預制混凝土矩型渠防凍脹結構凍土力學模型試驗研究

劉麗佳，孫同春，陶 琦，孫景路

(1.黑龍江省水利科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150080；2.青島市建筑工程質量監督站，山東 青島 266555)

預制混凝土矩型渠防凍脹結構凍土力學模型試驗研究

劉麗佳1，孫同春2，陶 琦1，孫景路1

(1.黑龍江省水利科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150080；2.青島市建筑工程質量監督站，山東 青島 266555)

針對寒冷地區渠道凍脹問題，提出不同型式的防凍脹結構。通過不同墊層結構型式下的預制混凝土矩型渠道凍土力學模型試驗，研究在凍融循環作用下預制混凝土矩型渠防凍脹效果。選取兩種不同結構型式的矩型渠墊層，EPS顆粒輕質土墊層及砂墊層與常規試驗土墊層做比較。對矩型渠的凍脹特性、溫度場、凍脹量的變化趨勢進行研究，結果表明：(1)凍融循環后，模型溫度場變化均勻，沒有溫度夾層，熱量傳遞均勻,最大凍深發生在升溫階段。(2)隨著EPS顆粒輕質土摻量的增加，對凍脹量和凍深有很好的削減效果。(3)換填砂墊層可以起到抑制凍脹破壞的作用。

防凍脹措施；EPS顆粒輕質土；砂墊層；模型試驗

就深季節凍土區而言，水工建筑物比較常見的防凍脹技術包括保溫技術和換填技術。本次試驗研究主要采用“預制混凝土矩型渠+砂墊層”換填結構及“預制混凝土矩型渠+EPS顆粒輕質土墊層”保溫結構，與無防護措施做比較，對預制矩型渠道防凍脹效果進行評價。試驗結果表明：這兩種結構措施均不同程度的起到防凍脹破壞的作用。本次研究方法以凍土力學模型試驗為平臺，研究不同摻量EPS顆粒輕質土墊層、不同厚度砂墊層，這兩種防凍脹結構在凍結過程中的溫度場、凍脹量的變化趨勢。

1 試驗材料與設計

1.1 試驗材料

試驗用土選自哈爾濱萬家凍土場。土體物理力學參數見表1，保溫材料換填砂基本特性見表2，EPS輕質混合土材料性能見表3。

表1 試驗用土主要物理力學指標

試驗采用的EPS輕質混合土墊層中，EPS顆粒屬于高分子拌合物，具有疏水性質，水泥基膠凝體系中摻入EPS顆粒可降低體系的容重、增加含氣量，而且隨EPS顆粒摻量的增加容重呈降低趨勢，含氣量呈增加趨勢。EPS顆粒還對水泥基EPS顆粒材料的保溫性能有顯著的影響，隨著EPS顆粒摻量的提高，體系的導熱系數顯著降低、保溫性能提高[1]。

表2 換填砂的物理力學指標

表3 EPS顆粒輕質土配合比

1.2 試驗設備

室內模型試驗箱體尺寸(長×寬×高)4.6 m×2.8 m×1.30 m，如圖1所示。

試驗數據采集系統包括DT515/615系列數據采集儀、PT100溫度傳感器、WDL位移傳感器。

1.3 試驗方案

(1) 選擇合適的模型比尺。本方案采用幾何比尺為控制比尺，選定的幾何比尺為Cl= 1∶10。

(2) 相似條件的實現。本方案模擬一個凍融過程中溫度、凍深、凍脹量等的變化過程。

圖1 模型試驗

圖2給出的本次試驗溫度控制度是模擬萬家野外凍土場全年經歷完整凍融循環周期的實際溫度趨勢情況。通過模型比尺制定的模型試驗溫控條件[2]，試驗周期為345 h。

圖2 試驗溫度控制過程線與實際控溫曲線

2 試驗結果及分析

2.1 土體溫度場變化過程分析

圖3 不同埋深土體溫度過程線

從圖3可以看出，選取渠基中線位置典型斷面，A點至G點對應的是不同深度的觀測點位置。其中A點為渠深為120 cm位置，B點為渠深90 cm位置，C點為渠深60 cm位置，D點為渠深45 cm位置，E點為渠深30 cm位置，F點為渠深15 cm位置，G點為渠表位置。隨著凍融循環作用的影響，在試驗初始階段，隨著溫度的降低，土體與空氣進行熱交換，由于兩者導熱系數的不同，凍深發展較緩，這一階段主要是渠基內土體接受冷量交換，渠基內溫度場由不均勻向均勻發展。在-25 ℃的低溫恒溫階段，凍深較大幅度向土層深處發展，但沒達到最大凍深。在試驗進行到230 h 左右，凍深達到最大，可見，最大凍深發生在升溫階段，雖然環境溫度已經升高，但渠土內的冷熱交換仍在進行，凍深仍在發展。

