外荷载及物理作用下农田水渠开裂研究

刘 娜

(凌海市水利事务服务中心，辽宁 凌海 121200)

我国是农业大国,农业是国民经济的重要组成部分, 要使农业经济发展水平得到明显的提升, 就需要加强农田灌溉水渠工程建设[1-2]。农田灌溉与农业种植息息相关,其中农田引水渠是灌溉中的重点环节，如果引水渠产生裂缝, 将会导致引水灌溉不能正常进行, 为农业生产带来诸多阻碍。

目前，导致水渠开裂的主要原因包括沉陷、温度应力、土壤干缩等[3]。沉降裂缝是由于在挖掘过程中扰动坡基原状土, 造成坡基土的密实度达不到要求，使得回填难度很大，均匀性较差，很难承受衬砌混凝土的压力，从而造成混凝土板沉陷扭曲、移位甚至是坍塌。温度应力是由于浇筑混凝土以后，水泥和水发生水化热，使混凝土板内的温度不断上升，加之外面温度的不断变化，相邻部位的混凝土由于温度和降温的不同出现较大的温度差,产生温度效应。一旦温度效应超过混凝土极限抗拉强度时，温度裂缝就会出现。干缩裂缝产生的原因主要是混凝土表面失水或因自身收缩造成的。此外，烈日暴晒、养护不到位以及混凝土本身的收缩值太大等也会造成混凝土早期脱水，导致干缩裂缝的产生[4-9]。

本文以土壤含水率变化引起的开裂为研究对象，通过现场取样，采用室内试验分析膨胀应力、含水量和收缩率随吸力的变化，研究不同荷载下土体变形规律，同时研究纤维加固后土体含水率变化和开裂情况。以期研究结果能为相关农田引水渠工程提供参考。

1 试验制备

本文从凌海市某农田水渠附近钻取土样，采用烘干法测得原状土样水分含量w=25%，并保持这一含水率在没有任何空气干燥和松动的情况下制备土壤，使土样尺寸小于2 mm。为对比含水量对土体开裂的影响，开展两项对比试验。第一部分为向土壤中加水，使其含水量接近76.10%的极限流塑性；第二部分为向土壤中加水使其达到94.20%极限流塑性。在进行对比测试前，先将样品搅拌均匀，以获得均匀的含水率，并借助塑料套筒将其压实至直径为150 mm、高度为15 mm的培养皿中，并去除气泡。最后将土壤板组件放置在容量为2.000 g的刻度盘上，刻度灵敏度为0.01 g。该天平能够实时测量土壤的重量，因此可以实时计算土壤含水量。在试验开始前约2h打开白炽灯和实验室空调，以保持试验1中的初始环境温度，仅执行这一个干燥步骤，持续49 h。在试验2中，执行3个干燥和两个湿润步骤。在试验2中，当干燥过程中土壤含水量接近塑性极限时，开始加湿循环，总共约250 h。为监测土壤随时间的开裂动态过程，试验时使用网络摄像头和自动图像捕捉软件，每10 min捕获一次图像。图1为部分测试仪器。

图1 测试仪器

2 膨胀应力、含水量和收缩率随吸力的变化

图2为通过恒定体积法获得的膨胀应力、含水量和收缩率随吸力的变化规律。

图2 膨胀应力、含水量和收缩率随吸力的变化规律

由图2可知，随着基质吸力的增加，膨胀应力呈逐渐增大的趋势，当吸力达到33 MPa以后，增速较为平缓。但对于土壤收缩率，当吸力小于33 MPa时呈增长趋势，但继续增加吸力，收缩率略有下降，趋于稳定。而土的含水率随吸力增大呈减小趋势。总体而言，土壤水分的流失增加了膨胀应力，土壤湿润后导致膨胀应力减少，而干燥导致膨胀应力增加。这表明，在野外气候条件对土壤膨胀应力有显著影响。水的连续蒸发使得黏土颗粒和外部颗粒层上的毛细吸力之间产生水-空气弯月面，随着土壤持续干燥，黏土颗粒之间的毛细吸力和有效应力增加，导致土壤固结和收缩。这一过程提高了土壤膨胀应力和收缩率。由于土壤的微观结构受外部因素的制约，裂缝容易在表面上的临界点开始，在该点上，吸力引起的拉伸应力累积超过土壤的拉伸强度。因此在土壤干燥过程中，水分蒸发对裂缝的出现和扩展起着重要作用

