南疆地区保温板处治的硫酸盐渍土路基温度变化监测与分析

康 强　李寿宁

(塔里木大学水利与建筑工程学院，新疆 阿拉尔 843300)



南疆地区保温板处治的硫酸盐渍土路基温度变化监测与分析

康 强李寿宁*

(塔里木大学水利与建筑工程学院，新疆 阿拉尔 843300)

摘要绝热用挤塑聚苯乙烯泡沫塑料板在多年冻土地区工程中已得到广泛应用，但对于在盐渍土地区工程中使用保温材料的应用研究相对较少。为解决硫酸盐渍土路基随季节气温变化产生盐胀进而导致道路破坏的问题，依托阿拉尔市虹桥路延伸段工程，设立保温板处治的硫酸盐渍土路基试验段。为进一步掌握保温板对路基的保温效果，对试验路段进行了长期温度监测。监测结果表明：在冬季最不利季节下保温板能起到很好的保温作用；上路床及结构层的温度大于0 ℃，且明显地高于普通路段；此种保温板路基在一定程度上能抑制盐胀的发生。最后采用数理统计方法分析了试验路段路基在不同季节下温度与深度之间的关系，建立了温度与深度之间的数学模型，为进一步利用保温板处治硫酸盐渍土路基提供科学依据。

关键词XPS保温板；硫酸盐渍土；路基；温度监测；数学模型

盐渍土是指不同程度盐碱化土的总称。在公路工程中，盐渍土系指地表下1. 0 m内，易溶盐含量平均大于0. 3%的土[1]。盐渍土在我国分布范围较广，含盐性质差异大，新疆南部分布的盐渍土主要以硫酸盐渍土为主。盐渍土含盐性质以CL-/SO42-比值划分，比值大于2. 0为氯盐渍土，比值在1. 0～2. 0之间为亚氯盐渍土，比值在0. 3～1. 0之间为亚硫酸盐渍土，小于0. 3为硫酸盐渍土[2]。

不同类型的盐渍土在不同的环境条件下对工程的破坏程度亦不同，硫酸盐渍土中因含有大量NaCL和Na2SO4等易溶盐，是造成盐渍土盐胀的主要因素。盐胀的大致过程是：硫酸钠结合10个水分子变成芒硝，体积增大数倍；氯化钠结合2个水分子变成冰盐，体积也增大数倍。在适当的温度条件下，盐胀机理可通过以下两方程说明：Na2SO4+10H2O→Na2SO4·10H2O(芒硝)；NaCL+2H2O→NaCL·2H2O(冰盐)。盐胀的结果会造成路面局部或大面积隆起、网裂、车辙及沉陷等不可修复的病害，盐渍土地区道路病害的防治已经成为工程界难以避开的课题。

本文从影响盐胀形成的主要因素之一的温度出发，以新疆阿拉尔市虹桥路延伸段项目为依托工程。拟采用挤塑性聚苯乙烯泡沫塑料板(XPS保温板)粘贴在路基两侧混凝土防渗墙上，确保上路床及路面结构层在冬季处于一个相对封闭保温的环境，使其内部温度高于盐胀发生的温度，从而最大限度地抑制盐胀的产生，减少盐渍土地区城市道路病害，延长道路的使用寿命。

1工程概况及气候特征

1.1虹桥路延伸段道路工程概况

虹桥路延伸段为新疆阿拉尔市主干路，大致呈南北走向，设计长度为2 408. 729米，道路红线宽度为36米。场地属塔里木河冲积平原二级阶地，而且是季节性冻土地区，冻胀和盐胀的道路病害较为突出。地质情况较为单一，底层岩性多为细颗粒的砂土、粉土、粘性土，地基承载力标准值60 KPa～150 KPa之间。设计横断面为单幅路型式，具体为：4. 5 m人非混行道+6. 0 m绿化带+15. 0 m机动车道+6. 0 m绿化带+4. 5 m人非混行道。机动车道路面结构层如表1所示：

表1　机动车道路面结构层

1.2气候特征

阿拉尔市海拔高程位于1 010 m～1 018 m之间，区内地势平坦，属极度干旱性荒漠气候。干燥少雨，年降雨量仅为72. 2 mm；日照时间长，全年日照时间为2 852. 7h[3,4]。夏季高温，蒸发强烈；冬季漫长，干燥寒冷是造成盐分向地表集聚的主要原因。该市全年平均气温10. 8℃，蒸发量极大，年蒸发量达3 000 mm/年，约是降雨量的42倍，年平均相对湿度为51%[5]。路面雨雪水主要以自然蒸发为主，林带用水主要来自人工漫灌，此林带用水对土基及路面结构层的含水量有很大影响。

