凍融過程對膨脹土渠道邊坡劣化模式的影響

蔡正銀，朱 銳，2，黃英豪，張 晨，郭萬里，陳 皓

（1.南京水利科學研究院 巖土工程研究所，江蘇 南京 210024；2.河海大學 土木與交通學院，江蘇 南京 210098）

1 研究背景

干濕循環(huán)作用和凍融循環(huán)作用的本質(zhì)都是由于水分的遷移或形態(tài)變化簡化而得的邊界條件?；诖?，大量的試驗研究、數(shù)值模擬研究和理論研究對干濕或凍融循環(huán)作用下的邊坡劣化失穩(wěn)機理進行了深入的探索[1-3]。由于應(yīng)力狀態(tài)和時間跨度方面均具有更好的相似性，離心模擬技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于巖土工程問題的研究中[4-5]。陳生水等[6-7]通過離心模型試驗對干濕循環(huán)作用下的膨脹土邊坡變形發(fā)展過程進行了探索，認為膨脹土渠道邊坡的劣化失穩(wěn)具有淺層性和漸進性的特點；陳皓等[8-9]開展了考慮干濕循環(huán)作用的膨脹土渠道邊坡破壞機制離心模型試驗研究，提出了淺層崩解剝落式的失穩(wěn)破壞形式。對于干濕循環(huán)作用下的膨脹土邊坡劣化失穩(wěn)機理，基本形成了統(tǒng)一認識，即干濕循環(huán)作用對膨脹土的裂隙發(fā)育和強度衰減有著促進作用，并由此削弱了膨脹土渠道邊坡的穩(wěn)定性。對于凍融循環(huán)作用下的邊坡劣化失穩(wěn)機理，受限于凍土離心模擬技術(shù)發(fā)展緩慢，僅有少數(shù)學者做了探索[10-11]，張晨等[12]通過自主研制的渠道凍脹離心模擬設(shè)備開展了凍融循環(huán)作用下的渠道邊坡劣化研究，認為在無外界水源補給的閉場系統(tǒng)中，凍融循環(huán)作用導致的渠基土凍脹融沉變形量較小；唐少容等[13]開展了考慮凍融循環(huán)作用的U 形襯砌渠道邊坡凍脹特性離心模型試驗，認為渠道在持續(xù)的低溫環(huán)境中未發(fā)生明顯的破壞，渠底和渠坡位置產(chǎn)生了顯著的凍脹變形。

圖1 北疆渠道劣化失穩(wěn)圖

然而，渠道現(xiàn)場并非單一的閉場系統(tǒng)，而是復雜的多物理場耦合系統(tǒng)。以北疆季節(jié)性供水渠道為例，渠道一般在4月通水、9月停水，此外該渠道處于高緯度季節(jié)性凍土地區(qū)，渠道現(xiàn)場冬季最低溫度和夏季最高溫度分別達到-40 ℃和30 ℃。從水分和溫度變化的角度出發(fā)，該渠道每年經(jīng)歷反復的濕干交替過程和凍融循環(huán)過程[14]。通水近20年的北疆季凍區(qū)輸水渠道已經(jīng)證實，干濕和凍融之間的相互影響和耦合循環(huán)作用會造成膨脹土渠道更加嚴重的劣化破壞，如圖1所示。對此，蔡正銀等提出了濕干凍融耦合循環(huán)邊界條件（下文簡稱耦合循環(huán)），對耦合循環(huán)作用下膨脹土的劣化機理進行了探索[15-16]，但對于耦合循環(huán)作用和濕干循環(huán)作用下膨脹土渠道邊坡劣化模式的異同，即耦合循環(huán)作用中的凍融過程對膨脹土渠道邊坡劣化模式的影響尚未得出明確結(jié)論。

鑒于此，通過模擬現(xiàn)場干濕交替、凍融循環(huán)的復雜多物理場環(huán)境，擬開展膨脹土渠道邊坡在濕干循環(huán)（WD）以及耦合循環(huán)作用（WDFT）下的離心模型試驗，描述濕干循環(huán)及耦合循環(huán)作用下膨脹土渠道邊坡的劣化過程，對耦合循環(huán)作用中的凍融過程對膨脹土渠道邊坡劣化模式的影響作進一步探討。

