纪 娟
(岭南水务集团有限公司，北京 100068)
冻胀现象是冻土区的常见问题，我国冻土区十分广阔，季节性冻土占国土面积53.3%，而多年冻土占21.5%[1-2]。冻胀现象会对诸多设施造成影响，如隧道、路基、渠坡等，并对基础设施造成较大威胁[3-5]。
针对冻胀现象，许多研究者进行了多方面研究。李晓洋[6]等基于传感器与数据传输系统，设计了一套冻胀监测系统。牛帅帅[7]等利用数值模拟，对冻胀荷载对岩体破坏特性进行了研究。亓守臣[8]对季节性冻土区路基的性能进行了多方面评价。
为研究模袋混凝下渠坡冻胀特征，本文对渠坡进行不同厚度模袋混凝土铺设，并利用不同厚度聚苯板对其进行保温处理，监测阴阳坡面的冻胀量，从多方面进行研究，分析其冻胀特点，为防治冻胀提供对策。
1.1 工程内容
加固台山市境内的白沙、水步及大江段堤防，重建或加固沿线穿堤水闸20座；
重建或新建穿堤涵窦21座；
新建水闸16座。台山段防洪标准为30年一遇，堤防工程级别为3级。
1.2 试验设计
试验区域为江门市一干渠，该地区试验区段长110m，地下水位深度约2.3m。试验中，设置11种不同类型的保温结构，每种试验结构断面的试验长度为10m。所监测的加固台山市境内的白沙、水步及大江段堤防，全长23.165km(其中大江段14.19km，水步段4.285km，白沙段4.69km)；
重建或加固沿线穿堤水闸20座；
重建或新建穿堤涵窦21座；
新建水闸16座。台山段防洪标准为30年一遇，堤防工程级别为3级。监测对象为渠坡冻胀量，开始监测的时间为2021年11月，监测时长5个月。以聚苯板作为保温试验材料，规格为25kg/m3。材料的力学性能见表1。
表1 聚苯板基本性能
具体试验方法：在每个试验结构的阴阳面各设置一个变形监测点，用来监测因冻胀产生的变形。监测点平行布置于渠坡且均匀分布，各监测点之间相距20m。对于冻胀量，通过设置冻胀基准桩测量。在渠顶设置基准桩，将三脚架安装于基准点。测量基尺位于三脚架上，并与渠坡面平行，以基尺与衬砌面板的距离计算得出冻胀引起的变形量。实验装置由模袋混凝土与保温聚苯板构成，断面示意图见图1。试验区具体模袋混凝土配置与处理方法见表2。
图1 实验结构断面图
表2 试验区具体试验方案
根据监测所得冻胀变形量对不同厚度的保温聚苯板防冻胀效果作出评价，优选出适宜的抗冻胀措施，为模袋混凝土抗冻胀提供对策。
2.1 模袋混凝土的冻胀特性
图2为试验区一年中渠坡下部1/3处由不同模袋混凝土与保温聚苯板处理后的冻胀量变化趋势图。图2中包括阳坡和阴坡的冻胀变化特征，监测时段为2021年11月至2022年4月。
由图2可知，所有条件下的渠坡冻胀量变化均呈相同的变化趋势。11月29日，开始产生冻胀变形，并呈现较大的增长速度；
1月18日左右，增长速度开始减缓；
2月3日左右，变形达到最大值；
2月20日左右，开始迅速减小；
4月8日，变形基本消失。模袋混凝土的厚度增大会减缓冻胀变形，阴面坡面相对于阳面坡面变形量也会较小。聚苯板的设置会显著降低冻胀量，未设置聚苯板的模袋混凝土下渠坡冻胀变形幅度均远大于保温处理过的渠坡。阴坡的冻胀量变化幅度要大于阳坡，冻胀变形幅度最大的是未经保温处理的厚8cm模袋混凝土阴面坡，幅度最小的是设置聚苯板的厚15cm模袋混凝土阳面坡。
图2 不同试验条件下模袋混凝土冻胀量变化趋势
2.2 聚苯板处理模袋混凝土保温效果
为具体分析模袋混凝土厚度以及聚苯板厚度对冻胀变形量的影响，同时对其他试验变量进行研究，将未经保温处理的模袋混凝土下渠坡下部1/3处具体冻胀量在表3列出，将厚8cm模袋混凝土经设置聚苯板后的渠坡下部1/3处具体冻胀量在表4列出。
表3 无保温处理的模袋混凝土下渠坡具体冻胀量
表4 厚8cm模袋混凝土保温处理后渠坡具体冻胀量
由表3可知，模袋混凝土厚度的增大是一种较为有效的抗冻胀措施。当厚度增大时，渠坡的冻胀量呈降低趋势，且厚度越大，抗冻胀效果越好。厚8cm模袋混凝土下渠坡冻胀量最大可达109.3mm，而厚15cm模袋混凝土为66.3mm。未经保温处理的厚12cm模袋混凝土与厚8cm模袋混凝土下渠坡相比，阳坡的最大冻胀变形量减小17.1%，当厚度增大至15cm时，冻胀降低率达到41.0%。
由表4可知，4cm聚苯板可使厚8cm模袋混凝土下渠坡冻胀量降低48.04%～51.10%；
