北方季凍區(qū)渠道混凝土防凍脹措施試驗(yàn)研究

趙雙興

(中鐵十八局集團(tuán)有限公司，天津 300300)

1 工程概況

布爾津河?xùn)|岸干渠引水渠首位于布爾津河中游左岸，屬Ⅲ等中型工程，主要建筑物級(jí)別為3級(jí)，次要建筑物級(jí)別為4級(jí)。項(xiàng)目區(qū)多年平均氣溫5.4℃，極端最高氣溫39.5℃，極端最低氣溫-38℃，一年當(dāng)中月平均氣溫低于零度的月份長(zhǎng)達(dá)4個(gè)月之久，一般在12月到次年3月。最大凍土深106cm，最大積雪深46cm，多年平均降水量143mm，多年平均水面蒸發(fā)量為1627.2mm。

本次工程設(shè)計(jì)渠道全長(zhǎng)22.92km，總體走向?yàn)镹W—SE，沿線穿越布爾津與烏增河階地、山前洪積平原及丘陵區(qū)，沿線整體地形東北高西南低，地勢(shì)平緩開(kāi)闊。渠道沿線穿越地層為級(jí)配不良礫、卵礫石混合土及含礫砂土層。地基土凍脹評(píng)價(jià)：樁號(hào)14+500～18+250、18+385～23+130段，凍脹類(lèi)別為不凍脹，凍脹等級(jí)Ⅰ級(jí)；樁號(hào)18+250～18+385段，凍脹類(lèi)別為不凍脹，凍脹等級(jí)Ⅰ級(jí)；樁號(hào)23+130～33+830段，凍脹類(lèi)別為凍脹，凍脹等級(jí)Ⅲ級(jí)。因此，本文主要針對(duì)樁號(hào)23+130～33+830段開(kāi)展渠道混凝土防凍脹措施研究。

2 渠道凍脹機(jī)理分析

北方地區(qū)冬季低溫天氣持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，在長(zhǎng)時(shí)間的低溫環(huán)境下，渠基土中的自由水和毛細(xì)水會(huì)發(fā)生凍結(jié)，凍結(jié)過(guò)程中水分的遷移積聚以及冰析作用會(huì)導(dǎo)致渠基土發(fā)生凍脹破壞，渠基土凍脹破壞分為原位凍脹和分凝凍脹兩種形式，其中，分凝凍脹是引起渠基土發(fā)生凍脹破壞的主要原因。渠道襯砌凍脹破壞與土質(zhì)、水分、溫度和渠道走向等因素有關(guān)，而渠基土凍脹破壞是引起渠道襯砌混凝土發(fā)生凍脹破壞的主要原因[1-5]。因此，做好渠基土的保溫措施，控制渠基土的凍脹變形，對(duì)于防止渠道襯砌混凝土的凍脹破壞具有重要意義，故本文提出采用EPS顆粒輕質(zhì)土作為渠道底部保溫墊層，從而控制土體的凍脹量，減小渠道襯砌混凝土的凍脹破壞[6-8]。

3 試驗(yàn)概況

3.1 試驗(yàn)原材料

EPS顆粒：堆積密度大小為0.022g/cm3，顆粒直徑大小為2～4mm；水泥：采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥；外加劑：包括丙乳(主要目的是對(duì)水泥進(jìn)行改性)、引氣劑(主要目的是改善混凝土的坍落度和可塑性)、減水劑(主要目的是減少拌和用水量，并改善混凝土的流動(dòng)性，節(jié)約水泥用量)；土料：含砂低液限粉土，土粒比重為2.64，填土控制干密度為1.55g/cm3，最大干密度為1.66g/cm3，最優(yōu)含水率為13.3%，制樣含水率為13.3%。

