Centrifugal model tests on deterioration process of canal under cyclic action of coupling wetting-drying and freeze-thaw
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摘要: 季冻土地区复杂的水-热耦合作用是输水渠道等水工结构物发生劣化失稳的诱因。研制了一套季冻区渠道湿干冻融离心模型试验设备,实现了在离心场下进行湿润—干燥—冻结—融化过程的水-热耦合循环作用模拟。以北疆输水渠道为原型,开展了渠道在湿干冻融耦合循环作用下渠道劣化过程的离心模型试验。试验结果表明：湿干冻融耦合循环作用诱发模型渠道中的裂隙不断拓展,并最终产生一条贯穿渠顶表面的深层横向张拉裂隙,导致渠道有自渠顶张拉裂隙发生劣化失稳的趋势,这一过程中,渠水入渗深度不断增大,入渗量逐渐减小,土体的冻结速率和融化速率呈上升趋势。试验观测出渠坡处产生的累积法向变形最大,渠顶次之,渠底最小。所采用的离心模拟试验设备及测试方法对于寒冷地区渠道灾变问题的研究是适用的。Abstract: The complex action of coupling moisture and heat in seasonally frozen soil regions is the inducement of deterioration and instability of hydraulic structures such as canals. A set of centrifugal model test equipment for canal under the cyclic action of coupling wetting-drying and freeze-thaw in seasonally frozen soil regions is developed, which realizes the simulation of cyclic action of coupling moisture and heat during the process of wetting-drying and freeze-thaw in the centrifugal field. The centrifugal model tests are conducted to investigate the deterioration process of the canal in north Xinjiang under the cyclic action of coupling wetting-drying and freeze-thaw. The tests results show that the cyclic action of coupling wetting-drying and freeze-thaw makes the cracks of model canal expand, and eventually produces a deep transverse tension crack across the top surface of the canal, which leads to that the model canal has a tendency of instability from the tension cracks at the canal top. In this process, the infiltration depth of canal water increases and the infiltration volume decreases. The freezing rate and thawing rate show an upward trend. In addition, the final normal deformation at the canal slope is the largest, followed by that at the top of the canal and that at the bottom of the canal. The equipment and method adopted in the centrifugal model tests are applicable to the disaster researches on canals in cold regions.
