北方季冻区渠道混凝土防冻胀措施试验研究

赵双兴

(中铁十八局集团有限公司，天津 300300)

1 工程概况

布尔津河东岸干渠引水渠首位于布尔津河中游左岸，属Ⅲ等中型工程，主要建筑物级别为3级，次要建筑物级别为4级。项目区多年平均气温5.4℃，极端最高气温39.5℃，极端最低气温-38℃，一年当中月平均气温低于零度的月份长达4个月之久，一般在12月到次年3月。最大冻土深106cm，最大积雪深46cm，多年平均降水量143mm，多年平均水面蒸发量为1627.2mm。

本次工程设计渠道全长22.92km，总体走向为NW—SE，沿线穿越布尔津与乌增河阶地、山前洪积平原及丘陵区，沿线整体地形东北高西南低，地势平缓开阔。渠道沿线穿越地层为级配不良砾、卵砾石混合土及含砾砂土层。地基土冻胀评价：桩号14+500～18+250、18+385～23+130段，冻胀类别为不冻胀，冻胀等级Ⅰ级；桩号18+250～18+385段，冻胀类别为不冻胀，冻胀等级Ⅰ级；桩号23+130～33+830段，冻胀类别为冻胀，冻胀等级Ⅲ级。因此，本文主要针对桩号23+130～33+830段开展渠道混凝土防冻胀措施研究。

2 渠道冻胀机理分析

北方地区冬季低温天气持续时间较长，在长时间的低温环境下，渠基土中的自由水和毛细水会发生冻结，冻结过程中水分的迁移积聚以及冰析作用会导致渠基土发生冻胀破坏，渠基土冻胀破坏分为原位冻胀和分凝冻胀两种形式，其中，分凝冻胀是引起渠基土发生冻胀破坏的主要原因。渠道衬砌冻胀破坏与土质、水分、温度和渠道走向等因素有关，而渠基土冻胀破坏是引起渠道衬砌混凝土发生冻胀破坏的主要原因[1-5]。因此，做好渠基土的保温措施，控制渠基土的冻胀变形，对于防止渠道衬砌混凝土的冻胀破坏具有重要意义，故本文提出采用EPS颗粒轻质土作为渠道底部保温垫层，从而控制土体的冻胀量，减小渠道衬砌混凝土的冻胀破坏[6-8]。

3 试验概况

3.1 试验原材料

EPS颗粒：堆积密度大小为0.022g/cm3，颗粒直径大小为2～4mm；水泥：采用P.O42.5普通硅酸盐水泥；外加剂：包括丙乳(主要目的是对水泥进行改性)、引气剂(主要目的是改善混凝土的坍落度和可塑性)、减水剂(主要目的是减少拌和用水量，并改善混凝土的流动性，节约水泥用量)；土料：含砂低液限粉土，土粒比重为2.64，填土控制干密度为1.55g/cm3，最大干密度为1.66g/cm3，最优含水率为13.3%，制样含水率为13.3%。

3.2 模型制作

模型试验箱尺寸为长4.5m、宽3.0m、高1.5m，模型试验箱底部结构分为三层：加热层、砂垫层+无纺布层、补水层，主要作用是模拟土体在自然状态下的单向冻结和双向融化情况。模型渠道采用矩形结构型式，尺寸为2.0m×0.5m×0.5m。根据模型试验箱尺寸和实际渠道尺寸大小，将模型几何比尺定位 1∶4，模型温度比尺为1∶1，模型时间比尺为1∶16。

模型制作过程简述如下：将实验土料按试验规定进行分层夯实，并按设计要求埋设温度和位移传感器→分别换填不同EPS颗粒掺量的轻质土，统一换填厚度均为20cm，然后在矩形渠道安放土体，渠道两侧用细砂抹平，同时埋设温度和位移传感器→EPS轻质土标准养护28d后，对土体进行饱水处理→对模型土体进行补水处理，使土体含水状态与自然状态基本一致→保持试验室处于低温(8℃)恒定状态，准备开始冻胀试验。模型及传感器见图1。

图1 实验模型示意图(单位：m)

3.3 试验方案

EPS颗粒轻质土垫层配比情况：共设计四种不同EPS颗粒掺量轻质土，EPS掺量分别为0、2%、3%和4%(见表1)。试验分为四个阶段：降温阶段、恒温阶段、升温阶段以及恒高温至完全融化阶段，试验总历时330h(见表2)。

试验编号土/%水泥/%水/%EPS颗粒/%丙乳/%引气剂/%减水剂/%密度/(kg/m3)导热系数/[W/(m·K)]1100401.541.06210020402150.10.51.130.898310020453150.10.50.970.821410020454150.10.50.860.718

