渠道抗冻胀垫层设计方法研究与数值模拟

孙 杰

(河套学院，内蒙古 巴彦淖尔 015000)

0 前 言

基土的冻胀破坏是渠道受损的一个主要的原因。实际上，渠道冻胀破坏是由于基土中存在自由水和毛细水，里面的水含量在长时间寒冷低温的作用下，非常容易冻成冰体，促使基土的体积受冻膨胀，从而导致了渠道受损。基于冻胀的发生需要具备三个条件：持续的低温状态、自由水和毛细水、土质为非抗冻胀性土，而渠道冻胀发生的地方主要集中在灌区内部和河流下游地带，比如，灌区中下游的地下水位深度较浅，所以其基土的含水量较高，其含水量超过冻胀含水量标准的可能性较大，一旦受长时间零度以下的温度影响，土中的自由水和毛细水就会发生冻胀现象。为了保护渠道不受冻土的冻胀伤害，一般都采用基土换填的抗冻胀措施。而采用基土换填的抗冻胀措施前，必须引入抗冻胀设计，才能确保基土换填的抗冻胀能发挥实际效果。而渠道的冻胀破坏一般都发生在北方冬季寒冷的地区，而北方地区也普遍分布河砂、砂卵石、风积砂等粗粒土材料，所以经常使用基土换填的抗冻方法。

渠道在工程建设时，需要以“适应、回避、削减冻胀”的设计原则[1]，针对基土的冻胀破坏，对渠道进行相关的抗冻胀设计，基本采用的换土垫层法，其原理是将渠道基土中的冻胀性土换成非冻胀性土，从而从地质上根本避免冻胀现象的发生。然而，非冻胀性土在科学理论方面还未能发展成熟，缺乏全面的认识和了解。在理论中，一般都认为粗粒土中0.075 mm的重量不超过20%就是非冻胀土；而在防渗工程中，将粗粒土中0.05 mm的重量不超过6%规范非冻胀性土[2]；而冻土地基基础设计将碎卵石、粗砂和中砂中0.075 mm重量不超过15%为非冻胀土，同时又将细砂中0.075 mm不超过重量10%规范为抗冻胀土[3]；另外朱强[4]将砂粒在0.05 mm，当地下水水位超过0.5 m时，重量小于8%为非冻胀性土，而当与水位距离大于0.5 m时，含量超过了4%就是可冻胀性土；甘肃省在非抗冻性[5]土方面也有不同的见解，将地下水位距离作为判断的基准之一，如果基土与水位的距离大于0.5 m，则非冻胀性土的砂粒含量就要小于10%，而基土与水位距离小于0.5 m时，砂砾含量不能超过5%；除此之外，日本、加拿大、俄罗斯对非冻胀性土的标准也会有出入。

我国在不同领域和不同地域对非冻胀性土的标准不尽相同，主要是根据其工程地域位置和建筑性能来，再结合砂砾含水量和地下水位来判断非冻胀性土的标准，从不同地域、不同建筑和不同国家的标准也可以证实：在抗冻垫层设计时，并没有标准且统一的非冻胀性土数据以供参考和设计。因此，在渠道抗冻胀垫层设计时，必须采用一定原则和方法对其进行研究，才能保证抗冻垫层设计的有效性。下文将结合垫层抗冻机制以及毛管水土水势理论和热阻等效等原理，以数值模拟为基础，对渠道抗冻胀垫层设计展开研究。

1 抗冻胀垫层设计的要点

基土发生冻胀的三个因素：持续的低温状态、水含量、土有冻胀性，而抗冻胀垫层的主要工作原理就是改变垫层中冻胀发生的三个要素，从“适应、回避、效率”三个原则出发，从而达到基土抗冻胀的目的。以下为抗冻胀垫层设计。

1)垫层材料的选择必须是非冻胀性土，因此，一般的换填土都是粗粒土。粗粒土表现出吸水性弱、排水性强的特点，有利于垫层的含水量的排放，可以将垫层的含水量控制在冻胀发生水含量标准之下。

2)渠道垫层厚度和粗粒土的热物理量直接挂钩，而粗粒土的热物理由于会受到其含水量和土壤密度的影响，所以在设计抗冻胀垫层时，一定要科学计算好垫层的厚度。

3)当水分环境不变的情况下，如果粗粒土的含水量低于置换土之前，抗冻胀能力就会增强，衬砌板的物力受力会发生改变。

4)粗粒土在置换之后，与细粒土填充分层是会产生阻水效果，水的渗透率会降低。

2 抗冻胀垫层设计的要素

渠道受冻胀的破坏主要是发生在冬季，所以其发生是具有季节性的。而因为冻土地区在冬季时有些渠道会有水运行，而有些渠道则不会有水运行，实则是休工状态。因此，冬季运行的渠道因为渠道之中水力的比热容会带来保温作用，所以冻胀问题发生的相对较少一些；而休工状态的渠道缺少了保温作用，如果地下水位高或者水含量环境恶劣，如果垫层设计不当，就非常容易发生冻胀问题。所以，在冬季冻土区不通水的渠道需要进行严格且科学的抗冻胀垫层设计。