3.2 模型制作

模型試驗(yàn)箱尺寸為長(zhǎng)4.5m、寬3.0m、高1.5m，模型試驗(yàn)箱底部結(jié)構(gòu)分為三層：加熱層、砂墊層+無(wú)紡布層、補(bǔ)水層，主要作用是模擬土體在自然狀態(tài)下的單向凍結(jié)和雙向融化情況。模型渠道采用矩形結(jié)構(gòu)型式，尺寸為2.0m×0.5m×0.5m。根據(jù)模型試驗(yàn)箱尺寸和實(shí)際渠道尺寸大小，將模型幾何比尺定位 1∶4，模型溫度比尺為1∶1，模型時(shí)間比尺為1∶16。

模型制作過(guò)程簡(jiǎn)述如下：將實(shí)驗(yàn)土料按試驗(yàn)規(guī)定進(jìn)行分層夯實(shí)，并按設(shè)計(jì)要求埋設(shè)溫度和位移傳感器→分別換填不同EPS顆粒摻量的輕質(zhì)土，統(tǒng)一換填厚度均為20cm，然后在矩形渠道安放土體，渠道兩側(cè)用細(xì)砂抹平，同時(shí)埋設(shè)溫度和位移傳感器→EPS輕質(zhì)土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后，對(duì)土體進(jìn)行飽水處理→對(duì)模型土體進(jìn)行補(bǔ)水處理，使土體含水狀態(tài)與自然狀態(tài)基本一致→保持試驗(yàn)室處于低溫(8℃)恒定狀態(tài)，準(zhǔn)備開(kāi)始凍脹試驗(yàn)。模型及傳感器見(jiàn)圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭D(單位：m)

3.3 試驗(yàn)方案

EPS顆粒輕質(zhì)土墊層配比情況：共設(shè)計(jì)四種不同EPS顆粒摻量輕質(zhì)土，EPS摻量分別為0、2%、3%和4%(見(jiàn)表1)。試驗(yàn)分為四個(gè)階段：降溫階段、恒溫階段、升溫階段以及恒高溫至完全融化階段，試驗(yàn)總歷時(shí)330h(見(jiàn)表2)。

試驗(yàn)編號(hào)土/%水泥/%水/%EPS顆粒/%丙乳/%引氣劑/%減水劑/%密度/(kg/m3)導(dǎo)熱系數(shù)/[W/(m·K)]1100401.541.06210020402150.10.51.130.898310020453150.10.50.970.821410020454150.10.50.860.718

表2 溫度控制方案

4 試驗(yàn)研究

4.1 溫度場(chǎng)

試驗(yàn)得到的不同EPS顆粒摻量輕質(zhì)土換填情況下的渠道溫度場(chǎng)云圖(見(jiàn)圖2、圖3)。凍結(jié)情況下，土體的溫度從上往下依次遞減，表明本次試驗(yàn)土體是一個(gè)單向凍結(jié)的過(guò)程；相同土體深度下，EPS顆粒輕質(zhì)土摻量越高，渠道底部土體的溫度越高，凍結(jié)深度逐漸下降。融化情況下，渠基土中部溫度最低，然后向土體表面和深部溫度逐漸升高，表明土體融化是一個(gè)雙向融化的過(guò)程；隨著EPS顆粒摻量的增加，融化土體最低溫度逐漸向表層土體轉(zhuǎn)移，表層土體與深層土體之間的溫差在逐漸減小，表明EPS顆粒輕質(zhì)土墊層對(duì)渠道起到了很好的保溫作用。

圖2 最大凍深溫度場(chǎng)

圖3 最大融深溫度場(chǎng)

4.2 凍結(jié)融化深度

從圖4可以看到：不同EPS顆粒摻量輕質(zhì)土換填下的土體起凍時(shí)間約為試驗(yàn)20h后，隨著溫度的逐漸降低，土體的凍結(jié)深度迅速增大，并在升溫過(guò)程中達(dá)到最大值，0、2%和3%EPS顆粒摻量下土體出現(xiàn)最大凍深的時(shí)間基本相同，約為試驗(yàn)260h后，溫控第三階段溫度基本升至0℃時(shí)，4%EPS顆粒摻量下的土體出現(xiàn)最大凍深的時(shí)間有所推遲，約為試驗(yàn)后280h；相同試驗(yàn)時(shí)間下，EPS顆粒摻量越高，凍深越小，土體的凍結(jié)速率越慢；0、2%、3%和4%EPS顆粒摻量下的最大凍深分別為115cm、93.1cm、80cm和73.5cm。

