鹿翔宇,劉仰玉,卞漢兵,3*,孫兆輝,王宸宇,邱秀梅*

擠塑聚苯板在混凝土襯砌渠道凍脹防治中的應(yīng)用

鹿翔宇1,劉仰玉2,卞漢兵1,3*,孫兆輝1,王宸宇1,邱秀梅1*

1. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利土木工程學(xué)院, 山東 泰安 271000 2. 臨沂市恒泰安全科技有限公司, 山東 臨沂 276000 3. 法國(guó)里爾大學(xué) 綜合理工工程師學(xué)院, 法國(guó)

針對(duì)季節(jié)性?xún)鐾羺^(qū)山東省聊城市位山灌區(qū)混凝土襯砌渠道的凍融破壞問(wèn)題，利用ANSYS有限元軟件建立鋪設(shè)不同厚度擠塑聚苯板的混凝土襯砌渠道模型，計(jì)算其瞬態(tài)溫度場(chǎng)分布和位移場(chǎng)分布，并結(jié)合相關(guān)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。結(jié)果表明，經(jīng)一年持續(xù)觀測(cè)，在日最低氣溫隨時(shí)間變化的外界環(huán)境條件下，不論是否鋪設(shè)擠塑聚苯板，最大凍結(jié)深度出現(xiàn)的時(shí)間相對(duì)于年最低氣溫出現(xiàn)的時(shí)間來(lái)說(shuō)均具有滯后性。通過(guò)對(duì)鋪設(shè)不同厚度擠塑聚苯板渠道產(chǎn)生的凍脹量和渠基土的凍結(jié)深度進(jìn)行比對(duì)分析，得出擠塑聚苯板的保溫作用原理，推測(cè)選用5 cm擠塑聚苯板對(duì)該灌渠進(jìn)行凍脹防治已滿(mǎn)足工程要求。本研究加入了瞬態(tài)溫度場(chǎng)計(jì)算，這一方案具有一定的先進(jìn)性，可為今后混凝土襯砌渠道凍脹防治研究提供參考。

混凝土襯砌渠道; 凍脹防治; 數(shù)值模擬; 擠塑聚苯板（XPS）

我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，我國(guó)的灌區(qū)，特別是北方灌區(qū)大多處于季節(jié)性?xún)鐾羺^(qū)，灌溉渠道多發(fā)生凍融破壞[1-3]。對(duì)于混凝土渠道襯砌，渠基土的凍融作用致使渠道混凝土襯砌體發(fā)生破壞，輕者混凝土襯砌板表面出現(xiàn)裂縫或局部鼓起，重者襯砌板坍塌滑坡造成渠道不能正常輸水，每年都要花大量的人力、物力、財(cái)力進(jìn)行維修維護(hù)。渠道混凝土襯砌結(jié)構(gòu)的凍脹過(guò)程是一個(gè)隨溫度變化，由表及里、由淺入深的逐步演變過(guò)程[4]。隨著外界溫度的逐漸降低，渠道下臥土層所產(chǎn)生的冰晶體越積越大[5-7]，土體凍脹，從而造成襯砌板鼓起、產(chǎn)生裂縫，最終導(dǎo)致襯砌板脫落發(fā)生凍融破壞[8,9]。針對(duì)我國(guó)灌渠凍脹破壞問(wèn)題，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)西北、東北部灌渠進(jìn)行了大量的分析研究[10-14]。

目前利用有限元軟件對(duì)渠道凍脹機(jī)理進(jìn)行分析是一種常見(jiàn)方法，王正中等人[15]提出可以對(duì)渠道進(jìn)行瞬態(tài)溫度場(chǎng)計(jì)算，并模擬了日內(nèi)氣溫的變化，對(duì)于抗凍脹設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，瞬態(tài)溫度場(chǎng)計(jì)算相對(duì)常用的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)計(jì)算更具有參考價(jià)值。

