CN101929150A - 一种用于地基回填的冻结土融冻处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于地基回填的冻结土融冻处理方法，该方法按照以下步骤实施：按照地基填筑标准的要求，选用不大于100mm粒径的冻结土和选用不大于10mm的生石灰；将生石灰和冻结土按照1∶10-1∶15的体积比拌合均匀，至少翻拌两次，拌合好的土料颜色应一致；将拌合好的拌合土集中堆放，尽量减小堆土表面积，覆盖一层土质保温层，该保温层的厚度为表面翻松耙平层L和冻结层深度H之和，设定表面翻松耙平层厚度L为25cm，在该耙平层以下土的冻结层深度H按公式

计算确定；将覆盖有保温层的拌合土静置2-3天后，人工钻孔取样检查冻结土满足填筑要求，即完成。本发明方法，利用生石灰的水化反应热融解冻土并对其采取保温措施，有效降低了能源的消耗。

Description

一种用于地基回填的冻结土融冻处理方法

技术领域

本发明属于建筑施工技术领域，涉及一种用于地基回填的冻结土融冻处理方法。

背景技术

抽砂填海地区回填土含水率较高，在冬季施工往往容易造成回填土的冻结，冻结的回填土不能直接用于回填施工，冻结土融化的方法常见的有烟火烘烤、蒸汽化冻法、电热化冻法等，而且，在冬期寒冷地区高含水率土回填施工中，还必须考虑所需的热源、机具设备和可靠的材料来源，这些常见的冻结土融化方法主要依靠外界能量转变为热能融化冻结土，能源消耗较大，还会对环境造成污染。生石灰作为一种资源极其广泛的廉价建筑材料，用其水化反应热融解冻结土和增强土的抗冻性能，不失为一个好的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于地基回填的冻结土融冻处理方法，解决了现有技术依靠外界能量转变为热能融化冻结土，能源消耗较大及污染环境的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种用于地基回填的冻结土融冻处理方法，该方法按照以下步骤实施：

步骤1、按照地基填筑标准的要求选用冻结土，将冻结土粉碎成不大于100mm的粒径；

步骤2、按照地基填筑标准的要求选用生石灰，将生石灰粉碎成不大于10mm的粒径； 

步骤3、将步骤1、2处理得到的生石灰和冻结土按照1：10-1：15的体积比拌合均匀得到拌合土，至少翻拌两次； 

步骤4、将步骤3拌合好的拌合土集中堆放，尽量减小堆土表面积，覆盖一层土质保温层，该保温层的厚度为表面翻松耙平层和冻结层深度H之和，表面翻松耙平层厚度为24-26cm，该耙平层以下土的冻结层深度H按公式                                                

计算确定，其中，H为表面翻松土层耙平层以下土的冻结层深度，单位为厘米； A为计算系数，取值范围为0.63-1.25，根据与F的指数对应关系选取；F为冻结指数，单位为℃·d，取正号，F=∑z·t；z为土层冻结天数；t为土层冻结期间每天平均气温，取正号；

步骤5、将覆盖有保温层的拌合土静置2-3天后，人工钻孔取样检查冻结土是否满足填筑要求，若满足填筑要求，即完成。

本发明的有益效果是，利用生石灰的水化反应热融解冻土并对其采取保温措施，有效降低了能源的消耗，且造价低、工期短、质量高、施工方法简单易行、安全性高、绿色环保。

附图说明

图1是本发明方法的流程示意图；

图2是不同冻结土的构造示意图，其中，图a为网状构造示意图、图b为层状构造示意图、图c为整体构造示意图；

图3是土冻结降温过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的用于地基回填的冻结土融冻处理方法，按照以下步骤实施：

步骤1、选用冻结土并破碎过筛：按照地基填筑标准的要求，选用冻结土，采用人工开挖、机械开挖或联合开挖方式开挖冻结土，并破碎冻结土至100mm以下粒径，对于不符合填筑要求的土料应弃之。

步骤2、选用石灰粉并过筛：按照地基填筑标准的要求，如选用的石灰材料为块质生石灰，要用不大于10mm的筛子过筛，如是生石灰粉可直接使用。 

步骤3、冻结土掺加生石灰并机械拌合均匀：将步骤1、2得到的石灰粉和冻结土，按照生石灰与冻结土以1：10-1：15的体积比拌合均匀。灰、土必须过标准斗，严格控制配合的体积比。采用灰土拌和机拌和，拌合时必须均匀一致，至少翻拌两次，拌合好的土料颜色应一致。 

步骤4、 拌合土集中堆放，覆土保温：将步骤3拌合好的拌合土集中堆放，尽量减小堆放表面积，覆盖一层土保温层，这样可减少拌合土中热量的流失和保温层的用土量，表面翻松耙平层厚度L为25cm，在该耙平层以下土的冻结层深度H按公式

计算确定，其中，H为表面翻松耙平层以下土的冻结层深度（单位为cm）；A为计算系数，根据表1选取；

F为冻结指数（℃·d）取正号带入（F=∑z·t）；

z为土层冻结天数（d）；t为土层冻结期间每天平均气温（取正号）；

则保温层的厚度S不小于表面翻松耙平层L和冻结层深度H之和。

步骤5、静置待冻结土融解：将覆盖有保温层的拌合土静置2-3天后，人工钻孔取样检查冻结土是否满足填筑要求，满足要求后用于地基的回填施工。

具体回填施工时，先清除保温层，同时清除需要回填的地基表层的冻结土，再将上述步骤6得到的融解拌合土，按建筑设计要求及规范要求进行地基回填。本发明方法尤其适用于冬季抽砂填海地区的施工。