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Keywords:
- wetting-drying and freeze-thaw /
- canal /
- crack /
- centrifugal model test
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0. 背景
长距离输水渠道是线性工程,经常会不可避免的穿越膨胀土地区、季冻土地区等,不良地质和恶劣气候对渠道的稳定运行造成极大的隐患[1-2]。不少学者通过大量的室内试验研究[3-4]和部分现场实测[5]对渠道劣化机理进行了研究,取得了一定的成果[6-10]。近年来,一些学者尝试用冻土离心模拟技术对寒区渠道冻胀特性进行探索[11-16],为寒区输水渠道冻害治理提供了新的研究手段,促进了相关技术的发展。
位于季冻土地区的渠道是一个复杂的多层敞开系统,水-热过程往往呈现湿干冻融耦合循环作用的特点。以北疆季节性输水渠道为例,渠道一般在4月通水,9月停水,从水分变化角度出发,渠基土每年经历反复的“干湿”循环过程；北疆地处高纬度地区,渠道现场冬季夜间最低气温可达-40℃以下,夏季白天最高气温达30℃以上,从温度变化的角度出发,渠基土每年经历反复的“冻融”循环过程。因此,对寒冷地区渠道劣化过程的模拟,需要实现湿干冻融（WDFT）这一复杂边界条件的输出（如图1所示）[17]。然而,目前相关问题的模型试验研究大都从单一干湿交替或冻融损伤角度开展[18-21],离心模型试验更是缺乏实现湿干冻融边界控制的试验装置。
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鉴于此,参照渠道冻胀离心模型试验设备[13]的研制经验,进一步开发了季冻区渠道湿干冻融离心模型试验系统。在此基础上,拟开展两组离心模型试验,考察湿干冻融耦合循环作用下的渠道劣化过程。
1. 试验设备
研制的季冻区渠道湿干冻融离心模型试验系统安装于南京水利科学研究院大型土工离心机上,土工离心机主要技术指标如表1所示。
表 1 土工离心机技术指标Table 1. Technical indexes of geotechnical centrifuge技术特征 指标 离心机最大容量 400 g·t 有效半径 5.5 m 转速幅值 5~200g 有效负荷(模型箱+模型) 100g时4000 kg;200g时2000 kg 加速度稳定度 ±0.5%F·S 季冻区渠道湿干冻融离心模型试验设备主要包括干湿系统、热交换系统、试验模型箱、试验控制系统等,总体的组成结构如图2所示。
（1）干湿系统
干湿系统包括水位升降装置、干燥装置等,其中,水位升降装置用于模拟渠道“湿”的过程,工作原理如图3所示。通过改变密封水箱内的气压控制箱内水的进出,到达预设水位线后可自动停止,低于预设水位线时可自动补水,从而精确控制模型渠道内的水位升降,可真实模拟输水渠道通水过程、蓄水运行过程和排水过程,更加迎合渠道输水工程的实际工况；干燥装置以风冷干燥的方式模拟“干”的过程,通过液压伺服系统打开模型箱两侧通风口,以离心机高速运转产生的风力吹过模型渠道上方,带走模型箱内的湿气。
（2）热交换系统
热交换系统基于半导体的帕尔贴效应来改变模型箱内的温度场,从而实现模型“冻”和“融”的过程。为了提高模型渠道土体表面的气体流速,在半导体热交换面板一端设置风机,将半导体热交换面板产生的冷（热）量吹向渠底模型表面,并在模型内部产生空气内循环,从而增加热交换系统的运行效率,工作原理如图4所示。
半导体热交换面板由一级和二级半导体器件优化组合制成,可实现在相同单位面积下致冷功率比常规冷板的多一倍,各组制冷热电堆间串联连接,理论总制冷功率为9000 W。通直流电后即可向模型箱内自上而下供冷/热,当进行制冷工况时,地面冷水机通过水冷的方式持续不断的带走半导体热端的热量,反之同理。热交换面板可实现的温度变化范围为-40℃至30℃,温度变化速率在0℃/min～1.5℃/min范围内可调,工作环境不受离心场变化的影响。
（3）试验模型箱
试验模型箱结构由内模型箱、保温层、隔热支撑、外模型箱4部分组成,内外模型箱之间留有一个40 mm的间隙以填充保温材料和安置隔热支撑,如此4层结构的模型箱具有良好的保温、隔热、防渗漏性能。模型箱初始净空尺寸偏大,经调试后加入厚180 mm的有机玻璃垫块,缩小尺寸后长宽高为750 mm×350 mm×420 mm。