本文利用有限元軟件ANSYS，以山東省聊城市黃河流域位山灌區(qū)二干渠觀測(cè)段作為研究對(duì)象，參考相關(guān)資料[16-19]，建立仿真計(jì)算模型。在保溫性能方面，擠塑聚苯板（以下簡(jiǎn)稱(chēng)XPS）材料緊密的閉孔結(jié)構(gòu)決定了保溫的同時(shí)還可有效防滲，且具有導(dǎo)熱系數(shù)低、防腐蝕性好等優(yōu)勢(shì)，因此選用XPS作為該灌渠的保溫材料進(jìn)行模擬研究。在有限元計(jì)算方面，由于瞬態(tài)溫度場(chǎng)計(jì)算相對(duì)于穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)計(jì)算來(lái)說(shuō)更具有先進(jìn)性，且國(guó)內(nèi)針對(duì)完整凍結(jié)期內(nèi)灌渠凍深的模擬計(jì)算較少，因此對(duì)一年內(nèi)日最低氣溫條件下該灌渠的瞬態(tài)溫度場(chǎng)、位移場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，分析和預(yù)測(cè)其凍深及凍脹量的變化規(guī)律。并將不同厚度XPS與混凝土襯砌板復(fù)合的渠道模型仿真計(jì)算結(jié)果與該混凝土襯砌渠道的仿真計(jì)算結(jié)果相比對(duì)，分析XPS對(duì)該灌渠的保溫作用，選取經(jīng)濟(jì)合理的防治措施。

1 工程背景

本文所做仿真計(jì)算原型為山東省聊城市位山灌區(qū)二干渠觀測(cè)段，該原型渠道如圖1，渠道邊坡比為1：2，坡長(zhǎng)8.80 m，渠底寬1.80 m，左右水平邊界均為0.60 m。渠底不鋪設(shè)混凝土襯砌板，而在與渠坡轉(zhuǎn)折（坡腳）處設(shè)置0.50×0.50 mM7.5漿砌塊石，渠底回填粘性土壓實(shí)。其中直線1、2、3為試驗(yàn)中選取的三條不同的觀測(cè)線。

圖 1 位山灌區(qū)二干渠渠道詳圖

2 試驗(yàn)組與對(duì)照組選取

為將鋪設(shè)不同厚度XPS的渠道模型凍深及凍脹量與原渠道相比對(duì)，將不鋪設(shè)XPS的渠道模型作為對(duì)照組，鋪設(shè)0.01、0.03、0.05 mXPS的渠道模型分別作為試驗(yàn)組1、試驗(yàn)組2、試驗(yàn)組3。

3 參數(shù)選取

由于瞬態(tài)溫度場(chǎng)計(jì)算時(shí)僅需要材料的密度、導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容三項(xiàng)熱力學(xué)參數(shù)，因此參考該灌區(qū)相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及相關(guān)資料[20,21]，整理渠道各個(gè)組成材料的熱力學(xué)相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

表 1 渠道結(jié)構(gòu)組成材料熱力學(xué)相關(guān)參數(shù)

由于凍土導(dǎo)熱系數(shù)在各個(gè)方向的差異不大，所以取坐標(biāo)軸方向上的導(dǎo)熱系數(shù)λ=λ=1.55。

位移場(chǎng)計(jì)算時(shí)需增加材料的彈性模量、泊松比和熱膨脹系數(shù)，因此根據(jù)瞬態(tài)溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果，需要對(duì)渠基土的彈性模量和泊松比進(jìn)行分層定義。

假定渠基土為各向同性的彈性材料，聊城市土質(zhì)為粉質(zhì)粘土，由于淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土的彈性模量與溫度變化是線性的，泊松比與溫度的關(guān)系呈近似線性關(guān)系，隨溫度的降低而減小，則其線性回歸關(guān)系分別為[22]：=19.82||-31.367 (1)

=-0.003||+0.2933 (2)

