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        基于EPS顆粒保溫墊層的季凍區(qū)渠道凍脹特性分析

        2019-12-19 07:41:42張紅維
        陜西水利 2019年11期
        關(guān)鍵詞:凍結(jié)深度渠底保溫材料

        張紅維

        (和田鼎晟工程試驗(yàn)檢測有限公司,新疆 和田 848000)

        0 引言

        在寒冷地區(qū),土壤凍結(jié)會(huì)對水工建筑物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性造成不利影響[1]。渠道襯砌容易受到土壤凍結(jié)的破壞,因不同深度的土壤暴露在寒冷空氣中,使得整個(gè)渠道橫截面容易遭受凍脹效應(yīng)的影響[2,3]。淺層地面會(huì)隨季節(jié)氣溫的變化而融化和凍結(jié),導(dǎo)致土壤發(fā)生一系列物理和形狀變化[4]。當(dāng)?shù)孛嬖诤浼竟?jié)結(jié)冰時(shí),其強(qiáng)度增加,流變行為發(fā)生,其在解凍狀態(tài)下是不發(fā)生的。當(dāng)孔隙水向地面凍結(jié)前沿移動(dòng)時(shí),冰透鏡同時(shí)在凍結(jié)帶形成,導(dǎo)致土壤發(fā)生凍脹,如果在這種類型的地面上建造的結(jié)構(gòu)為非隔熱設(shè)計(jì),其將遭受凍融破壞[5]。更具體地說,由于運(yùn)河是直接在地下挖掘和建造的,因此冰凍破壞在寒冷地區(qū)的運(yùn)河中更加嚴(yán)重和普遍。在新疆的一些灌區(qū),由于凍脹引起的裂縫和滲漏,導(dǎo)致多條運(yùn)河僅使用兩年就需修復(fù)[6]。在中國北方大多數(shù)運(yùn)河中,渠道損壞率較高,季節(jié)性凍土的凍融循環(huán)經(jīng)常對其造成重大損壞。例如,青海省50%~60%的渠道被霜凍破壞[7]。對吉林省216條渠道的破壞調(diào)查表明,39.4%的渠道工程問題主要是由凍融作用引起的[8]。本文在室內(nèi)開展模型試驗(yàn),對渠道底部添加聚苯乙烯泡沫輕質(zhì)土混合物后渠道是否具有保溫及防凍脹作用進(jìn)行研究。

        1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

        現(xiàn)有的U型渠道混凝土強(qiáng)度一般為C15~C20,其在寒冷地區(qū)強(qiáng)度較低,難以達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行的要求,為模擬室外自然條件下渠道降溫及升溫凍融循環(huán)變化,在室內(nèi)模型試驗(yàn)中提高了混凝土強(qiáng)度,選擇C50,試驗(yàn)的渠道選擇矩形薄壁結(jié)構(gòu),其在實(shí)際工程中使用壽命較長且穩(wěn)定、便于安裝,因此選擇矩形渠道作為模型開展試驗(yàn),其長度設(shè)置為2.5 m。EPS密度及導(dǎo)熱系數(shù)均較小,在工程保溫材料中被廣泛應(yīng)用。試驗(yàn)采用墊層厚度為20 cm的聚苯乙烯泡沫(Expanded Polystyrene簡稱EPS)輕質(zhì)土作為保溫材料,對比分析加保溫材料及自然狀態(tài)下對渠道凍脹破壞產(chǎn)生的影響。試驗(yàn)渠道所在的模型試驗(yàn)箱長度為4 m,寬為3 m,高為1.6 m,為了模擬自然條件下土體內(nèi)水分單向及雙向凍結(jié),試驗(yàn)箱第一層至第三層分別為:直徑為2 cm的銅管加熱板、5 cm厚砂墊層、塑料補(bǔ)水管及無紡布,第四層為天然土壤或EPS。模型幾何比尺為1∶4,溫度比尺為1∶1,填土干密度控制為1.56 g/cm3,最大干密度為1.61 g/cm3,最優(yōu)含水率為13.2%。EPS顆粒堆積密度為0.0291 g/cm3,直徑為3 mm~6 mm。固化劑采用42.5普通硅酸鹽水泥。同時(shí)還添加了一些外加劑,如丙乳和引氣劑等。本試驗(yàn)在矩形渠下設(shè)置4種不同的墊層,分別為:不摻EPS顆粒輕質(zhì)土、摻2%EPS輕質(zhì)土、摻3%EPS輕質(zhì)土、摻4%EPS輕質(zhì)土。溫度及位移傳感器布置方式見圖1~圖2,為模擬自然情況實(shí)現(xiàn)模型土體的雙向融化,并模擬凍結(jié)土體的下臥層溫度,本文控制試驗(yàn)箱底板溫度為8℃。為模擬自然情況下北方平均凍融期213 d,根據(jù)時(shí)間比尺,試驗(yàn)周期為13.75 d即330 h。室內(nèi)試驗(yàn)過程中模型溫控方案見表1,共分為4個(gè)溫控階段,從溫度降低到土體開始凍結(jié),此時(shí)地溫變化較小,一般為1月和2月,至3中旬后溫度升高至土體完全融化,模擬了土壤完整的凍融循環(huán)過程。

