预制混凝土矩型渠防冻胀结构冻土力学模型试验研究

刘丽佳，孙同春，陶 琦，孙景路

(1.黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080；2.青岛市建筑工程质量监督站，山东 青岛 266555)

预制混凝土矩型渠防冻胀结构冻土力学模型试验研究

刘丽佳1，孙同春2，陶 琦1，孙景路1

(1.黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080；2.青岛市建筑工程质量监督站，山东 青岛 266555)

针对寒冷地区渠道冻胀问题，提出不同型式的防冻胀结构。通过不同垫层结构型式下的预制混凝土矩型渠道冻土力学模型试验，研究在冻融循环作用下预制混凝土矩型渠防冻胀效果。选取两种不同结构型式的矩型渠垫层，EPS颗粒轻质土垫层及砂垫层与常规试验土垫层做比较。对矩型渠的冻胀特性、温度场、冻胀量的变化趋势进行研究，结果表明：(1)冻融循环后，模型温度场变化均匀，没有温度夹层，热量传递均匀,最大冻深发生在升温阶段。(2)随着EPS颗粒轻质土掺量的增加，对冻胀量和冻深有很好的削减效果。(3)换填砂垫层可以起到抑制冻胀破坏的作用。

防冻胀措施；EPS颗粒轻质土；砂垫层；模型试验

就深季节冻土区而言，水工建筑物比较常见的防冻胀技术包括保温技术和换填技术。本次试验研究主要采用“预制混凝土矩型渠+砂垫层”换填结构及“预制混凝土矩型渠+EPS颗粒轻质土垫层”保温结构，与无防护措施做比较，对预制矩型渠道防冻胀效果进行评价。试验结果表明：这两种结构措施均不同程度的起到防冻胀破坏的作用。本次研究方法以冻土力学模型试验为平台，研究不同掺量EPS颗粒轻质土垫层、不同厚度砂垫层，这两种防冻胀结构在冻结过程中的温度场、冻胀量的变化趋势。

1 试验材料与设计

1.1 试验材料

试验用土选自哈尔滨万家冻土场。土体物理力学参数见表1，保温材料换填砂基本特性见表2，EPS轻质混合土材料性能见表3。

表1 试验用土主要物理力学指标

试验采用的EPS轻质混合土垫层中，EPS颗粒属于高分子拌合物，具有疏水性质，水泥基胶凝体系中掺入EPS颗粒可降低体系的容重、增加含气量，而且随EPS颗粒掺量的增加容重呈降低趋势，含气量呈增加趋势。EPS颗粒还对水泥基EPS颗粒材料的保温性能有显著的影响，随着EPS颗粒掺量的提高，体系的导热系数显著降低、保温性能提高[1]。

表2 换填砂的物理力学指标

表3 EPS颗粒轻质土配合比

1.2 试验设备

室内模型试验箱体尺寸(长×宽×高)4.6 m×2.8 m×1.30 m，如图1所示。

试验数据采集系统包括DT515/615系列数据采集仪、PT100温度传感器、WDL位移传感器。

1.3 试验方案

(1) 选择合适的模型比尺。本方案采用几何比尺为控制比尺，选定的几何比尺为Cl= 1∶10。

(2) 相似条件的实现。本方案模拟一个冻融过程中温度、冻深、冻胀量等的变化过程。

图1 模型试验

图2给出的本次试验温度控制度是模拟万家野外冻土场全年经历完整冻融循环周期的实际温度趋势情况。通过模型比尺制定的模型试验温控条件[2]，试验周期为345 h。

图2 试验温度控制过程线与实际控温曲线

2 试验结果及分析

2.1 土体温度场变化过程分析

图3 不同埋深土体温度过程线

从图3可以看出，选取渠基中线位置典型断面，A点至G点对应的是不同深度的观测点位置。其中A点为渠深为120 cm位置，B点为渠深90 cm位置，C点为渠深60 cm位置，D点为渠深45 cm位置，E点为渠深30 cm位置，F点为渠深15 cm位置，G点为渠表位置。随着冻融循环作用的影响，在试验初始阶段，随着温度的降低，土体与空气进行热交换，由于两者导热系数的不同，冻深发展较缓，这一阶段主要是渠基内土体接受冷量交换，渠基内温度场由不均匀向均匀发展。在-25 ℃的低温恒温阶段，冻深较大幅度向土层深处发展，但没达到最大冻深。在试验进行到230 h 左右，冻深达到最大，可见，最大冻深发生在升温阶段，虽然环境温度已经升高，但渠土内的冷热交换仍在进行，冻深仍在发展。

