羅　剛

(新疆新紀(jì)元公路設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，新疆　烏魯木齊　830000)

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聚苯乙烯泡沫塑料保溫板埋置深度研究

羅剛

(新疆新紀(jì)元公路設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，新疆烏魯木齊830000)

羅剛(1973—)，工程師，主要從事公路橋梁工程的設(shè)計(jì)與招投標(biāo)工作。

摘要：凍土路基下鋪設(shè)的保溫材料擠塑聚苯乙烯泡沫塑料保溫板不僅具有良好的阻溫隔熱效果，而且其吸水率也較小，能很好地隔水，有效阻絕了凍土路基下地下水分的遷移，最終達(dá)到減少路基病害的目的。文章通過數(shù)值模擬及理論分析，結(jié)合實(shí)際施工過程中所選取的施工材料，綜合考慮路面彎沉效應(yīng)，研究聚苯乙烯泡沫塑料保溫板的埋置深度，得出鋪設(shè)在施工路基基礎(chǔ)面之下深度約 30~40 cm處為最佳深度。

關(guān)鍵詞：凍土路基；保溫板；埋置深度；數(shù)值模擬；理論分析

0引言

地球陸表面積的將近25%分布著多年凍土區(qū)域，而我國凍土面積僅次于俄羅斯與加拿大，多年凍土和季節(jié)性凍土是凍土的兩種最典型的形式。我國國土面積的220萬平方公里范圍內(nèi)為多年凍土，西北新疆地區(qū)季節(jié)性凍土約占75%。季節(jié)性凍土地區(qū)的公路路基修筑通常會(huì)使得凍土體的水熱平衡被破壞，最終將使天然凍土的水熱狀況改變。凍土路基通常伴隨出現(xiàn)融沉、凍脹等常見凍害。公路路基修筑中凍土路基應(yīng)做特殊處理，以保證道路的安全及穩(wěn)定性。凍土按照分類屬于特殊土類，礦物顆粒、液態(tài)水、固態(tài)水、氣體為凍土的主要構(gòu)成部分。由于凍土當(dāng)中的固態(tài)水易隨時(shí)間、溫度變化，與其他路基形態(tài)相對(duì)比含冰量是凍土路基的主要控制因素[1]。

1凍土路基的處理技術(shù)

當(dāng)前針對(duì)凍土路基的處理技術(shù)主要包括主動(dòng)冷卻方案以及被動(dòng)延緩凍土融化方案兩大類別。以熱棒路基、片塊石路基為主要技術(shù)基礎(chǔ)的主動(dòng)冷卻技術(shù)可以通過主動(dòng)控制地溫以達(dá)到控制凍土退化的趨勢的目的，但是工程實(shí)踐證明熱棒路基技術(shù)中熱棒能夠作用的有效影響半徑較小，其次工程實(shí)踐表明片塊石路基技術(shù)工程只有在施工質(zhì)量水準(zhǔn)較高時(shí)才能體現(xiàn)部分效果，投資與效益比相差較大[2]。被動(dòng)延緩凍土融化方案當(dāng)中保溫板路基在相關(guān)工程實(shí)踐中延緩凍土融化的趨勢較為明顯，可以很大程度上抑制凍土融化。

2技術(shù)原理

黑色瀝青路面吸熱是凍土地區(qū)公路路基地表下凍土上限下降的主要原因，保持凍土路基上限不變最直接有效的工程措施是采取有效措施以增大瀝青路面與路基之間的抗熱熱阻。保護(hù)凍土路基的一種方法是在凍土路基中鋪筑相關(guān)的保溫材料阻止上部熱量向下的傳遞，利用保溫材料的低熱導(dǎo)性阻止上部瀝青路面吸收的熱量進(jìn)入下部的路基土層，有效保證路基下部土體不致由于溫度的升高而產(chǎn)生融沉變形，保證路基的整體穩(wěn)定。凍土路基下鋪設(shè)的保溫材料主要為擠塑聚苯乙烯泡沫塑料保溫板。擠塑聚苯乙烯泡沫塑料保溫板不僅具有良好的阻溫隔熱效果，而且其吸水率也較小，能很好地隔水，有效阻絕了凍土路基下地下水分的遷移，最終達(dá)到減少路基病害的目的。