可推測(cè)聊城市位山灌區(qū)二干渠渠基土-3 ℃到-18 ℃的彈性模量和0 ℃到-18 ℃的泊松比。相關(guān)資料顯示粉質(zhì)粘土的彈性模量為7~20 MPa，0 ℃到-3 ℃的土層彈性模量可近似取20 MPa。則彈性模量及泊松比隨溫度的變化情況見(jiàn)圖2。

圖 2 渠基土彈性模量及泊松比隨溫度的變化曲線

取部分土樣進(jìn)行室內(nèi)凍脹試驗(yàn)，即取用位山灌區(qū)二干渠渠基土制備直徑100 mm，高65 mm的圓柱體試樣，先將試樣壓實(shí)后進(jìn)行飽和[23]，放置于凍脹量監(jiān)測(cè)設(shè)備中?？刂圃嚇訙囟冉抵? ℃觀測(cè)其溫度和變形，隨后以-3 ℃/h的速度讓試樣降至-18 ℃，并保持-18 ℃持續(xù)觀測(cè)72 h后得到相關(guān)凍脹試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表 2 渠基土試塊凍脹試驗(yàn)數(shù)據(jù)

將凍土的統(tǒng)一凍脹系數(shù)/（其中為凍脹率，為溫度）作為負(fù)膨脹系數(shù)進(jìn)行熱力學(xué)計(jì)算。由于渠基土為粉質(zhì)黏土，凍結(jié)溫度接近于0 ℃，故以0 ℃為基準(zhǔn)。

混凝土襯砌板視為各向同性的彈塑性材料，其彈性模量為26000 MPa，泊松比為0.167，線膨脹系數(shù)為1.1×10-5。

擠塑聚苯板（XPS）的彈性模量可達(dá)6-8 Mpa[24-26]，泊松比近乎為0，線膨脹系數(shù)參考傳統(tǒng)聚苯板，取0.04。

4 瞬態(tài)溫度場(chǎng)計(jì)算

4.1 邊界條件

由相關(guān)觀測(cè)數(shù)據(jù)得到聊城市1951~2008年日最低氣溫-時(shí)間變化曲線見(jiàn)圖3，其中取部分?jǐn)?shù)據(jù)計(jì)算得年最低平均氣溫約為12攝氏度。為得到最大凍脹量，假設(shè)日最低氣溫-時(shí)間變化曲線為規(guī)律的正弦函數(shù)，并將其作為溫度荷載施加在渠道模型上邊界處。

圖 3 聊城市1951~2008年日最低氣溫變化曲線

上表面邊界溫度根據(jù)該環(huán)境溫度變化曲線可以將其簡(jiǎn)化為正弦曲線形式，如下：

()=sin(+) (3)

其中：為溫度變化幅值，根據(jù)相關(guān)資料，可取18；為時(shí)間，單位s；

下邊界深度足夠達(dá)到穩(wěn)定溫度，取值為12 ℃，左右邊界設(shè)為絕熱條件。

4.2 計(jì)算模型

由于渠道是細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，分析過(guò)程中可將其簡(jiǎn)化為二維平面問(wèn)題進(jìn)行處理。幾何模型的建立需要考慮邊界條件等因素，當(dāng)土層達(dá)到足夠深度時(shí)，渠基土溫度可假設(shè)為恒溫，不產(chǎn)生位移變形及溫度變化。因此先對(duì)模型簡(jiǎn)化進(jìn)行一維計(jì)算。當(dāng)外界環(huán)境溫度為年最低氣溫時(shí)，實(shí)測(cè)聊城市凍土深度約為0.45 m左右。模型達(dá)足夠深時(shí)，下邊界可視為常年溫度不變層，因此假設(shè)該一維模型深度分別為3 m、10 m，其溫度隨深度的分布圖見(jiàn)圖4。