图4 无垫层模型最大冻深温度场

图5 掺2%EPS轻质土垫层模型最大冻深温度场

图6 掺3%EPS轻质土垫层模型最大冻深温度场

图7 掺4%EPS轻质土垫层模型最大冻深温度场

从图4～图7可以明显看出，随着聚丙乙烯泡沫材料EPS掺量增加，冻胀保温效果也逐层递增，EPS颗粒掺量为4%的轻质土垫层冻胀保温效果最好，同样掺入EPS保温颗粒，防冻胀效果来看4%掺量>3%掺量>2%掺量>无防护措施。同样温度场分布均匀程度也是4%掺量垫层最优，这是由于EPS颗粒轻质土保温材料具有高热阻性能，能有效增加渠道土体热阻，减小渠基土体的换热量，延缓渠土的冻结与融化，保温材料的导热系数与土体导热系数差异较大(约40倍)，会导致保温垫层上下形成较大温差即热阻效应。可见，适量增加EPS轻质土颗粒掺量对冻深的发展起到了很好的抑制作用。

图8 10 cm厚砂垫层模型最大冻深温度场

图9 20 cm厚砂垫层模型最大冻深温度场

从图8、图9可以看出，20 cm厚度的砂垫层结构防冻胀效果明显优于10 cm厚砂垫层结构，20 cm砂垫层最大冻深的深度小于10 cm砂垫层最大冻深深度，温度场分布也更加均匀。这是由于20 cm砂垫层防护措施的密实程度高于10 cm砂垫层结构，垫层内孔隙率较低，自身导热系数的差异有效地阻隔了环境温度与土体的冷量交换，更有效地阻碍了冻深的发展。

2.2 冻胀量、最大冻深分布的分析

从表4中，可以明显看出，防冻胀措施的最大冻胀量消减情况及不同掺量，不同厚度保温结构的冻胀量变化情况。随着EPS颗粒掺量的增加，冻胀消减作用逐渐提高，4%掺量消减冻胀量达到90%，发生冻胀变形仅为0.19 cm，防冻胀效果最好，3%掺量消减冻胀量达到64%，2%掺量消减冻胀量也达到50%以上，因此，可以在实际推广应用中，根据工程实际情况及经济成本等因素，综合考虑EPS掺量的确定[3]。本次试验10 cm砂垫层对冻胀的消减作用不明显，分析原因砂垫层中放置传感器的位置可能出现松动，有局部不平整的现象，故仅参考冻胀量规律。

表4 模型试验冻胀量统计表

图10 模型试验冻胀量变化过程

图10为不同措施在模型试验过程中冻胀量的变化情况。从图中可以观察到最大冻胀量的发生时间。随着土层冻结深度不断增加，土层冻胀率沿冻结深度分布是不均匀的，土体冻胀主要发生在上中部，下部冻胀率较小。土体的冻胀量大小主要取决于土颗粒度组成、含水率、水分补给条件、冻结条件等因素。在升温阶段达到最大冻胀量，随着温度继续上升，冻胀量反而有小幅回落，这是由于渠土内温度升高，冻土融化，融沉现象产生。

表5 模型试验最大冻深统计表

表5所示为防冻胀措施的最大冻深发展，及不同掺量、不同厚度保温结构的相对最大冻深的比较。最大冻深与冻胀特性密切相关，冻深随温度的降低，向纵深发展。在试验进行到升温初始阶段时，出现最大冻深，EPS轻质土防护措施的最大冻深为94 cm，随着EPS颗粒掺量的增加，最大冻深减小，可见在一定范围内增加保温颗粒料掺量对渠土起到了较好的保温效果。10 cm砂垫层防护措施的最大冻深为93.5 cm，20 cm最大冻深为71 cm，无防护措施最大冻深为110 cm。表层土体温度基本接近室内环境温度。冻深是研究冻土现象的基本指标,了解冻深的变化规律对渠基埋置深度、换填措施等冻害防治措施具有重要的指导作用。土的冻胀量、迁移水量以及冻胀率,无论是采用理论公式或经验公式计算,均与冻深有关，通过最大冻深的观测，能直观反映保温防护结构的防冻胀效果[4]。

