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山东跃腾建材:xps挤塑板防冻胀效果模拟分析

文章来源:石墨挤塑板 发布时间:2019-02-22 15:48:35 浏览次数:

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新疆自治区深处我国西北内陆,社会经济相对落后。大型灌区是现代化集约式农业发展的典型代表,建国以来新疆大力发展灌区建设,目前已建成各类型灌区上百个。但由于冻胀破坏和受制于当时施工水平,目前区内很多灌区渠道灌溉系统损毁严重,因此做好渠道防冻胀是建设灌区的重要基础。而xps挤塑板技术则是当前常用防冻胀技术。

xps挤塑板

1 工程概况

新疆阜康市气候干旱,降雨量少,蒸发量大,属资源性缺水地区,境内的白杨河灌区、三工河灌区、四工河灌区共控制灌溉面积30.71万亩,是重要的粮食生产基地。但以上三个灌区均建设于上世纪60年代,配套设施不完善,建设标准低,目前存在工程老化,干支渠道冻胀等问题,引水保证率低,因此须对主要渠系进行改造,总长度合计40 km,而防冻胀破坏则是设计优化的问题之一。

2 渠道产生冻胀原因分析

当外界环境温度低于0℃时,土体中的水分会向温度较低区域移动,即发生“水分迁移”。这就造成土体的低温区域含水分越来越多,当超过其内部空隙容量时(不同土质其空隙率不同),就会发生冻胀现象。由此可知发生冻胀需同时具备三个条件:温度、水分、土质[1]。

2.1 温度

冻土对温度变化非常敏感,产生冻胀的前提就是温度低于0℃。冻土体中水分迁移速度、冻胀性强弱均直接受温度影响,存在温度梯度诱导是水分迁移的动力,梯度越明显水分迁移越快。新疆大部分地区属于季节性冻土,在12月份-2月份,阜康市多年平均温度在-15℃左右,冻胀时间持续90 d左右,冻胀现象严重。

2.2 水分

土体中存在的液态水可分为重力水、结合水、细毛水三类,其中一部分水附着于土粒表面,这部分水之间存在较大分子间力,所以即使在温度较低环境下也不会冻结[2]。如果土体中的水含量远大于土粒表面所能附着的总水量,则多余的水分在温度较低情况下就会发生冻结。此外,若土体有水源补给,水分迁移路径短,则出现的冻胀量也往往较大。

2.3 土质

土质的粒度成分、矿物成分、密实度三大指标影响着冻胀量及冻深,经研究表明:(1)土质粒径越小,总表面积越大,发生冻胀现象越明显;(2)矿物成分(石英、云母、长石等)含量越高,越容易发生冻胀;(3)在饱和度一定时,土体的密实度越大,其颗粒总数和导热系数越大,孔隙率越小,冻结速率越大[3]。下表1列出了几类土质的冻胀系数,可供参考。项目区主要分布土壤类型为粉细砂、粉土,粘性土,冻胀系数在1.2左右。

3 xps挤塑板防冻胀效果模拟分析

目前,渠道防冻胀措施主要有:改善渠基土质(换填法)、改善隔热条件(增加隔热层)、改善渠道受力条件(加厚衬砌结构)等措施[4],其中以改善隔热条件措施为简单和显著,因此阜康市三大灌区渠道防冻胀改造采用增设“xps挤塑板”的防冻胀措施。下面通过数值模拟分析其作用效果是否满足本项目的使用要求。

3.1 渠道模型的建立

阜康市三大灌区主干渠土质均为粉质壤土,经测定属强冻胀性土质,冻胀参数见表2所示。初灌区干渠采用梯形断面,但现在已经很少使用,考虑到施工简单,在此选择弧底坡脚梯形渠道作为新干渠施工方案(见图1)。

表2 阜康市白杨河、三工河、四工河灌区渠基土冻胀参数

本项目采用ANSYS有限元分析软件来模拟在增设不同厚度xps挤塑板情况下,渠道混凝土衬砌的温度变化[5],共建立不同模型5个,详见下表2,模拟深度为地面以下6.0 m。将土体和渠道看作一整体,模型共划分为223个单元,每个单元再细分为8个块体,完成有限单元划分。

表3 本项目5个模拟模型 cm

3.2 冻胀模拟结果分析

3.2.1 位移场模拟结果分析

测定模型位移变化可以侧面反映其冻胀量数值,图2中虚线是未发生冻胀时的位置,实线是发生冻胀位移后的位置,其中图中左侧为阴坡位置,右侧为阳坡位置。

3.2.2 脆弱点冻胀模拟结果分析

经过众多学者总结大量实例,明确渠道易破坏脆弱点分别是:阴、阳坡顶点、靠近渠底1/3坡长处、坡脚处、。以这些脆弱点为研究对象,分析各个模型衬砌面的冻胀量位移(蓝色和紫色曲线分别代表模型1和2)。

(1)阴坡顶点处各模型冻胀量

由图6可知:模型1和2阴坡顶点处的冻胀量较大,高值均达到11 cm,说明保温板厚度为6 cm时几乎没什么作用;而模型3-5冻胀量曲线高度重合,说明当保温板厚度达到8 cm后,无需再通过增厚保温板来降低冻胀量。阴坡顶点处冻胀量高达到4.2 cm,龟裂危险性较低,一般无需处理。

(2)阳坡1/3处各模型冻胀量

图7的结果和图6一致,只是阳坡1/3处的大冻胀量较小,这和所处位置有关。由此从多个结果说明阜康市灌区干渠建设时,防冻胀措施采用“xps挤塑板”时,设计厚度8 cm即可,若有必要,可将重要干渠段坡顶一定范围土质进行换填处理。

xps挤塑板

引水渠道是构成灌区的基础,在水资源匮乏的新疆地区,引水利用率是评价渠道作用的重要指标之一,xps挤塑板是渠道建设常用的防冻胀措施之一,为保证其经济性,须要对保温板厚度进行优化设计,杜绝依靠增加板厚来提高防冻效果。阜康市地区干渠防冻胀保温板佳厚度为8 cm,可结合换填法对渠基进行处理。

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