圖 4 環(huán)境溫度為年最低氣溫下的不同一維模型溫度隨深度的變化情況

由圖4可知，環(huán)境溫度為年最低氣溫時(shí)，渠基深度分別為3 m、10 m的有限元模型溫度隨深度的變化曲線近乎重合。根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)得，當(dāng)深度為10 m，環(huán)境溫度為年最低氣溫時(shí)，其凍深（土溫為0 ℃時(shí)對(duì)應(yīng)的渠基土深度）為0.4451 m；當(dāng)深度為3 m，環(huán)境溫度為年最低氣溫時(shí)，其凍深為0.4447 m。因深度分別為10 m與3 m時(shí)的凍結(jié)深度相差僅0.0004 m，可知深度為3 m時(shí)，模型計(jì)算結(jié)果已穩(wěn)定。故渠基土下邊界向下取3.00 m，根據(jù)實(shí)際工況，左右邊界取0.60 m，混凝土襯砌板厚度為0.06 m。因具體計(jì)算研究的破壞面為圖1所示三條直線對(duì)應(yīng)的破壞面，故將斜坡面、坡頂?shù)幕炷烈r砌體分別視為不同的整體，得以更詳盡觀察其連接處的凍深變化。擠塑聚苯板鋪設(shè)在混凝土襯砌板下方，并假設(shè)渠基土與襯砌體之間無(wú)接觸面存在。各材料參數(shù)根據(jù)上文中數(shù)據(jù)導(dǎo)入。有限元模型見(jiàn)圖5、圖6。根據(jù)最大凍結(jié)深度的延遲作用和實(shí)地氣候原因，推測(cè)凍深應(yīng)大于0.45 m小于1 m，為使計(jì)算結(jié)果更為精確，網(wǎng)格采用上密下疏的劃分模式，即0~1 m深處的模型網(wǎng)格劃分應(yīng)更細(xì)密。單元選用PLANE55平面單元，共640個(gè)節(jié)點(diǎn)，1103個(gè)單元。

圖 5 進(jìn)行瞬態(tài)溫度場(chǎng)計(jì)算時(shí)渠道（不鋪設(shè)XPS板）模型有限元網(wǎng)格劃分

圖6 進(jìn)行瞬態(tài)溫度場(chǎng)計(jì)算時(shí)渠道（鋪設(shè)XPS板）模型有限元網(wǎng)格劃分

4.3 瞬態(tài)溫度場(chǎng)計(jì)算及分析

假設(shè)初始溫度場(chǎng)均勻，即先以年平均氣溫12攝氏度為溫度荷載進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析計(jì)算，然后將計(jì)算結(jié)果作為瞬態(tài)熱分析的初始溫度場(chǎng)進(jìn)行瞬態(tài)分析計(jì)算，得到其凍深隨時(shí)間的變化情況。為了更直觀的顯示仿真計(jì)算結(jié)果，對(duì)模型分別選取1.800、10.190、10.790即圖1所示的1、2、3三條直線上的點(diǎn)分別作為三組觀測(cè)數(shù)據(jù)，其布置位置分別為坡面底部與渠基土交界面處、坡面頂部、襯砌板右邊界處，根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)比較三組凍深隨時(shí)間的變化。

對(duì)模型按瞬態(tài)模式每24 h施加一次邊界溫度，模擬從5月25日~第二年5月25日的渠道溫度場(chǎng)分布，并分別繪制對(duì)照組和試驗(yàn)組的渠道凍深隨時(shí)間的變化曲線以及渠基土上邊界溫度變化曲線。

4.3.1 對(duì)照組瞬態(tài)溫度場(chǎng)計(jì)算及分析通過(guò)對(duì)不施加X(jué)PS的渠道模型瞬態(tài)溫度場(chǎng)計(jì)算得到如下結(jié)論：

（1）三組觀測(cè)數(shù)據(jù)年最低溫度，即約為-18 ℃時(shí)對(duì)應(yīng)的凍深分別為0.3942 m、0.5254 m、0.4508 m。而因凍脹的延遲作用，隨時(shí)間變化所對(duì)應(yīng)的年最大凍深分別為0.5280 m、0.7552 m、0.6609 m，其平均最大凍深大約為0.6480 m。

