高聚物材料改性下輸水渠道渠基土凍脹試驗研究

宋 濤

(新疆昌吉方匯水電設計有限公司，新疆 昌吉 831100)

1 試驗方法

為確保渠基土改良設計滿足實際工程需求，計劃采用人工合成地聚合物改性劑為重塑渠基土的改良摻加料[1]，實現抗凍脹、減沉降的效果。圖1(a)為自研土體凍脹試驗測試裝置，包括了低溫恒溫槽、環境溫度箱等，分別為圖1(b)、圖1(c)所示。低溫恒溫槽最低溫度可知-45 ℃，升溫速率區間為0.01～10.00 ℃/min，可根據試驗需求進行設定，環境溫度箱為恒溫環境，可避免外接溫度對試驗環境的影響，確保試樣處于均勻、恒定溫度場中。除此之外，本試驗還耦接有溫度數據裝置、LVDT位移監測裝置，兩者數據均通過獨立通道接至數據采集平臺，其中LVDT裝置量程為-15～15 mm，精度可至1‰，溫度采集儀作為試驗中溫度監測、溫度數據記錄的中控設備，其與PT 50溫度傳感器相連，具有實時傳輸以及數據實時處理的作用。

圖1 試驗裝置

試驗前，在頭屯河水庫下游K5+120～K10+800段內踏勘調研，發現渠基土分布為粉質壤土，顆粒中值粒徑為1.2 mm，級配良好，鉆孔取樣表面完整性較優。粉質壤土凍結層厚度可達1.5～2.5 m，分布厚度為2.8～4.2 m，含水率差異較大，K5+150～K6+450渠段內，粉質壤土含水率分布為12.5%～14.5%，而其他區段含水率差異明顯，有16.0%、12.0%，最大含水率可達19.5%。為此，為保證試驗樣品全面性，本試驗從渠道現場鉆孔取樣覆蓋含水率為12.0%～20.0%。經室內對現場樣品重塑后，加入人工高聚物改性劑，該類型高聚物具有纖維抗拉能力，同時抗滲能力可至P12。采用環刀法制作出直徑、高度分別為50 mm、100 mm試樣，并按照試驗含水率以及高聚物改性劑含量，分別進行人工含水率控比及改性劑控量，經分層壓實，削去多余表層顆粒，制作出滿足凍脹試驗需求試樣，圖2所示為原狀粉質壤土模型與分層摻雜高聚物改性劑的改良試樣。試驗過程中，制備好試樣放置恒溫環境箱內，在與冷凍室、溫度傳感器以及低溫恒溫槽連接后，測量裝置清零，設定好低溫恒溫槽溫度及受凍時間后，系統開始自動讀取試樣凍脹量及樣品內部溫度梯度變化，當凍脹量不超過0.04 mm/h后，視為穩定凍脹，可關閉低溫恒溫槽結束試驗。試驗凍脹時間均設定為120 h，凍結溫度設定為-20 ℃，在每一層高聚物改性劑處均布置有溫度梯度傳感器，如圖2(c)所示。

圖2 試驗模型

從頭屯河水庫干渠改良渠基土的實際現狀考慮，含水率以及高聚物改性劑含量為兩組典型影響因素，本試驗也是基于此開展。在含水率組中，改良渠基土試樣分別設定初始含水率為12%、14%、16%、18%、20%共五組，而高聚物改性劑含量組中以分層數為對比，假定試樣每層均布置9片高聚物改性劑，但是控制試樣內部的布置層數，分別以0層(原狀渠基土)、1層、2層、3層、4層、5層、6層為對比組，其中第一層距離試樣底部為10 mm，僅研究單一變量因素下改良土的凍脹變化?；诓煌M試樣凍脹試驗，對改良渠基土的凍脹演變過程展開對比分析。

2 改良渠基土凍脹特性影響

2.1 高聚物材料特征

基于不同層數的高聚物改良土試樣凍脹試驗，獲得了凍脹量時程特征，如圖3。根據圖3中凍脹量變化可知，不同層數的高聚物改良土在凍結過程中具有差異性變化特征，如層數為1層、2層的試樣均在初始凍結時間6 h時分別呈陡增變化，凍脹量在短時間內形成較高水平，而高聚物為3～6層時，初始凍結時間6～30 h，凍脹量呈緩慢平穩遞增趨勢。不僅于此，在臨近結束凍脹期，高聚物1層、2層下試樣凍脹量仍具有一定漲幅，而高聚物3～6層時，試樣凍脹量已處于平穩趨勢。從凍脹量差異化表現來看，高聚物層數愈多，改良土試樣凍脹表現愈弱，隨凍結時間演變，凍脹量整體變幅較低。相比原狀渠基土試樣，任何一個改良土試樣在進入穩定凍脹期內，凍脹量均為緩慢穩定遞增變化，而原狀渠基土在凍結時間18～60 h內，凍脹量的增長具有較為顯著不可控態勢，凍脹量平均增幅高達7.6%。分析認為，摻加高聚物改性劑后，改良土試樣凍脹量演變具有顯著抑制，同時高聚物層數愈多的試樣具有更強的凍脹約束表現[2]。

