灌区田间渠系水工建筑物循环冻胀机理试验探究

陈金波,何修亮

(黑龙江省水利监督保障中心,哈尔滨 150001)

0 前 言

三江平原灌区田间配套工程是贯彻落实习近平总书记重要指示批示精神的重大举措,是通过工程换水实现三江平原地表水与地下水采补平衡的根本措施,也是落实藏粮于地、藏粮于技战略,全面提升三江平原粮食产能的重要保障。三江平原灌区田间配套工程位于黑龙江省三江平原腹地,横跨黑龙江省季节冻土区。黑龙江省季节冻土区水利工程建设开发,柔软土地基部位的换填土施工应用较广泛,较多出现了土体固结下沉、冻胀损坏的相对问题。高分子聚合物轻质混合土在结构体减重、降低侧壁土体压应力的稳定优点得到了广泛的关注,颗粒轻质混合土的特点为轻量性,还兼具其流动性、自然硬性、均质化性、较易加工等特点,文章在预防冻胀问题的研究从而使颗粒轻质混合土在岩土工程中的拓展和利用方面有着积极的意义。高分子聚合物颗粒轻质土中,原料黏土取自青龙山灌区田间配套支渠堤坝。由低液限黏土、粉煤灰、减水外加剂、硅酸盐水泥、水、高分子聚合物颗粒按选定比例混合,经搅拌机械翻拌成混合料。这种混合料具有密度比小,热效率传导慢,热效阻隔强和保温效果优等特点。为了深入探究预防冻胀破坏成因成效,拓展预制混凝土矩型槽在渠道应用条件,利用模拟冻融循环模型,对颗粒轻质土的保温效能及预防冻胀破坏进行实测和论证,为颗粒混合轻质土在三江平原季节冰冻地区的典型推广确定理论依据和使用方法,使灌区田间配套渠系水工建筑物在季节冻胀区的冻胀损坏降至最低。

1 结构体模型试验标准

1.1 试验目的

通过在室内低温梯度模型试验,比较结构体底板在不同掺量颗粒轻质土的混凝土矩型槽渠道在冻融空间域下的温差梯度场、冻胀量程区间变化(颗粒轻质土掺量比例为2%,3%,4%)。确定冻胀损坏对预制混凝土矩型槽渠道温差梯度场及冻胀损失边界定量,并对矩型槽渠道在反复冻胀条件下,其结构耐久性进行数据采集分析和坚固性定量对比量测。

1.2 试验内容

结构模型试验具体观测内容:①用温差梯度场监测模型土体内部温差梯度场;②用冻胀量程监测模型土体的冻胀量程变化。

1.3 试验装置及设备

本次试验将在黑龙江省季节冻土区工程冻土重点实验室2#低温试验室进行。室内模型试验箱体尺寸(长×宽×高)5.0m×3.5m×2.0m。测试数据采集设备是选用Datataker智能可编程数据采集器系统,本系统可同时具备7个数字通道、10～30个传感器通道,同步采集系列数据。米科系列温度巡检仪、安捷伦PT200温度传感器、北京环宇T系列自回复直线位移传感器。

1.4 试验土料

1.4.1 混合料试验用土

试验所用扰动土取自木兰香磨山灌区续建配套工程渠系建筑物冻胀损坏试验段现场,试验用土主要物理力学指标,见表1。试验土样按水利部行业标准《土工试验规程》(SL237-1999)土料物理性能的标准进行试验。

表1 试验用土主要物理力学指标

1.4.2 高分子聚合物颗粒

试验采用高分子聚合物颗粒,直径在2～4mm之间,堆积密度0.024g/cm3

1.4.3 固化剂

采用425普通硅酸盐水泥为轻质土的凝固剂。

1.4.4 外加剂

丙烯酸脂共聚乳液、SB-10引气剂、木质素磺酸盐减水剂。

1.4.5 试验投料比

高分子聚合物颗粒轻质土配合比,见表2。

表2 高分子聚合物颗粒轻质土配合比

2 试验方案

2.1 试验用传感器

1)数据采集装置:Datataker智能可编程数据采集器系统。

2)温度传感器:米科系列温度巡检仪、安捷伦PT200温度传感器

3)位移传感器:北京环宇T系列自回复直线位移传感器。

2.2 模型比尺选择

本结构模型采用线性回归方程比尺为控制比尺,选定的构架比尺为Bl=1∶10。

据此,模型试验的相似构架比尺设计如下:

1)时间比尺为Bτ=Bl2=100。

2)温度比尺为Bt=1。

3)湿度比尺为Bω=1。

2.3 相似条件的实现

模型箱结构净尺寸:5.0m×3.5m×2.0m。

试验方案模拟一个冻融过程中温差梯度、冻深、冻胀量程等的变化区间。为保证土体温度场与野外实际工况有近似的相关性,将试验土体地表温度控制在-18～5℃,试验环境温度控制在-28～18℃。另外,在升温融化阶段利用控制柜对环境温度进行调控外,还对模型箱体底板区域温差进行控制,在近似天然工况下,冻结土层中的土体温度场,实现双向融化。根据野外冻土场地区温度观测结果,底板区域温度控制在10±1℃[2]。

