单向冻结下渠基土的锅盖效应试验研究

唐少容 柯德秀 杨强 高天源

摘 要：寒旱区刚柔复合衬砌渠道铺设的复合土工膜阻碍土体冻结过程中的水分蒸发，出现复合土工膜下土体增水的现象，即“锅盖效应”。为探究土体的锅盖效应发生机制和规律，制备不同含水率的土柱试样进行单向冻结试验，分析复合土工膜对土柱温度场和水分场的影响。研究表明：有复合土工膜覆盖土柱的降温速率及土层间温差均小于未覆盖复合土工膜的土柱；凍结过程中，未覆盖复合土工膜的土柱底部水分通过土体孔隙通道不断向顶层迁移补充后蒸发，整个土柱含水率降低，且呈不均匀状分布；而有复合土工膜覆盖的土柱，在水分迁移和锅盖效应作用下，底部土体含水率降低，膜下顶层土体含水率显著增加，且膜下结冰，表明复合土工膜使土体在冻结过程中产生明显的锅盖效应。初始含水率不同的土柱受锅盖效应影响后产生的水分迁移量和形态存在差异，初始含水率较小的土柱顶层含水率的增加以气态水迁移为主，初始含水率较大的土柱含水率的增加则以液态水迁移为主。

关键词：刚柔复合衬砌渠道；锅盖效应；单向冻结；温度场；水气迁移

中图分类号：ＴＶ１６ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０３．０２０

引用格式：唐少容，柯德秀，杨强，等．单向冻结下渠基土的锅盖效应试验研究［Ｊ］．人民黄河，２０２４，４６（３）：１０９－１１３，１２０．

０ 引言

在寒旱区，土体类型、含水率和温度等因素决定着土体的冻胀程度［１］ 。严重的土体冻胀使灌区渠道混凝土衬砌发生形变、裂缝、隆起和剥落等冻害，渠水随衬砌板裂缝渗入土体，土体产生渗漏和冻融耦合作用下的反复破坏，缩短渠道使用寿命［２－３］ 。渠系工程抗冻胀设计规范［４］ 中明确指出，混凝土不仅作为刚性防渗层，而且还用来保护柔性材料不被破坏、防止老化并延长使用寿命；复合土工膜则用于防渗，也可以适应一定程度的渠道冻胀变形。复合土工膜由无纺布与土工膜复合而成，土工膜以塑料薄膜作为防渗基材，主要成分有聚氯乙烯（ＰＶＣ）和聚乙烯（ＰＥ），渗透系数小，阻挡渠道行水期间水分沿混凝土衬砌板裂缝渗入至基土；无纺布作为高分子纤维材料，有较强的抗拉性能和延展性，能够保护土工膜不被刺穿。将复合土工膜铺设于渠道混凝土衬砌板下形成刚柔复合衬砌结构，已在我国渠道工程中得到了大量应用。Ｍｏ 等［５］ 对梯形混凝土衬砌渠道进行了为期６７ ｄ 的冻胀监测，并通过水热力３ 场耦合模拟表明复合土工膜通过改变基土的温度分布减小渠道冻胀；郑源等［６］ 指出，与刚性混凝土渠道相比，加入复合土工膜后削减了冻土对衬砌板的切向约束力，具有防冻胀破坏的效果；姜海波等［７－８］通过一个完整冻融周期的原型观测，探究了刚柔混合衬砌渠道的冻胀机理及复合土工膜的变形特征和强度变化，并研究了渠基土体在冻融过程中的水分迁移及分布规律，揭示了复合土工膜既可以防渗又可以防冻胀的双防功能。

