季节性冻土地区路基保温性能数值计算分析
2022-07-08白彦辉孙永乐王一博王连广
李 林，白彦辉，孙永乐，王一博 ，王连广
（1.中铁七局集团第二工程有限公司，辽宁 沈阳 11000，2.东北大学，辽宁 沈阳 110004）
季节性冻土地区的路基，在冬季零下温度的作用下，内部水分结成冰，路基土体发生冻胀。因此，需要对季节性冻土地区的路基进行保温处理。我国对于路基冻害的防治，主要通过在路基内部铺设保温板，学者对这类问题也进行了相关研究。Cai 等[1]通过保温试验，对季冻土地区路基进行了研究，发现XPS 材料能够满足路基保温要求，防冻胀效果良好。宋宏芳等[2]通过数值分析并结合现场监测数据，对纤维泡沫混凝土的保温性能进行研究，发现纤维泡沫混凝土具有良好的保温特性以及冻融耐久性。目前，针对保温材料的铺设方式并无统一标准，大多数学者建议在路基基床处平行于路基面埋置5.20cm 厚的保温材料，也有些学者建议平行于路基面埋置保温材料的同时在路基边坡处也埋置保温材料。王功博等[3]通过现场试验，测试10cm 厚的XPS 保温板对路基保温性能的影响，结果发现，在路基基床表层铺设10cm 厚的XPS 保温板可大幅减少路基冻胀及最大冻结深度。为此，本文利用ABAQUS 模拟铺设保温板后路基的温度场和位移场变化情况，研究保温板材料及其铺设位置对路基保温性能的影响，并给出最佳保温材料以及最佳铺设参数。
1 模型建立
1.1 尺寸与单元
路基横断面宽13.6m，边坡坡度为1:1.5，坡脚处向左右两边各延伸20m，模型底边沿地基表面向下延伸20m。路基填筑断面图见图1。根据平面应变原理，建立有限元模型，模型单元类型均采用C3D8PT。
图1 路基填筑断面图
1.2 本构模型及材料属性
对级配碎石、弱冻胀AB 组填料、AB 组填料以及ABC 组填料采用修正D-P 帽盖模型。对于粉质黏土、玄武岩分别采用修正剑桥模型和线弹性模型[4-6]。土水特征曲线见图2。路基各层填料的力学参数见表1，保温材料属性见表2，填料层的线膨胀系数见表3。
表1 路基填料参数
表2 保温材料参数
表3 各填料层线膨胀系数
1.3 边界条件及荷载施加
地基底部完全约束，地基左右两边仅可产生竖向变形。路基土体各层之间变形协调，视为连续体。各层土体均匀分布，忽略土质盐分和其他矿物质的影响，土中水分迁移仅考虑液态水迁移。忽略阴阳坡温差、对流、热辐射以及水汽蒸发所引起的影响。路基填筑过程不考虑机械碾压作用，仅考虑填料堆载的自身重力。在路基、边坡及地基表面施加温度及降水影响，温度及降水影响为某地一年的变化规律见图3 和图4。
图3 日平均温度变化曲线
图4 全年降雨量
2 计算结果
2.1 保温材料
在埋深为250mm，保温板厚度为50mm的情况下，分别铺设PU 板、XPS 板和EPS 板的路基，其表面中心处的时间与竖向位移曲线见图5。由计算结果知，分别铺设PU 板、XPS 板和EPS 板的路基，其表面中心处的时间与竖向位移曲线基本相同，且各自的竖向位移差介于2.03～2.06mm 之间，相差1%，说明三种保温材料在该工况中的保温性能几乎相同。PU 板和XPS 板的闭孔率都能达到百分之九十以上，防水效果都要优于EPS 板，故选用PU 板和XPS 板作为路基保温材料，还能起到一定防排水作用。另外，虽然PU 板的保温效果要优于XPS 板，但PU 板的造价高于XPS板。综合以上考虑，建议在需要给路基设置保温层时，选用XPS 板作为路基保温材料。
图5 不同保温板路基中心处时间与竖向位移曲线
2.2 埋置方式
以XPS 保温板为例，研究在距离路基顶面一定深度处埋置保温板对保温性能的影响，保温板的埋置方式见表4。不同埋置方式下路基表面中心处的时间与竖向位移曲线见图6。不设置保温板的路基沉降量最小（即第0 天的竖向位移量不同），为4.66mm。在250mm 处设置200mm 厚保温板的路基，其沉降量最大，为12.72mm。此外，无论保温板如何布置，路基表面中心处的竖向位移均随着时间（温度）变化而发生波动。曲线的变化幅度代表中心点处的冻胀融沉位移的大小，可以看出，未铺设保温板的方案，冻胀融沉位移最大。
表4 保温板埋置方式
图6 不同埋置方式下 路基中心处时间与竖向位移曲线
保温板厚度与路基表面中心处的竖向位移差曲线见图7。保温板埋深与路基表面中心处的竖直方向冻胀位移曲线见图8。路基表面中心处的竖直方向冻胀位移随着保温板厚度的增加呈非线性减小，且减小速率逐渐降低，曲线最终趋于平缓。这说明增大保温板厚度能够减小路基冻胀变形，但当保温板达到一定厚度后，继续增大其厚度，对减小路基的冻胀变形量作用不大。路基表面中心处的竖向冻胀位移随着埋深的增加呈线性增大，且曲线斜率为0.01。这说明增加保温板的埋深，会减弱保温板抑制路基冻胀变形的能力，且这种减弱趋势是呈线性的。由于保温板置于路基表面容易损坏，结合上述研究结果及经济考虑，建议采用板厚100mm 且埋深100mm 的铺设方式进行路基保温处理。
图7 厚度与路基表面中心最大冻胀曲线
图8 埋深与路基表面中心最大冻胀曲线
3 结语
本文通过数值分析研究了保温材料及其铺设方式对季冻土路基保温性能的影响，主要得到了以下结论：
（1）在埋深为250mm，保温板厚度为50mm 的情况下，分别利用PU、XPS 及EPS三种保温材料对路基进行保温处理，发现三种材料的保温性能相似。
（2）在分析了三种保温材料的整体强度、密闭性和经济性后，推荐使用XPS 保温板作为路基保温材料。
（3）对铺设XPS 保温板的路基，路基表面中心处的冻胀位移随着保温板厚度的增加呈非线性减小，随着保温板埋深的增加呈线性增大。
（4）综合适用性和经济性考虑，推出采用板厚100mm 且埋深100mm 的铺设方式进行路基保温处理。