（4）试验控制系统
试验控制系统包括干湿系统控制面板和热交换系统控制面板。干湿系统控制面板主要是在地面对离心机载干湿系统进行渠道水位升降的控制和干燥装置的控制,可实时显示模型渠道内的水位高度；热交换系统控制面板的主要功能是对热交换系统中半导体热交换面板温度的设定和风机的开关控制。
2. 试验方案
试验以北疆输水渠道为原型,基于自主研发的试验设备开展湿干冻融耦合循环作用下的渠道劣化过程离心模型试验研究。模型用土取自渠道现场,分别为弱胀缩性的青色膨胀土和中等胀缩性的黄色膨胀土,均具有区域代表性。通过一系列室内试验,土体基本参数以及颗分曲线分别如表2和图5所示。
表 2 土样基本性质Table 2. Basic properties of soils参数 弱膨胀土 中等膨胀土 液限/% 47.2 52.6 塑限/% 16.8 18.4 塑性指数 30.4 34.2 最优含水率/% 15.6 18.4 最大干密度/(g·cm-3) 1.80 1.70 自由膨胀率/% 52.0 71.0 注： 弱膨胀土和中等膨胀土分别为弱胀缩性的青色膨胀土和中等胀缩性的黄色膨胀土,下文以此简称。开展两组离心模型试验,用于考察湿干冻融耦合循环作用下不同胀缩等级渠基膨胀土的温度变化和法向变形规律,以及渠道边坡的劣化过程。设计模型率N= 50,试验基本比尺参考张晨、KRISHNAIAH等[15-16, 22-23]的研究,如表3所示。
表 3 试验相似率（原型/模型）Table 3. Similarity ratios of tests (prototype/model)物理量 相似率 物理量 相似率 加速度 1/N 位移 1 颗粒尺寸 1 温度 1 密度 1 热扩散系数 1 应力 1 导热系数 1 渗透系数 N 时间（固结） N2 渗流时间 N2 时间（热交换） N2 模型土体初始含水率均为18.4 %,冻、融温度边界分别为-40℃和30℃,试验方案明细如表4所示。模型断面为梯形,坡比为1∶2,考虑到渠道断面的对称性,试验取现场渠道断面的一半按设计模型率进行制作,具体尺寸如图6所示。制作时首先按设定含水率和干密度配土并分6层击实,再按设计尺寸进行开挖和削坡,制备好的模型如图7所示。
表 4 试验方案明细Table 4. Test plans土名 编号 干密度/(g·cm-3) 压实度/% 循环次数 弱膨胀土 #1 1.6 90 3 中等膨胀土 #2 1.6 95 3 为充分考察渠水的入渗与干燥过程,以及渠基土的温度变化规律和渠道边坡的冻胀融沉变形量,在模型内分别设置孔隙水压力传感器,温度传感器、位移传感器。孔隙水压力传感器尺寸为
ϕ 13×12.5 mm,量程为0～100 kPa,精度±0.01 kPa,共分为2层布置,第一层离渠坡土体表层20 mm,第二层离渠坡土体表层40 mm。对于渠基土温度变化的测量,采用PT-100铂电阻传感器,其尺寸为ϕ 1×20 mm,精度±0.01℃,分别在模型渠底、渠坡、渠顶的表面、表面下10 mm、表面下40 mm按法向深度进行布置。对于渠道边坡的法向变形量的测量,采用LVDT位移传感器,其量程为0～50 mm,精度± 0.02 mm。传感器的具体布置方式如图6所示。此外,模型渠道中的水分入渗量可由密封水箱在湿润期前后的储水量变化情况计算而得。前已述及,现场渠道每年经历循环往复的湿干冻融耦合循环作用,根据设计模型率及水热比尺关系对“湿干冻融”简化边界条件（图1）进行换算,离心模型试验中“湿润”和“干燥”的作用过程分别为80 min和33 min,其中“湿润”的过程包括渠道注水期、蓄水期和排水期的模拟；为最大程度的探究渠道的劣化过程,“冻结”的作用过程以达到现场渠道最大冻深2 m（对应至离心模型为渠道表面下40 mm）为终止标准；“融化”的作用过程以冻结土体全部融化为终止标准。将一次完整连续的“湿润—干燥—冻结—融化”作用过程视为一次湿干冻融耦合循环过程的完成。
由于试验在夏季进行,土体初始温度较高,开机前开启热交换系统,将模型箱内环境温度控制在0～1℃间,待土体初始温度降至1℃左右时进行试验。另外,为防止模型中渠水温度过高影响试验效果,采取试验前在密封水箱中注入5℃以下低温水的方式以控制渠水温度。
3. 试验结果
3.1 模型渠道裂隙特征