2 凍土離心模型試驗相似比尺

相似比尺是進行凍土離心模型試驗研究的理論依據(jù)[8]。Miller[17]最早對凍土離心模型試驗的相似比尺進行了研究，認為適用于“剛性冰”模型中土體應(yīng)力（孔隙冰壓力、有效應(yīng)力等）的相似比尺（原型/模型）為1。Savvidou 等則對土工離心模型試驗中的熱擴散效應(yīng)進行了研究，諸多學者基于此開展了離心模型試驗并對熱擴散效應(yīng)的相似比尺進行了驗證[18-19]。但是凍土作為一種多相介質(zhì)，顆粒間孔隙水相變引起的土體變形是多場耦合作用的結(jié)果，故以充分考慮水-熱耦合作用的相似比尺為依據(jù)的凍土離心模型試驗才能更為準確地反映寒區(qū)膨脹土渠道的凍融作用特征。鑒于此，試驗比尺參考文獻[19]以及張晨等[20]基于Butterfield 量綱分析法建立的一系列凍土離心模型試驗相似比尺，如表1所示。

3 試驗方案及試驗方法

3.1 試驗方案試驗以北疆膨脹土渠道邊坡為研究對象，2組濕干循環(huán)作用下的離心模型試驗和2組耦合循環(huán)作用下的離心模型試驗分別在南京水利科學研究院中型（60g·t）和大型（400g·t）土工離心機上進行，如圖2所示。其中，中型土工離心機上安裝有自制的濕干循環(huán)模擬裝置，主要由水箱、電子閥、鹵素燈、試驗控制系統(tǒng)等組成，可用于濕干循環(huán)作用下渠道穩(wěn)定性的離心模型試驗研究；大型土工離心機上安裝有自主研發(fā)的季凍區(qū)渠道濕干凍融離心模型試驗設(shè)備，主要由干濕系統(tǒng)、熱交換系統(tǒng)、試驗模型箱、地面冷卻水循環(huán)裝置、試驗控制系統(tǒng)等組成，可精準控制超重力場下模型渠道的水位升降過程、干燥過程、溫度（-40 ℃～30 ℃）變化過程，試驗即通過該設(shè)備在離心場下模擬了渠道經(jīng)歷濕潤-干燥-凍結(jié)-融化作用的過程。四組試驗用土均取自北疆渠道現(xiàn)場，且具有區(qū)域代表性，分別為弱～中等脹縮性的青色膨脹土和中～強脹縮性的黃色膨脹土，其土體參數(shù)如表2所示。

表1 試驗相似率（原型/模型）

圖2 試驗設(shè)備

表2 土樣基本性質(zhì)

北疆膨脹土渠道邊坡斷面為梯形，渠高約為5 m，渠水深度約為4 m，兩邊渠坡坡比均為1∶2?？紤]到渠坡斷面的對稱性，四組試驗均取現(xiàn)場渠道邊坡斷面的一半進行模擬。4組試驗均進行3次循環(huán)作用，其中，進行3次濕干循環(huán)作用，進行3次耦合循環(huán)作用。試驗設(shè)計離心加速度均為50g，進行縮尺計算后模型渠道的具體斷面尺寸如圖3所示。模型制作時首先按設(shè)定含水率和干密度配土分層擊實，再按設(shè)計尺寸進行開挖和削坡。其中，4組試驗模型土體干密度均為1.6 g/cm3，和的模型土體初始含水率分別為18.8%和18.4%。

圖3 模型尺寸和傳感器布置

為便于進行對比分析，僅選取4組試驗中均測量或捕捉的特征進行描述，即濕潤過程中渠基土的孔隙水壓力和模型渠道表面裂隙劣化特征。其中，采用的孔隙水壓力傳感器相同，尺寸為φ13×12.5 mm，量程為0～100 kPa，精度± 0.01 kPa。傳感器的具體布置方式如圖3所示。