实践表明，由于土体冻胀的复杂性，因此刚柔复合衬砌渠道仍然不能避免冻胀破坏。复合土工膜形成的封闭结构具有双向挡水作用，在阻挡渠道渗漏水分下渗的同时也阻挡了土体因冻结而向上迁移的水分。冻结迁移的水分蒸发受阻，致使复合土工膜下部土体湿度大幅增加，大量水分在较低温度作用下快速冻结成冰，对上部混凝土衬砌板形成不均匀的冻胀作用，从而引发衬砌板抬升、开裂、错位等破坏。李强等［９］ 、姚仰平等［１０］ 发现机场跑道土体中的水分在毛细作用和温度、蒸发等作用下向上迁移，遇到地表覆盖建筑物形成的不透气的覆盖层，导致水分蒸发受阻引起浅层土体水分积聚、含水率增加的现象，将其称为“锅盖效应”。张升等［１１］ 通过试验验证了冻结条件下气态水迁移能够引起不透水覆盖层下土体含水率大幅提高甚至饱和。Ｔｅｎｇ 等［１２］ 以钙质砂为材料，研究了不透水覆盖层下非饱和粗粒土中水分积聚的现象，证明了粗粒土中存在水气迁移导致的冰积聚现象。

在寒旱区的渠道工程中，刚柔复合衬砌渠道冻胀破坏与锅盖效应之间的联系和机理研究还较少，因此笔者通过土柱冻结试验研究复合土工膜覆盖条件下渠基土的锅盖效应，以期为揭示刚柔复合衬砌渠道冻胀破坏机理提供参考和依据。

１ 土柱单向冻结试验

１．１ 土体的基本性质

试验用土取自宁夏银川西干渠输水渠道地表下１．０ ｍ 深处。根据《土工试验方法标准》（ ＧＢ／ Ｔ５０１２３—２０１９）［１３］ 确定该渠基土为中砂土，土样物理指标及颗粒级配见表１、表２。

１．２ 试验方案

依据当地温度变化经若干次初步试验，设计了Ⅰ、Ⅱ两组试验：第Ⅰ组试验未覆盖复合土工膜，为自由界面；第Ⅱ组在试样顶部覆盖一层复合土工膜。复合土工膜为一布一膜，按照实际渠道工程中的铺设方法，土工布面朝上，土工膜面朝下与土体接触，形成“锅盖”，如图１ 所示。每组试验均包含５ 种含水率的试样，分别为７．３％、１１．５％、１５．０％、１８．５％、２１．９％。试样筒为定制的无顶盖圆柱形有机玻璃筒，内径为９ ｃｍ、筒高为２５ ｃｍ。土温通过数字万用表测试ＭＦ５２Ｄ－１０３Ｆ３９５０型负温热敏电阻的阻值确定。为了安插热敏电阻，从下到上在有机玻璃筒的０、４、８、１２、１６、２０ ｃｍ处钻直径为３ ｍｍ 的小孔。将土体风干后过２ ｍｍ筛，按预定含水率估算所需风干土和蒸馏水质量，均匀拌和后装入塑料袋内，密封浸润以保证试样的初始含水率均匀一致，１２ ｈ 后测定试样实际含水率。试验前，先在试样筒内壁抹一层凡士林，控制压实度为９０％，将试样分５层分层击实，每层击实后把土壤表面划毛，然后在预定位置土样中心安装热敏电阻，继续下一层试样的装填，保证土柱内土质细腻均匀，最终制备成直径为９ ｃｍ、高为２０ ｃｍ 的圆柱体试样。用保温棉包裹在试样筒侧壁和底部，放入ＢＣ／ ＢＤ－５１８ＨＤ 型号冰箱，实现单向冻结，每隔４ ｈ 测读１ 次土体各层的电阻值。试验结束后将试样从筒体中分层取出，用烘干法测定不同深度处土样的含水率。

