模袋混凝土渠道凍脹特點(diǎn)及防治研究

紀(jì) 娟

(嶺南水務(wù)集團(tuán)有限公司，北京 100068)

0 引 言

凍脹現(xiàn)象是凍土區(qū)的常見問題，我國凍土區(qū)十分廣闊，季節(jié)性凍土占國土面積53.3%，而多年凍土占21.5%[1-2]。凍脹現(xiàn)象會(huì)對(duì)諸多設(shè)施造成影響，如隧道、路基、渠坡等，并對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施造成較大威脅[3-5]。

針對(duì)凍脹現(xiàn)象，許多研究者進(jìn)行了多方面研究。李曉洋[6]等基于傳感器與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一套凍脹監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。牛帥帥[7]等利用數(shù)值模擬，對(duì)凍脹荷載對(duì)巖體破壞特性進(jìn)行了研究。亓守臣[8]對(duì)季節(jié)性凍土區(qū)路基的性能進(jìn)行了多方面評(píng)價(jià)。

為研究模袋混凝下渠坡凍脹特征，本文對(duì)渠坡進(jìn)行不同厚度模袋混凝土鋪設(shè)，并利用不同厚度聚苯板對(duì)其進(jìn)行保溫處理，監(jiān)測(cè)陰陽坡面的凍脹量，從多方面進(jìn)行研究，分析其凍脹特點(diǎn)，為防治凍脹提供對(duì)策。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 工程內(nèi)容

加固臺(tái)山市境內(nèi)的白沙、水步及大江段堤防，重建或加固沿線穿堤水閘20座；重建或新建穿堤涵竇21座；新建水閘16座。臺(tái)山段防洪標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇，堤防工程級(jí)別為3級(jí)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)區(qū)域?yàn)榻T市一干渠，該地區(qū)試驗(yàn)區(qū)段長(zhǎng)110m，地下水位深度約2.3m。試驗(yàn)中，設(shè)置11種不同類型的保溫結(jié)構(gòu)，每種試驗(yàn)結(jié)構(gòu)斷面的試驗(yàn)長(zhǎng)度為10m。所監(jiān)測(cè)的加固臺(tái)山市境內(nèi)的白沙、水步及大江段堤防，全長(zhǎng)23.165km(其中大江段14.19km，水步段4.285km，白沙段4.69km)；重建或加固沿線穿堤水閘20座；重建或新建穿堤涵竇21座；新建水閘16座。臺(tái)山段防洪標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇，堤防工程級(jí)別為3級(jí)。監(jiān)測(cè)對(duì)象為渠坡凍脹量，開始監(jiān)測(cè)的時(shí)間為2021年11月，監(jiān)測(cè)時(shí)長(zhǎng)5個(gè)月。以聚苯板作為保溫試驗(yàn)材料，規(guī)格為25kg/m3。材料的力學(xué)性能見表1。

表1 聚苯板基本性能

具體試驗(yàn)方法：在每個(gè)試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的陰陽面各設(shè)置一個(gè)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，用來監(jiān)測(cè)因凍脹產(chǎn)生的變形。監(jiān)測(cè)點(diǎn)平行布置于渠坡且均勻分布，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間相距20m。對(duì)于凍脹量，通過設(shè)置凍脹基準(zhǔn)樁測(cè)量。在渠頂設(shè)置基準(zhǔn)樁，將三腳架安裝于基準(zhǔn)點(diǎn)。測(cè)量基尺位于三腳架上，并與渠坡面平行，以基尺與襯砌面板的距離計(jì)算得出凍脹引起的變形量。實(shí)驗(yàn)裝置由模袋混凝土與保溫聚苯板構(gòu)成，斷面示意圖見圖1。試驗(yàn)區(qū)具體模袋混凝土配置與處理方法見表2。

圖1 實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)斷面圖

表2 試驗(yàn)區(qū)具體試驗(yàn)方案

根據(jù)監(jiān)測(cè)所得凍脹變形量對(duì)不同厚度的保溫聚苯板防凍脹效果作出評(píng)價(jià)，優(yōu)選出適宜的抗凍脹措施，為模袋混凝土抗凍脹提供對(duì)策。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 模袋混凝土的凍脹特性

圖2為試驗(yàn)區(qū)一年中渠坡下部1/3處由不同模袋混凝土與保溫聚苯板處理后的凍脹量變化趨勢(shì)圖。圖2中包括陽坡和陰坡的凍脹變化特征，監(jiān)測(cè)時(shí)段為2021年11月至2022年4月。