在离心场下经过3次湿干冻融耦合循环作用后,试验#1和试验#2均出现显著的劣化特征,分别如图8和图9所示。可以看出,无论是弱膨胀土还是中等膨胀土模型渠道,相比于渠坡和渠底,渠顶表面裂隙发育均更为明显（图8（a）和图9（a））,在渠坡与渠顶交界处出现大量不规则的张拉裂隙且相邻裂隙间的连通程度较高,最大张拉裂隙为贯穿渠顶表面的横向裂隙；试验#1和试验#2中出现的最大张拉裂隙宽度分别约为3 mm和5.5 mm（图8（b）和图9（b））；沿最大张拉裂隙缓慢开挖,采用直尺量测模型渠道裂隙沿深度拓展情况（图8（c）和图9（c））,裂隙以白色实线标记,可以看出裂隙沿模型渠道深度方向拓展、偏转、汇聚,试验#1和试验#2中模型渠道的裂隙拓展深度分别达到22 mm和32 mm以上。这一现象接近现场实际观测到的渠顶后缘张拉裂隙特征（如图10）。
此外,经历多次湿干冻融耦合循环作用后,渠道浅层土体内部裂隙发育程度较高,并具有在渠顶和渠坡交界处逐渐汇聚成完整裂隙网络的趋势,中等膨胀土模型渠道裂隙网络发育显著强于弱膨胀土模型渠道。3次湿干冻融耦合循环作用后,模型渠道边坡已具备自渠顶张拉裂隙发生失稳破坏的趋势；相较于弱膨胀土模型渠道,中等膨胀土模型渠道劣化特征更为显著。
3.2 孔隙水压力传感器响应及分析
根据孔隙水压力传感器的监测数据绘制了试验#1和试验#2在湿干过程中孔隙水压力与时间的关系曲线,分别如图11和图12所示。可以看出,在第一次湿干过程中,试验#1和试验#2中所有孔隙水压力传感器均有读数的变化,证明两组试验中所有传感器均被激活。在湿润过程中,试验#1中的孔压传感器P1、P3、P4、P5、P6和试验#2中孔压传感器P1、P3、P4、P5的读数与相应位置的静水压力相符,表明以上孔压传感器测点处渠基土已达到饱和状态。另外,可以发现,试验#1和试验#2中的孔压传感器P2、P7、P8的读数均在增长至一定数值后产生陡降,表明在注水期水分入渗导致模型渠基土湿化变形,使得测点P2、P7、P8处的孔隙水压力急剧增加,当进入蓄水期后,水分进一步入渗,测点P2、P7、P8处的孔隙水压力逐渐消散。在干燥过程中,试验#1和试验#2中所有孔隙水压力传感器读数均有不同幅度的衰减,这表明干燥过程中土体表面失水以及土体内部水分产生了进一步的入渗行为。
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图 11 试验#1中孔隙水压力与时间的变化曲线Figure 11. Variation of pore water pressure with time in test No. 1![]()
图 12 试验#2中孔隙水压力与时间的变化曲线Figure 12. Variation of pore water pressure with time in test No. 2由于第一次湿干冻融耦合循环作用后模型渠道裂隙已开始拓展,在第二次湿干过程中渠水经由裂隙继续入渗,试验#1中的除P9外的所有孔压传感器读数以及试验#2中除P8、P9外的所有孔压传感器读数均与相应位置的静水压力相符,表明以上孔压传感器测点处渠基土已达到饱和状态。由于第一次湿润过程使得模型渠道浅层土体接近饱和,因此在第二次湿润注水过程中,渠水入渗速率和入渗量均有所降低,孔压传感器读数较快地增长至稳定状态。在干燥过程中,入渗行为逐渐变缓,由于渠基土表面的干燥失水过程及效果相对稳定,故可以认为土体内部水分进一步入渗所导致的浅层渠基土孔隙水压力衰减所占的比重相比于第一次干燥过程略有减小,衰减幅度和速率亦有所降低。
前两次的湿干冻融耦合循环作用导致模型渠道张拉裂隙宽度与拓展深度均显著增大,故在第三次湿干过程中,渠水经由裂隙网络充分湿化浅层渠基土,试验#1和试验#2中所有孔隙水压力传感器的读数均与相应位置的静水压力相符,表明渠底和渠坡法向深度40 mm以内的渠基土均已达到饱和状态；在干燥过程中,试验#1和试验#2中所有孔隙水压力传感器读数均呈现衰减的趋势,但衰减幅度和速率进一步减小,这表明在第三次干燥过程中浅层渠基土孔隙水压力衰减主要取决于渠基土表面的干燥失水过程,通过换算孔隙水压力衰减幅度可知法向干燥深度约为4～5 mm,仍小于传感器埋设深度20 mm和40 mm,故在3次循环作用过程中,湿润期和干燥期内的孔隙水压力传感器读数始终为正值。
3.3 温度传感器响应及分析
