的稳定性。

图1 不同性质土样黏聚力和内摩擦角

表1 不同性质土样黏聚力和内摩擦角试验结果

2.2 含水率

在试验过程中-15 ℃的冻结温度不变，对不同含水率条件下的粉土土样方案进行直剪试验。根据试验中获取的数据，计算出不同含水率土样方案界面的黏聚力和内摩擦角，结果如表2所示。根据试验数据，绘制出黏聚力和内摩擦角的变化曲线，结果如图2所示。从试验结果可以看出，随着土体含水率的增加，冻土-复合土工膜界面的内摩擦角呈现出不断减小的变化趋势而黏聚力呈现出不断增加的变化趋势。究其原因，主要是土体含水率的增加会使界面冰晶数量增多。但是，随着剪切的进行，界面的冰晶开始融化，界面的未冻水含量增加。显然，土体含水率的增加会导致未冻水含量的增加，因此会产生更明显的润滑作用，导致内摩擦角减小。另一方面，未冻水数量的增加，会有效补充土体内部的毛细水，造成土体孔隙减小和土体的结构性增强，因而界面黏聚力增强。

图2 不同含水率土样黏聚力和内摩擦角变化曲线

表2 不同土样含水率黏聚力和内摩擦角试验结果

2.3 冻结温度

在试验过程中选择含水率12%的粉土作为土样，对不同冻结温度方案的试件进行直剪试验。根据试验中获取的数据，计算出不同冻结温度方案界面的黏聚力和内摩擦角，结果如表3所示。根据试验数据，绘制出黏聚力和内摩擦角的变化曲线，结果如图3所示。由试验结果可以看出，随着冻结温度的降低，界面的黏聚力呈现出不断增大的变化特征，内摩擦角呈现出小幅减小的变化特点。究其原因，主要是冻结温度较低时，界面的冰晶数量会有所增长，因此冰胶结强度不断增加，有利于黏聚力的提升。另一方面，界面冰晶数量的增加会导致剪切过程中未冻水含量的增加，因此会产生更明显的润滑作用，导致内摩擦角减小。

图3 不同冻结温度土样黏聚力和内摩擦角变化曲线

表3 不同冻结温度方案黏聚力和内摩擦角试验结果

3 结 论

(1)冻土-土工膜界面的黏聚力随着土样中黏粒含量的增加而增大，而内摩擦角则呈现出不断减小的变化特征。

(2)随着冻结温度的降低，界面的黏聚力呈现出不断增大的变化特征，内摩擦角呈现出小幅减小的变化特点。

(3)随着冻结温度的降低，界面的黏聚力呈现出不断增大的变化特征，内摩擦角呈现出小幅减小的变化特点。