南疆地區(qū)保溫板處治的硫酸鹽漬土路基溫度變化監(jiān)測與分析

康 強(qiáng)　李壽寧

(塔里木大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300)

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南疆地區(qū)保溫板處治的硫酸鹽漬土路基溫度變化監(jiān)測與分析

康 強(qiáng)李壽寧*

(塔里木大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300)

摘要絕熱用擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板在多年凍土地區(qū)工程中已得到廣泛應(yīng)用，但對于在鹽漬土地區(qū)工程中使用保溫材料的應(yīng)用研究相對較少。為解決硫酸鹽漬土路基隨季節(jié)氣溫變化產(chǎn)生鹽脹進(jìn)而導(dǎo)致道路破壞的問題，依托阿拉爾市虹橋路延伸段工程，設(shè)立保溫板處治的硫酸鹽漬土路基試驗段。為進(jìn)一步掌握保溫板對路基的保溫效果，對試驗路段進(jìn)行了長期溫度監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果表明：在冬季最不利季節(jié)下保溫板能起到很好的保溫作用；上路床及結(jié)構(gòu)層的溫度大于0 ℃，且明顯地高于普通路段；此種保溫板路基在一定程度上能抑制鹽脹的發(fā)生。最后采用數(shù)理統(tǒng)計方法分析了試驗路段路基在不同季節(jié)下溫度與深度之間的關(guān)系，建立了溫度與深度之間的數(shù)學(xué)模型，為進(jìn)一步利用保溫板處治硫酸鹽漬土路基提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞XPS保溫板；硫酸鹽漬土；路基；溫度監(jiān)測；數(shù)學(xué)模型

鹽漬土是指不同程度鹽堿化土的總稱。在公路工程中，鹽漬土系指地表下1. 0 m內(nèi)，易溶鹽含量平均大于0. 3%的土[1]。鹽漬土在我國分布范圍較廣，含鹽性質(zhì)差異大，新疆南部分布的鹽漬土主要以硫酸鹽漬土為主。鹽漬土含鹽性質(zhì)以CL-/SO42-比值劃分，比值大于2. 0為氯鹽漬土，比值在1. 0～2. 0之間為亞氯鹽漬土，比值在0. 3～1. 0之間為亞硫酸鹽漬土，小于0. 3為硫酸鹽漬土[2]。

不同類型的鹽漬土在不同的環(huán)境條件下對工程的破壞程度亦不同，硫酸鹽漬土中因含有大量NaCL和Na2SO4等易溶鹽，是造成鹽漬土鹽脹的主要因素。鹽脹的大致過程是：硫酸鈉結(jié)合10個水分子變成芒硝，體積增大數(shù)倍；氯化鈉結(jié)合2個水分子變成冰鹽，體積也增大數(shù)倍。在適當(dāng)?shù)臏囟葪l件下，鹽脹機(jī)理可通過以下兩方程說明：Na2SO4+10H2O→Na2SO4·10H2O(芒硝)；NaCL+2H2O→NaCL·2H2O(冰鹽)。鹽脹的結(jié)果會造成路面局部或大面積隆起、網(wǎng)裂、車轍及沉陷等不可修復(fù)的病害，鹽漬土地區(qū)道路病害的防治已經(jīng)成為工程界難以避開的課題。

本文從影響鹽脹形成的主要因素之一的溫度出發(fā)，以新疆阿拉爾市虹橋路延伸段項目為依托工程。擬采用擠塑性聚苯乙烯泡沫塑料板(XPS保溫板)粘貼在路基兩側(cè)混凝土防滲墻上，確保上路床及路面結(jié)構(gòu)層在冬季處于一個相對封閉保溫的環(huán)境，使其內(nèi)部溫度高于鹽脹發(fā)生的溫度，從而最大限度地抑制鹽脹的產(chǎn)生，減少鹽漬土地區(qū)城市道路病害，延長道路的使用壽命。