2XPS保温板工程应用技术要求

2.1性能特点

XPS保温板是以聚苯乙烯树脂为主要成分加上其他的辅料与聚合物，通过加热同时注入催化剂，然后挤塑压出成型而制造的具有闭孔结构的硬质泡沫塑料板。它已在多年冻土地区的道路、机场跑道等工程中得到了广泛应用，工程实践表明保温隔冷效果是比较明显的，源于其具有以下性能特点[6-8]：(1)保温隔冷，其结构闭孔率达到了99 %以上；(2)高强度抗压，其抗压强度达到150～500 KPa以上；(3)憎水性、防潮效果极佳；(4)质地轻、工程上使用方便，标准尺寸为600 mm×1 200 mm厚度为20 mm～60 mm。本试验路段的XPS保温板厚度为40 mm：(5)防腐性、稳定性好；(6)产品环保。

2.2施工工艺

防渗混凝土墙基层清理→配制专用聚合物粘结砂浆→粘贴XPS板→检查、修整

2.3粘贴方法

XPS板粘贴通常采用点框法，粘贴应从细部节点(如预埋套管的位置)开始向中间进行，按照事先排好的尺寸切割XPS板。然后用钢抹子沿XPS板的四周涂抹粘结砂浆，宽度为50 mm，板中间设置若干个直径100 mm，厚度10 mm的粘结点，按梅花丁布置，粘结砂浆的涂抹面积不得小于50%。如图1所示，XPS板应水平横向铺贴，板与板之间要挤紧，板缝间不得有粘结砂浆，否则该部位易形成热桥，影响保温效果，上下两排板须错缝1/2板长，局部最小错缝不得小于200 mm。

图1　XPS板排列示意图

3路基温度变化监测与分析

3.1温度传感器埋设

试验路段总长为500 m，起讫桩号为K0+040～K0+540。鉴于前期对阿拉尔市区其它道路的现场观察，发现路面的破损先从路边向路中逐渐发展，立缘石附近先出短小横向裂缝，故选取典型横断面K0+140作为监测断面。因断面两侧自然环境条件相同，故温度传感器仅埋设半幅路基内。如图2所示，4个温度传感器距立缘石的横向距离为1. 5 m，距路面的竖向距离分别是0. 4 m，0. 75 m，1. 1 m，1. 4 m。为了不影响工期，路基施工至指定标高后开始埋设温度传感器，同时用镀锌钢管保护其引线并引出至林带中的观测井。普通路段温度传感器埋设的典型横断面是K0+800，埋设位置与图2类似，区别在于普通路段两侧无混凝土防渗墙及保温板。

图2　温度传感器布置图(单位：cm)

3.2路基温度变化分析

3.2.1温度观测结果整理

借助架设在林带的小型气象站，得到了2013年11月15日～2014年12月31日的日平均气温，如图3所示。监测结果表明：大气温度随季节变化呈现周期性的波动；年平均气温较低约为8. 5 ℃；低温持续时间较长从当年的11月到次年的2月，温度大致-9 ℃～0 ℃之间波动。若路面结构层的温度处于0 ℃以下，则会导致路面结构层产生盐冻胀；最热月是7月份，月平均温度是26 ℃，该温度对路基路面无明显影响。

图3　日平均气温变化曲线

通过对试验路段和普通路段进行长达1年多的温度监测，分别得到了普通路段和试验路段典型横断面路基温度变化的结果，如图4和图5所示。

图4　普通路段路基温度变化曲线

图5　试验路段路基温度变化曲线

从实测结果可以看出：试验路段和普通路段路基温度变化趋势整体上一致，二者都与外界大气温度变化趋势一样也呈现周期性波动；两者路基温度变化都随着季节温度降低而降低，随季节温度升高而升高，但滞后外界大气温度变化；温度传感器埋设越浅即离地表越近，其温度变化随季节温度变化越明显；在冬季冷月时，距地表近处位置的温度低于距地表远处位置的温度，这说明路面结构层的温度低于土基的温度，路面结构层产生盐冻胀病害可能性大于土基；在夏季热月时，距地表近处位置的温度高于距地表远处位置的温度。