图13和图14分别为试验#1和试验#2中渠基土温度随时间变化的曲线。试验#1和试验#2中渠基土温度变化趋势基本一致,均在湿干阶段保持温度的增加,在冻结阶段温度下降至负温,在融化阶段又回复至正温,使得模型渠道经历反复的温度场变化。值得注意的是,在湿润阶段,温度传感器T1、T2、T4、T5的读数一开始均迅速增长,随后又逐渐降低,这是因为模拟渠水虽采用5℃以下低温水,但在其温度仍高于模型渠基土初始温度（约1℃）,随着渠水入渗与土体产生热交换,温度传感器T1、T2、T4、T5的读数随之下降,并最终与其他传感器读数趋于一致。在干燥阶段,由于采用离心机自身高速运转产生的风力吹过模型渠道上方从而带走模型箱内湿气的干燥方式（机室内环境温度约32℃）,故所有温度传感器读数均略有增长,相同法向深度处温度传感器的读数增加幅度和速率较为一致,分别为T1、T4、T7最大、T2、T5、T8次之、T3、T6、T9最小。在冻结阶段,渠基土各测点处的温度均随着热交换面板的变温而陡降至1℃左右,随后降温过程相对平缓,并逐步达到负温。在融化阶段,渠基土各测点处的温度均随着热交换面板的变温而出现“陡增”现象,当温度升至0℃左右时,随后的升温过程开始变得平缓,直至全部测点达到正温。
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图 13 试验#1中渠基土温度与时间的变化曲线Figure 13. Variation of soil temperature with time in test No. 1![]()
图 14 试验#2中渠基土温度与时间的变化曲线Figure 14. Variation of soil temperature with time in test No. 2另外,在3次湿干冻融耦合循环过程中,试验#1和试验#2中冻结过程和融化过程所需的完成时间不尽相同,如表5所示,可以看出随着循环次数的增加,渠基土在湿干冻融耦合循环作用后,冻结和融化速率增大,模型试验中冻结过程和融化过程所需完成时间随之缩短,值得注意的是试验#1中第二次冻结过程所需完成时间较长,这是由于在第一次湿干冻融耦合循环作用后,试验#1中模型渠道出现了一定的张拉裂隙,促进了渠水入渗行为,导致渠水入渗量剧增（如表6所示）,冻结过程时间显著增长。
表 5 冻结过程和融化过程所需完成时间Table 5. Time required for freeze-thaw processes试验编号 完成时间/min 第一次循环 第二次循环 第三次循环 冻结 融化 冻结 融化 冻结 融化 #1 189 90 330 77 180 72 #2 366 104 266 93 222 77 表 6 湿润过程中的渠水入渗量Table 6. Infiltration capacities of canal water during wetting process试验编号 渠水入渗量/L 第一次湿润 第二次湿润 第三次湿润 #1 6.9 8.4 4.1 #2 8.1 7.3 5.4 3.4 位移传感器响应及分析
图15和图16分别为试验#1和试验#2中渠道法向位移与时间的关系曲线。从图15和图16中可以看出,在湿干冻融耦合循环过程中,模型渠道渠底、渠坡和渠顶的法向位移均呈现波动式变化的特征,这是由于循环过程中涉及湿化变形、冻胀变形和融沉变形等多种变形模式,在湿润和干燥阶段（WD）,模型渠道总体法向位移均为湿化变形引起的向下沉降；在冻结阶段（F）,模型渠道总体法向位移均为冻胀变形引起的向上隆起；在融化阶段（T）,模型渠道总体法向位移均为融沉变形引起的向下沉降。
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图 15 试验#1模型渠道法向位移与时间的变化曲线Figure 15. Variation of normal displacement of model canal with time in test No. 1![]()
图 16 试验#2模型渠道法向位移与时间的变化曲线Figure 16. Variation of normal displacement of model canal with time in test No. 2除此以外,随着湿干冻融耦合循环次数的增加,试验#1和试验#2中单次湿干冻融耦合循环过程中渠道法向位移量变化幅度呈逐渐增大的趋势。在每次湿干冻融作用过程完成后,模型渠道的累积法向位移量都进一步增大,试验#1和试验#2中渠底、渠坡和渠顶的最终法向位移量分别为-7.2,-15.0,-9.9和-5.7,-15.5,-8.4 mm,渠坡变形显著大于渠底和渠顶。这是因为模型渠道中法向变形量监测点分别设置于渠底、渠坡和渠顶位置,3个测点处的水分变化情况受限于模型内渠水位升降过程而存在显著差异,造成了渠坡处较大的干湿循环幅度,而土体含水率变化幅度越大,土体强度的衰减越明显[24],故渠坡处易发生向临空面的劣化变形,这与图15,16中黑色虚线圈内实测数据的变化趋势一致,即渠坡处的法向位移在干燥阶段会出现一定的陡降现象。因此,在湿干冻融耦合循环过程中渠坡产生的法向变形最为显著,渠顶次之,渠底最小。