（2）最低環(huán)境溫度大約出現(xiàn)在231 d，即1月11日左右，所對(duì)應(yīng)平均凍深約為0.4568 m，這與凍深的一維模型計(jì)算結(jié)果大致相符，但最低大氣溫度下所對(duì)應(yīng)的凍土深度并不是當(dāng)?shù)氐淖畲髢鐾辽疃?，其凍深的發(fā)展對(duì)于環(huán)境溫度來(lái)講有一定的滯后效應(yīng)，且根據(jù)相應(yīng)仿真計(jì)算可知，隨著氣溫的變化，渠基土?xí)霈F(xiàn)上部溫度高于0 ℃，中間低于0 ℃，下部高于0 ℃的現(xiàn)象。

（3）由圖7計(jì)算結(jié)果可知，直線2所對(duì)應(yīng)的凍深為三條直線中最大值，因此選取直線2與渠基土上邊界交界點(diǎn)，見(jiàn)圖8，作為渠基土上邊界溫度隨時(shí)間變化的觀測(cè)點(diǎn)。

圖 7 對(duì)照組凍深隨時(shí)間的變化曲線

圖 8 觀測(cè)基點(diǎn)

（4）不施加任何保溫措施的渠道模型，圖8所示觀測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化曲線與環(huán)境溫度隨時(shí)間的變化曲線（圖9）是大致吻合的。故由于環(huán)境溫度的不斷變化，渠基土將隨時(shí)間發(fā)生往復(fù)的凍融循環(huán)，一旦因渠基土凍脹將襯砌板頂起造成襯砌板破壞，產(chǎn)生裂縫的襯砌板在滲漏和凍融的交替作用下極易加劇這種凍脹損害。

圖 9 環(huán)境溫度與對(duì)照組渠基土上邊界溫度隨時(shí)間的變化曲線

4.3.2 試驗(yàn)組瞬態(tài)溫度場(chǎng)計(jì)算及分析通過(guò)對(duì)施加不同厚度XPS的渠道模型進(jìn)行瞬態(tài)溫度場(chǎng)計(jì)算：

（1）鋪設(shè)0.01、0.03、0.05 mXPS的最大平均凍深分別為0.4843 m、0.2180 m、0.0333 m，其相對(duì)應(yīng)減少的凍深分別為0.1637 m、0.4300 m、0.6147 m，經(jīng)計(jì)算可知每0.01 mXPS平均可以減少0.1433 m的凍深。

（2）根據(jù)圖10的計(jì)算結(jié)果顯示，鋪設(shè)0.01、0.03、0.05 mXPS的渠道最大凍深均出現(xiàn)在直線2上，因此仍選用直線2與渠基土上邊界的交界點(diǎn)（與上文4.3.1（3）中提到的相同）作為渠基土上邊界溫度隨時(shí)間變化的觀測(cè)點(diǎn)。

圖 10 試驗(yàn)組凍深隨時(shí)間的變化曲線

（3）由圖11可知，三組試驗(yàn)組渠基土上邊界最低溫度分別出現(xiàn)在第246 d（1月26日），-12.482 ℃、第261 d（2月10日），-5.479 ℃和第269 d（2月18日），-1.589 ℃。

圖 11 環(huán)境溫度與試驗(yàn)組渠基土上邊界溫度隨時(shí)間的變化曲線

（4）綜合（1）、（2）的結(jié)論分析，鋪設(shè)渠道XPS后0 ℃以下的天數(shù)逐漸減小，其中選用0.05 mXPS時(shí)的渠道抗凍效果最佳。與原模型仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比對(duì)可知，鋪設(shè)XPS后，有效阻止了冷空氣進(jìn)入土體，提高了渠基土的溫度，其內(nèi)部溫度受環(huán)境溫度的影響大大降低。

5 位移場(chǎng)計(jì)算

根據(jù)上文瞬態(tài)溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果可知，位山灌區(qū)二干渠渠道年最大凍深約為0.6480 m，且由上文中一維計(jì)算（圖4）可知，當(dāng)環(huán)境溫度為年最低氣溫時(shí)，渠基土深度達(dá)1 m，土溫已穩(wěn)定。因此更改計(jì)算模型，進(jìn)行位移場(chǎng)計(jì)算。