3.2 試驗方法基于濕干循環(huán)[8-9]和濕干凍融耦合循環(huán)[15-16]簡化邊界條件分別進行換算，濕干循環(huán)和耦合循環(huán)的試驗方法和試驗步驟如圖4所示。其中，在中，在1g條件下注水至預定水位線處后再將離心機加速度從1g升至50g，以模擬濕潤過程；渠水排盡后通過模型箱頂部的鹵素燈光照射模型渠道，配合離心機自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的強迫對流來對模型渠道進行干燥。在中，通過離心機載水位升降裝置在不停機的情況下模擬渠道濕潤過程；隨后打開通風口，以離心機高速運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的風力吹過模型渠道上方模擬渠道現(xiàn)場風干過程；通過遠程設(shè)定半導體熱交換裝置的溫度輸出，分別自上而下的對模型渠道進行制冷/制熱（圖3（b））（機室環(huán)境溫度約為32 ℃），以模擬現(xiàn)場渠道的凍結(jié)和融化過程。渠道凍結(jié)過程的終止標準為達到現(xiàn)場渠道最大凍深2 m（對應(yīng)至離心模型試驗中為模型渠道法向深度40 mm），融化過程的終止標準為凍結(jié)土體全部融化，判斷標準基于模型渠道法向深度40 mm 測點處的溫度變化情況，即低于或高于0 ℃。從上述試驗方法可以看出，相較于不僅在簡化邊界條件上更為貼切現(xiàn)場復雜氣候條件，在模擬方式上也更為迎合現(xiàn)場渠道實際情況。

圖4 試驗方法和步驟

4 試驗結(jié)果與分析

4.1 凍融過程對渠水入滲的影響為更好地表征渠水入滲程度，引入無量綱數(shù)參數(shù)D，定義為實測孔壓傳感器讀數(shù)[8-9]與對應(yīng)位置靜水壓力計算的比值，D愈高即代表渠水入滲愈充分，當D為1時，表明該測點處渠基土已飽和。

圖5為不同循環(huán)次數(shù)下各測點處D的變化曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)隨著濕干循環(huán)或耦合循環(huán)次數(shù)的增長，四組試驗中D的變化規(guī)律相似，均呈不斷上升的趨勢。在同一組試驗中，不同循環(huán)次數(shù)后D的波動差別較大。這是因為在第一次循環(huán)過程中，土體初始飽和度較低，渠水入滲較為顯著進而導致孔隙水壓力消散，實測孔壓傳感器讀數(shù)較低且波動幅度較大；在第二次、第三次循環(huán)過程中，入滲行為趨于穩(wěn)定，D的波動差別隨之明顯降低。沿模型渠道斷面長度方向來看，D在模型渠底、渠坡、渠頂?shù)臄?shù)值逐步減小，表明渠水入滲不斷深入，且模型渠底的渠水入滲最為充分（D≈1、，飽和狀態(tài)）、渠坡次之（D為0.85～1，接近飽和狀態(tài)），渠頂入滲程度最低（D為0.6～0.95，非飽和狀態(tài)）。對比三次濕干循環(huán)和耦合循環(huán)作用過程中模型渠道的渠水入滲程度，中渠底、渠坡、渠頂處D的平均值均高于這說明耦合循環(huán)作用中的凍融過程使得渠水入滲進一步地深入，宏觀表現(xiàn)為渠水入滲量的增加。

將三次耦合循環(huán)后與濕干循環(huán)后D的均值繪制于圖6中。從圖6（a）中可以發(fā)現(xiàn)，在渠底、渠坡、渠頂處，和中的D值均高于且相較于分別增長約了1%、1%、27%和0.2%、4%、8%，表明耦合循環(huán)作用中的凍融過程使得渠頂處的渠水入滲量大幅增長，造成渠頂土體的干濕循環(huán)幅度增大，進而誘發(fā)渠頂土體的進一步劣化?？紤]到試驗中所用土料未剔除部分砂礫石雜質(zhì)，滲透系數(shù)應(yīng)略大于試驗中所用土料，可以認為計算得到的渠水入滲增量是較為保守的。另外，從圖6（b）中可以看出，中的D值在渠頂處高出約16%，而和中的D值則近似相等，表明濕干循環(huán)作用下土體膨脹性較強的模型渠道渠水入滲更為顯著，耦合循環(huán)作用下土體膨脹性對于模型渠道中渠水入滲行為的影響較小。