2.4 模型试验方案设计

模型试验传感器布置方案所需传感器种类及数量。所需传感器数量:①温度传感器:50个;②位移传感器:5个。

模型试验量测仪器及设备主要包括温度、变形。温度观测采用米科系列温度巡检仪、安捷伦PT200温度传感器,冻胀变形观测采用北京环宇T系列自回复直线位移传感器。数据采集使用温度巡检仪和Datataker智能可编程数据采集器系统。

3 试验过程控制

3.1 架构模型制作

1)备好试验用粉质土料,室内模型试验箱体尺寸5.0m×3.5m×2.0m(长×宽×高)在试验箱内分层填筑符合控制密度的试验段粉质黏土,每一层填筑后记录各层填筑土密度及含水率等数据,在第一层典型位置埋设温度和位移传感器,并记录各类传感器初始值。

2)本架构模型采用类比试验手段,模型分为四种配比的土体结构形式。第一结构槽为模拟原状土体,第二、三、四结构槽填筑不同密度的高分子聚合物颗粒土,混凝土矩型架构槽的外型尺寸:2.0m×0.3m×0.3m。填筑厚度20cm,开挖备用。

3)按配比将粉质黏土、水泥、水、三种掺量的高分子聚合物颗粒、外加剂混合翻拌成相应密度的高分子聚合物颗粒轻质土。依次填筑平整到第二、三、四结构槽作为保温垫层,标准养护28d,在其上铺装混凝土矩型槽。槽身两侧用级配良好砂填充整平,在两侧打孔埋设温度及传感器。

4)对结构模型试验装置进行饱水处理。

5)四种架构模型模拟土体充分渗水饱和,将模拟试验室室内温度标定为恒温状态,使模型土结构体内范围温度达到10℃左右时,开启降温准备。

3.2 温度传感器设置

3.2.1 传感器雨填埋设置

对需要埋入的各个传感器进行统一编号,注明其位置及类型。然后,按设计图纸在相应位置埋设对应的传感器,用数据采集仪记录各传感器的初始值,以及施工过程各参数的变化。

3.2.2 传感器的连接与调试

传感器埋入土体的相应位置后,及时在数据采集仪的相应通道上连接传感器,并在传感器接线端贴上标签,编号与埋设传感器时注明的编号一致。传感器连接好后,进行数据采集,查看数据采集情况并记录初始值,如数据显示不正常(如发生溢出等情况),则根据问题的类型进行相应的调整,待调试完成后再进行下一工序。

3.3 结构模型饱水和补水

3.3.1 模型饱水

模型结构制作完成的高分子聚合物颗粒轻质土垫层需要保温养护28d,并对模型试验箱进行饱和水处理,使试验土体达到饱和状态,其饱和度按土体的饱和含水量进行控制。

3.3.2 模型补水

利用模型试验装置的补水系统实现对试验土体进行补水要求。为模拟开敞式冻结条件的试验进行期间,一直进行补水,补水水位观测通过补水箱的水位尺进行控制。

4 温度过程控制方案

4.1 试验降温过程设计方案

模型架构采用以冻深为主的降温过程渐变方案,模拟初始冻结到全部融化的历时过程,四种配比土体全部融化后的阶段,将不再参考模拟。根据哈尔滨实测资料,平均冻结期为210d,历年最大冻深2.0m。由时间比尺Bt=16.7 ,线性回归方程比尺Bl=5 ,温度比尺Bτ=1.5,确定模型试验进行12d(283h),确定最大冻深为60cm[1]。

试验空间温度控制历程按4个时段进行,每个时段温度控制历程如下[2]:

1)降温持续时段:时间0～65h,试验用时65h,空间温度2～-28℃;

2)低温保持时段:时间65～120h,试验用时55h,空间温度保持-25℃;

3)升温持续时段:时间120～230h,试验用时110h,空间温度-25～25℃;

4)保持恒高温到完全融化时段:时间230～285h,试验历时55h,空间温度保持25℃。

5 抗冻胀模型试验结果及分析

5.1 土体温度场变化过程分析

5.1.1 1#不掺高分子聚合物颗粒轻质土垫层

开始降温试验前,对结构模型周边区域初始温度进行收集,记录温度为7.6℃。经对试验环境空间进行降温阶段,环境温度至-28℃,在恒温阶段至环境温度稳定到最大冻深温度-25℃,此时对结构模型周边区域温度进行收集,记录温度为-19℃,经对移位传感器数据收集显示,矩型槽结构模型出现5cm左右隆起变形。待数据采集完成后,开始升温试验阶段,升温过程温度梯度量程达50℃,从-25～25℃,从恒高温至结构模型周边土体完全融化阶段,环境温度保持在25℃时,观察结构模型周边土体呈显出多条纵向贯通裂缝深度达60cm。在本次模拟天然环境空间冻融循环试验过程,从观测数据和表观状况,矩型槽结构模型存在明显的冻胀损坏。

