李 明，高金花*，張浩，孫方成，高銀哲

(1.長春工程學(xué)院 水利與環(huán)境工程學(xué)院，長春 130012；2.吉林省水工程安全與災(zāi)害防治工程實驗室，長春 130012；3.吉林省松原灌區(qū)工程建設(shè)有限公司，吉林 松原 138000；4.松花江水力發(fā)電有限公司吉林白山發(fā)電廠，吉林 樺甸 132403）

0 引 言1

【研究意義】傳統(tǒng)渠道襯砌材料以混凝土、漿砌石為主，隨著砂石等建筑材料開采量的增加，傳統(tǒng)建材成本逐漸提高，新型建筑材料的研發(fā)成為研究重點。鹽漬土作為一種有溶陷[1-3]、鹽脹[4]等特殊力學(xué)性質(zhì)的土體，廣泛分布于吉林西部地區(qū)，具有諸多不良的工程特性且利用價值極低。采用固化技術(shù)將鹽漬土作為渠道襯砌原材料，可有效解決鹽漬土地區(qū)無襯砌渠道產(chǎn)生的溶陷沖蝕破壞的問題。吉林西部作為國家重要的商品糧生產(chǎn)基地，渠道襯砌的新型材料研發(fā)有助于防滲工程優(yōu)化，對水資源節(jié)約與糧食增產(chǎn)具有重要意義。【研究進展】鹽漬土固化技術(shù)主要是將水泥、礦渣、生石灰、粉煤灰、水玻璃等材料[5-7]單一或復(fù)合混摻，形成固化劑，再與鹽漬土、水按照一定比例混合，通過各材料的化學(xué)反應(yīng)來提高鹽漬土自身的力學(xué)性能，以達到固化效果。在渠道襯砌結(jié)構(gòu)方面，U 形渠道防滲、抗凍性能較好。與其他結(jié)構(gòu)斷面相比，U形結(jié)構(gòu)斷面覆蓋性更優(yōu)，每公里輸水損失率可減少3.7%[8]，灌水均勻度在85%以上[9]。對于襯砌結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬，孫景路等[10]采用ABAQUS 軟件分析了矩形渠道在給定工況下的受力狀態(tài)，對矩形渠道構(gòu)件進行優(yōu)化，證明了優(yōu)化后構(gòu)件的市場應(yīng)用價值。張偉等[11]采用有限元軟件對拋物線形渠道構(gòu)件進行了應(yīng)力場及位移場分布規(guī)律的研究，但其模擬過程未考慮周圍土體和動力問題。溫彤[12]采用ABAQUS 軟件對U 形渠道進行凍脹模擬分析并建立了整體式U 形渠道混凝土襯砌凍脹數(shù)值模型，但未考慮凍土與構(gòu)件間的相互作用。

【切入點】目前，鹽漬土固化技術(shù)的研究主要集中在土壤改良及路基填料方面[13-14]，將其應(yīng)用于渠道襯砌材料方面的研究甚少，且對渠道襯砌構(gòu)件的數(shù)值模擬缺乏實際復(fù)雜運行條件下的深入探討?！緮M解決的關(guān)鍵問題】鑒于此，本研究通過無側(cè)限抗壓強度試驗、室內(nèi)凍融試驗、滲透試驗確定最優(yōu)材料配比，并利用ABAQUS 軟件對該材料配比下的U 形斷面構(gòu)件在吊裝及不同運行工況下的受力、位移情況進行分析，探究將鹽漬土作為渠道構(gòu)件生產(chǎn)原材料的可行性，為固化鹽漬土U 形渠道的施工優(yōu)化提供技術(shù)支撐。

1 試驗材料與方案

1.1 試驗材料

1）試驗土料

試驗用土料取自吉林省松原市乾安縣所字鎮(zhèn)圖字村東北方向2.7 km 處的漫灘地。該地區(qū)的鹽漬土主要為砂質(zhì)黏壤土，粒度成分以細粒為主。試驗土樣的易溶鹽量為8.16 g/kg，pH 值為9.81，最優(yōu)含水率為16.8%。