由圖2可知，所有條件下的渠坡凍脹量變化均呈相同的變化趨勢(shì)。11月29日，開始產(chǎn)生凍脹變形，并呈現(xiàn)較大的增長(zhǎng)速度；1月18日左右，增長(zhǎng)速度開始減緩；2月3日左右，變形達(dá)到最大值；2月20日左右，開始迅速減小；4月8日，變形基本消失。模袋混凝土的厚度增大會(huì)減緩凍脹變形，陰面坡面相對(duì)于陽面坡面變形量也會(huì)較小。聚苯板的設(shè)置會(huì)顯著降低凍脹量，未設(shè)置聚苯板的模袋混凝土下渠坡凍脹變形幅度均遠(yuǎn)大于保溫處理過的渠坡。陰坡的凍脹量變化幅度要大于陽坡，凍脹變形幅度最大的是未經(jīng)保溫處理的厚8cm模袋混凝土陰面坡，幅度最小的是設(shè)置聚苯板的厚15cm模袋混凝土陽面坡。

圖2 不同試驗(yàn)條件下模袋混凝土凍脹量變化趨勢(shì)

2.2 聚苯板處理模袋混凝土保溫效果

為具體分析模袋混凝土厚度以及聚苯板厚度對(duì)凍脹變形量的影響，同時(shí)對(duì)其他試驗(yàn)變量進(jìn)行研究，將未經(jīng)保溫處理的模袋混凝土下渠坡下部1/3處具體凍脹量在表3列出，將厚8cm模袋混凝土經(jīng)設(shè)置聚苯板后的渠坡下部1/3處具體凍脹量在表4列出。

表3 無保溫處理的模袋混凝土下渠坡具體凍脹量

表4 厚8cm模袋混凝土保溫處理后渠坡具體凍脹量

由表3可知，模袋混凝土厚度的增大是一種較為有效的抗凍脹措施。當(dāng)厚度增大時(shí)，渠坡的凍脹量呈降低趨勢(shì)，且厚度越大，抗凍脹效果越好。厚8cm模袋混凝土下渠坡凍脹量最大可達(dá)109.3mm，而厚15cm模袋混凝土為66.3mm。未經(jīng)保溫處理的厚12cm模袋混凝土與厚8cm模袋混凝土下渠坡相比，陽坡的最大凍脹變形量減小17.1%，當(dāng)厚度增大至15cm時(shí)，凍脹降低率達(dá)到41.0%。

由表4可知，4cm聚苯板可使厚8cm模袋混凝土下渠坡凍脹量降低48.04%～51.10%；當(dāng)聚苯板厚度增大至12cm時(shí)，最大可將凍脹效應(yīng)降低89.51%，說明聚苯板的設(shè)置對(duì)渠坡有顯著的防凍脹效果。陰坡的凍脹量與陽坡相比較高，最大變形要高出7%～20%，這與試驗(yàn)區(qū)的天氣變化相符合。

2.3 凍脹量與模袋混凝土厚度的相關(guān)性

由上文可知，模袋混凝土厚度的增大會(huì)緩解凍脹現(xiàn)象。為準(zhǔn)確判斷模袋混凝土厚度與渠坡凍脹量之間的關(guān)系，現(xiàn)對(duì)一個(gè)凍融循環(huán)內(nèi)，未經(jīng)保溫處理的3種厚度的模袋混凝土下渠坡最大凍脹量進(jìn)行收集與整理。將整理出的數(shù)據(jù)中模袋混凝土厚度與陽坡、陰坡的凍脹量進(jìn)行擬合，并對(duì)其相關(guān)性進(jìn)行分析。擬合曲線見圖3。

擬合表達(dá)式如下：

(1)

(2)

式中：y1為陽坡預(yù)測(cè)最大凍脹量；x1為陽坡模袋混凝土厚度；y2為陰坡預(yù)測(cè)最大凍脹量；x2為陰坡模袋混凝土厚度。

圖3 不同模袋混凝土厚度與渠坡最大凍脹量擬合曲線

由圖3、式(1)和式(2)可知，模袋混凝土與凍脹量之間存在負(fù)線性相關(guān)關(guān)系，陰坡與陽坡的擬合決定系數(shù)R2均在0.9以上，說明相關(guān)性較高。與陰坡相比，陽坡與凍脹量之間的負(fù)相關(guān)曲線斜率較緩，這與2.1一節(jié)中提到的陰坡凍脹量變化趨勢(shì)幅度更大相互印證。該擬合曲線具有較高的準(zhǔn)確性，可為實(shí)際工程提供凍脹預(yù)測(cè)值。