２ 试验结果与分析

２．１ 土柱的温度变化

以初始含水率为７．３％的试样为例，绘制了冻结过程中试样内部的温度变化曲线，如图２ 所示。试样底层标记为０ ｃｍ，顶层标记为２０ ｃｍ。由图２ 可知，受冻后试样温度逐渐降低，各土层之间逐渐形成温差。无论是否有复合土工膜覆盖，试样顶层温度变化曲线的斜率最大，降溫速度最快；距离冷端位置越远的土层，降温速度越慢。试样温度经历快速降温（０～４ ｈ）、过渡降温（４～８ ｈ）和缓慢降温（８ ｈ 后）３ 个阶段。由图２（ａ）可见，８～１０ ｈ 时，无复合土工膜覆盖的试样顶层温度已降至０ ℃，下部土层尚未进入冻结状态；由图２（ｂ）可见，复合土工膜与无复合土工膜覆盖的试样相比，降温趋势相同，但同高度的土层温度变化曲线斜率更小，降温速度更慢。冻结２４ ｈ 时，覆盖有复合土工膜的土层，其温度均比同高度的无复合土工膜覆盖土层的高，原因是复合土工膜在试样顶层阻挡了部分冷量传递，有一定的保温作用［１４］ 。

冻结２４ ｈ 时，不同初始含水率试样各土层的温度变化如图３ 所示。由图３ 可见，试样温度与顶部是否覆盖复合土工膜及土体初始含水率关系密切。与其他含水率的试样相比，初始含水率为１１．５％的试样在低温作用下冷量传递相对较多，２４ ｈ 后各高度土层温度偏低。当初始含水率超过１１．５％后，初始含水率越大，试样各高度处的温度越高。

徐学祖等［１５］ 定义冻土中未冻水含量与温度的经验关系为

取砂土的冻结温度界限为－０．６ ℃［１６］ ，联合式（１） ～式（３）求得所有土柱冻结２４ ｈ 时与各土层温度相对应的未冻水体积含量，其变化曲线如图４ 所示。由图４可知，无论是否覆盖复合土工膜，较高初始含水率土体的未冻水体积含量增大显著，远比低初始含水率的土体明显。由于试验是从上向下单向冻结，因此试样底部未冻水含量均高于顶部的。对两种试样的上部土体，冻结２４ ｈ 时，有复合土工膜覆盖时的未冻水含量高于无复合土工膜覆盖的；其他高度的土体未冻水含量相差不大。

２．２ 初始含水率对土体水气迁移的影响

冻结２４ ｈ 后各土层的含水率变化曲线如图５ 所示。由图５ 可见，冻结２４ ｈ 后无复合土工膜覆盖试样各土层的含水率均不同程度地低于初始含水率，水分呈不均匀状态分布。与下部土层相比，顶层（高度为２０ ｃｍ处）土体的含水率显著减小，主要原因是低温作用下水气向上迁移并蒸发，表明冻结条件下土体水分迁移除了液态水还有气态水参与。１８ ｃｍ 高度处土体的含水率大于下部土体的，原因是一部分未能排出土体并在重力作用及低温传导下迁移而来的水分积聚呈现的增水现象。试样水分迁移量明显地受初始含水率的影响，初始含水率较小时，试样底层含水率变化很小；而初始含水率较大时，试样底层含水率大幅降低，且减小量随初始含水率的增大而增大，水汽迁移变得剧烈，原因为土是多孔多相的颗粒构成的骨架结构，孔隙为土中气态水或液态水的迁移提供了通道；从能量传递的角度分析，试样顶层与冷端接触，为平衡整体温度和湿度，顶层温度下降并向下传递冷量，含水率逐渐降低；初始含水率较低时液态水含量少，气态水率先迁移至顶层补充水汽，而初始含水率较高时则以液态水迁移为主补充顶层水汽，土体水分通过土层蒸发面进入大气，试样表面逐渐变干。经烘干法测定，初始含水率分别为７．３％、１１．５％、１５．０％、１８．５％、２１．９％的无覆盖复合土工膜的试样，其顶层土体含水率比初始含水率分别减少４．１１％、８．３８％、８．３３％、１２．６９％、６．９３％。复合土工膜在低温下形成的锅盖效应较为显著，但对试样水分分布的影响限于一定范围内。试样上部（高度为１８～２０ ｃｍ）受锅盖效应影响明显，不同初始含水率的试样冻结２４ ｈ 后含水率均增加，复合土工膜接触的初始含水率分别为７．３％、１１．５％、１５．０％、１８．５％、２１．９％的试样上部含水率分别增大了４．３１％、８．０７％、８．６４％、１２．９３％、７．８９％，增水量随初始含水率的增大先增加后减少，原因是根据Ｆｉｃｋ 定律［１７－１８］ ，较高的初始含水率使气态水迁移通道变窄，导致气态水在土体中的扩散系数减小，迁移受阻。因此，初始含水率较高的试样在锅盖效应中的水汽迁移以液态水为主。上部土体含水率的增加量与前述无复合土工膜覆盖的试样顶层含水率减少量几乎相同，进一步表明复合土工膜阻止了原本需要蒸发的水分，并将水分在膜下聚集，形成了明显的锅盖效应。试验结束后，取下复合土工膜，可见膜下增加的水分结成冰层，见图６。试样下部（１８ ｃｍ以下）的含水率均降低，降低程度与初始含水率有关，初始含水率越大的试样含水率降低越显著，水分分布对试样表面是否覆盖复合土工膜并不敏感。