冬季冻土地区的水分环境都来自于大气降、渗透水和地下水，由上文可知，因为现在并没有统一的科学标准，而水分环境也处于一个动态的变化，所以很难进行定量研究。因此，本文在研究抗冻垫层设计的方法时，会将外界水分环境设计为一个模拟的状况，将水含量设定为饱和的状态，将最大含水量看作是最大水持量、垫层含水量也等于最大水持量，这种能够有效规避动态水环境对研究的困难。而抗冻垫层设计主要涉及：材料的选择和垫层的厚度，两者相互影响，材料的性能和重量、大小会影响垫层厚度的计算。

2.1 垫层材料的选择

垫层为介于基层与土基之间的结构层，在土基水稳状况不良时，用以改善土基的水稳状况，提高路面水稳性和抗冻胀能力，并可扩散荷载,以减少土基变形。因此，通常在土基湿、温状况不良时设置。垫层材料的强度要求不一定高，但是其水稳定性必须要好[6]。而在渠道抗冻设计中，垫层的主要作用是控制毛细管水控制在基层和垫层之间。而粗粒土具有非冻胀性，是垫层时的材料，但垫层材料会因为地下水位和含水率环境，根据不同的状况可以分成不同的垫层标准，从而选择不同的垫层材料，如风积砂、砂卵石、河砂等。

2.2 渠道抗冻胀垫层的厚度

渠道抗冻胀垫层的厚度取决于垫层材料、水分条件、等效热阻等。首先，热阻是反映阻止热量传递能力的综合量。热量流过两个相互接触的固体的交界面时，界面本身会对热流呈现出明显的热阻，热阻是热量在热流路径上遇到的阻力，它反映介质或介质间的传热能力的大小，热阻越大，传热能力越小。因此，垫层材料的各层材料的热阻也会因为接触热阻力。而渠道冻土的热阻会等于垫层铺设衬砌板、垫层和冻土层热阻的相加，公式为：

式中，Hd为冻深；Hc为衬砌板厚度；Hs为垫层厚度；Ht为垫层下冻土层厚度；λf为原始的导热值；λc为衬砌板的导热值；λs为垫层导热值；λt为垫层下冻土层厚度导热值。

垫层的厚度和冻胀深度、冻胀量、平均冻胀强度、土的密度等有关，所以其公式的计算必须要将以上的数值算出，才能准确无误地将垫层的厚度计算得出，以下是垫层厚度的计算公式：

3 抗冻胀垫层设计的数值模拟

3.1模拟设计的要点

首先，将渠道的状况模拟为一个便于研究计算的环境，主要的模拟要素包括冻土、垫层、衬砌板作为模拟要素，假设为如下几点：①冻土和垫层的动力拉伸作用是同向且均匀发生的；②在冻胀计算设计垫层时，将温度梯度影响水分环境的作用看作为零，不考虑模拟数值之内；③只将热传导考虑在内，并不考虑其他热力值；④不同土壤其温度的变化是不同的，因此，要规定相变温度才好展开模拟计算。

3.2 数值的冻胀量分析

将实际测试的冻胀量和渠道冻结实际部位，包括阴坡、渠底、阳坡三个部位的平均温度进行数值模拟。因为将模拟数值设计成了模拟的数值，所以垫层材料的力学变形参数和现实状态出入较大，因此，模拟结果肯定存在差异，如表1所示。

表1 模拟数值的冻胀量计算结果

阴坡的实测和原渠道模拟量一个为6.9 cm、一个为7.1 cm，两者存在0.2 cm的差距；渠底实测和模拟量7.6 cm和5.4 cm，这个差距就相差比较大了；阳坡的实测和模拟量也存在差距。

但是，由表1可知，阴坡的冻胀量削减程度达到了95%；渠底的冻胀削减量则为87%；阳坡则为84%。虽然模拟与实测是存在一定的出入，但是可以在一定程度上反映一定的现实情况：抗冻胀垫层可以有效缓解渠道的冻胀现象，尤其以阴坡部位的抗冻胀效果最为明显。

3.3 在抗冻胀垫层设计方法上的结论

垫层材料是阻挡毛细管水的上升，从而来削弱土壤的冻胀能力。因此，垫层的选择应当计算好垫层下地下水位和颗粒级配；在数值模拟中，将最大持水量都看作了垫层含水量，将其认定为饱和状态，但在实际过程中，一定要结合等效热阻等原理对其进行更为科学准确的设计，才能有效结合工程质量效益和工程经济效益的统一；铺设抗冻胀垫层在阴坡部位及为有效，能够削弱90%以上的冻胀能力；数值模拟和方法设计都是将各类条件设置为最不利的因素，所以其在现实中的真实效果较为可靠。

4 结 论

综上所述，渠道抗冻胀垫层对渠道抗冻胀能力具有一定的效果，根据模拟数据的结果显示，垫层的抗冻胀能力效果突出明显，因此，渠道如果建设在季节性冻土地区时，一定要在之前结合多方面因素，比如水含量环境、土壤性质、地下水位、热导温度等，对渠道抗冻垫层的材料选择和厚度的计算一定要科学地设计好，才能发挥抗冻胀垫层保护渠道不受基土冻胀的最大效应。

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