4. 渠道劣化失稳机理分析
湿干冻融耦合循环作用下北疆膨胀土渠道的劣化失稳过程受多因素耦合影响,相较于传统工况下的膨胀土边坡更为复杂,故基于现场实际调研情况以及上述离心模型试验结果,对水-热耦合循环作用下膨胀土渠道劣化失稳过程进行分析,如图17所示。
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图 17 试验#1和试验#2中膨胀土渠道劣化过程Figure 17. Deterioration process of expansive soil canals in test No. 1 and test No. 2渠道在湿润阶段（图17（a））,渠水入渗造成浅层渠基土接近饱和状态,此时可以认为渠道处于稳定渗流阶段,浅层渠基土的孔隙水压力读数约等于相应位置的静水压力值（图11,12）,土体湿化变形后逐渐达到固结稳定,渠基土中超静孔隙水压力较小,故总应力约等于有效应力；随着渠水位骤降,渠道进入干燥阶段（图17（b））,饱和状态或接近饱和状态的浅层渠基土难以及时排水,形成了一定的超静孔隙水压力,使得渠坡在渗流力作用下产生向临空面的变形（图15,16）,造成渠坡、渠顶处浅层土体的应力释放,牵引式地诱发渠坡及渠顶处张拉裂隙的发育（图8,9）。如此的湿干作用使得渠道浅层渠基土的强度降低,渠道边坡的安全系数下降[25],而现场渠道除经历以上湿干循环作用外,还受到冻融作用的影响,齐吉琳等[26]、胡再强等[27]的研究已经表明,冻融循环过程对土体的结构性具有显著的影响。具体来讲,当渠道边坡处于冻结阶段时（图17（c））,浅层渠基土为非饱和状态,水分逐渐向土体表面迁移,伴随着冰晶的生长引发渠道冻胀变形,破坏了土体颗粒间的联结力；同时冻结过程还会造成裂隙尖端应力集中,引发渠坡、渠顶处的张拉裂隙进一步地拓展、偏转以及破碎重组[17]；当渠道进入融化阶段时（图17（d））,土体表面首先解冻,融水的湿化作用使得浅层渠基土抗剪强度急剧下降,进一步降低了渠道边坡的安全系数[28]。
与传统膨胀土边坡的局部劣化失稳逐步引发整体劣化失稳的特征相比,试验#1和试验#2中的膨胀土模型渠道边坡仍具有牵引式劣化失稳的特征。不同点在于,湿干冻融耦合循环作用过程中模型渠道边坡并未发生显著的局部失稳,而是在水-热耦合循环作用下牵引式地诱发渠坡、渠顶产生累积损伤变形,进而在渠顶形成横向贯穿的张拉裂隙,使得试验#1和试验#2中的膨胀土模型渠道在3次湿干冻融耦合循环作用后呈现出自渠顶最大张拉裂隙发生劣化失稳的趋势。
5. 结论
基于自主研发的季冻区渠道湿干冻融离心模型试验设备,围绕复杂条件下输水渠道劣化致灾问题,开展了离心模型试验研究。取得以下结论：
（1）研制了一套季冻区渠道湿干冻融离心模型试验设备,首次实现了离心场下渠道经历湿干冻融耦合循环过程的模拟。
（2）湿干冻融耦合循环作用诱发模型渠道中的裂隙不断拓展,并最终产生一条贯穿渠顶表面的深层横向张拉裂隙,造成模型渠道有着自渠顶张拉裂隙发生失稳破坏的趋势,其中中等膨胀土模型渠道的失稳趋势更为明显。
（3）随着湿干冻融耦合循环次数的增加,渠水入渗深度不断增大,入渗量逐渐减小,达到原型最大冻深2 m所需时间不断缩短,融化速率呈上升趋势。
（4）在湿干冻融耦合循环过程中,由于存在多种变形模式,模型渠道法向位移呈现波动式变化的特征,其中,渠坡处的法向变形最为显著,渠顶处次之,渠底处最小。
谨对中国工程物理研究院总体工程研究所,洪建忠副主任、赵宝忠高级技师、张鸣雷工程师、汤子峰高级工程师等为设备研发的投入表示衷心感谢。 -
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图 11 试验#1中孔隙水压力与时间的变化曲线
Figure 11. Variation of pore water pressure with time in test No. 1
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图 12 试验#2中孔隙水压力与时间的变化曲线
Figure 12. Variation of pore water pressure with time in test No. 2