圖4 凍結(jié)融化曲線

4.3 凍脹量曲線

從圖5可以看到：土體在溫降初期會(huì)出現(xiàn)一定的凍縮現(xiàn)象，這主要是因?yàn)樵撾A段土體的凍脹量還較小，不足以抵消土體自身引起的冷縮量，隨著溫度的繼續(xù)降低，土體逐漸發(fā)生凍脹現(xiàn)象，并在試驗(yàn)280h左右時(shí)，凍脹量達(dá)到峰值，此后，隨著溫度的逐漸升高，土體中的冰逐漸開(kāi)始融化，凍脹量也隨之減??；襯砌渠道的變形主要包括回填土的溫度變形、固結(jié)變形、凍脹融沉變形以及矩形渠道的溫度變形等，回填土的凍脹融沉變形是引起渠道凍脹破壞的主要因素，經(jīng)歷一個(gè)凍融循環(huán)后，未摻EPS顆粒輕質(zhì)土的凍脹融沉殘余變形為5.5mm，2%、3%和4%EPS顆粒輕質(zhì)土摻量的凍脹融沉殘余變形量分別為4.8mm、4.1mm和2.4mm；可見(jiàn)，隨著EPS顆粒摻量的增加，渠基土的最大凍脹量和殘余變形量減小，表明EPS顆粒輕質(zhì)土對(duì)渠道起到了很好的保溫防凍脹效果。

圖5 凍脹融化曲線

5 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果可以看出：EPS顆粒含量越高，對(duì)渠基土最大凍深和最大凍脹量的削減量越大，相比未摻EPS顆粒的輕質(zhì)土，摻入2%、3%和4%EPS顆粒后，最大凍深量分別減小19%、30%和36.1%，最大凍脹量分別減小54.7%、63.4%和78.4%，EPS顆粒輕質(zhì)土墊層對(duì)于矩形渠道能夠起到較好的防凍脹效果(見(jiàn)圖6)。

圖6 最大凍深、凍脹與EPS摻量關(guān)系

采用EPS顆粒對(duì)渠基土進(jìn)行換填，既可以減小渠道襯砌混凝土的凍脹變形，EPS顆粒還可以循環(huán)利用，具有綠色環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。但是，本文僅針對(duì)EPS輕質(zhì)土對(duì)渠道的防凍脹效果進(jìn)行了試驗(yàn)分析，EPS的最佳摻量還應(yīng)綜合考慮渠基土的強(qiáng)度特征、壓實(shí)特性、工程造價(jià)等綜合確定，將在今后作進(jìn)一步的補(bǔ)充研究。

6 結(jié) 論

本文針對(duì)北方季凍區(qū)渠道混凝土易出現(xiàn)的凍脹變形破壞難題，采用EPS顆粒輕質(zhì)土作為渠道底部保溫墊層，對(duì)不同EPS顆粒摻量下的保溫防凍效果進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究，得出如下結(jié)論：實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ屯馏w符合單向凍結(jié)、雙向融化的季凍區(qū)凍融發(fā)展規(guī)律，EPS顆粒摻量越高，墊層對(duì)渠道起到的保溫效果越好；0、2%、3%和4%EPS顆粒摻量下的最大凍深分別為115cm、93.1cm、80cm和73.5cm，最大凍脹量分別為2.32cm、1.05cm、0.85cm和0.5cm，EPS顆粒輕質(zhì)土墊層對(duì)于矩形渠道能夠起到較好的防凍脹效果。

EPS顆粒最佳摻量還應(yīng)結(jié)合基礎(chǔ)剛度、強(qiáng)度、壓實(shí)特性、工程造價(jià)等綜合特性進(jìn)行考慮，將在今后工作中予以補(bǔ)充。