2.4 試驗(yàn)區(qū)殘余變形特征

試樣在承受荷載后會(huì)發(fā)生變形，殘余變形是指其變形后不可恢復(fù)的一部分。現(xiàn)將不同保溫條件下的渠坡下部1/3處殘余變形進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并對(duì)殘余變形特征進(jìn)行分析。不同試驗(yàn)條件下渠段殘余變形量見圖4。

圖4 殘余變形統(tǒng)計(jì)

由圖4可知，隨著模袋混凝土厚度增大，渠段殘余變形量呈降低趨勢(shì)，但降低幅度不大，無保溫處理的渠坡最低殘余變形量在15cm模袋混凝土下為1.2cm；最高殘余變形量在8cm模袋混凝土下為1.8cm。對(duì)于相同條件下的渠坡，陰坡殘余變形量相較于陽坡較大。對(duì)渠坡設(shè)置保溫聚苯板后，其殘余變形量會(huì)降低，對(duì)于厚度為8cm與15cm的模袋混凝土，在分別設(shè)置厚12cm與6cm的聚苯板后，殘余變形基本不會(huì)發(fā)生。但對(duì)于12cm模袋混凝土，聚苯板雖有較為顯著的降低殘余變形功能，但最低仍有0.4～0.6cm的殘余變形量。

2.5 渠坡不同位置凍脹特征

對(duì)試驗(yàn)區(qū)渠坡上下部1/3處與1/2處的凍脹量進(jìn)行收集，統(tǒng)計(jì)時(shí)間段為2021-2022年間的凍脹時(shí)期。收集的數(shù)據(jù)在表5中列出。根據(jù)表5繪制出8、12與15cm模袋混凝土下渠坡不同位置最大凍脹量的變化趨勢(shì)圖，見圖5。

表5 渠坡不同位置最大凍脹量

圖5 不同渠坡位置凍脹特征

由圖5可知，相同條件下，位置越靠近渠坡上部，其凍脹量越小，渠坡上部1/3處相較于下部1/3處最大凍脹量低5%～38%。保溫聚苯板對(duì)渠坡的抗凍脹功能提升最明顯的是渠坡上部1/3處。隨著聚苯板厚度增大，所有條件下渠坡凍脹量均顯著下降，且相同模袋混凝土厚度下渠坡所有位置的凍脹量開始接近。在聚苯板厚度達(dá)到12cm時(shí)，厚度8與12cm模袋混凝土下渠坡所有部位凍脹量基本相同；在聚苯板厚度達(dá)到6cm時(shí)，厚度15cm模袋混凝土下渠坡所有部位凍脹量基本相同。

3 結(jié) 論

1)不同條件下，渠坡總體凍脹量隨時(shí)間的變化呈相同趨勢(shì)，大致在12月初開始發(fā)生凍脹現(xiàn)象，并呈現(xiàn)較大的增長(zhǎng)趨勢(shì)，凍脹量的增長(zhǎng)大致在2月初結(jié)束，此時(shí)渠坡凍脹量最大。凍脹量達(dá)到峰值，凍脹量開始降低，且降低趨勢(shì)逐漸增大，在4月上旬，凍脹現(xiàn)象基本消失。

2)增大模袋混凝土的厚度可緩解渠坡凍脹現(xiàn)象，厚度越大，凍脹量降低越明顯。渠坡下部1/3處，厚8cm模袋混凝土下渠坡凍脹量最大可達(dá)109.3mm，而厚15cm模袋混凝土為66.3mm，凍脹量降低39.3%。

3)設(shè)置聚苯板可顯著降低渠坡的凍脹量，4cm聚苯板即可使厚8cm模袋混凝土下渠坡凍脹量降低48.04%～51.10%。當(dāng)聚苯板厚度增大時(shí)，渠坡抗凍脹性能也會(huì)隨之增大；當(dāng)聚苯板厚度增大至12cm時(shí)，可基本消除厚8cm模袋混凝土下渠坡凍脹現(xiàn)象。

5)相同條件下，渠坡的陰面坡的凍脹量與陽面坡相比較高，最大凍脹量要高出7%～20%。渠坡上部的凍脹量要低于下部，渠坡上部1/3處相較于下部1/3處最大凍脹量低5%～38%。保溫聚苯板對(duì)渠坡上部的抗凍脹性能提升更明顯，隨著設(shè)置的保溫聚苯板厚度增大，渠坡不同位置的凍脹量逐漸接近，最終相同條件下渠坡所有位置凍脹量基本相同。