2）固化劑

試驗采用自主研發(fā)的蘇打鹽堿土抗凍裂型固化劑[15]，主要成分為水泥、硅酸鈉、玄武巖纖維。

1.2 試驗方案

1）試樣制備

以固化劑摻量和初始含水率為影響因素進行組合試驗，固化劑摻量設(shè)定在20%～45%，以梯度5%增加，每種固化劑摻量下的含水率設(shè)定在14%～20%，以梯度2%增加，試驗共計24 組處理，記為D1—D24。依據(jù)《水泥土配合比設(shè)計規(guī)程》（JGJ/T 233—2011），制備尺寸為70.7 mm 的立方體試件，用于抗壓強度和室內(nèi)凍融循環(huán)試驗，試件由自制壓塊機壓制成型。參照《土工試驗規(guī)程》（SL 237—1999），結(jié)合三軸剪切滲透儀參數(shù)，制備直徑61.8 mm、高120 mm 的圓柱體試件，用于滲透系數(shù)的測定，試件采用三瓣膜分4層擊實制成，每層進行鑿毛處理。試件干體積質(zhì)量控制為1.8 g/cm3。

2）試驗測試指標(biāo)

無側(cè)限抗壓強度試驗：采用萬能試驗機，以150 N/s 的速率對試件進行加載，測定試件在養(yǎng)護齡期分別為7、14、28、60、90 d 下的強度。同時，試驗記錄每個試件從抗壓初始到結(jié)構(gòu)破壞的應(yīng)變過程，由此得出不同齡期不同固化劑摻量試件的平均彈性模量E50，為后續(xù)有限元模擬提供參考。

強度評定標(biāo)準(zhǔn)：參考《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》（SL 18—2004）中對水泥土材料的相關(guān)規(guī)定，28 d齡期下，水泥土材料的抗壓強度達到3.5 MPa 即可滿足渠道運行條件。

凍融循環(huán)試驗：采用室內(nèi)快速凍融法，試件養(yǎng)護齡期為28 d，中心試件溫度控制在（-15±2）～（5±2）℃；1 次凍融循環(huán)時間控制在3 h。測定試件凍融循環(huán)次數(shù)分別為3、5、10、15、25、50～200（后續(xù)每25 次進行1 次測量）的質(zhì)量損失率與彈性模量。

抗凍性評定標(biāo)準(zhǔn)：參考《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTG E51—2009），質(zhì)量損失率超過5%或相對動彈性模量小于60%即停止試驗。

根據(jù)無側(cè)限抗壓強度試驗和凍融循環(huán)試驗結(jié)果，當(dāng)含水率為16%時，固化土試件性能最好，因此抗?jié)B試件含水率控制為16%。待試件養(yǎng)護齡期達到28 d，采用三軸剪切滲透試驗儀測定不同圍壓（100、200、300、400 kPa）下的各固化劑摻量試件的滲透系數(shù)。

抗?jié)B性評定標(biāo)準(zhǔn)：參考《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》（SL 18—2004），水泥土材料的渠道允許最大滲透量為0.17 m3/（m2·d）。

2 結(jié)果與分析

2.1 無側(cè)限抗壓強度試驗

由圖1 可知，20%～45%固化劑摻量的試件抗壓強度在8.82～14.91 MPa 之間變化；隨著初始含水率的增加，試件抗壓強度呈先升高后降低的變化趨勢；當(dāng)固化劑摻量為40%、初始含水率為16%時，抗壓強度到達峰值。初始含水率為16%時，不同固化劑摻量下的試件抗壓強度在10.93～14.91 MPa 之間變化，分別為14%初始含水率下試件抗壓強度的1.0～1.15 倍、18%初始含水率下試件抗壓強度的1.02～1.17 倍、20%初始含水率下試件抗壓強度的1.06～1.24 倍。固化劑摻量為40%時，不同初始含水率對應(yīng)的試件抗壓強度在13.15～14.91 MPa 之間變化，分別為20%固化劑摻量下試件抗壓強度的1.36～1.50 倍、25%固化劑摻量下試件抗壓強度的1.3～1.37 倍、30%固化劑摻量下試件抗壓強度的1.1～1.19 倍、35%固化劑摻量下試件抗壓強度的1.07～1.13 倍、45%固化劑摻量下試件抗壓強度的1.0～1.04 倍。固化劑摻量對無側(cè)限抗壓強度的影響顯著高于初始含水率。

圖1 固化劑摻量和初始含水率對抗壓強度的影響Fig.1 Effect of curing agent content and initial moisture content on compressive strength