圖5 D 的變化曲線

圖6 D 的平均值

4.2 凍融過程對模型渠道劣化特征的影響在離心場下經(jīng)過三次濕干循環(huán)或耦合循環(huán)作用后，4組試驗中模型渠道均出現(xiàn)顯著的劣化特征，如圖7所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，無論是經(jīng)歷濕干循環(huán)作用還是耦合循環(huán)作用，模型渠道表面均出現(xiàn)了大量不規(guī)則的張拉裂隙，中這些不規(guī)則的張拉裂隙較為細小、分散，而中則呈現(xiàn)聯(lián)絡(luò)、集中的特征。從單元體角度來分析，可以認為單元土體由于失水收縮產(chǎn)生拉應(yīng)力，進而產(chǎn)生拉應(yīng)變，并最終會產(chǎn)生一個應(yīng)變集中點，誘發(fā)了張拉裂隙的產(chǎn)生，裂隙的拓展會導致裂隙周圍先前的拉應(yīng)變得到釋放，裂隙的拓展也因單元土體應(yīng)力場的重分布而放緩[21]。模型渠道邊坡可以看做若干個單元土體組成，故在濕干循環(huán)作用下，中產(chǎn)生了大量細小、分散的張拉裂隙。在中，凍結(jié)過程使得渠基土中的孔隙水產(chǎn)生了相變。在熱-水-力耦合作用下，重分布后的單元土體應(yīng)力場受凍脹變形的影響產(chǎn)生了變化。由于干燥失水后的淺層渠基土飽和度較低，在低溫環(huán)境下渠基土中的水分遷移過程并不顯著。而水分遷移通量越低，低溫條件下巖土體中的凍脹力越大，此時非平直裂隙壁面以壓應(yīng)力為主，裂隙尖端則以拉、剪應(yīng)力為主，造成裂隙尖端產(chǎn)生拉應(yīng)力集中和剪應(yīng)力集中[22-23]，分別導致已產(chǎn)生的裂隙進一步拓展和偏轉(zhuǎn)行為的發(fā)生。當溫度場再次產(chǎn)生變化（融化過程）時，渠基土的應(yīng)力場再次產(chǎn)生變化，一次完整的凍融過程使得干濕階段產(chǎn)生的裂隙進一步地拓展、連通，同時還發(fā)生了破碎、斷裂行為[15-16]。綜上所述，可以認為耦合循環(huán)作用中的凍融過程顯著加劇了渠頂及渠坡水位線以上區(qū)域中裂隙的進一步拓展，誘發(fā)的裂隙再次發(fā)育在宏觀上表現(xiàn)為裂隙的連通程度增高。

圖7 模型渠道劣化特征

此外，4組試驗中渠坡與渠頂?shù)慕唤缣幘霈F(xiàn)了一條貫穿渠頂表面的橫向裂隙，選取該裂隙進行定量分析，結(jié)果如表3所示?？梢姡淖畲髲埨严秾挾雀哂谳^約增加了20%，的最大張拉裂隙寬度和拓展深度均顯著高于，較分別增加了約96%、220%?？梢哉J為，在渠頂裂隙拓展過程中，耦合循環(huán)作用中的凍融過程顯著增大了渠頂裂隙寬度和裂隙深度，這也與上文所述渠頂處渠水入滲量顯著增加相對應(yīng)。此外，土體膨脹性強弱對于裂隙發(fā)育也有一定的影響，的最大張拉裂隙寬度較增加了12%左右，的最大張拉裂隙寬度和拓展深度較分別增加了83%和45%左右。無論是在濕干循環(huán)還是耦合循環(huán)作用下，相較于弱～中等脹縮性的青色膨脹土模型渠道，中～強脹縮性的黃色膨脹土模型渠道中裂隙拓展行為均更為明顯。前已述及，凍融過程對單元土體裂隙拓展有著明顯的促進作用[15]，而渠頂與渠坡交界處后緣張拉裂隙的進一步拓展發(fā)育除了上述作用外，還應(yīng)從渠道邊坡整體變形角度來考慮，中模型在離心力作用下模擬了現(xiàn)場渠道的應(yīng)力狀態(tài)，故在渠基土融化過程中，模型渠道邊坡整體產(chǎn)生了豎直方向的固結(jié)壓密，且渠坡及渠頂產(chǎn)生了水平方向位移[24]，進而引發(fā)渠基土應(yīng)力路徑偏轉(zhuǎn)，導致渠頂與渠坡處的后緣張拉裂隙進一步拓展，并最終發(fā)展為貫穿渠頂?shù)臋M向張拉裂隙。