        圖1 無墊層渠道傳感器布置圖

        圖2 EPS墊層渠道傳感器布置圖

        表1 室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)P蜏乜胤桨?/p>

        2 結(jié)果分析

        采用surfer軟件將凍結(jié)和融化期溫度傳感器傳回的溫度值繪制成溫度等高線圖,渠底未摻EPS顆粒墊層的渠道溫度場分布見圖3,4%EPS顆粒墊層的渠道溫度場分布見圖4,由于篇幅所限,本文只給出EPS含量為4%的溫度場分布,可以看出:與未添加EPS相比,添加了EPS保溫材料的U型槽,其渠底溫度明顯上升,其最大凍結(jié)深度明顯減小,凍脹臨界溫度即0℃溫度線明顯上升,說明EPS材料能顯著起到保溫作用,減小U型槽底部土體的凍結(jié)深度,且隨著EPS含量的增加,渠底溫度明顯升高。未添加EPS顆粒時(shí),渠道兩側(cè)存在最低溫度集中分布區(qū)域,區(qū)域面積較大,土地的凍脹變形將對渠道兩側(cè)產(chǎn)生嚴(yán)重危害,當(dāng)渠底增加EPS墊層后,其最大凍結(jié)深度對應(yīng)的溫度場存在分層增加的變化變化趨勢,最低溫度分布的趨勢明顯減小,說明EPS不僅能減小渠底土體凍結(jié)深度,同時(shí)可減小渠道兩側(cè)最低溫度的分布面積,減小兩側(cè)土體的最大凍脹量,有效的減少渠道遭受的凍害影響。

        圖3 未摻EPS顆粒墊層

        圖4 4%EPS顆粒墊層

        為了更直觀了解渠底添加EPS后,其在單向凍結(jié)及雙向融化過程中凍結(jié)深度的變化,本文繪制了凍融深度隨時(shí)間的變化曲線見圖5,可以看出:與未摻EPS相比,渠底添加EPS墊層后,其凍結(jié)深度減小,最大凍結(jié)時(shí)間增加,隨著EPS含量的增加,其凍結(jié)深度不斷減小,4%EPS墊層的渠道在19 h左右土體開始凍結(jié),在280 h左右達(dá)到最大凍結(jié)深度,其他幾種情況在260 h左右達(dá)到最大凍結(jié)深度,并在320 h左右凍融曲線相交。未摻 EPS、2%EPS、3%EPS、4%EPS其最大凍結(jié)深度分別為:113 cm、91.8 cm、86 cm、71.6 cm,可以看出 EPS含量越高凍深越小,未摻EPS的渠道其凍結(jié)速率最快。

        圖5 矩形渠道凍融深度變化曲線

        圖6給出了土體發(fā)生凍結(jié)及融化過程溫度傳感器監(jiān)測的土地變形量曲線,可以看出:土體在40 h后開始發(fā)生變形,分析其原因是由于隨著溫度的降低,在土地水分開始凍結(jié)初期,土顆粒由于溫度的下降體積出現(xiàn)收縮,水分的凍脹力不足以抵抗土顆粒的收縮力,因此其變形出現(xiàn)了推遲,隨著溫度的降低,土體的凍脹量逐漸增加,而后隨著溫度的升高,凍融沉降量逐漸減小,3條EPS曲線的變化趨勢相同。未摻EPS、2%EPS、3%EPS、4%EPS其最大凍脹量分別為22.7 cm、11.3 cm、8.9 cm、5.6 cm,殘余變形分別為 5.9 cm、4.7 cm、4.2 cm、2.5 cm,含量最高的4%EPS其土體最大凍脹量和殘余變形均最小。

        圖6 凍融沉降量變化曲線

        3 結(jié)論

        凍脹是寒區(qū)河道的一個(gè)復(fù)雜作用過程,包括能量和質(zhì)量的傳遞、冰水相變、凍土凍脹和蠕變等過程。此外,傳統(tǒng)的試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)條件難以用于寒冷地區(qū)凍脹問題的研究。因此,該方向的實(shí)驗(yàn)和理論數(shù)據(jù)是有限的。本文為解決室外開展試驗(yàn)困難等問題,在室內(nèi)通過模型比尺縮放建立了凍融試驗(yàn)箱,模擬室外U型矩形渠道土體的凍脹變化過程,探究在渠底添加EPS保溫材料后能否減小周圍土體對渠道造成的凍害,得出的主要結(jié)論為:EPS材料對渠道起到了保溫作用,與未摻EPS的渠道相比,隨著EPS含量的逐漸增加,周圍土體的最大凍結(jié)深度表現(xiàn)出逐漸減小,最大凍結(jié)時(shí)間逐漸增加,最大凍脹量和殘余變形逐漸減小,且土體周圍溫度不存在大面積低溫土壤區(qū),EPS上層土壤溫度為向上分層變化,減小了低溫土壤的體積,能夠有效的抵抗周圍及地基土體凍脹對渠道造成的損壞。由于試驗(yàn)條件的限制,將渠底環(huán)境溫度設(shè)置為常數(shù),而不是實(shí)際的正弦變化。因此,需要對這一問題進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

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