工程實(shí)踐證明聚苯乙烯泡沫塑料保溫板要取得良好的隔熱保溫效果，在施工工程當(dāng)中聚苯乙烯泡沫塑料保溫板的埋置深度不能太深?？紤]到車輛荷載、以及路面自身承重的因素，如果保溫板埋過淺保溫板將會(huì)被壓壞，不僅直接導(dǎo)致保溫板的隔熱效果降低，更嚴(yán)重的是降低了道路的穩(wěn)定性以及強(qiáng)度[3]。另外若發(fā)生路基沉降現(xiàn)象將會(huì)直接導(dǎo)致保溫板內(nèi)應(yīng)力升高，若此應(yīng)力大于保溫板自身抗拉強(qiáng)度則會(huì)發(fā)生斷板現(xiàn)象。所以保溫板的合理埋置深度關(guān)乎著其功能應(yīng)用的成敗。

3保溫板運(yùn)用的工程計(jì)算模型

計(jì)算模型選取新疆地區(qū)典型的季節(jié)性凍土區(qū)域的某公路路基作為研究對(duì)象(見圖1)，聚苯乙烯泡沫塑料的抗壓強(qiáng)度為360 kPa，最大實(shí)際作用壓應(yīng)力達(dá)570 kPa，厚度規(guī)格為5 cm，將保溫板分別置放于研究路基基礎(chǔ)面之下的30 cm、50 cm、80 cm位置。路基高度分別選擇路塹、2 m高路堤、4 m高路堤三種情況，此公路路基寬設(shè)計(jì)為26 m，路基坡腳延伸達(dá)到20 m，路基坡度達(dá)1∶1.5。路基保溫板以上結(jié)構(gòu)作用自重荷載，車輪的接地壓強(qiáng)p設(shè)置為0.8 MPa，車輪圓半徑δ為11cm，最終將模型直接簡化成正方形規(guī)格為19cm×19cm，其中車輪的間距設(shè)置為190cm[4]。在公路路基的底面作用位移荷載，保溫板所受的拉應(yīng)力直接來源于路基沉降，可以采用二次拋物線表示路基的沉降。下表1為聚苯乙烯泡沫塑料保溫板模型計(jì)算參數(shù)。

表1　聚苯乙烯泡沫塑料保溫板模型計(jì)算參數(shù)表

圖1　聚苯乙烯泡沫塑料保溫板計(jì)算模型圖

4聚苯乙烯泡沫塑料保溫板的受力分析

道路結(jié)構(gòu)采用3m厚的碎石換填層結(jié)合4m高路堤，測試聚苯乙烯泡沫塑料保溫板的最大抗壓強(qiáng)度是否滿足工程實(shí)踐要求。分別埋置聚苯乙烯泡沫塑料保溫板于施工路基基礎(chǔ)面之下的20cm、50cm、70cm處，聚苯乙烯泡沫塑料保溫板上、下面所受的壓力的模擬測試表明：

(1)輪壓正下面的聚苯乙烯泡沫塑料保溫板出現(xiàn)了最大壓力，其最大壓力值范圍在150~170kPa。(2)埋深相同時(shí)，聚苯乙烯泡沫塑料保溫板上表面所受的壓力大于下面所受的壓力，差值范圍在0.75~0.88kPa。(3)聚苯乙烯泡沫塑料保溫板受到的壓力大小與其埋置深度有很大的關(guān)系，具體為埋深在70m的聚苯乙烯泡沫塑料保溫板受力最小，分別比埋深在50m與20m處的保溫板小4.5kPa、4.2kPa，3.2kPa、3.2kPa，結(jié)論為聚苯乙烯泡沫塑料保溫板埋深越大，其所受的壓力就越小。增加埋深10cm，保溫板所受壓力對(duì)應(yīng)增加達(dá)1.5kPa，在比例關(guān)系上分析表明，隨埋深增大，聚苯乙烯泡沫塑料保溫板壓力的減小幅度呈現(xiàn)為顯著的下降趨勢。

5理論計(jì)算保溫板埋置深度

結(jié)合應(yīng)力擴(kuò)散理論，以聚苯乙烯泡沫塑料保溫板的最大實(shí)際作用壓應(yīng)力為判據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，推導(dǎo)保溫板的合理埋深，車輛荷載擴(kuò)散示意圖[5]見圖3。

(1)

