地质力学学报  2018, Vol. 24 Issue (5): 706-713
引用本文
张宝龙, 范文. 保温板在内蒙多年冻土区道路工程中的应用[J]. 地质力学学报, 2018, 24(5): 706-713.
ZHANG Baolong, FAN Wen. APPLICATION OF INSULATION BOARD IN ROAD ENGINEERING IN PERMAFROST REGIONS OF INNER MONGOLIA[J]. Journal of Geomechanics, 2018, 24(5): 706-713.
保温板在内蒙多年冻土区道路工程中的应用
张宝龙1,2 , 范文1     
1. 长安大学地测学院, 陕西 西安 710064;
2. 内蒙古交通设计研究院有限责任公司, 内蒙古 呼和浩特 010010
摘要:根据博—牙高速沿线气象工程地质资料、观测资料、设计资料,借助有限元软件构建了路基温度场数值计算模型,着重对不同路基填筑高度条件下XPS板对温度场的影响进行了研究。研究发现:路基填筑高度的增加和XPS保温板的应用对冻土都起到了积极的保护作用,相同路堤填筑高度下,道路运营到第20年时,XPS保温板路基多年冻土温度比碎石路基降低了约0.19℃;XPS保温板的存在使得冻土上限上移更加明显,相同路基高度下,冻土上限平均抬升量约为1.23 m,在规范规定年限内,XPS保温板路基的冻土上限均位于换填碎石中;但XPS保温板的存在加剧了阴阳坡效应的发展,综合考虑,在本段落若采用碎石路堤建议路堤高度应保持在3 m以上;若采用XPS保温板路基,建议路堤高度不超过2 m。
关键词道路工程    多年冻土    XPS保温板    数值模拟    温度场    
DOI10.12090/j.issn.1006-6616.2018.24.05.072     文章编号:1006-6616(2018)05-0706-08
APPLICATION OF INSULATION BOARD IN ROAD ENGINEERING IN PERMAFROST REGIONS OF INNER MONGOLIA
ZHANG Baolong1,2 , FAN Wen1     
1. College of Geology Engineering and Geomatics, Chang'an University, Xi'an 710054, Shaanxi, China;
2. Inner Mongolia Transportation Design and Research Institute, Huhhot 010010, Inner Mongolia, China
Abstract: Based on the meteorological engineering geological data, observation data and design data along the Bo-Ya expressway, a numerical calculation model of the roadbed temperature field was constructed by means of finite element software, and the influence of XPS insulation board on temperature field under different subgrade filling height was studied emphatically. The results show that, the increase of the subgrade height and the application of XPS insulation board both play a positive role in protecting permafrost. With the same embankment filling height, the temperature of permafrost of the subgrade with XPS insulation board reduces by about 0.19℃ than that of the subgrade with crushed rocks when the road runs to its twentieth years. XPS insulation board makes the upper limit of permafrost obviously raised, and the average uplift of the upper limit of permafrost is about 1.23 m under the same subgrade height. The upper limit of permafrost of subgrade with XPS insulation board is located in the replaced crushed rocks during the specified years of the designing code. However; the application of XPS insulation board aggravates the development of sunny-shady slope effect, the subgrade height with crushed rock should be kept above 3 m, and the subgrade height with XPS insulation board should be kept no more than 2 m.
Key words: road engineering    permafrost    XPS insulation board    numerical simulation    temperature field    
0 引言

冻土是一种温度在0 ℃及以下,并含有冰的特殊岩土体,其性质与温度密切相关,在地球内、外热源的作用下形成、发展、退化或消亡。通常将冻结持续时间在2年及以上的冻土称为多年冻土。中国多年冻土分布面积约为215 km2,位列世界第三[1]。多年冻土地区道路的修建不仅改变了地基中的应力分布状态,同时也改变了地基土原有的水热状态,季节融化层压缩变形、高温冻土层压缩变形以及多年冻土的融沉变形随之而来[2]。从而使得多年冻土路基的融沉、不均匀沉降等病害频繁出现,增加了道路运营期的维修养护费用,且严重威胁着道路的运行安全。