1工程概況及氣候特征

1.1虹橋路延伸段道路工程概況

虹橋路延伸段為新疆阿拉爾市主干路，大致呈南北走向，設(shè)計長度為2 408. 729米，道路紅線寬度為36米。場地屬塔里木河沖積平原二級階地，而且是季節(jié)性凍土地區(qū)，凍脹和鹽脹的道路病害較為突出。地質(zhì)情況較為單一，底層巖性多為細(xì)顆粒的砂土、粉土、粘性土，地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值60 KPa～150 KPa之間。設(shè)計橫斷面為單幅路型式，具體為：4. 5 m人非混行道+6. 0 m綠化帶+15. 0 m機(jī)動車道+6. 0 m綠化帶+4. 5 m人非混行道。機(jī)動車道路面結(jié)構(gòu)層如表1所示：

表1　機(jī)動車道路面結(jié)構(gòu)層

1.2氣候特征

阿拉爾市海拔高程位于1 010 m～1 018 m之間，區(qū)內(nèi)地勢平坦，屬極度干旱性荒漠氣候。干燥少雨，年降雨量僅為72. 2 mm；日照時間長，全年日照時間為2 852. 7h[3,4]。夏季高溫，蒸發(fā)強(qiáng)烈；冬季漫長，干燥寒冷是造成鹽分向地表集聚的主要原因。該市全年平均氣溫10. 8℃，蒸發(fā)量極大，年蒸發(fā)量達(dá)3 000 mm/年，約是降雨量的42倍，年平均相對濕度為51%[5]。路面雨雪水主要以自然蒸發(fā)為主，林帶用水主要來自人工漫灌，此林帶用水對土基及路面結(jié)構(gòu)層的含水量有很大影響。

2XPS保溫板工程應(yīng)用技術(shù)要求

2.1性能特點

XPS保溫板是以聚苯乙烯樹脂為主要成分加上其他的輔料與聚合物，通過加熱同時注入催化劑，然后擠塑壓出成型而制造的具有閉孔結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)泡沫塑料板。它已在多年凍土地區(qū)的道路、機(jī)場跑道等工程中得到了廣泛應(yīng)用，工程實踐表明保溫隔冷效果是比較明顯的，源于其具有以下性能特點[6-8]：(1)保溫隔冷，其結(jié)構(gòu)閉孔率達(dá)到了99 %以上；(2)高強(qiáng)度抗壓，其抗壓強(qiáng)度達(dá)到150～500 KPa以上；(3)憎水性、防潮效果極佳；(4)質(zhì)地輕、工程上使用方便，標(biāo)準(zhǔn)尺寸為600 mm×1 200 mm厚度為20 mm～60 mm。本試驗路段的XPS保溫板厚度為40 mm：(5)防腐性、穩(wěn)定性好；(6)產(chǎn)品環(huán)保。

2.2施工工藝

防滲混凝土墻基層清理→配制專用聚合物粘結(jié)砂漿→粘貼XPS板→檢查、修整

2.3粘貼方法

XPS板粘貼通常采用點框法，粘貼應(yīng)從細(xì)部節(jié)點(如預(yù)埋套管的位置)開始向中間進(jìn)行，按照事先排好的尺寸切割XPS板。然后用鋼抹子沿XPS板的四周涂抹粘結(jié)砂漿，寬度為50 mm，板中間設(shè)置若干個直徑100 mm，厚度10 mm的粘結(jié)點，按梅花丁布置，粘結(jié)砂漿的涂抹面積不得小于50%。如圖1所示，XPS板應(yīng)水平橫向鋪貼，板與板之間要擠緊，板縫間不得有粘結(jié)砂漿，否則該部位易形成熱橋，影響保溫效果，上下兩排板須錯縫1/2板長，局部最小錯縫不得小于200 mm。

圖1　XPS板排列示意圖

3路基溫度變化監(jiān)測與分析

3.1溫度傳感器埋設(shè)

試驗路段總長為500 m，起訖樁號為K0+040～K0+540。鑒于前期對阿拉爾市區(qū)其它道路的現(xiàn)場觀察，發(fā)現(xiàn)路面的破損先從路邊向路中逐漸發(fā)展，立緣石附近先出短小橫向裂縫，故選取典型橫斷面K0+140作為監(jiān)測斷面。因斷面兩側(cè)自然環(huán)境條件相同，故溫度傳感器僅埋設(shè)半幅路基內(nèi)。如圖2所示，4個溫度傳感器距立緣石的橫向距離為1. 5 m，距路面的豎向距離分別是0. 4 m，0. 75 m，1. 1 m，1. 4 m。為了不影響工期，路基施工至指定標(biāo)高后開始埋設(shè)溫度傳感器，同時用鍍鋅鋼管保護(hù)其引線并引出至林帶中的觀測井。普通路段溫度傳感器埋設(shè)的典型橫斷面是K0+800，埋設(shè)位置與圖2類似，區(qū)別在于普通路段兩側(cè)無混凝土防滲墻及保溫板。

