聚苯乙烯泡沫塑料保温板埋置深度研究

罗　刚

(新疆新纪元公路设计有限责任公司，新疆　乌鲁木齐　830000)



聚苯乙烯泡沫塑料保温板埋置深度研究

罗刚

(新疆新纪元公路设计有限责任公司，新疆乌鲁木齐830000)

罗刚(1973—)，工程师，主要从事公路桥梁工程的设计与招投标工作。

摘要：冻土路基下铺设的保温材料挤塑聚苯乙烯泡沫塑料保温板不仅具有良好的阻温隔热效果，而且其吸水率也较小，能很好地隔水，有效阻绝了冻土路基下地下水分的迁移，最终达到减少路基病害的目的。文章通过数值模拟及理论分析，结合实际施工过程中所选取的施工材料，综合考虑路面弯沉效应，研究聚苯乙烯泡沫塑料保温板的埋置深度，得出铺设在施工路基基础面之下深度约 30~40 cm处为最佳深度。

关键词：冻土路基；保温板；埋置深度；数值模拟；理论分析

0引言

地球陆表面积的将近25%分布着多年冻土区域，而我国冻土面积仅次于俄罗斯与加拿大，多年冻土和季节性冻土是冻土的两种最典型的形式。我国国土面积的220万平方公里范围内为多年冻土，西北新疆地区季节性冻土约占75%。季节性冻土地区的公路路基修筑通常会使得冻土体的水热平衡被破坏，最终将使天然冻土的水热状况改变。冻土路基通常伴随出现融沉、冻胀等常见冻害。公路路基修筑中冻土路基应做特殊处理，以保证道路的安全及稳定性。冻土按照分类属于特殊土类，矿物颗粒、液态水、固态水、气体为冻土的主要构成部分。由于冻土当中的固态水易随时间、温度变化，与其他路基形态相对比含冰量是冻土路基的主要控制因素[1]。

1冻土路基的处理技术

当前针对冻土路基的处理技术主要包括主动冷却方案以及被动延缓冻土融化方案两大类别。以热棒路基、片块石路基为主要技术基础的主动冷却技术可以通过主动控制地温以达到控制冻土退化的趋势的目的，但是工程实践证明热棒路基技术中热棒能够作用的有效影响半径较小，其次工程实践表明片块石路基技术工程只有在施工质量水准较高时才能体现部分效果，投资与效益比相差较大[2]。被动延缓冻土融化方案当中保温板路基在相关工程实践中延缓冻土融化的趋势较为明显，可以很大程度上抑制冻土融化。

2技术原理

黑色沥青路面吸热是冻土地区公路路基地表下冻土上限下降的主要原因，保持冻土路基上限不变最直接有效的工程措施是采取有效措施以增大沥青路面与路基之间的抗热热阻。保护冻土路基的一种方法是在冻土路基中铺筑相关的保温材料阻止上部热量向下的传递，利用保温材料的低热导性阻止上部沥青路面吸收的热量进入下部的路基土层，有效保证路基下部土体不致由于温度的升高而产生融沉变形，保证路基的整体稳定。冻土路基下铺设的保温材料主要为挤塑聚苯乙烯泡沫塑料保温板。挤塑聚苯乙烯泡沫塑料保温板不仅具有良好的阻温隔热效果，而且其吸水率也较小，能很好地隔水，有效阻绝了冻土路基下地下水分的迁移，最终达到减少路基病害的目的。

工程实践证明聚苯乙烯泡沫塑料保温板要取得良好的隔热保温效果，在施工工程当中聚苯乙烯泡沫塑料保温板的埋置深度不能太深。考虑到车辆荷载、以及路面自身承重的因素，如果保温板埋过浅保温板将会被压坏，不仅直接导致保温板的隔热效果降低，更严重的是降低了道路的稳定性以及强度[3]。另外若发生路基沉降现象将会直接导致保温板内应力升高，若此应力大于保温板自身抗拉强度则会发生断板现象。所以保温板的合理埋置深度关乎着其功能应用的成败。

3保温板运用的工程计算模型

计算模型选取新疆地区典型的季节性冻土区域的某公路路基作为研究对象(见图1)，聚苯乙烯泡沫塑料的抗压强度为360 kPa，最大实际作用压应力达570 kPa，厚度规格为5 cm，将保温板分别置放于研究路基基础面之下的30 cm、50 cm、80 cm位置。路基高度分别选择路堑、2 m高路堤、4 m高路堤三种情况，此公路路基宽设计为26 m，路基坡脚延伸达到20 m，路基坡度达1∶1.5。路基保温板以上结构作用自重荷载，车轮的接地压强p设置为0.8 MPa，车轮圆半径δ为11cm，最终将模型直接简化成正方形规格为19cm×19cm，其中车轮的间距设置为190cm[4]。在公路路基的底面作用位移荷载，保温板所受的拉应力直接来源于路基沉降，可以采用二次抛物线表示路基的沉降。下表1为聚苯乙烯泡沫塑料保温板模型计算参数。