针对上述情况,学者们进行了大量研究,各种冻土路基处置技术不断涌现。基于对路基进行隔热处理的思考,低导热性保温材料进入了学者们的视野[3],当铺设聚苯乙烯泡沫塑料(Expanded Polystyrene, EPS)、挤塑聚苯乙烯泡沫塑料(Extruded polystyrene, XPS)等一类保温层后,由于保温板的导热系数远小于路基土的导热系数[4],保温层上、下将会形成较大温差,保温层下部土体温度的年振幅将持续降低,进而最高、最低温度包络线之间的范围将逐步缩减,在这种情况下,温度包络线与深度轴将相交于较高的位置,即多年冻土上限抬高[5~7]。保温板冻土路基中的应用可追溯到上世纪50年代,挪威曾尝试在冻土路基中使用保温材料[8];1969年,美国阿拉斯加多年冻土区的Kotzebue机场也借助保温板对机场跑道路基进行了隔热处理,处置效果明显,没有产生明显的冻胀或融沉[9];70年代起,日本、前苏联、加拿大等国家也相继将EPS板作为路基保温材料,并通过长期观测发现保温板的存在能够保持冻土路基的热稳定性[10];1976年保温板路基技术在中国青藏高原风火山多年冻土区的铁路路基试验工程中首次应用[11],之后在青藏公路,214国道等线路多次应用,且取得了较好的效果,温智等人基于青藏公路昆仑山保温板路基的现场监测数据分析得出保温材料使进入路基活动层的热量每年减少约3/4[12],观测结果均表明保温板的存在很好的保护了冻土上限[13]

从已有文献来看,保温板路基隔热效果显著。但其同样也存在局限,例如,保温板并不能很好的调节路基两侧边坡的温度,随着路基高度的增加,保温板的存在有可能会加剧阴阳坡效应的发展;另外在不同情况下其长期服役性能如何,也是需要去揭示的。因此,保温板路基的应用存在一个适用条件的问题,当然这都需要结合具体情况来分析。

鉴于此,文章依托博(克图)—牙(克石)高速公路工程项目,在现场调研的基础上,借助数值模拟手段,就保温板对路基温度场、冻土上限的调节作用进行分析,从而提出保温板路基的适用条件,旨在为内蒙多年冻土区公路建设提供参考。

1 工程概况

博(克图)—牙(克石)高速公路起点位于博克图镇腰梁子山隧道口,终点位于牙克石市301国道。它联系着中国东北各省区,是呼伦贝尔市修建的第一条高速公路,也将是中国东北地区及东北亚各国通往蒙古、俄罗斯和远东地区重要的国际通道。项目的修建将对地区经济发展起到积极的促进作用。

项目所属地区位于温带大陆性半湿润气候区,冬季寒冷漫长。受地形及植被影响,由南向北温度逐渐递减,年均气温1.7 ℃,1月最冷,月平均气温-20.1 ℃。构造上位于新华夏系大兴安岭隆起地带与松辽盆地西部隆起带。区内自老到新出露下古生界(Pz1)、上古生界(Pz2)和新生界(Kz)地层,岩浆岩广泛分布。项目所涉及冻土为多冰冻土,岛状,温度在-0.5~-0.7 ℃,多为不衔接性多年冻土,为古代冰川沉积残留物。研究路段位于该项目8标K198+000~K198+100段,地层柱状图如图 1所示。

图 1 K198+000点处地层柱状图 Figure 1 Stratum histogram at K198+000 point
2 计算模型及参数

数值计算采用ANSYS软件的热分析模块进行,目前ANSYS软件已成为土木工程领域热分析问题的主流软件之一。现对文中模型的尺寸、参数及边界条件做详细介绍。

2.1 计算模型

根据设计资料,所研究路段路基宽26 m,坡脚向两侧各延伸20 m,边坡坡率1 : 1.5,路线走向为北偏西45°。该路段涉及两种路基结构:①挖除0~3 m范围内土体,换填碎石,见图 2a;②挖除0~3 m范围内土体,换填碎石,并在路基顶面以下30 cm处铺设XPS保温板,保温板厚度5 cm,见图 2b

图 2 路基路面结构 Figure 2 Subgrade and pavement structure
2.2 计算参数

参考冻土地区建筑地基基础设计规范[14]和已有研究成果[15],计算模型中各材料层参数及各土层在不同温度、不同含水量条件下的焓值如表 1表 2所示。

表 1 材料热参数 Table 1 Thermal parameters of subgrade and pavement materials

表 2 路基土焓值 Table 2 Enthalpy of subgrade soil
2.3 边界条件

路基模型的上边界条件最为复杂,受气温、太阳辐射、对流换热、蒸发耗热、积雪覆盖厚度等因素影响。根据实际情况,模型中边界条件做了如下简化:气温、对流换热边界简化为周期性变化的温度边界;太阳辐射、蒸发耗热边界简化为热流密度边界;积雪覆盖厚度依据区域实际情况而定。

(1) 温度边界

研究区月平均气温与时间具备良好的正弦曲线关系,计算过程中路面、路基边坡、路侧地表的温度边界由式(1)得到:

$ T\left( t \right) = {T_0} - \frac{S}{2} \cdot \sin \left( {\frac{{2{\rm{ \mathsf{ π} }}}}{{12}} \cdot t + \frac{{\rm{ \mathsf{ π} }}}{3}} \right) + g\left( t \right) $ (1)