圖2　溫度傳感器布置圖(單位：cm)

3.2路基溫度變化分析

3.2.1溫度觀測結(jié)果整理

借助架設(shè)在林帶的小型氣象站，得到了2013年11月15日～2014年12月31日的日平均氣溫，如圖3所示。監(jiān)測結(jié)果表明：大氣溫度隨季節(jié)變化呈現(xiàn)周期性的波動；年平均氣溫較低約為8. 5 ℃；低溫持續(xù)時間較長從當(dāng)年的11月到次年的2月，溫度大致-9 ℃～0 ℃之間波動。若路面結(jié)構(gòu)層的溫度處于0 ℃以下，則會導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生鹽凍脹；最熱月是7月份，月平均溫度是26 ℃，該溫度對路基路面無明顯影響。

圖3　日平均氣溫變化曲線

通過對試驗路段和普通路段進(jìn)行長達(dá)1年多的溫度監(jiān)測，分別得到了普通路段和試驗路段典型橫斷面路基溫度變化的結(jié)果，如圖4和圖5所示。

圖4　普通路段路基溫度變化曲線

圖5　試驗路段路基溫度變化曲線

從實測結(jié)果可以看出：試驗路段和普通路段路基溫度變化趨勢整體上一致，二者都與外界大氣溫度變化趨勢一樣也呈現(xiàn)周期性波動；兩者路基溫度變化都隨著季節(jié)溫度降低而降低，隨季節(jié)溫度升高而升高，但滯后外界大氣溫度變化；溫度傳感器埋設(shè)越淺即離地表越近，其溫度變化隨季節(jié)溫度變化越明顯；在冬季冷月時，距地表近處位置的溫度低于距地表遠(yuǎn)處位置的溫度，這說明路面結(jié)構(gòu)層的溫度低于土基的溫度，路面結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生鹽凍脹病害可能性大于土基；在夏季熱月時，距地表近處位置的溫度高于距地表遠(yuǎn)處位置的溫度。

對圖4和圖5進(jìn)行比較可以看出：試驗路段路基溫度變化曲線的振幅大于普通路段；在冬季冷月(2013年12月～2014年2月)期間，普通路段埋深0. 4 m和0. 75 m處的溫度在-4. 6 ℃～0 ℃之間波動，而該溫度區(qū)間正好處于鹽漬土鹽凍脹發(fā)育的最佳溫度區(qū)間-5 ℃～0 ℃[9]之間；試驗路段埋深0. 4 m和0. 75 m處的溫度在1 ℃～5 ℃波動，該溫度區(qū)間在0 ℃以上，同時未在鹽漬土鹽凍脹發(fā)育最佳溫度區(qū)間。這說明在最不利季節(jié)保溫板能有效地阻止路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部的熱量向外界傳遞和輻射，從而達(dá)到良好的保溫效果。保溫板的鋪設(shè)可以有效地提高路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部的溫度，使其高于鹽凍脹發(fā)育的最佳溫度，進(jìn)而抑制鹽凍脹病害的發(fā)生。

3.2.2試驗路段路基溫度與深度之間變化規(guī)律研究

基于不同季節(jié)通過實測路基溫度建立的溫度和深度之間的關(guān)系，如圖6所示。

圖6　溫度-深度的變化趨勢圖

由圖6可以看出：冬季冷月期間(1～2月份、10月份～12月份)路基溫度隨深度的變化關(guān)系為正相關(guān)即埋深越大其溫度越高；其它季節(jié)路基溫度隨深度的變化關(guān)系為負(fù)相關(guān)即埋深越小其溫度越高；路基溫度隨深度變化為線性變化趨勢，對于這種線性關(guān)系建立如下數(shù)學(xué)模型，如公式(1)所示。