３ 讨论

本文以寒旱区刚柔复合衬砌渠道的锅盖效应为出发点，通过不同初始含水率土体的单向冻结试验，重点研究了复合土工膜对渠基土温度场和水分场的影响及复合土工膜下的水汽积聚和冷冻现象。土体冻结是伴随冰水相变、水汽迁移和土体冻胀变形的水、热、力耦合作用的复杂过程，因此土体冻胀量的测定对完整地揭示渠基土锅盖效应所致刚柔复合衬砌渠道冻胀破坏机理和规律是不可或缺的，应当进行渠基土锅盖效应过程中土体冻胀量的分析。渠道基土在双向冻结状态下的锅盖效应发生机制与影响因素不同于单向冻结状态，随着“两布一膜”的广泛应用，其防渗和摩擦性能能够较好地适应寒旱区的渠道工程。因此，上覆“两布一膜”时的锅盖效应研究，能更好地为刚柔复合衬砌渠道工程的抗冻胀设计提供科学依据。

４ 结论

通过单向冻结试验，研究了刚柔复合衬砌渠道的锅盖效应发生机制，分析了覆盖复合土工膜对不同初始含水率渠基土温度场、水分场的影响，得到如下结论：

１）复合土工膜具有一定的保温效果，覆盖复合土工膜的土柱降温速率及土层温差均比未覆盖土柱的小。

２）单向冻结２４ ｈ 后，未覆盖复合土工膜土柱的水分通过土体孔隙通道不断向顶层迁移补充后蒸发，整个土柱含水率下降，且呈不均匀分布状态。

３）有复合土工膜覆盖的土柱在冻结过程中存在明显的锅盖效应。在水分迁移和锅盖效应的作用下，底部土体含水率降低，顶层土体含水率显著增加，且出现膜下结冰的现象。

４）单向冻结条件下，锅盖效应对复合土工膜覆盖土体的上层含水率和水分分布影响较大。下层土体的含水率和水分分布受初始含水率影响较大，对是否覆盖复合土工膜不敏感。

５）初始含水率不同的土柱受锅盖效应影响后产生的水分迁移量和形态均存在差异。初始含水率较小的土柱顶层含水率的增加以气态水迁移为主，初始含水率较大的土柱含水率的增加则以液态水迁移为主。刚柔复合衬砌渠道土体在冻结过程中产生明显的与土体初始含水率密切相关的锅盖效应，使复合土工膜下的土体含水率增加，甚至结冰，加剧土体冻胀，对渠道刚性混凝土衬砌带来不利影响。

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【责任编辑 简 群】