式中：

d——車輪圓直徑，m；

p——車輪壓強(qiáng)，MPa；

h——聚苯乙烯泡沫塑料保溫板的合理埋深，m；

σ——聚苯乙烯泡沫塑料保溫板最大實(shí)際作用壓應(yīng)力，MPa；

φ——聚苯乙烯泡沫塑料保溫板以上路面結(jié)構(gòu)層應(yīng)力擴(kuò)散角的加權(quán)平均值；

圖3　車輛荷載擴(kuò)散示意圖

選取此4m高施工路堤路基時(shí)，分別取=0.19MN/m3，φ=35°，p=0.7 MPa，d=0.2 m，σ=0.6MPa，經(jīng)過計(jì)算可得保溫板的埋深h≥0.22 m。充分考慮到車輛荷載超重和實(shí)際計(jì)算誤差等因素的影響，可以引入一個(gè)安全系數(shù)λ，λh=0.29 m，表明聚苯乙烯泡沫塑料保溫板可以安置于路基頂面下0.29 m深處。最后結(jié)合實(shí)際施工過程中所選取的施工材料以及工程質(zhì)量對(duì)路面彎沉效應(yīng)的綜合考慮，選擇將聚苯乙烯泡沫塑料保溫板鋪設(shè)在施工路基基礎(chǔ)面之下深度約30~40 cm處[6]。

6結(jié)語

(1)凍土路基下鋪設(shè)的保溫材料擠塑聚苯乙烯泡沫塑料保溫板不僅具有良好的阻溫隔熱效果，而且其吸水率也較小，能很好地隔水，有效阻絕了凍土路基下地下水分的遷移，最終達(dá)到減少路基病害的目的。

(2)埋深相同時(shí)，聚苯乙烯泡沫塑料保溫板上表面所受的壓力大于下面所受的壓力，聚苯乙烯泡沫塑料保溫板埋深越大其所受的壓力就越小。增加埋深10 cm，保溫板所受壓力對(duì)應(yīng)增加達(dá)1.5 kPa，在比例關(guān)系上分析表明，隨著埋深增大，聚苯乙烯泡沫塑料保溫板壓力的減小幅度呈現(xiàn)為顯著的下降趨勢。

(3)結(jié)合實(shí)際施工過程中所選取的施工材料以及工程質(zhì)量對(duì)路面彎沉效應(yīng)的綜合考慮，將聚苯乙烯泡沫塑料保溫板鋪設(shè)在施工路基基礎(chǔ)面之下深度約30~40 cm處。

參考文獻(xiàn)

[1]趙麗萍.XPS板在凍土路基工程中的應(yīng)用研究[D].西安：長安大學(xué)，2009.

[2]汪海年.青藏高原多年凍土地區(qū)路基溫度場研究[D].西安：長安大學(xué)，2004.

[3]樊凱，章金釗，陳建兵.保溫材料在青藏公路路基工程中的應(yīng)用[J].公路，2004，(8)：163-166.

[4]孔立明.保溫材料在青藏鐵路路基工程中的應(yīng)用[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2003，25(增1)：54-58.

[5]袁寶來，李兵.聚苯乙烯防止道路凍脹的應(yīng)用研究[J].遼寧省交通高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2002(2)：1-4.

[6]樊凱，章金釗，陳建兵.保溫材料在青藏公路路基工程中的應(yīng)用[J].公路，2004(8)：163-166.

Research on the Buried Depth of Polystyrene Foam Insulation Board

LUO Gang

(Xinjiang Xinjiyuan Highway Design Co.，Ltd.，Urumqi，Xinjiang，830000)

Abstract：The extruded polystyrene foam insulation board laid under permafrost roadbed has not only the good temperature insulation effect，but also its water absorption is smaller，which has better waterproofing，can effectively block the migration of groundwater under permafrost roadbed，and ultimately can achieve the purpose of reducing the roadbed diseases. Through numerical simulation and theoreti-cal analysis，combined with the construction materials selected during actual construction，and consid-ering the deflection effect of road pavement，this article studied the buried depth of polystyrene foam in-sulation boards，and obtained that about 30~40cm laid under the foundation surface of construction roadbed is the optimum depth.

Keywords：Frozen-soil roadbed；Insulation boards；Buried depth；Numerical simulation；Theoretical Analysis

收稿日期：2015-07-02

文章編號(hào)：1673-4874(2015)08-0033-04

中圖分類號(hào)：U415

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2015.08.008

作者簡介