T=aH+b(1)

式中：T為試驗路段路基不同深度下的溫度，℃。H為埋深，m；a,b為待定系數(shù)；當(dāng)H=0時，b表示路面溫度；當(dāng)b=0時，a表示單位豎向深度的溫度。

3.3.3數(shù)學(xué)模型驗證

由建立的公式(1)模型可知，試驗路段路基溫度-深度關(guān)系呈現(xiàn)出一元線性變化規(guī)律。將實測數(shù)據(jù)通過數(shù)理統(tǒng)計方法帶入公式(1)，通過MATLAB進(jìn)行擬合，求得溫度與深度之間的關(guān)系，然后計算相關(guān)系數(shù)驗證路基溫度和深度之間的線性關(guān)系的合理性，計算結(jié)果如表2所示。

表2　溫度-深度擬合公式

對實測數(shù)據(jù)代入數(shù)學(xué)模型后的計算結(jié)果分析可知：不同季節(jié)下通過實測溫度建立的溫度和深度之間的線性模型具有較高的相關(guān)性。公式(1)中的待定系數(shù)a、b隨外界溫度的改變而改變，除2月份和10月份擬合公式的相關(guān)系數(shù)小于0. 99，其他月份擬合公式的相關(guān)系數(shù)均大于0. 99，具有較高的相關(guān)性。這表明建立的溫度和深度之間的線性模型能很好地反映不同季節(jié)試驗路段路基溫度隨深度的變化關(guān)系。通過二者之間關(guān)系的建立，為以后進(jìn)一步研究保溫板處治硫酸鹽漬土路基防治其鹽凍脹提供另一種途徑。

4結(jié)語

通過對普通路基和試驗段路基進(jìn)行長期的溫度監(jiān)測，由監(jiān)測結(jié)果分析可知：在最不利季節(jié)即冬季，普通路基不能對上路床及路面結(jié)構(gòu)層起到保溫作用，導(dǎo)致其溫度低于0 ℃，進(jìn)而產(chǎn)生鹽凍脹破壞。試驗路段路基不僅減緩了路基向兩側(cè)傳遞熱量，而且對上路床及路面結(jié)構(gòu)層起到了很好地保溫作用，使其溫度高于0 ℃，抑制了鹽凍脹的發(fā)生，確保了路基的穩(wěn)定性，有效地消除了路面的破壞。

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Analyze and Monitor Temperature Variation of Sulphate Saline Soil Subgrade Treated by Insulation Board in Sourthern Xinjiang

Kang QiangLi Shouning*

(College of Water Conservancy and Architectural Engineering，Tarim University，Alar，Xinjiang 843300)

AbstractRigid extruded polystyrene foam boards for thermal insulation(XPS) had been widely applied in permafrost regions, but the applied research of thermal insulation materials applied in saline soil was relatively less. To solve the problems of road damage produced sulphate saline soil subgrade salt expansion from temperature variation with the seasons, built the test sections of sulphate saline soil subgrade treated by insulation boards based on the engineering of Hong Qiao road extension project. Monitor temperature of test section for a lone time in order to know ulteriorly the insulation effect of insulation boards for subgrade. Results showed that insulation boards had rather good insulation effect in the worst season of winter. The temperature of road bed and layer structer was higher than ordinary sections, and greater than 0 ℃.The insulation boards subgrade could prevent subgrade from salt expansion to a certain degree. Finally analyzed the relationship between temperature and depth of test sections subgrade by the method of mathematical statistics in different seasons, and set up the mathematical model. This provided a scientific basis by further using of insulation boards to treat sulphate saline soil subgrade.

Key wordssulphate saline soil； subgrade； XPS insulation board； temperature monitoring； mathematical model

中圖分類號：U416

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1009-0568.2016.02.014

文章編號：①1009-0568(2016)02-0080-06

作者簡介：康強(qiáng)(1988-)，2013級碩士研究生，研究方向為農(nóng)業(yè)水土建筑。E-mail：kang168qiang@163.com*為通訊作者E-mail：1525900551@qq.com

基金項目：新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)科技支疆項目(2010ZJ05)

收稿日期：①2015-09-01