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 (1).pdf

第卷第期水 利 科 学 与 寒 区 工 程V o l ,N o 年月H y d r oS c i e n c ea n dC o l dZ o n eE n g i n e e r i n gA u g,罗强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J水利科学与寒区工程,():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 )摘要:复合土工膜在寒区渠道防渗抗冻工程设计中具有重要价值和作用,显示出良好的工程恒应用前景,而土工膜和冻土之间的抗剪强度直接影响渠坡的安全性和稳定性.此次研究利用室内试验的方式,探讨了低温冻结条件下渠道基土与复合土工膜界面抗剪强度的影响因素和规律,可以为相关理论研究和工程设计提供支持和借鉴.关键词:低温冻结;冻土;复合土工膜;黏聚力;内摩擦角中图分类号:P 文献标志码:A文章编号:()收稿日期:作者简介:罗强(),男,甘肃甘谷人,工程师,主要从事农田水利工程建设管理工作.E m a i l:c o m.材料与方法 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.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 mm,布厚为 mm,质量为 k g/m,刺破强度为 k N,抗拉强度为 k N,纵向伸长率为 .由于此次直剪试验剪切盒直径为 mm,因此要将整块的土工膜裁剪成直径 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、和.试验方案界面抗剪强度会受到诸多因素的影响.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个主要影响因素展开研究.其中,选择黏土、粉土和砂土等种不同性质的土样;选择、等种不同的含水率以及、以及 等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个试件,以其均值作为试验结果,提升试验结果的精度.试验方法试验过程中选择直径 mm、高 mm的环刀作为混凝土试件的浇筑模具.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、水按照的比例称量并充分拌合,然后导入环刀制作混凝土试件.在试件制作完毕后静置 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 d龄期.将自 然 风 干 的 土 样 碾 压 过 筛,剔 除 其 中 粒径mm的颗粒,然 后 按 照 预 设 含 水 率、和 添加水分并搅拌均匀,放入塑料袋中密封静置 h,使水分均匀混合于土样之中.选择直径 mm,高 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 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.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.试验结果与分析 土样性质在试 验 过 程 中 保 持 的 土 样 含 水 率 和 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 k P a,而内摩擦角最小,为 ;砂土的黏聚力最小,为 k P a,内摩擦角最大,为 .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.表不同性质土样黏聚力和内摩擦角试验结果土样性质黏聚力/k P a内摩擦角/()黏土 粉土 砂土 含水率在试验过程中 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,结果如表所示.根据试验数据,绘制出黏聚力和内摩擦角的变化图不同性质土样黏聚力和内摩擦角曲线,结果如图所示.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.表不同土样含水率黏聚力和内摩擦角试验结果含水率/黏聚力/k P a内摩擦角/()图不同含水率土样黏聚力和内摩擦角变化曲线水 利 科 学 与 寒 区 工 程第卷 冻结温度在试验过程中选择含水率 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.表不同冻结温度方案黏聚力和内摩擦角试验结果冻结温度/黏聚力/k P a内摩擦角/()图不同冻结温度土样黏聚力和内摩擦角变化曲线 结论()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.()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.()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.参考文献:岳娟,盛金昌,王惠民,等岩石混凝土界面抗剪强度劣化研究进 展 J水 利 水 电 科 技 进 展,():,李梦瑶,李永辉,吕梦凡,等粉土混凝土界面与粉土剪切对比试验 研 究 J地 下 空 间 与 工 程 学 报,():,刘开富,许家培,周青松,等土工格栅土体界面特性大型直剪 试 验 研 究 J岩 土 工 程 学 报,(S):王永洪,张明义,白晓宇,等剪切速率对黏性土混凝土界面抗剪强度影响的试验研究J土木与环境工程学报(中英文),():熊甜甜,廖红建,杨博,等加筋土筋土界面抗剪强度影响因素试验 研 究 J地 下 空 间 与 工 程 学 报,():第期罗强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