基于EPS顆粒保溫墊層的季凍區(qū)渠道凍脹特性分析

張紅維

（和田鼎晟工程試驗檢測有限公司，新疆 和田 848000）

0 引言

在寒冷地區(qū)，土壤凍結(jié)會對水工建筑物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性造成不利影響[1]。渠道襯砌容易受到土壤凍結(jié)的破壞，因不同深度的土壤暴露在寒冷空氣中，使得整個渠道橫截面容易遭受凍脹效應的影響[2，3]。淺層地面會隨季節(jié)氣溫的變化而融化和凍結(jié)，導致土壤發(fā)生一系列物理和形狀變化[4]。當?shù)孛嬖诤浼竟?jié)結(jié)冰時，其強度增加，流變行為發(fā)生，其在解凍狀態(tài)下是不發(fā)生的。當孔隙水向地面凍結(jié)前沿移動時，冰透鏡同時在凍結(jié)帶形成，導致土壤發(fā)生凍脹，如果在這種類型的地面上建造的結(jié)構(gòu)為非隔熱設(shè)計，其將遭受凍融破壞[5]。更具體地說，由于運河是直接在地下挖掘和建造的，因此冰凍破壞在寒冷地區(qū)的運河中更加嚴重和普遍。在新疆的一些灌區(qū)，由于凍脹引起的裂縫和滲漏，導致多條運河僅使用兩年就需修復[6]。在中國北方大多數(shù)運河中，渠道損壞率較高，季節(jié)性凍土的凍融循環(huán)經(jīng)常對其造成重大損壞。例如，青海省50%～60%的渠道被霜凍破壞[7]。對吉林省216條渠道的破壞調(diào)查表明，39.4%的渠道工程問題主要是由凍融作用引起的[8]。本文在室內(nèi)開展模型試驗，對渠道底部添加聚苯乙烯泡沫輕質(zhì)土混合物后渠道是否具有保溫及防凍脹作用進行研究。

1 試驗設(shè)計

現(xiàn)有的U型渠道混凝土強度一般為C15～C20，其在寒冷地區(qū)強度較低，難以達到穩(wěn)定運行的要求，為模擬室外自然條件下渠道降溫及升溫凍融循環(huán)變化，在室內(nèi)模型試驗中提高了混凝土強度，選擇C50，試驗的渠道選擇矩形薄壁結(jié)構(gòu)，其在實際工程中使用壽命較長且穩(wěn)定、便于安裝，因此選擇矩形渠道作為模型開展試驗，其長度設(shè)置為2.5 m。EPS密度及導熱系數(shù)均較小，在工程保溫材料中被廣泛應用。試驗采用墊層厚度為20 cm的聚苯乙烯泡沫（Expanded Polystyrene簡稱EPS）輕質(zhì)土作為保溫材料，對比分析加保溫材料及自然狀態(tài)下對渠道凍脹破壞產(chǎn)生的影響。試驗渠道所在的模型試驗箱長度為4 m，寬為3 m，高為1.6 m，為了模擬自然條件下土體內(nèi)水分單向及雙向凍結(jié)，試驗箱第一層至第三層分別為：直徑為2 cm的銅管加熱板、5 cm厚砂墊層、塑料補水管及無紡布，第四層為天然土壤或EPS。模型幾何比尺為1∶4，溫度比尺為1∶1，填土干密度控制為1.56 g/cm3，最大干密度為1.61 g/cm3，最優(yōu)含水率為13.2%。EPS顆粒堆積密度為0.0291 g/cm3，直徑為3 mm～6 mm。固化劑采用42.5普通硅酸鹽水泥。同時還添加了一些外加劑，如丙乳和引氣劑等。本試驗在矩形渠下設(shè)置4種不同的墊層，分別為：不摻EPS顆粒輕質(zhì)土、摻2%EPS輕質(zhì)土、摻3%EPS輕質(zhì)土、摻4%EPS輕質(zhì)土。溫度及位移傳感器布置方式見圖1～圖2，為模擬自然情況實現(xiàn)模型土體的雙向融化，并模擬凍結(jié)土體的下臥層溫度，本文控制試驗箱底板溫度為8℃。為模擬自然情況下北方平均凍融期213 d，根據(jù)時間比尺，試驗周期為13.75 d即330 h。室內(nèi)試驗過程中模型溫控方案見表1，共分為4個溫控階段，從溫度降低到土體開始凍結(jié)，此時地溫變化較小，一般為1月和2月，至3中旬后溫度升高至土體完全融化，模擬了土壤完整的凍融循環(huán)過程。