5.1 邊界條件

下邊界施加邊界溫度12 ℃，上邊界施加年最低氣溫-18 ℃。位移邊界條件為渠基土左右邊界無(wú)水平方向位移，下邊界無(wú)豎直方向位移，渠坡下邊界無(wú)水平和豎直位移。

5.2 計(jì)算模型

根據(jù)上文中提到的參數(shù)條件，需對(duì)土層進(jìn)行分層建模，并分層定義材料的相關(guān)力學(xué)參數(shù)。更改有限元計(jì)算模型下邊界為1 m，混凝土襯砌板厚度仍為0.06 m，擠塑聚苯板鋪設(shè)在混凝土襯砌板下方，計(jì)算時(shí)將襯砌體與渠基土視為一個(gè)整體，僅考慮襯砌板自重。為更準(zhǔn)確反映凍脹量的分布，網(wǎng)格劃分仍采用上密下疏的模式，更改單元為PLANE183單元，共2689個(gè)節(jié)點(diǎn)，1198個(gè)單元。有限元網(wǎng)格劃分如圖。

圖 12 進(jìn)行位移場(chǎng)計(jì)算時(shí)渠道（不鋪設(shè)XPS板）模型有限元網(wǎng)格劃分

5.3 位移場(chǎng)計(jì)算及分析

通過(guò)對(duì)對(duì)照組和試驗(yàn)組分別進(jìn)行位移場(chǎng)計(jì)算，得到其凍脹量變化情況如下：

5.3.1 對(duì)照組位移場(chǎng)計(jì)算及分析根據(jù)ANSYS計(jì)算結(jié)果顯示，此梯形模型的渠底處位移為最大值，近似為39.76 mm，平均凍脹量約為33.05 mm。將渠道視為軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，提取對(duì)稱(chēng)軸右側(cè)（即渠底中心到渠底右邊界、右坡面和水平右邊界）凍脹量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果如圖13所示。

圖 13 對(duì)照組凍脹位移數(shù)值模擬展開(kāi)圖

由此計(jì)算結(jié)果分析可知，未加混凝土襯砌保護(hù)的渠底中部，凍脹量最大，其次為渠坡上邊界與水平邊界連接處，分析可知由于該點(diǎn)同時(shí)承受兩個(gè)方向的低溫荷載，故此點(diǎn)凍脹量相比其他部位較大。結(jié)合溫度場(chǎng)不同位置凍深計(jì)算結(jié)果可知渠底、渠坡、水平邊界的凍脹率分別為6.91%、4.22%、3.80%，即渠道的平均凍脹率約為4.98%。與室內(nèi)計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)表2，絕對(duì)誤差0.14%，相對(duì)誤差2.9%，滿(mǎn)足工程精度要求。

5.3.2 試驗(yàn)組位移場(chǎng)計(jì)算與分析如圖14所示，3組試驗(yàn)組最大凍脹量分別為30.11 mm、15.73 mm、5.67 mm；平均凍脹量分別為25.54 mm、14.31 mm、4.34 mm。與對(duì)照組結(jié)果相比，三組試驗(yàn)組分別減少了7.51 mm，18.74 mm、28.71 mm。故0.01 m擠塑聚苯板平均可減少6.50 mm的凍脹。

圖 14 試驗(yàn)組凍脹位移數(shù)值模擬展開(kāi)圖

加入擠塑聚苯板后，渠基土上邊界凍脹量明顯減小，同時(shí)隨著XPS厚度增加，凍脹量減小的更多，但減小的幅度有所減緩。

6 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)渠道進(jìn)行全年凍脹模擬可知，年最低氣溫出現(xiàn)在1月11日，而最大凍結(jié)深度出現(xiàn)在3月份左右，最大凍結(jié)深度滯后年最低氣溫約60 d，這與當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況相符，說(shuō)明瞬態(tài)溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果是可靠且可行的。