当聚苯板厚度增大至12cm时，最大可将冻胀效应降低89.51%，说明聚苯板的设置对渠坡有显著的防冻胀效果。阴坡的冻胀量与阳坡相比较高，最大变形要高出7%～20%，这与试验区的天气变化相符合。
2.3 冻胀量与模袋混凝土厚度的相关性
由上文可知，模袋混凝土厚度的增大会缓解冻胀现象。为准确判断模袋混凝土厚度与渠坡冻胀量之间的关系，现对一个冻融循环内，未经保温处理的3种厚度的模袋混凝土下渠坡最大冻胀量进行收集与整理。将整理出的数据中模袋混凝土厚度与阳坡、阴坡的冻胀量进行拟合，并对其相关性进行分析。拟合曲线见图3。
拟合表达式如下：
(1)
(2)
式中：y1为阳坡预测最大冻胀量；
x1为阳坡模袋混凝土厚度；
y2为阴坡预测最大冻胀量；
x2为阴坡模袋混凝土厚度。
图3 不同模袋混凝土厚度与渠坡最大冻胀量拟合曲线
由图3、式(1)和式(2)可知，模袋混凝土与冻胀量之间存在负线性相关关系，阴坡与阳坡的拟合决定系数R2均在0.9以上，说明相关性较高。与阴坡相比，阳坡与冻胀量之间的负相关曲线斜率较缓，这与2.1一节中提到的阴坡冻胀量变化趋势幅度更大相互印证。该拟合曲线具有较高的准确性，可为实际工程提供冻胀预测值。
2.4 试验区残余变形特征
试样在承受荷载后会发生变形，残余变形是指其变形后不可恢复的一部分。现将不同保温条件下的渠坡下部1/3处残余变形进行统计，并对残余变形特征进行分析。不同试验条件下渠段残余变形量见图4。
图4 残余变形统计
由图4可知，随着模袋混凝土厚度增大，渠段残余变形量呈降低趋势，但降低幅度不大，无保温处理的渠坡最低残余变形量在15cm模袋混凝土下为1.2cm；
最高残余变形量在8cm模袋混凝土下为1.8cm。对于相同条件下的渠坡，阴坡残余变形量相较于阳坡较大。对渠坡设置保温聚苯板后，其残余变形量会降低，对于厚度为8cm与15cm的模袋混凝土，在分别设置厚12cm与6cm的聚苯板后，残余变形基本不会发生。但对于12cm模袋混凝土，聚苯板虽有较为显著的降低残余变形功能，但最低仍有0.4～0.6cm的残余变形量。
2.5 渠坡不同位置冻胀特征
对试验区渠坡上下部1/3处与1/2处的冻胀量进行收集，统计时间段为2021-2022年间的冻胀时期。收集的数据在表5中列出。根据表5绘制出8、12与15cm模袋混凝土下渠坡不同位置最大冻胀量的变化趋势图，见图5。
表5 渠坡不同位置最大冻胀量
图5 不同渠坡位置冻胀特征
由图5可知，相同条件下，位置越靠近渠坡上部，其冻胀量越小，渠坡上部1/3处相较于下部1/3处最大冻胀量低5%～38%。保温聚苯板对渠坡的抗冻胀功能提升最明显的是渠坡上部1/3处。随着聚苯板厚度增大，所有条件下渠坡冻胀量均显著下降，且相同模袋混凝土厚度下渠坡所有位置的冻胀量开始接近。在聚苯板厚度达到12cm时，厚度8与12cm模袋混凝土下渠坡所有部位冻胀量基本相同；
在聚苯板厚度达到6cm时，厚度15cm模袋混凝土下渠坡所有部位冻胀量基本相同。
1)不同条件下，渠坡总体冻胀量随时间的变化呈相同趋势，大致在12月初开始发生冻胀现象，并呈现较大的增长趋势，冻胀量的增长大致在2月初结束，此时渠坡冻胀量最大。冻胀量达到峰值，冻胀量开始降低，且降低趋势逐渐增大，在4月上旬，冻胀现象基本消失。
2)增大模袋混凝土的厚度可缓解渠坡冻胀现象，厚度越大，冻胀量降低越明显。渠坡下部1/3处，厚8cm模袋混凝土下渠坡冻胀量最大可达109.3mm，而厚15cm模袋混凝土为66.3mm，冻胀量降低39.3%。
3)设置聚苯板可显著降低渠坡的冻胀量，4cm聚苯板即可使厚8cm模袋混凝土下渠坡冻胀量降低48.04%～51.10%。当聚苯板厚度增大时，渠坡抗冻胀性能也会随之增大；
当聚苯板厚度增大至12cm时，可基本消除厚8cm模袋混凝土下渠坡冻胀现象。
5)相同条件下，渠坡的阴面坡的冻胀量与阳面坡相比较高，最大冻胀量要高出7%～20%。渠坡上部的冻胀量要低于下部，渠坡上部1/3处相较于下部1/3处最大冻胀量低5%～38%。保温聚苯板对渠坡上部的抗冻胀性能提升更明显，随着设置的保温聚苯板厚度增大，渠坡不同位置的冻胀量逐渐接近，最终相同条件下渠坡所有位置冻胀量基本相同。
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