5.1.2 2#掺2%高分子聚合物颗粒轻质土垫层

降温试验前,对结构模型周边区域初始温度进行收集,记录温度为7.9℃。经对试验环境空间进行降温阶段,环境温度至-28℃,在恒温阶段至环境温度稳定到最大冻深温度-25℃时,对结构模型周边区域温度进行收集,记录垫层以下土体周边区域温度-17℃,垫层以上土体周边区域温度-7℃。经对移位传感器数据收集显示,U型槽结构模型出现3cm左右隆起变形。待数据采集完成后,开始升温试验阶段,升温过程温度梯度量程达50℃,从-25～25℃,从恒高温至结构模型周边土体完全融化阶段,环境温度保持在25℃,此时观察结构模型周边土体也呈显出多条纵向贯通裂缝深度达43cm,裂缝深度较原无配比垫层缩小17cm。在模拟天然环境空间冻融循环试验过程,从观测数据和表观状况,矩型槽结构模型也程现出冻胀损坏[3]。

5.1.3 3#掺3%高分子聚合物颗粒轻质土垫层

降温试验前,对结构模型周边区域初始温度进行收集,记录温度为7.4℃。经对试验环境空间进行降温阶段,环境温度至-28℃,在恒温阶段至环境温度稳定到最大冻深温度-25℃时,对结构模型周边区域温度进行收集,记录垫层以下土体周边区域温度-14℃,垫层以上土体周边区域温度-1℃。再对移位传感器数据收集显示,结构模型矩型槽出现隆起0.5cm左右。待数据采集完成后,开始升温试验阶段,升温过程温度梯度达50℃,从-25～25℃,从恒高温至结构模型周边土体完全融化阶段,环境温度保持在25℃,此时观察结构模型周边土体呈显出多条纵向贯通裂缝深度达18cm,裂缝深度较原无配比垫层缩小32cm。经本次模拟天然环境空间冻融循环试验过程中观测数据和表观状况得出,结构模型冻胀损坏程度较前两个配比有明显减小。

5.1.4 4#掺4%高分子聚合物颗粒轻质土垫层

降温试验前,对结构模型周边区域初始温度进行收集,记录温度为7.0℃。经对试验环境空间进行降温阶段,环境温度至-28℃,在恒温阶段至环境温度稳定到最大冻深温度-25℃时,对结构模型周边区域温度进行收集,记录垫层以下土体周边区域温度-10℃,垫层以上土体周边区域温度5℃。经对移位传感器数据收集显示,矩型槽结构模型未出现隆起变形。待数据采集完成后,开始升温试验阶段,升温过程温度梯度达50℃,从-25～25℃,从恒高温至结构模型周边土体完全融化阶段,环境温度保持在25℃,此时观察结构模型周边土体还是呈显出多条纵向贯通裂缝深度达6cm,裂缝深度较原无配比垫层缩小54cm。本次模拟天然环境空间冻融循环试验过程中观测数据和表观状况看,矩型槽结构模型基本未出现冻胀损坏现象。

5.2 冻胀量、最大冻深分布的分析

不同掺量高分子聚合物颗粒轻质土模型试验冻胀量统计表,见表3;不同掺量高分子聚合物颗粒轻质土模型试验最大冻深统计表,见表4。

表3 不同掺量高分子聚合物颗粒轻质土模型试验冻胀量统计表

表4 不同掺量高分子聚合物颗粒轻质土模型试验最大冻深统计表

6 结 论

1)模拟空间环境试验过程中,使温度差变化梯度场布局总体达到土体单向分布冻结、法向分布融化的季节冻土区基础土体的冻融循环变化规律。历经冻融循环时空分布后,架构模型模拟温度差变化梯度场分布均匀,没有形成温度区间夹层,促使架构热量在土体内部空间传递效率均匀。

2)结合高分子聚合物颗粒不同配比掺量的递增,模型架构体的冻胀程度和冻结深度逐渐降低,掺入量递增后,冻胀程度和冻结深度的边界削减也同步递增,其中掺比量4% 的颗粒轻质土对冻胀程度边界消减率达90%,冻深边界削减率达44%,表现出高分子聚合物颗粒掺入量递增后,达到架构土体冻胀程度、冻结深度边界削减效果有显著提高。

3)低温模型架构试验有效总结出4种密度的高分子聚合物颗粒轻质土垫层对混凝土矩型槽渠道起到了相应程度的温差效能,可以有效抵御渠系基础土体冻胀边界变化对混凝土矩型槽渠道建筑物使用功能的冻胀损坏。