基于EPS颗粒保温垫层的季冻区渠道冻胀特性分析

张红维

（和田鼎晟工程试验检测有限公司，新疆 和田 848000）

0 引言

在寒冷地区，土壤冻结会对水工建筑物结构稳定性造成不利影响[1]。渠道衬砌容易受到土壤冻结的破坏，因不同深度的土壤暴露在寒冷空气中，使得整个渠道横截面容易遭受冻胀效应的影响[2，3]。浅层地面会随季节气温的变化而融化和冻结，导致土壤发生一系列物理和形状变化[4]。当地面在寒冷季节结冰时，其强度增加，流变行为发生，其在解冻状态下是不发生的。当孔隙水向地面冻结前沿移动时，冰透镜同时在冻结带形成，导致土壤发生冻胀，如果在这种类型的地面上建造的结构为非隔热设计，其将遭受冻融破坏[5]。更具体地说，由于运河是直接在地下挖掘和建造的，因此冰冻破坏在寒冷地区的运河中更加严重和普遍。在新疆的一些灌区，由于冻胀引起的裂缝和渗漏，导致多条运河仅使用两年就需修复[6]。在中国北方大多数运河中，渠道损坏率较高，季节性冻土的冻融循环经常对其造成重大损坏。例如，青海省50%～60%的渠道被霜冻破坏[7]。对吉林省216条渠道的破坏调查表明，39.4%的渠道工程问题主要是由冻融作用引起的[8]。本文在室内开展模型试验，对渠道底部添加聚苯乙烯泡沫轻质土混合物后渠道是否具有保温及防冻胀作用进行研究。

1 试验设计

现有的U型渠道混凝土强度一般为C15～C20，其在寒冷地区强度较低，难以达到稳定运行的要求，为模拟室外自然条件下渠道降温及升温冻融循环变化，在室内模型试验中提高了混凝土强度，选择C50，试验的渠道选择矩形薄壁结构，其在实际工程中使用寿命较长且稳定、便于安装，因此选择矩形渠道作为模型开展试验，其长度设置为2.5 m。EPS密度及导热系数均较小，在工程保温材料中被广泛应用。试验采用垫层厚度为20 cm的聚苯乙烯泡沫（Expanded Polystyrene简称EPS）轻质土作为保温材料，对比分析加保温材料及自然状态下对渠道冻胀破坏产生的影响。试验渠道所在的模型试验箱长度为4 m，宽为3 m，高为1.6 m，为了模拟自然条件下土体内水分单向及双向冻结，试验箱第一层至第三层分别为：直径为2 cm的铜管加热板、5 cm厚砂垫层、塑料补水管及无纺布，第四层为天然土壤或EPS。模型几何比尺为1∶4，温度比尺为1∶1，填土干密度控制为1.56 g/cm3，最大干密度为1.61 g/cm3，最优含水率为13.2%。EPS颗粒堆积密度为0.0291 g/cm3，直径为3 mm～6 mm。固化剂采用42.5普通硅酸盐水泥。同时还添加了一些外加剂，如丙乳和引气剂等。本试验在矩形渠下设置4种不同的垫层，分别为：不掺EPS颗粒轻质土、掺2%EPS轻质土、掺3%EPS轻质土、掺4%EPS轻质土。温度及位移传感器布置方式见图1～图2，为模拟自然情况实现模型土体的双向融化，并模拟冻结土体的下卧层温度，本文控制试验箱底板温度为8℃。为模拟自然情况下北方平均冻融期213 d，根据时间比尺，试验周期为13.75 d即330 h。室内试验过程中模型温控方案见表1，共分为4个温控阶段，从温度降低到土体开始冻结，此时地温变化较小，一般为1月和2月，至3中旬后温度升高至土体完全融化，模拟了土壤完整的冻融循环过程。