表1　聚苯乙烯泡沫塑料保温板模型计算参数表

图1　聚苯乙烯泡沫塑料保温板计算模型图

4聚苯乙烯泡沫塑料保温板的受力分析

道路结构采用3m厚的碎石换填层结合4m高路堤，测试聚苯乙烯泡沫塑料保温板的最大抗压强度是否满足工程实践要求。分别埋置聚苯乙烯泡沫塑料保温板于施工路基基础面之下的20cm、50cm、70cm处，聚苯乙烯泡沫塑料保温板上、下面所受的压力的模拟测试表明：

(1)轮压正下面的聚苯乙烯泡沫塑料保温板出现了最大压力，其最大压力值范围在150~170kPa。(2)埋深相同时，聚苯乙烯泡沫塑料保温板上表面所受的压力大于下面所受的压力，差值范围在0.75~0.88kPa。(3)聚苯乙烯泡沫塑料保温板受到的压力大小与其埋置深度有很大的关系，具体为埋深在70m的聚苯乙烯泡沫塑料保温板受力最小，分别比埋深在50m与20m处的保温板小4.5kPa、4.2kPa，3.2kPa、3.2kPa，结论为聚苯乙烯泡沫塑料保温板埋深越大，其所受的压力就越小。增加埋深10cm，保温板所受压力对应增加达1.5kPa，在比例关系上分析表明，随埋深增大，聚苯乙烯泡沫塑料保温板压力的减小幅度呈现为显著的下降趋势。

5理论计算保温板埋置深度

结合应力扩散理论，以聚苯乙烯泡沫塑料保温板的最大实际作用压应力为判据标准，推导保温板的合理埋深，车辆荷载扩散示意图[5]见图3。

(1)

式中：

d——车轮圆直径，m；

p——车轮压强，MPa；

h——聚苯乙烯泡沫塑料保温板的合理埋深，m；

σ——聚苯乙烯泡沫塑料保温板最大实际作用压应力，MPa；

φ——聚苯乙烯泡沫塑料保温板以上路面结构层应力扩散角的加权平均值；

图3　车辆荷载扩散示意图

选取此4m高施工路堤路基时，分别取=0.19MN/m3，φ=35°，p=0.7 MPa，d=0.2 m，σ=0.6MPa，经过计算可得保温板的埋深h≥0.22 m。充分考虑到车辆荷载超重和实际计算误差等因素的影响，可以引入一个安全系数λ，λh=0.29 m，表明聚苯乙烯泡沫塑料保温板可以安置于路基顶面下0.29 m深处。最后结合实际施工过程中所选取的施工材料以及工程质量对路面弯沉效应的综合考虑，选择将聚苯乙烯泡沫塑料保温板铺设在施工路基基础面之下深度约30~40 cm处[6]。

6结语

(1)冻土路基下铺设的保温材料挤塑聚苯乙烯泡沫塑料保温板不仅具有良好的阻温隔热效果，而且其吸水率也较小，能很好地隔水，有效阻绝了冻土路基下地下水分的迁移，最终达到减少路基病害的目的。

(2)埋深相同时，聚苯乙烯泡沫塑料保温板上表面所受的压力大于下面所受的压力，聚苯乙烯泡沫塑料保温板埋深越大其所受的压力就越小。增加埋深10 cm，保温板所受压力对应增加达1.5 kPa，在比例关系上分析表明，随着埋深增大，聚苯乙烯泡沫塑料保温板压力的减小幅度呈现为显著的下降趋势。

(3)结合实际施工过程中所选取的施工材料以及工程质量对路面弯沉效应的综合考虑，将聚苯乙烯泡沫塑料保温板铺设在施工路基基础面之下深度约30~40 cm处。

参考文献

[1]赵丽萍.XPS板在冻土路基工程中的应用研究[D].西安：长安大学，2009.

[2]汪海年.青藏高原多年冻土地区路基温度场研究[D].西安：长安大学，2004.

[3]樊凯，章金钊，陈建兵.保温材料在青藏公路路基工程中的应用[J].公路，2004，(8)：163-166.

[4]孔立明.保温材料在青藏铁路路基工程中的应用[J].铁道工程学报，2003，25(增1)：54-58.

[5]袁宝来，李兵.聚苯乙烯防止道路冻胀的应用研究[J].辽宁省交通高等专科学校学报，2002(2)：1-4.

[6]樊凯，章金钊，陈建兵.保温材料在青藏公路路基工程中的应用[J].公路，2004(8)：163-166.

Research on the Buried Depth of Polystyrene Foam Insulation Board

LUO Gang

(Xinjiang Xinjiyuan Highway Design Co.，Ltd.，Urumqi，Xinjiang，830000)

Abstract：The extruded polystyrene foam insulation board laid under permafrost roadbed has not only the good temperature insulation effect，but also its water absorption is smaller，which has better waterproofing，can effectively block the migration of groundwater under permafrost roadbed，and ultimately can achieve the purpose of reducing the roadbed diseases. Through numerical simulation and theoreti-cal analysis，combined with the construction materials selected during actual construction，and consid-ering the deflection effect of road pavement，this article studied the buried depth of polystyrene foam in-sulation boards，and obtained that about 30~40cm laid under the foundation surface of construction roadbed is the optimum depth.

Keywords：Frozen-soil roadbed；Insulation boards；Buried depth；Numerical simulation；Theoretical Analysis

收稿日期：2015-07-02

文章编号：1673-4874(2015)08-0033-04

中图分类号：U415

文献标识码：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2015.08.008

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