由圖2 可知，試件抗壓強度與齡期呈正相關(guān)。0～28 d 齡期內(nèi)，試件抗壓強度增幅顯著，但當(dāng)齡期超過28 d 時，抗壓強度的增長速率逐漸趨于穩(wěn)定。齡期為90 d 時，不同固化劑摻量下的試件抗壓強度在12.43～19.68 MPa 之間變化，相同固化劑摻量下，7 d齡期的抗壓強度已達到 90 d 齡期抗壓強度的49%～56%，28 d 齡期的抗壓強度達到了90 d 齡期抗壓強度的76%～88%。

圖2 齡期對抗壓強度的影響Fig.2 Effect of curing age on compressive strength

2.2 室內(nèi)凍融循環(huán)試驗

固化鹽漬土質(zhì)量損失率與凍融循環(huán)次數(shù)、固化劑摻量之間的關(guān)系見圖3。經(jīng)150 次凍融循環(huán)后，D1—D12 處理下的質(zhì)量損失率超過了5%；當(dāng)固化劑摻量在35%～45%時，經(jīng)200 次凍融循環(huán)后，試件平均質(zhì)量損失率均低于5%。綜合分析試件經(jīng)3～200 次的凍融循環(huán)結(jié)果，初始含水率為14%時的不同固化劑摻量下的試件平均質(zhì)量損失率在0.46%～4.76%之間變化；初始含水率為16%的不同固化劑摻量試件平均質(zhì)量損失率在0.15%～4.44%之間變化；初始含水率為18%的不同固化劑摻量試件平均質(zhì)量損失率在0.13%～4.78%之間變化；初始含水率為20%的不同固化劑摻量試件平均質(zhì)量損失率為0.12%～5%。初始含水率為16%的試件質(zhì)量損失率較低，抗凍性較好。

圖3 固化鹽漬土經(jīng)過不同凍融循環(huán)次數(shù)后的質(zhì)量損失率Fig.3 The mass loss rate of solidified soil after n freeze-thaw cycles

固化鹽漬土相對動彈性模量與凍融循環(huán)次數(shù)、固化劑摻量的關(guān)系見圖4。D3、D4 處理經(jīng)50 次凍融循環(huán)后的相對動彈性模量分別為51.4%、42.9%，經(jīng)75次凍融循環(huán)試驗的質(zhì)量損失率均超過5%。可見，相對動彈模量較質(zhì)量損失率先達到臨界破壞標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)200 次凍融循環(huán)試驗后，僅D18、D22 處理的相對動彈性模量在70%以上。

圖4 固化鹽漬土經(jīng)不同凍融循環(huán)次數(shù)后的相對動彈性模量Fig.4 Relative dynamic elastic modulus of solidified saline soil after n freeze-thaw cycles

50 次凍融循環(huán)后試件的平均質(zhì)量損失率與不同初始含水率、固化劑摻量的關(guān)系曲線分別見圖5、圖6。初始含水率為16%、固化劑摻量為40%的試件抗凍性最好。

圖5 初始含水率與平均質(zhì)量損失率之間的關(guān)系Fig.5 Relationship between initial moisture content and average mass loss

圖6 固化劑摻量與平均質(zhì)量損失率之間的關(guān)系Fig.6 Relationship between curing agent content and average mass loss

為比較兩因素對固化鹽漬土抗凍性的影響，采用相對數(shù)值法對兩因素進行歸一化處理[16]，質(zhì)量損失率受不同因素影響的趨勢見圖7。與初始含水率相比，固化劑摻量對試件抗凍性的影響更為明顯。隨著固化劑摻量的增加，質(zhì)量損失率呈減小趨勢。質(zhì)量損失率與含水率的關(guān)系呈先減小后增大的趨勢。

圖7 固化土質(zhì)量損失率影響因素分析Fig.7 Analysis on influencing factors of mass loss rate of solidified soil

2.3 滲透試驗

由圖8 可知，滲透系數(shù)與固化劑摻量呈線性負相關(guān)。固化劑摻量每增加5%，滲透系數(shù)平均降低15%；當(dāng)固化劑摻量超過40%時，滲透系數(shù)由1×10-6cm/s降低到1×10-7cm/s?？梢?，添加固化劑后試件滲透系數(shù)很小，可用作裝配式渠道的生產(chǎn)原材料。

圖8 滲透系數(shù)隨固化劑摻量的變化Fig.8 Relationship between permeability coefficient and curing agent content