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图 13 试验#1中渠基土温度与时间的变化曲线
Figure 13. Variation of soil temperature with time in test No. 1
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图 14 试验#2中渠基土温度与时间的变化曲线
Figure 14. Variation of soil temperature with time in test No. 2
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图 15 试验#1模型渠道法向位移与时间的变化曲线
Figure 15. Variation of normal displacement of model canal with time in test No. 1
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图 16 试验#2模型渠道法向位移与时间的变化曲线
Figure 16. Variation of normal displacement of model canal with time in test No. 2
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图 17 试验#1和试验#2中膨胀土渠道劣化过程
Figure 17. Deterioration process of expansive soil canals in test No. 1 and test No. 2
表 1 土工离心机技术指标
Table 1 Technical indexes of geotechnical centrifuge
技术特征 指标 离心机最大容量 400 g·t 有效半径 5.5 m 转速幅值 5~200g 有效负荷(模型箱+模型) 100g时4000 kg;200g时2000 kg 加速度稳定度 ±0.5%F·S 
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表 2 土样基本性质
Table 2 Basic properties of soils
参数 弱膨胀土 中等膨胀土 液限/% 47.2 52.6 塑限/% 16.8 18.4 塑性指数 30.4 34.2 最优含水率/% 15.6 18.4 最大干密度/(g·cm-3) 1.80 1.70 自由膨胀率/% 52.0 71.0 注： 弱膨胀土和中等膨胀土分别为弱胀缩性的青色膨胀土和中等胀缩性的黄色膨胀土,下文以此简称。
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表 3 试验相似率（原型/模型）
Table 3 Similarity ratios of tests (prototype/model)
物理量 相似率 物理量 相似率 加速度 1/N 位移 1 颗粒尺寸 1 温度 1 密度 1 热扩散系数 1 应力 1 导热系数 1 渗透系数 N 时间（固结） N2 渗流时间 N2 时间（热交换） N2
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表 5 冻结过程和融化过程所需完成时间
Table 5 Time required for freeze-thaw processes
试验编号 完成时间/min 第一次循环 第二次循环 第三次循环 冻结 融化 冻结 融化 冻结 融化 #1 189 90 330 77 180 72 #2 366 104 266 93 222 77
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表 6 湿润过程中的渠水入渗量
Table 6 Infiltration capacities of canal water during wetting process
试验编号 渠水入渗量/L 第一次湿润 第二次湿润 第三次湿润 #1 6.9 8.4 4.1 #2 8.1 7.3 5.4
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