（2）隨著XPS厚度的增加，渠基土上邊界最低溫度出現(xiàn)的時(shí)間與年最低氣溫的時(shí)間（1月11日）相比逐漸滯后。當(dāng)施加X(jué)PS時(shí)，保溫作用使得渠基土上邊界最低溫度出現(xiàn)的時(shí)間推遲，由此推測(cè)，假如XPS厚度足夠大，渠基土上邊界出現(xiàn)最低溫時(shí)，外界環(huán)境溫度可能在0 ℃以上。那么，在整個(gè)凍結(jié)期內(nèi)，渠基土上邊界有可能不出現(xiàn)負(fù)溫，即渠基土一直處于正溫環(huán)境中。

（3）通過(guò)對(duì)施加不同厚度的XPS對(duì)凍結(jié)深度以及凍脹量的減小比對(duì)可知，0.01 m的XPS平均可減少0.14 m的凍結(jié)深度和6.50 mm的凍脹量。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，聊城市環(huán)境溫度為年最低氣溫時(shí)，其最大凍結(jié)深度為0.45 m左右，小于上文中提到的直線2對(duì)應(yīng)的凍結(jié)深度，同時(shí)根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生的凍深延遲作用可推測(cè)，鋪設(shè)0.05 m的XPS已足夠滿(mǎn)足凍脹防治要求。

本文計(jì)算結(jié)果與實(shí)際工況相比有誤差的原因在于，模擬是在參考相關(guān)工程數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，如果測(cè)得本工程相關(guān)的力學(xué)參數(shù)，則模擬結(jié)果將更加精確。與先前所研究的不同在于，本試驗(yàn)增加了瞬態(tài)溫度場(chǎng)的計(jì)算，即通過(guò)全年溫度的變化模擬出渠基土隨外界溫度的變化，總結(jié)其凍結(jié)深度的變化規(guī)律，可為后人的研究作參考。

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The Application of Extruded Polystyrene Boards in Frost Heaving Prevention of Concrete Lining Channel

LU Xiang-yu1, LIU Yang-yu2, BIAN Han-bing1,3*, SUN Zhao-hui1, WANG Chen-yu1, QIU Xiu-mei1

1.2710002276000,3.

In view of freeze-thaw damage on concrete-lined channel in Weishan Irrigation District, Liaocheng, Shandong located in the seasonal permafrost region, ANSYS finite element software was utilized to establish a concrete-lined channel model laid with extruded polystyrene (XPS) board of varying thicknesses in order to figure out the transient temperature field distribution and displacement field distribution. Corresponding measured data were also combined to facilitate the analysis. The results indicate after one-year persistent observation and measurement, the appearance of maximum frozen depth lagged somewhat behind the annual lowest temperature arrival no matter whether XPS board was laid when the daily lowest temperature changed over the time. A comparative analysis of frozen volume from channel laid with varying-thickness XPS board as well as frozen depth of soil at the bottom of the channel revealed the insulating mechanism of XPS board. It was assumed that selection of 5cm-thick XPS board to deal with local frost heaving problem could meet the engineering requirements. In this study, transient temperature field calculation was added. This plan is of certain strengths and it can shed some light on future research about frost heaving prevention and control in concrete-lined channels.

Concrete lining channel; frost heaving prevention; numerical simulation; extruded polystyrene board (XPS)

TU757.4

A

1000-2324(2019)03-0460-08

10.3969/j.issn.1000-2324.2019.03.023

2018-05-20

2018-06-04

山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目:渠道襯砌凍融破壞機(jī)理與工程防治措施研究(2017GSF16104)

鹿翔宇(1995-),女,碩士研究生,主要從事渠道襯砌凍融破壞研究. E-mail:lxy19951025@163.com

Author for correspondence. E-mail:hanbing·bian@univ-lorraine.fr; qxmxr@126.com