表3 最大張拉裂隙定量參數(shù)

5 渠道劣化模式分析

前已述及，北疆季凍區(qū)膨脹土渠道邊坡在經(jīng)歷干濕交替、凍融循環(huán)作用下的劣化失穩(wěn)問題可以視為由上述兩種破壞模式相互混合、疊加造成的，基于離心模型試驗中渠道邊坡劣化過程及特征，對渠道劣化模式進行分析：渠道運行期間（即濕潤過程），渠水入滲導致淺層土體飽和度增大，與深部土體之間存在一定的含水率差，渠基土由于濕化作用會產(chǎn)生一定的變形；渠道停水階段（即干燥過程），渠道淺層土體經(jīng)歷風冷干燥過程，渠道淺層渠基土中的水分流失，渠基土表面由于失水收縮產(chǎn)生細小、分散的張拉裂隙，導致淺層渠基土的強度降低，已經(jīng)證明往復的濕干作用造成了膨脹土渠道邊坡淺層土體強度衰減和表面裂隙發(fā)育，并最終導致渠道邊坡淺層崩解剝落式的失穩(wěn)破壞[8-9]。而現(xiàn)場渠道除經(jīng)歷以上干濕交替作用外，還受到凍融作用的影響，中模擬的溫度場變化（-40 ℃～30 ℃）使得渠基土在濕干過程中產(chǎn)生的微細裂隙往深層拓展、偏轉(zhuǎn)，渠基土強度進一步降低[15-16]，誘發(fā)渠道邊坡發(fā)生豎直方向和水平方向的變形，并在渠頂與渠坡交界處產(chǎn)生一條貫穿渠頂?shù)臋M向張拉裂隙[26]?？梢哉J為，耦合循環(huán)作用中的凍融過程對膨脹土渠道邊坡劣化模式有著顯著的影響，誘使膨脹土渠道邊坡的劣化過程由淺層土體往深層土體發(fā)展，造成膨脹土渠道邊坡在耦合循環(huán)作用下有著自貫穿渠頂?shù)臋M向裂隙發(fā)生失穩(wěn)破壞的趨勢。

6 結(jié)論

通過自制的干濕裝置以及自主研發(fā)的季凍區(qū)渠道濕干凍融離心模型試驗設(shè)備，在離心場下分別開展了渠道邊坡劣化過程離心模型試驗，探討了耦合循環(huán)作用中的凍融過程對膨脹土渠道邊坡劣化模式的影響，得出如下結(jié)論：

（1）濕干循環(huán)作用下膨脹土渠道邊坡的劣化模式主要為淺層土體強度衰減和表面裂隙發(fā)育，同時伴隨著顯著的土體崩解剝落特征；濕干凍融耦合循環(huán)作用下膨脹土渠道邊坡劣化過程中則未出現(xiàn)明顯的土體崩解剝落現(xiàn)象，主要劣化模式為渠頂區(qū)域土體裂隙拓展、連通。

（2）耦合循環(huán)作用中的凍融過程對膨脹土渠道邊坡的劣化模式具有顯著的影響，誘使膨脹土渠道邊坡的劣化過程由淺層土體往深層土體發(fā)展，在宏觀上表現(xiàn)為渠頂及渠坡水位線以上區(qū)域土體裂隙的連通程度增高、拓展寬度及深度增大，并最終發(fā)展為貫穿渠頂?shù)臋M向張拉裂隙，造成耦合循環(huán)作用下的膨脹土渠道邊坡有著自貫穿渠頂?shù)臋M向裂隙發(fā)生失穩(wěn)破壞的趨勢。

（3）耦合循環(huán)作用中的凍融過程還使得渠頂處的渠水入滲量大幅增長，造成渠頂土體的干濕循環(huán)幅度增大，進而誘發(fā)渠頂土體進一步地劣化。