表2 温度控制方案

4 试验研究

4.1 温度场

试验得到的不同EPS颗粒掺量轻质土换填情况下的渠道温度场云图(见图2、图3)。冻结情况下，土体的温度从上往下依次递减，表明本次试验土体是一个单向冻结的过程；相同土体深度下，EPS颗粒轻质土掺量越高，渠道底部土体的温度越高，冻结深度逐渐下降。融化情况下，渠基土中部温度最低，然后向土体表面和深部温度逐渐升高，表明土体融化是一个双向融化的过程；随着EPS颗粒掺量的增加，融化土体最低温度逐渐向表层土体转移，表层土体与深层土体之间的温差在逐渐减小，表明EPS颗粒轻质土垫层对渠道起到了很好的保温作用。

图2 最大冻深温度场

图3 最大融深温度场

4.2 冻结融化深度

从图4可以看到：不同EPS颗粒掺量轻质土换填下的土体起冻时间约为试验20h后，随着温度的逐渐降低，土体的冻结深度迅速增大，并在升温过程中达到最大值，0、2%和3%EPS颗粒掺量下土体出现最大冻深的时间基本相同，约为试验260h后，温控第三阶段温度基本升至0℃时，4%EPS颗粒掺量下的土体出现最大冻深的时间有所推迟，约为试验后280h；相同试验时间下，EPS颗粒掺量越高，冻深越小，土体的冻结速率越慢；0、2%、3%和4%EPS颗粒掺量下的最大冻深分别为115cm、93.1cm、80cm和73.5cm。

图4 冻结融化曲线

4.3 冻胀量曲线

从图5可以看到：土体在温降初期会出现一定的冻缩现象，这主要是因为该阶段土体的冻胀量还较小，不足以抵消土体自身引起的冷缩量，随着温度的继续降低，土体逐渐发生冻胀现象，并在试验280h左右时，冻胀量达到峰值，此后，随着温度的逐渐升高，土体中的冰逐渐开始融化，冻胀量也随之减小；衬砌渠道的变形主要包括回填土的温度变形、固结变形、冻胀融沉变形以及矩形渠道的温度变形等，回填土的冻胀融沉变形是引起渠道冻胀破坏的主要因素，经历一个冻融循环后，未掺EPS颗粒轻质土的冻胀融沉残余变形为5.5mm，2%、3%和4%EPS颗粒轻质土掺量的冻胀融沉残余变形量分别为4.8mm、4.1mm和2.4mm；可见，随着EPS颗粒掺量的增加，渠基土的最大冻胀量和残余变形量减小，表明EPS颗粒轻质土对渠道起到了很好的保温防冻胀效果。

图5 冻胀融化曲线

5 试验结果分析

试验结果可以看出：EPS颗粒含量越高，对渠基土最大冻深和最大冻胀量的削减量越大，相比未掺EPS颗粒的轻质土，掺入2%、3%和4%EPS颗粒后，最大冻深量分别减小19%、30%和36.1%，最大冻胀量分别减小54.7%、63.4%和78.4%，EPS颗粒轻质土垫层对于矩形渠道能够起到较好的防冻胀效果(见图6)。

图6 最大冻深、冻胀与EPS掺量关系

采用EPS颗粒对渠基土进行换填，既可以减小渠道衬砌混凝土的冻胀变形，EPS颗粒还可以循环利用，具有绿色环保的优点。但是，本文仅针对EPS轻质土对渠道的防冻胀效果进行了试验分析，EPS的最佳掺量还应综合考虑渠基土的强度特征、压实特性、工程造价等综合确定，将在今后作进一步的补充研究。

6 结 论

本文针对北方季冻区渠道混凝土易出现的冻胀变形破坏难题，采用EPS颗粒轻质土作为渠道底部保温垫层，对不同EPS颗粒掺量下的保温防冻效果进行了模型试验研究，得出如下结论：实验模型土体符合单向冻结、双向融化的季冻区冻融发展规律，EPS颗粒掺量越高，垫层对渠道起到的保温效果越好；0、2%、3%和4%EPS颗粒掺量下的最大冻深分别为115cm、93.1cm、80cm和73.5cm，最大冻胀量分别为2.32cm、1.05cm、0.85cm和0.5cm，EPS颗粒轻质土垫层对于矩形渠道能够起到较好的防冻胀效果。

EPS颗粒最佳掺量还应结合基础刚度、强度、压实特性、工程造价等综合特性进行考虑，将在今后工作中予以补充。