式中:T0为年平均气温,根据实测数据,取0.349 ℃;S为月平均气温振幅,取43~45 ℃;g(t)为气温上升速率,取0.025 ℃/a;t为月份,取1、2、3……12。

(2) 太阳辐射

根据气象学原理,模型中以边界太阳净辐射量作为边界热流密度的输入参数[16],计算公式如式(2)所示:

$ B = Q \cdot \varepsilon \left( {1 - A} \right) - F $ (2)

式中:B为太阳净辐射量,MJ/m2·d;Q为太阳总辐射量,MJ/m2·d;ε为坡面系数;A为反射率,%;F为长波有效辐射量,MJ/m2·d。

当地每月太阳日辐射总量Q和长波有效辐射量F根据气象资料获得,见表 3

表 3 太阳日辐射总量和长波有效辐射量 Table 3 Total daily solar radiation and long wave effective radiation

对于太阳反射率,沥青路面A=0.13%;路基边坡,6—8月(夏季)A=0.23,11—1月(冬季)A=0.33,2~5月(春季)、9—10月(秋季)A=0.29;天然地表反射率A=0.29。

坡面系数是受到相同太阳辐射量水平面积与边坡面积之比,与路线走向、边坡坡率以及太阳方位角、高度角有关。文中坡面系数计算结果如表 4所示。

表 4 坡面系数取值 Table 4 Slope coefficient

(3) 蒸发耗热

蒸发耗热按照式(3)计算:

$ P = U \times G $ (3)

式中,P为蒸发耗热,J/d;U为土表面的蒸发量,mm/d;G为水的汽化潜热,J/mm。

当土体含水量大于12%时,土体表面蒸发量约为同等条件下纯水蒸发量的80%~90%,此时可近似用水的蒸发量代替土体蒸发量。根据气象站观测资料,博克石地区1—12月蒸发量如表 5所示,基于此,便可计算各月的蒸发耗热及相应的热流密度,计算过程中水的汽化潜热值G=2260 KJ/m3

表 5 博克石地区月蒸发量 Table 5 Monthly evaporation in Bokeshi

(4) 积雪厚度上边界条件

积雪在冬季具有隔热保温作用,阻止地面散热,从而致使地温升高。研究区在每年11月至次年2月地表存在积雪,厚度约10 cm左右。模型中取积雪厚度为10 cm,积雪密度为125 kg/m3,导热系数为0.09 W/(m3·℃),比热容为2100 KJ/(m3·℃)。

(5) 两侧边界条件

路基两侧为绝热边界,左右边界分别位于坡脚以外10 m。

(6) 下边界条件

下边界受外界气候影响可忽略不计,其主要受深部地热影响,所以在模型下边界施加一个大小为0.06 W/m2的热流密度[17]

3 XPS保温板应用效果 3.1 路基温度场模拟结果

由于全线路基高度一般为0~4 m,所以模型中取路基高度分别为1 m、2 m、3 m、4 m。此处挖除3 m深度范围内冻土换填碎石后,对铺设和不铺设XPS保温板两种工况下,碎石路基内部温度场、冻土上限进行瞬态对比分析。

一般情况下,冻土层温度变化会滞后于外界气温变化,所以冻土层的最大融化深度往往出现在每年9月份。两种工况下道路运营第20年9月份路基温度场分布情况如图 3所示。总体来看,路基填筑高度的增加和XPS保温板的应用对冻土都起到了积极的保护作用,冻土上限在整体上移。但由于路线走向的原因,随着路基填筑高度的增加,地温分布在阴、阳坡出现了较大差异,从而会增加路面纵向裂缝,不均匀沉降等病害的出现概率。

图 3 不同路基高度情况下温度场分布 Figure 3 Distribution of temperature fields with different subgrade heights
3.2 路中温度场分析

高填路基可增加路基的热阻,随着路堤高度的增加,多年冻土的温度随之降低。1 m和3 m路堤填筑高度时道路中心竖直剖面不同年份年9月份的温度分布如图 4所示,可以看出在道路运营10年后,温度分布基本稳定。结合表 6综合来看,在第一年,路基高度每增加1 m,多年冻土层温度仅降低0.02~0.04 ℃;第五年以后,路基高度每增加1 m,冻土层温度降低0.06~0.08 ℃左右。说明高填路堤对保护冻土是有利的,但是冻土温度降低并不明显。

图 4 不同高度碎石路堤路中温度剖面 Figure 4 Temperature profile for crushed rock subgrade with different heights

表 6 不同高度碎石路堤多年冻土温度 Table 6 Permafrost temperature for crushed rock subgrade with different heights