对图4和图5进行比较可以看出：试验路段路基温度变化曲线的振幅大于普通路段；在冬季冷月(2013年12月～2014年2月)期间，普通路段埋深0. 4 m和0. 75 m处的温度在-4. 6 ℃～0 ℃之间波动，而该温度区间正好处于盐渍土盐冻胀发育的最佳温度区间-5 ℃～0 ℃[9]之间；试验路段埋深0. 4 m和0. 75 m处的温度在1 ℃～5 ℃波动，该温度区间在0 ℃以上，同时未在盐渍土盐冻胀发育最佳温度区间。这说明在最不利季节保温板能有效地阻止路面结构层内部的热量向外界传递和辐射，从而达到良好的保温效果。保温板的铺设可以有效地提高路面结构层内部的温度，使其高于盐冻胀发育的最佳温度，进而抑制盐冻胀病害的发生。

3.2.2试验路段路基温度与深度之间变化规律研究

基于不同季节通过实测路基温度建立的温度和深度之间的关系，如图6所示。

图6　温度-深度的变化趋势图

由图6可以看出：冬季冷月期间(1～2月份、10月份～12月份)路基温度随深度的变化关系为正相关即埋深越大其温度越高；其它季节路基温度随深度的变化关系为负相关即埋深越小其温度越高；路基温度随深度变化为线性变化趋势，对于这种线性关系建立如下数学模型，如公式(1)所示。

T=aH+b(1)

式中：T为试验路段路基不同深度下的温度，℃。H为埋深，m；a,b为待定系数；当H=0时，b表示路面温度；当b=0时，a表示单位竖向深度的温度。

3.3.3数学模型验证

由建立的公式(1)模型可知，试验路段路基温度-深度关系呈现出一元线性变化规律。将实测数据通过数理统计方法带入公式(1)，通过MATLAB进行拟合，求得温度与深度之间的关系，然后计算相关系数验证路基温度和深度之间的线性关系的合理性，计算结果如表2所示。

表2　温度-深度拟合公式

对实测数据代入数学模型后的计算结果分析可知：不同季节下通过实测温度建立的温度和深度之间的线性模型具有较高的相关性。公式(1)中的待定系数a、b随外界温度的改变而改变，除2月份和10月份拟合公式的相关系数小于0. 99，其他月份拟合公式的相关系数均大于0. 99，具有较高的相关性。这表明建立的温度和深度之间的线性模型能很好地反映不同季节试验路段路基温度随深度的变化关系。通过二者之间关系的建立，为以后进一步研究保温板处治硫酸盐渍土路基防治其盐冻胀提供另一种途径。

4结语

通过对普通路基和试验段路基进行长期的温度监测，由监测结果分析可知：在最不利季节即冬季，普通路基不能对上路床及路面结构层起到保温作用，导致其温度低于0 ℃，进而产生盐冻胀破坏。试验路段路基不仅减缓了路基向两侧传递热量，而且对上路床及路面结构层起到了很好地保温作用，使其温度高于0 ℃，抑制了盐冻胀的发生，确保了路基的稳定性，有效地消除了路面的破坏。

参考文献

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[2]程肖伯，刘建坤，刘鸿绪，等.土的冻结作用与地基[M].北京：科学出版社，2006：46-49.

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[4]何毅，杨太保，王琳栋，等.近60a年来南北疆日照百分率变化特征分析[J].兰州大学学报(自然科学版)，2015,51(3)：358-366.

[5]汪为魏，杨保存，王荣.南疆盐渍土地区城区道路病害规律研究[J].岩土工程学报，2013,35(S1)：253-258.

[6]辛强.XPS保温板处治岛状冻土路基技术研究[D].西安：长安大学，2012.

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[9]杨柳，杨保存.阿拉尔市道路损害评估与道路改建处理措施[J].北京交通大学学报，2014,38(4)：154-159.

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

中图分类号：U416

文献标识码：A

DOI：10.3969/j.issn.1009-0568.2016.02.014

文章编号：①1009-0568(2016)02-0080-06

作者简介：康强(1988-)，2013级硕士研究生，研究方向为农业水土建筑。E-mail：kang168qiang@163.com*为通讯作者E-mail：1525900551@qq.com

基金项目：新疆生产建设兵团科技支疆项目(2010ZJ05)

收稿日期：①2015-09-01