對比凍脹量可知，在原狀渠基土試樣中，整個凍結時間內，凍脹量分布為0.050～16.300 mm，平均每6 h內凍脹量可增長0.898 mm，增幅為8.1倍，而各改良渠基土試樣的凍脹量均弱于前者，如高聚物1層的改良土凍脹量較之原狀土減少了5.2%～17.2%，同時在凍結時間梯次6 h下，凍脹量平均增長了7.03倍。類似的，高聚物2層、4層、6層時，凍結時間梯次變化下，凍脹量的增幅分別為6.20倍、0.71倍、0.26倍，峰值凍脹量依次為13.800 mm、7.200 mm、6.160 mm，在高聚物層數1～6層下，每增長1層高聚物，改良土峰值凍脹量平均減少了15.7%，但降低趨勢在高聚物1～3層時更為顯著，而高聚物4～6層時，峰值凍脹量乃至凍脹穩定段位移，差幅均較小，即高聚物的增多，并沒有帶來更明顯的抗凍脹表現，故高聚物的層數控制在2～3層更適宜。

2.2 含水率特征

同樣的，基于不同含水率組下凍脹試驗，可獲得改良渠基土試樣凍脹量與含水率關系，如圖4。分析圖4可知，與高聚物材料影響初始凍脹過程不同，各含水率下改良土試樣凍脹量特征具有類似性，凍結速率呈“遞增-穩定”變化，凍結速率增長階段位于初始凍脹時間0～36 h，在此之后，各試樣凍脹量均處于穩定期。相比之下，含水率愈高，凍結速率整體愈大，在凍脹結束期與穩定期，均具有較顯著凍結速率，如含水率14%、18%兩試樣，分別在凍脹末期108～120 h內，凍結速率達0.050 mm/h、0.024 mm/h。綜合凍脹量曲線可看出，含水率不影響凍脹歷程變化，只會改變凍結速率水平，高含水率試樣具有更強的凍脹表現[3]。

對比凍脹量可知，含水率愈高，凍脹量愈大，且含水率超過18%后，凍脹量增長明顯高于其他含水率試樣。在含水率12%下，試樣凍脹量分布為0.050～6.900 mm，隨凍脹時間梯次6 h變化，凍脹量平均增長了0.34 mm，增幅為41.4%，而含水率為14%、18%、20%下，試樣峰值凍脹量較之前者分別提高了43.6%、82.3%、179.6%，特別是在含水率18%、20%下，峰值凍脹量較之含水率16%下分別增長了14.6%、31.9%?？傮w上看，含水率每梯次2%變化，引起峰值凍脹量平均提高了1.200 mm，增幅為13.8%，而在含水率18%后，峰值凍脹量分布為10.300～11.750 mm，增幅遠高于其他含水率試樣。由此分析不難看出，含水率對試樣凍脹過程的影響在于控制凍脹率，且含水率超過18%后，試樣凍脹表現受之影響敏感更大。

3 改良渠基土凍脹過程溫度梯度變化

基于凍脹試驗數據監測，可獲得改良渠基土凍脹過程溫度梯度變化特征，如圖5。由圖5可知，含水率變化，試樣峰值溫度梯度與高聚物層數關系仍保持一致，且具有二次函數關系，峰值溫度梯度最低點為高聚物3層試樣。在高聚物層數遞增過程中，試樣峰值溫度梯度為先減后增變化，遞減段位于高聚物1～3層試樣，而高聚物4～6層試樣下峰值溫度梯度為遞增變化。以含水率12%下為例，在高聚物4～6層時，試樣峰值溫度梯度分布為2.04～3.22 ℃，而在高聚物1～3層時，峰值溫度梯度平均減少了15.4%。當含水率增大后，峰值溫度梯度不僅整體水平得到提高，且峰值溫度梯度隨高聚物層數變化幅度更大，含水率16%、20%兩試樣峰值溫度梯度較之含水率12%下分別增長了0.59～1.38倍、1.25～2.43倍，且此兩者試樣在高聚物1～3層，峰值溫度梯度平均提高了17.8%、23.5%。分析表明，含水率愈大，則試樣凍脹過程中溫度梯度變化收高聚物層數影響愈敏感；結合凍脹時程影響特性[4]，在各含水率方案下，溫度梯度以高聚物3層時最優，抗凍脹表現最好，因而頭屯河水庫下游渠道整治渠基土可考慮以此為參考。

圖5 峰值溫度梯度受含水率、高聚物特征影響變化

4 結 論

(1)高聚物改性劑含量不同，初始凍脹試樣具有較明顯差異，且高聚物含量愈多，則改良土凍脹表現愈弱；每6 h凍結時間內，原狀土試樣凍脹量平均增幅達8.1倍，而高聚物1層、4層、6層下增幅分別為7.03倍、0.71倍、0.26倍，隨高聚物含量變化，4～6層改良土試樣整體凍脹量差幅較小。

(2)含水率不影響改良土凍脹量時程曲線，凍結速率均為“遞增-穩定”變化，整體上以高含水率試樣凍結速率更大；含水率愈高，凍脹量愈大，含水率每梯次2%變化，引起峰值凍脹量平均增幅為13.8%，且含水率超過18%后，凍脹量增幅表現加強。

(3)改良土試樣峰值溫度梯度與高聚物層數具有二次函數關系，在高聚物1～3層與4～6層，溫度梯度分別為遞減、遞增變化；含水率愈高，試樣溫度梯度受高聚物含量影響愈敏感。

(4)結合凍脹時程特征與溫度梯度變化，含水率會改變凍結速率，不影響凍脹量發展趨勢，而高聚物為3層時改良土抗凍脹效果最好。