2.4 U 形渠道有限元分析

2.4.1 斷面設(shè)計及材料選取

渠道構(gòu)件斷面半徑為0.56 m，壁厚為0.08 m，外傾角為8°，設(shè)計水深為0.64 m，安全超高為0.36 m。構(gòu)件材料采用固化鹽漬土，材料參數(shù)選取28 d 齡期室內(nèi)試驗最優(yōu)配比（40%固化劑摻量，16%初始含水率）的數(shù)據(jù)：彈性模量897 N/mm2，泊松比0.25，黏聚力753.35 kPa，內(nèi)摩擦角25.31°。

2.4.2 工況設(shè)計及模型建立

本次模擬設(shè)置3 種工況。工況1：考慮吊裝方式及吊點位置進行設(shè)置，設(shè)計一點單側(cè)吊裝（U 形開口與起吊方向一致，主渠底受力）、兩點雙側(cè)吊裝（U形開口與起吊方向一致，主渠底受力；U 形開口與起吊方向相反，主渠頂受力）3 種方案。設(shè)構(gòu)件總長為l，吊點距端部距離為x，一點吊裝時，吊點位置為x=0.293 l；兩點吊裝時，吊點位置取x=0.207 l[17]；工況2：考慮渠道構(gòu)件外側(cè)受填土壓力，U 形渠內(nèi)滿水運行；工況3：考慮地基土溫度變化引起的凍脹力。

各工況模型尺寸及邊界條件如下：工況1 中模擬吊裝單節(jié)2 m 的U 形構(gòu)件。工況2 中模型選取雙節(jié)U形構(gòu)件，地基土體的寬度、高度均為3 倍渠寬；地基土為當(dāng)?shù)佧}堿土；構(gòu)件所受荷載為自重荷載、渠內(nèi)水壓力、渠兩側(cè)土壓力，模型底部為全約束，側(cè)邊為法向位移約束。工況3 中的幾何模型參照滿水工況模型建立，上邊界取松原地區(qū)平均最低溫度為15 ℃，下邊界取距渠頂2 m 處的溫度為0 ℃，左右邊界取1 倍渠道寬，模型下邊界采用全約束，上邊界認為其自由凍脹不設(shè)置邊界條件，其余面不設(shè)置約束條件。

2.4.3 模擬結(jié)果分析

工況1 下的各方案最大主應(yīng)力分布見圖9，位移分布見圖10。3 種方案下的構(gòu)件整體上受力均呈對稱分布；方案一最大主應(yīng)力出現(xiàn)在吊帶與構(gòu)件外壁渠頂接觸處，為504.7 kPa；方案二最大主應(yīng)力出現(xiàn)在吊帶與渠道渠頂外壁接觸處，為87.4 kPa；方案三最大主應(yīng)力出現(xiàn)在吊帶與構(gòu)件外壁接觸處，為59.6 kPa；相比雙側(cè)吊裝，單側(cè)吊裝受力更大，構(gòu)件更易產(chǎn)生斷裂破壞。單側(cè)構(gòu)件吊裝模擬位移遠高于雙側(cè)吊裝模擬位移，其位移為1.17 mm，出現(xiàn)在遠離吊點一側(cè)渠頂端點處，方案二、方案三最大位移分別為0.08、0.07 mm，均出現(xiàn)在兩吊點中間渠頂位置，且由渠頂向渠底呈降低趨勢。對比方案二、方案三2 種吊裝方式發(fā)現(xiàn)，二者最大主應(yīng)力及最大位移值相差不大，若采用方案三進行吊裝，在構(gòu)件的安裝過程中需對其進行翻轉(zhuǎn)，增加了現(xiàn)場施工難度，因此建議采用方案二進行現(xiàn)場構(gòu)件吊裝。

圖9 最大主應(yīng)力分布Fig.9 Cloud map of maximum principal stress distribution

圖10 位移分布Fig.10 Displacement distribution nephogram

工況二最大主應(yīng)力分布云圖見圖11、位移分布云圖見圖12。U 形斷面構(gòu)件受力沿渠底縱向呈對稱分布，渠道承端內(nèi)壁縱向中線連接處受最大拉應(yīng)力為94.32 kPa。U 形斷面總位移最大值為2.85 mm，在整體荷載作用下，構(gòu)件有輕微向下沉降的趨勢。