3 不同荷载下土体变形分析

图3为不同荷载下开裂土体垂直应变随时间的变化关系。由图3可知，开裂土体膨胀趋势随着垂直应力的增加而减小，表明当张力减小时膨胀会更剧烈。当垂直应力≥160 kPa时，土壤不再随着含水量的增加而膨胀，而是在原状土含水量标准下出现压缩，此时土壤的吸力为2.0 MPa，平均膨胀应力为169 kPa。这是由于土壤形成过程，其颗粒以薄片的形式定向排列，当水与土壤接触时，吸附力和渗透应力导致薄片上下两层均出现膨胀，将其变为分散结构。由于水分浸入发生在特定方向，且土壤具有低渗透性，因此与排水表面接触的土壤部分首先开始出现膨胀过程，然后扩散到土体内部。

图3 不同荷载下开裂土体垂直应变随时间的变化关系

此外，当垂直应力≥160 kPa，试样出现垂直应变随时间增大的规律，经过分析可能有3种原因导致：①当施加的垂直应力小于膨胀应力时，浸水将导致膨胀，且膨胀应力越小；②当施加的垂直应力大于表面膨胀应力时，浸水将导致颗粒定向排列，且当湿润土壤压缩性从周围到样品中心逐渐增加时，由于施加的应力大于膨胀产生的应力，土壤会发生压缩；③当施加的垂直应力几乎与膨胀应力相同时，浸水最先导致排水面附近的含水量变化，从而改变该区域土壤的压缩性。随着增湿过程的推进，湿土的体积增加，膨胀开始超过垂直施加应力的影响。在试验过程中测出压缩变形，是由于双层膨胀应力影响下(在新的更可压缩的分散结构中)而产生的结果。图4为垂直应力与土体膨胀势之间的拟合关系。

图4 不同荷载下开裂土体垂直应变与膨胀势的变化关系

4 纤维加固后土体含水率变化

由试验结果可知，水分蒸发即含水率的减小对裂缝的出现和扩展起着重要助推作用，因此控制土壤含水率的变化是防止水渠开裂的重要方法。根据文献调研，本文采用在土壤中加入纤维的方法来研究土壤含水率和开裂变化。图5为加纤维和不加纤维土壤72 h后土体开裂情况，二者初始含水量相同，纤维含量为10%。由图5可知，加纤维后土体几乎没有发生开裂保持完整，而未加纤维的原状土则出现了Y形和贯通裂纹，说明纤维能有效防止土体开裂。这是由于纤维能够预防拉伸裂纹的形成，增加了水导率和液化强度，降低了热导率和建筑材料的重量，抑制膨胀趋势并降低土壤脆性。图6为两种试样含水率随时间的变化情况。由图6可知，随着时间的增长，二者的含水率都出现下降的趋势，但每一测量时刻加纤维土的含水率明显高于原状土，72 h后纤维土的含水量为18.5%，而未加纤维土的含水量为11.6%，说明纤维能够有效防止缓解土壤水分的流失，从而增强土壤的防开裂性能。

图5 加纤维和不加纤维土壤72 h后土体开裂情况

图6 两种试样含水率随时间的变化

5 结 论

本文为研究农田引水渠开裂性质，通过现场取样，采用室内试验分析了膨胀应力、含水量和收缩率随吸力的变化，得到了不同荷载下土体变形规律，同时研究了纤维加固后土体含水率变化和开裂情况。主要得到以下结论：

1)随着基质吸力的增加，膨胀应力呈逐渐增大的趋势，当吸力达到33 MPa以后，增速较为平缓。但对于土壤收缩率，当吸力小于33 MPa时呈增长趋势，但继续增加吸力，收缩率略有下降，趋于稳定。

2)开裂土体膨胀趋势随着垂直应力的增加而减小，表明当张力减小时膨胀会更剧烈。当垂直应力≥160 kPa时，土壤不再随着含水量的增加而膨胀，而是在原状土含水量标准下出现压缩，此时土壤的吸力为2.0 MPa，平均膨胀应力为169 kPa。

3)纤维土和原状土含水率随时间都出现了下降趋势，但每一测量时刻加纤维土的含水率明显高于原状土，72 h后纤维土的含水量为18.5%，而未加纤维土的含水量为11.6%，说明纤维能够有效防止缓解土壤水分的流失，从而增强土壤的防开裂性能。