圖1 無墊層渠道傳感器布置圖

圖2 EPS墊層渠道傳感器布置圖

表1 室內(nèi)試驗模型溫控方案

2 結(jié)果分析

采用surfer軟件將凍結(jié)和融化期溫度傳感器傳回的溫度值繪制成溫度等高線圖，渠底未摻EPS顆粒墊層的渠道溫度場分布見圖3，4%EPS顆粒墊層的渠道溫度場分布見圖4，由于篇幅所限，本文只給出EPS含量為4%的溫度場分布，可以看出：與未添加EPS相比，添加了EPS保溫材料的U型槽，其渠底溫度明顯上升，其最大凍結(jié)深度明顯減小，凍脹臨界溫度即0℃溫度線明顯上升，說明EPS材料能顯著起到保溫作用，減小U型槽底部土體的凍結(jié)深度，且隨著EPS含量的增加，渠底溫度明顯升高。未添加EPS顆粒時，渠道兩側(cè)存在最低溫度集中分布區(qū)域，區(qū)域面積較大，土地的凍脹變形將對渠道兩側(cè)產(chǎn)生嚴重危害，當渠底增加EPS墊層后，其最大凍結(jié)深度對應的溫度場存在分層增加的變化變化趨勢，最低溫度分布的趨勢明顯減小，說明EPS不僅能減小渠底土體凍結(jié)深度，同時可減小渠道兩側(cè)最低溫度的分布面積，減小兩側(cè)土體的最大凍脹量，有效的減少渠道遭受的凍害影響。

圖3 未摻EPS顆粒墊層

圖4 4%EPS顆粒墊層

為了更直觀了解渠底添加EPS后，其在單向凍結(jié)及雙向融化過程中凍結(jié)深度的變化，本文繪制了凍融深度隨時間的變化曲線見圖5，可以看出：與未摻EPS相比，渠底添加EPS墊層后，其凍結(jié)深度減小，最大凍結(jié)時間增加，隨著EPS含量的增加，其凍結(jié)深度不斷減小，4%EPS墊層的渠道在19 h左右土體開始凍結(jié)，在280 h左右達到最大凍結(jié)深度，其他幾種情況在260 h左右達到最大凍結(jié)深度，并在320 h左右凍融曲線相交。未摻 EPS、2%EPS、3%EPS、4%EPS其最大凍結(jié)深度分別為：113 cm、91.8 cm、86 cm、71.6 cm，可以看出 EPS含量越高凍深越小，未摻EPS的渠道其凍結(jié)速率最快。

圖5 矩形渠道凍融深度變化曲線

圖6給出了土體發(fā)生凍結(jié)及融化過程溫度傳感器監(jiān)測的土地變形量曲線，可以看出：土體在40 h后開始發(fā)生變形，分析其原因是由于隨著溫度的降低，在土地水分開始凍結(jié)初期，土顆粒由于溫度的下降體積出現(xiàn)收縮，水分的凍脹力不足以抵抗土顆粒的收縮力，因此其變形出現(xiàn)了推遲，隨著溫度的降低，土體的凍脹量逐漸增加，而后隨著溫度的升高，凍融沉降量逐漸減小，3條EPS曲線的變化趨勢相同。未摻EPS、2%EPS、3%EPS、4%EPS其最大凍脹量分別為22.7 cm、11.3 cm、8.9 cm、5.6 cm，殘余變形分別為 5.9 cm、4.7 cm、4.2 cm、2.5 cm，含量最高的4%EPS其土體最大凍脹量和殘余變形均最小。

圖6 凍融沉降量變化曲線

3 結(jié)論

凍脹是寒區(qū)河道的一個復雜作用過程，包括能量和質(zhì)量的傳遞、冰水相變、凍土凍脹和蠕變等過程。此外，傳統(tǒng)的試驗裝置和試驗條件難以用于寒冷地區(qū)凍脹問題的研究。因此，該方向的實驗和理論數(shù)據(jù)是有限的。本文為解決室外開展試驗困難等問題，在室內(nèi)通過模型比尺縮放建立了凍融試驗箱，模擬室外U型矩形渠道土體的凍脹變化過程，探究在渠底添加EPS保溫材料后能否減小周圍土體對渠道造成的凍害，得出的主要結(jié)論為：EPS材料對渠道起到了保溫作用，與未摻EPS的渠道相比，隨著EPS含量的逐漸增加，周圍土體的最大凍結(jié)深度表現(xiàn)出逐漸減小，最大凍結(jié)時間逐漸增加，最大凍脹量和殘余變形逐漸減小，且土體周圍溫度不存在大面積低溫土壤區(qū)，EPS上層土壤溫度為向上分層變化，減小了低溫土壤的體積，能夠有效的抵抗周圍及地基土體凍脹對渠道造成的損壞。由于試驗條件的限制，將渠底環(huán)境溫度設(shè)置為常數(shù)，而不是實際的正弦變化。因此，需要對這一問題進行進一步的研究。