圖11 最大主應(yīng)力分布Fig.11 Cloud map of maximum principal stress distribution

圖12 位移分布Fig.12 Displacement distribution nephogram

工況三條件下的最大主應(yīng)力分布見圖13，位移分布見圖14。工況三構(gòu)件承受應(yīng)力較大，最大拉應(yīng)力值為312 kPa，最大拉應(yīng)力發(fā)生在構(gòu)件底板位置，易產(chǎn)生凍脹破壞。因此，在構(gòu)件生產(chǎn)中，應(yīng)考慮適當(dāng)增加底板厚度以滿足構(gòu)件的結(jié)構(gòu)安全。最大凍脹變形發(fā)生在構(gòu)件接縫連接渠頂位置處，沿側(cè)壁向下逐漸減小，最大位移為17 mm，渠底板位置位移最小為7.98 mm?？梢?，構(gòu)件會受凍脹影響在接縫位置產(chǎn)生縫隙，接縫位置最容易產(chǎn)生破壞。

圖13 最大主應(yīng)力分布Fig.13 Cloud map of maximum principal stress distribution

圖14 位移分布Fig.14 Displacement distribution ephogram

3 討 論

固化劑摻量與初始含水率對固化鹽漬土抗壓強度的提升起到了主要作用。在實際工程中可通過改變固化劑摻量及初始含水率調(diào)控抗壓強度。與初始含水率相比，固化劑摻量對試件無側(cè)限抗壓強度的影響更顯著。高摻量固化劑與較大含水率不會提升固化鹽漬土的整體抗壓強度，原因在于過多水泥量無法充分反應(yīng)，水化程度降低，同時水化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量會使試件內(nèi)、外溫差過大，致使試件產(chǎn)生裂縫，從而導(dǎo)致試件抗壓強度降低。含水率增大，試件內(nèi)部的自由水量增多，稀釋了固化劑濃度，改變了水化環(huán)境，限制了化學(xué)反應(yīng)，降低了土粒之間的黏聚力和摩擦力，從而弱化了固化效果。

本文對采用固化鹽漬土材料的U 形渠構(gòu)件進行了數(shù)值模擬分析。考慮到裝配式固化鹽漬土渠道構(gòu)件的主要材料為土體，內(nèi)部沒有鋼筋配置，會在吊裝過程中存在因自重產(chǎn)生斷裂破壞的問題，因此需要研究不同吊點工況?？紤]到滿水工況下與地基土的接觸力學(xué)行為以及寒區(qū)地基土凍脹給襯砌帶來的影響，以吉林松原灌區(qū)內(nèi)某支渠中1 條典型斗渠作為原型渠道，結(jié)合不同工況，對U 形渠道模型的應(yīng)力、位移進行具體分析。通過數(shù)值模擬分析可以看出，U 形襯砌渠道整體上抬，兩側(cè)受到擠壓，這與文獻[12]的研究結(jié)論一致，驗證了鹽漬土固化材料作為渠道襯砌施工材料的可行性。

在實際工程中，渠道凍脹破壞情況更為復(fù)雜，是溫度、應(yīng)力、水分相互作用的結(jié)果，是熱力學(xué)、力學(xué)、物理化學(xué)的綜合問題。在建立模型時，本文忽略了渠基土中水分遷移和補給對渠道凍脹的影響，未來還需進行深入研究。

4 結(jié) 論

1）初始含水率為16%，固化劑摻量為40%時，抗壓強度出現(xiàn)峰值，為室內(nèi)試驗最優(yōu)配比；材料具有早期強度高的特點，28 d 齡期抗壓強度可達90 d 抗壓強度的75%以上。

2）室內(nèi)試驗最優(yōu)配比試件可經(jīng)受200 次以上的室內(nèi)凍融循環(huán)試驗，耐久性良好；固化劑摻量每增加5%，滲透系數(shù)平均降低15%，最優(yōu)配比試件的滲透系數(shù)達到1×10-7cm/s，可作為渠道襯砌防滲材料。

3）滿水工況下，最大受力及最大位移發(fā)生在構(gòu)件底板接縫位置處；構(gòu)件受溫度引起的凍脹影響較大，在構(gòu)件接縫位置最大變形約為2 cm，為減少凍脹破壞帶來的影響，建議適量增加構(gòu)件長度。

（作者聲明本文無實際或潛在的利益沖突）