图11 预制混凝土矩型渠模型试验冻深、融深曲线

从图11可以看出，不同掺量EPS轻质土保温效果随着掺量的增加逐渐增强，保温颗粒料掺量的增加可以消减冻深的发展。在试验进行到180 h左右，砂垫层防护措施发生最大冻深，早于EPS轻质土防护措施发生最大冻深时间，可见，砂垫层防护措施本身孔隙率较轻质土垫层高，冷量交换更迅速，对环境温度变化反应更快。在不同掺量的EPS轻质土垫层中，随着掺量增加，最大冻深发生时间相应增加，这是由于随着保温颗粒掺量增加，保温层更密实，孔隙率小，冷量交换受到阻碍作用更大，对环境温度变化相应相对滞后，在本图中无防护措施最大冻深发生时间最晚。从最大冻深的发生时间可以看出，随着保温颗粒料的增加，在不改变材料性能的条件下，保温性能的材料掺量越多，对冻深的阻碍作用越明显，对冻胀的消减效果越好。20 cm砂垫层消减冻胀效果明显优于10 cm厚砂垫层。随着垫层厚度的增加，一定厚度的砂垫层结构内部孔隙更加密实，更有效的隔绝土体与环境的热量交换[5]。

3 结 论

(1)在试验过程中，模型温度场总体符合土体单向冻结、双向融化的季节冻土区地基土的冻融发展规律。冻融循环后，模型温度场变化均匀，没有温度夹层，热量传递均匀。说明模拟的防冻胀效果是可靠的。

(2)就轻质土而言，随着EPS颗粒掺量的增加，模型冻胀量和冻深逐渐降低，掺量越大，冻胀量和冻深的削减量也越大，其中掺量4% 的颗粒轻质土对冻胀量的消减可达90%，最大冻深可削减43%，可以看出，EPS颗粒轻质土的掺量增加，对冻胀量和冻深的削减有很好的效果。

(3)不同密度的EPS颗粒轻质土垫层对混凝土矩型渠起到了不同的保温效果，可以有效抵抗地基土冻胀对混凝土矩型渠的破坏与影响。

(4)就砂垫层而言，砂垫层的厚度越大，防冻胀的效果越好。

通过模型试验发现，两种防冻胀结构(不同厚度砂垫层与EPS颗粒轻质土垫层)对于预制混凝土矩型渠来说，具有较好的防冻胀效果，是理想的防冻胀材料。

[1] 刘丽佳.寒区新型土质边坡防护技术[J].黑龙江水利科技，2011(2):1-2.

[2] 王正中, 李甲林, 陈涛, 等. 弧底梯形渠道混凝土衬砌冻胀破坏的力学模型研究[J]. 农业工程学报, 2008, 24(1): 18-23.

[3] 刘丽佳. 冻融循环对GCL膨润土垫剪切性能影响初探[J].黑龙江水利, 2016,2(11):5-8.

[4] 胡永祯. 渠基土壤冻胀与衬砌结构变形及破坏规律研究[J]. 防渗技术, 1999, 5(2):41-44.

[5] 余书超, 宋玲, 欧阳辉, 等. 渠道刚性衬砌层(板)冻胀受力试验与防冻胀破坏研究[J]. 冰川冻土, 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

国家“十二五”科技支撑计划项目(2012BAD08B05)；水利部“948”计划项目(201316)

刘丽佳(1984-)，女，内蒙古牙克石人，工程师，主要从事工程冻土、岩土工程、水利工程方面的研究。E-mail：hljskyllj@163.com。

TV698.2+6

A

2096-0506(2017)07-0007-06