圖4 無墊層模型最大凍深溫度場

圖5 摻2%EPS輕質土墊層模型最大凍深溫度場

圖6 摻3%EPS輕質土墊層模型最大凍深溫度場

圖7 摻4%EPS輕質土墊層模型最大凍深溫度場

從圖4～圖7可以明顯看出，隨著聚丙乙烯泡沫材料EPS摻量增加，凍脹保溫效果也逐層遞增，EPS顆粒摻量為4%的輕質土墊層凍脹保溫效果最好，同樣摻入EPS保溫顆粒，防凍脹效果來看4%摻量>3%摻量>2%摻量>無防護措施。同樣溫度場分布均勻程度也是4%摻量墊層最優，這是由于EPS顆粒輕質土保溫材料具有高熱阻性能，能有效增加渠道土體熱阻，減小渠基土體的換熱量，延緩渠土的凍結與融化，保溫材料的導熱系數與土體導熱系數差異較大(約40倍)，會導致保溫墊層上下形成較大溫差即熱阻效應。可見，適量增加EPS輕質土顆粒摻量對凍深的發展起到了很好的抑制作用。

圖8 10 cm厚砂墊層模型最大凍深溫度場

圖9 20 cm厚砂墊層模型最大凍深溫度場

從圖8、圖9可以看出，20 cm厚度的砂墊層結構防凍脹效果明顯優于10 cm厚砂墊層結構，20 cm砂墊層最大凍深的深度小于10 cm砂墊層最大凍深深度，溫度場分布也更加均勻。這是由于20 cm砂墊層防護措施的密實程度高于10 cm砂墊層結構，墊層內孔隙率較低，自身導熱系數的差異有效地阻隔了環境溫度與土體的冷量交換，更有效地阻礙了凍深的發展。

2.2 凍脹量、最大凍深分布的分析

從表4中，可以明顯看出，防凍脹措施的最大凍脹量消減情況及不同摻量，不同厚度保溫結構的凍脹量變化情況。隨著EPS顆粒摻量的增加，凍脹消減作用逐漸提高，4%摻量消減凍脹量達到90%，發生凍脹變形僅為0.19 cm，防凍脹效果最好，3%摻量消減凍脹量達到64%，2%摻量消減凍脹量也達到50%以上，因此，可以在實際推廣應用中，根據工程實際情況及經濟成本等因素，綜合考慮EPS摻量的確定[3]。本次試驗10 cm砂墊層對凍脹的消減作用不明顯，分析原因砂墊層中放置傳感器的位置可能出現松動，有局部不平整的現象，故僅參考凍脹量規律。

表4 模型試驗凍脹量統計表

圖10 模型試驗凍脹量變化過程

圖10為不同措施在模型試驗過程中凍脹量的變化情況。從圖中可以觀察到最大凍脹量的發生時間。隨著土層凍結深度不斷增加，土層凍脹率沿凍結深度分布是不均勻的，土體凍脹主要發生在上中部，下部凍脹率較小。土體的凍脹量大小主要取決于土顆粒度組成、含水率、水分補給條件、凍結條件等因素。在升溫階段達到最大凍脹量，隨著溫度繼續上升，凍脹量反而有小幅回落，這是由于渠土內溫度升高，凍土融化，融沉現象產生。

表5 模型試驗最大凍深統計表

表5所示為防凍脹措施的最大凍深發展，及不同摻量、不同厚度保溫結構的相對最大凍深的比較。最大凍深與凍脹特性密切相關，凍深隨溫度的降低，向縱深發展。在試驗進行到升溫初始階段時，出現最大凍深，EPS輕質土防護措施的最大凍深為94 cm，隨著EPS顆粒摻量的增加，最大凍深減小，可見在一定范圍內增加保溫顆粒料摻量對渠土起到了較好的保溫效果。10 cm砂墊層防護措施的最大凍深為93.5 cm，20 cm最大凍深為71 cm，無防護措施最大凍深為110 cm。表層土體溫度基本接近室內環境溫度。凍深是研究凍土現象的基本指標,了解凍深的變化規律對渠基埋置深度、換填措施等凍害防治措施具有重要的指導作用。土的凍脹量、遷移水量以及凍脹率,無論是采用理論公式或經驗公式計算,均與凍深有關，通過最大凍深的觀測，能直觀反映保溫防護結構的防凍脹效果[4]。