而当加铺XPS保温板后,对热量的阻隔效果就很明显了,道路中心竖直剖面不同年份年9月份的温度分布(以3 m路基高度为例)见图 5。虽然铺设XPS板后,路基高度每增加1 m,冻土温度降低幅度与不铺设时相当(见表 7),但是在保温板上下界面存在4 ℃左右的温差,这就导致很大一部分热量被阻隔。当道路运营到第20年时,相同路堤填筑高度下,铺设XPS板比未铺XPS板的冻土温度降低了约0.19 ℃。

图 5 3 m高XPS碎石路堤路中温度剖面 Figure 5 Temperature profile for 3 m-high crushes rock subgrade with XPS insulation board

表 7 不同高度XPS保温板路基多年冻土温度 Table 7 Permafrost temperature for subgrade with XPS insulation board with different heights
3.3 多年冻土上限分析

同样取路中剖面,对两种路堤结构各种路基高度的多年冻土上限进行分析。冻土上限随路基填筑高度和时间的变化趋势如图 6所示。

图 6 不同路基高度下多年冻土上限变化过程 Figure 6 The variation process of permafrost upper limit under different subgrade heights

可以发现,随着路基高度增加,阻隔热量的同时,多年冻土上限上移。碎石路堤高度每增加1 m,冻土上限上移0.74~1.09 m,平均上移0.85 m;XPS路基高度增加1 m,冻土上限上移0.93~1.03 m,平均上移0.98 m。说明提高路基高度可明显抬升多年冻土上限,相对而言,XPS路堤对冻土上限的抬升效果比碎石路堤更为显著。路基高度相同时,XPS路堤冻土上限较碎石路堤抬升了约1.08~1.50 m,随着时间推移,二者差值逐渐减小,平均约为1.23 m。

根据路基设计方案,1 m填筑高度的碎石路基,冻土上限始终位于多年冻土层中;与此同时2 m填筑高度的碎石路基在运营至第5年后冻土上限也下降至多年冻土层中。所以为了保证路基的强度和稳定性,建议研究路段的碎石路基高度应大于3 m,以保证冻土上限位于碎石层中,而1~2 m高的碎石路基不建议使用。

对于XPS保温板路堤,仅路堤高度为1 m时,第20年冻土上限位于多年冻土中,不过国内沥青混凝土路面设计年限一般为15年,在15年内冻土上限基本位于换填碎石层中,而当路基高度在2~4 m时,冻土上限均位于换填碎石层。即路基高度1~4 m的XPS路堤在设计使用期限内,多年冻土上限均位于碎石层中。

4 路基形式建议

根据以上研究成果,针对该路段,对路基形式建议如下:

(1) 在该路段若采用上文图 2a的碎石路堤形式,建议路基高度应大于3 m,以保证冻土上限位于碎石层中,而1~2 m高的碎石路基不建议使用。同时也要注意路基的临界高度,较高的路堤虽然有助于冻土上限上升,确保路基稳定。但过高的填筑高度反而有害无益:首先,高填路堤蓄热量大,路基内会存在融土核;其次,同时高填路堤自重大,会使融沉变形增加;最后,过高的填筑高度会使得阴阳坡效应愈发明显。

(2) XPS板的存在虽然能够降低路面上边界处气温对路基的影响,但其无法调节两侧边坡处太阳辐射和气温对路基的影响。所以问题也随之而来:①随着路基填筑高度的增加,XPS保温板路基两侧出现较大温差,阴阳坡效应愈发明显。②路基高度到2 m时,阴阳坡效应就已有体现;而当路基高度达到3 m、4 m时,阴阳坡效应已经呈现的十分明显。综合考虑阴阳坡效应以及冻土上限的上移趋势,该路段若采用上文图 2b的XPS保温板路基形式,路基高度应控制在1~2 m范围,以保证路基的强度和稳定性。

5 结论

(1) 根据博—牙高速公路沿线太阳辐射、气温、蒸发、积雪、路线走向、边坡坡度等实际情况确定了边界条件,并结合实际路基结构建立了路基温度场计算模型,在方法上是合理的。分析了不同路基高度和XPS板存在情况下路基温度场的分布特征和瞬态变化特征,研究结果可信。

(2) 提高路基填筑高度有利于保护冻土层,但是冻土温度降低并不明显。加铺XPS保温板后,对热量的阻隔效果比较明显,相同路堤填筑高度下,铺设XPS板比未铺XPS板的冻土温度有明显降低。

(3) 使用XPS保温板后冻土上限较单纯的碎石路基有明显上移,但其缺点也随填筑高度的增加逐渐显现。在研究路段若采用碎石路堤,建议路堤高度应保持在3 m以上;若采用XPS保温板路基,建议路堤高度不超过2 m。

(4) 研究中按照原设计对保温板的位置、厚度以及路基换填深度进行了限定。进一步研究中尝试寻求保温板埋设位置、厚度与换填深度的最佳组合,提出适用于研究区更合理的路基结构。

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