图1 无垫层渠道传感器布置图

图2 EPS垫层渠道传感器布置图

表1 室内试验模型温控方案

2 结果分析

采用surfer软件将冻结和融化期温度传感器传回的温度值绘制成温度等高线图，渠底未掺EPS颗粒垫层的渠道温度场分布见图3，4%EPS颗粒垫层的渠道温度场分布见图4，由于篇幅所限，本文只给出EPS含量为4%的温度场分布，可以看出：与未添加EPS相比，添加了EPS保温材料的U型槽，其渠底温度明显上升，其最大冻结深度明显减小，冻胀临界温度即0℃温度线明显上升，说明EPS材料能显著起到保温作用，减小U型槽底部土体的冻结深度，且随着EPS含量的增加，渠底温度明显升高。未添加EPS颗粒时，渠道两侧存在最低温度集中分布区域，区域面积较大，土地的冻胀变形将对渠道两侧产生严重危害，当渠底增加EPS垫层后，其最大冻结深度对应的温度场存在分层增加的变化变化趋势，最低温度分布的趋势明显减小，说明EPS不仅能减小渠底土体冻结深度，同时可减小渠道两侧最低温度的分布面积，减小两侧土体的最大冻胀量，有效的减少渠道遭受的冻害影响。

图3 未掺EPS颗粒垫层

图4 4%EPS颗粒垫层

为了更直观了解渠底添加EPS后，其在单向冻结及双向融化过程中冻结深度的变化，本文绘制了冻融深度随时间的变化曲线见图5，可以看出：与未掺EPS相比，渠底添加EPS垫层后，其冻结深度减小，最大冻结时间增加，随着EPS含量的增加，其冻结深度不断减小，4%EPS垫层的渠道在19 h左右土体开始冻结，在280 h左右达到最大冻结深度，其他几种情况在260 h左右达到最大冻结深度，并在320 h左右冻融曲线相交。未掺 EPS、2%EPS、3%EPS、4%EPS其最大冻结深度分别为：113 cm、91.8 cm、86 cm、71.6 cm，可以看出 EPS含量越高冻深越小，未掺EPS的渠道其冻结速率最快。

图5 矩形渠道冻融深度变化曲线

图6给出了土体发生冻结及融化过程温度传感器监测的土地变形量曲线，可以看出：土体在40 h后开始发生变形，分析其原因是由于随着温度的降低，在土地水分开始冻结初期，土颗粒由于温度的下降体积出现收缩，水分的冻胀力不足以抵抗土颗粒的收缩力，因此其变形出现了推迟，随着温度的降低，土体的冻胀量逐渐增加，而后随着温度的升高，冻融沉降量逐渐减小，3条EPS曲线的变化趋势相同。未掺EPS、2%EPS、3%EPS、4%EPS其最大冻胀量分别为22.7 cm、11.3 cm、8.9 cm、5.6 cm，残余变形分别为 5.9 cm、4.7 cm、4.2 cm、2.5 cm，含量最高的4%EPS其土体最大冻胀量和残余变形均最小。

图6 冻融沉降量变化曲线

3 结论

冻胀是寒区河道的一个复杂作用过程，包括能量和质量的传递、冰水相变、冻土冻胀和蠕变等过程。此外，传统的试验装置和试验条件难以用于寒冷地区冻胀问题的研究。因此，该方向的实验和理论数据是有限的。本文为解决室外开展试验困难等问题，在室内通过模型比尺缩放建立了冻融试验箱，模拟室外U型矩形渠道土体的冻胀变化过程，探究在渠底添加EPS保温材料后能否减小周围土体对渠道造成的冻害，得出的主要结论为：EPS材料对渠道起到了保温作用，与未掺EPS的渠道相比，随着EPS含量的逐渐增加，周围土体的最大冻结深度表现出逐渐减小，最大冻结时间逐渐增加，最大冻胀量和残余变形逐渐减小，且土体周围温度不存在大面积低温土壤区，EPS上层土壤温度为向上分层变化，减小了低温土壤的体积，能够有效的抵抗周围及地基土体冻胀对渠道造成的损坏。由于试验条件的限制，将渠底环境温度设置为常数，而不是实际的正弦变化。因此，需要对这一问题进行进一步的研究。