圖11 預制混凝土矩型渠模型試驗凍深、融深曲線

從圖11可以看出，不同摻量EPS輕質土保溫效果隨著摻量的增加逐漸增強，保溫顆粒料摻量的增加可以消減凍深的發展。在試驗進行到180 h左右，砂墊層防護措施發生最大凍深，早于EPS輕質土防護措施發生最大凍深時間，可見，砂墊層防護措施本身孔隙率較輕質土墊層高，冷量交換更迅速，對環境溫度變化反應更快。在不同摻量的EPS輕質土墊層中，隨著摻量增加，最大凍深發生時間相應增加，這是由于隨著保溫顆粒摻量增加，保溫層更密實，孔隙率小，冷量交換受到阻礙作用更大，對環境溫度變化相應相對滯后，在本圖中無防護措施最大凍深發生時間最晚。從最大凍深的發生時間可以看出，隨著保溫顆粒料的增加，在不改變材料性能的條件下，保溫性能的材料摻量越多，對凍深的阻礙作用越明顯，對凍脹的消減效果越好。20 cm砂墊層消減凍脹效果明顯優于10 cm厚砂墊層。隨著墊層厚度的增加，一定厚度的砂墊層結構內部孔隙更加密實，更有效的隔絕土體與環境的熱量交換[5]。

3 結 論

(1)在試驗過程中，模型溫度場總體符合土體單向凍結、雙向融化的季節凍土區地基土的凍融發展規律。凍融循環后，模型溫度場變化均勻，沒有溫度夾層，熱量傳遞均勻。說明模擬的防凍脹效果是可靠的。

(2)就輕質土而言，隨著EPS顆粒摻量的增加，模型凍脹量和凍深逐漸降低，摻量越大，凍脹量和凍深的削減量也越大，其中摻量4% 的顆粒輕質土對凍脹量的消減可達90%，最大凍深可削減43%，可以看出，EPS顆粒輕質土的摻量增加，對凍脹量和凍深的削減有很好的效果。

(3)不同密度的EPS顆粒輕質土墊層對混凝土矩型渠起到了不同的保溫效果，可以有效抵抗地基土凍脹對混凝土矩型渠的破壞與影響。

(4)就砂墊層而言，砂墊層的厚度越大，防凍脹的效果越好。

通過模型試驗發現，兩種防凍脹結構(不同厚度砂墊層與EPS顆粒輕質土墊層)對于預制混凝土矩型渠來說，具有較好的防凍脹效果，是理想的防凍脹材料。

[1] 劉麗佳.寒區新型土質邊坡防護技術[J].黑龍江水利科技，2011(2):1-2.

[2] 王正中, 李甲林, 陳濤, 等. 弧底梯形渠道混凝土襯砌凍脹破壞的力學模型研究[J]. 農業工程學報, 2008, 24(1): 18-23.

[3] 劉麗佳. 凍融循環對GCL膨潤土墊剪切性能影響初探[J].黑龍江水利, 2016,2(11):5-8.

[4] 胡永禎. 渠基土壤凍脹與襯砌結構變形及破壞規律研究[J]. 防滲技術, 1999, 5(2):41-44.

[5] 余書超, 宋玲, 歐陽輝, 等. 渠道剛性襯砌層(板)凍脹受力試驗與防凍脹破壞研究[J]. 冰川凍土, 2002, 24(2): 639-640.

Experimental study on the mechanical model test of frozen soil with a precast concrete rectangular channel

LIU Lijia1，SUN Tongchun2,TAO Qi1，SUN Jinglu1

(1.Heilongjiang Province Hydraulic Research Instute, Harbin 150080，China;2.Qingdao Construction Project Quality Supervision Station,Qingdao 266555,China)

This article mainly aims at the problem of channel frost heaving damage of seasonal permafrost zone to adopt different anti-frost heaveing structure，based on the experiment of frozen soil model test，study precast concrete rectangular canal frost heave effect.Select distinguishing features of application for different structural forms of side slope protective measures, among which, including slope protection by EPS and sand bed.Aim at typical cross section to propose side slope protective measures suitable for application in seasonal permafrost zone, and select protective measures for test study of indoor model and analyze temperature field, stress field and displacement field of model test. We discover through destruction studies for precast concrete rectangular canal:(1)After the freezing and thawing cycle, the temperature field of the model is uniform, no temperature layer, the heat transfer even, the maximum freezing occurs during the heating stage.(2)With the increase of the EPS particle, the effect of freezing and freezing is very good.(3)Following the required conditions of the foundation, a sand bedding course was used for suppress frost damage.

measure of prevent frost heave；expanded polystyrene lightsoils；sand mat；model test

國家“十二五”科技支撐計劃項目(2012BAD08B05)；水利部“948”計劃項目(201316)

劉麗佳(1984-)，女，內蒙古牙克石人，工程師，主要從事工程凍土、巖土工程、水利工程方面的研究。E-mail：hljskyllj@163.com。

TV698.2+6

A

2096-0506(2017)07-0007-06