本发明用于地基回填的冻结土融冻处理方法的工作原理如下：

第一，冻结土中的液相水主要是未冻水，在负温条件下，冻结土中总含有部分未冻结的液态水，它主要存在于冻结细粒土中，是土粒表面吸附的强结合水。土体在冻结过程中形成三种基本结构，即网状构造、层状构造和整体构造，如图2a、图2b、图2c所示。整体构造冻结土的主要特征为具有空隙冰，它在冻结时具有很高的强度，融解时土体强度与融土区别不大。层状与网状构造冻结土的强度比整体状冻结土低，具有明显的流变性，冻胀和融沉变形较大，在融解时承载力降低。

标准大气压下自由水的冻结温度是0℃，但处于矿物颗粒表面力场中的孔隙水，特别当其呈薄层状态时，冻结温度更低。

图3中，为土中孔隙水开始结晶前的土温下降过程和土的冻结过程示意图，Ⅰ段表示土体的冷却和过冷段，此阶段仅土温下降而不析冰；Ⅱ段土温从最低的过冷温度θ_n急剧增高，这是因为土中孔隙水开始冻结，析出相当数量的潜热（析冰）所致；Ⅲ段土温升至θ_g时达到一个稳定温度值，温度曲线近似直线，土稳定冻结，该段标志着各类土的起始冻结温度；Ⅳ段是已冻结土冷却降温段，Ⅴ段是冬季过后土的消融过程。

第二、土的融化及保温防冻

石灰作为一种资源极为广泛的廉价建筑材料，可用其改善和增强土的抗冻性能；其次，灰土是结构基层、底基层常用的无机结合料稳定材料，反应产物对环境亦不会造成污染。

负温条件下，冻结土中总含有部分未冻结的液态水，由于石灰参与水化反应可放出大量的热量，因此本方法根据这一原理来融化季节性冻结土。

在水化反应中，土体中少量的液相水参与反应后，土中液相水含量降低并同时放出的热量，这些热量通过热传递又可融化土体中的冰结晶，冰结晶融化后再形成液相水参与反应，如此循环，由于土体中的液相水含量总保持在一定的程度，这样即控制了反应速度均匀放热，又满足了化学反应持续放热，还降低了土中的含水量，形成了锁链式的融化过程，化学反应见式1：

根据化学反应计算出每公斤的生石灰完全参加反应放出1033KJ热量。

冻结土含水量约为40%，水的比热容为4200J/(Kg·℃)，冰的比热容为2100J/(Kg·℃)，冻结土干容重为1500Kg/m³，干土的比热容为840J/(Kg·℃)，生石灰的比重为650Kg/m³，按当地地质资料选取的地表最大冻结层深度52cm，取1平方米计算，则每立方冻结土中含水：

1500Kg×0.4=600Kg，自由水与结晶冰约各占300Kg。

冰由-19℃融解为0℃的冰吸收的热量为：

300Kg×2100J/(Kg·℃)×19℃=11970KJ

0℃的冰融解为0℃的水需要的热量为：

300Kg×336KJ/Kg=100800KJ

干土由-19℃升至0℃需要的热量为：

840J/(Kg·℃)×19℃×1500Kg=23940KJ

共需热量：11970KJ+100800+23940KJ=136710KJ

需要消耗水：136710KJ/32144KJ≈4.3Kg

水全部参与反应需要石灰：4.3Kg×56/18=13.2Kg

即每立方冻结土完全解冻需要13.2Kg的石灰，折合成石灰与冻结土的体积比为1：20，实际操作中由于灰土拌合过程中的部分反应热的流失及石灰的非完全反应，故按1：10-1：15的体积比拌制成灰土混合物为宜。

土的保温防冻：土体防冻常见的方法有地面翻松耙平防冻、覆盖雪防冻、隔热材料防冻和暖棚防冻等。后三种方法由于受气候条件、清理不彻底、造价相对较高等缺点而不采用。根据就地取材的原则，保温材料选择松散土，对于表面翻松耙平层厚度L为25cm的土层，在耙平层以下土的冻结层深度H根据式2计算：

     （2）

式中，H为表面翻松土层耙平层以下土的冻结层深度（cm）； A由表1选取；

F为冻结指数（℃·d）取正号带入（F=∑z·t）；

z为土层冻结天数（d）；t为土层冻结期间每天平均气温（取正号）。

表1 参数A- F值对应关系选用表              

F	100	200	300	400	500	600	700	800	900	1000	1500	2000
													A	0.63	0.68	0.70	0.75	0.83	0.92	1.00	1.08	1.17	1.25	1.25	1.25

按冬季施工平均气温为-19℃，一周内土层最大冻结层深度计算如下：

F=7×19=133℃·d

根据表1对应关系，取A=0.63，则一周内土层最大冻结层深度：

H=0.63×（133^1/2+0.018×133）≈9cm

则保温层的总覆盖厚度S=L+H，代入上述数值，即S=25+9=34，考虑到热量散失及天气变化等其他因素，保温层的保守厚度适当扩大取整为40cm。

本发明的方法，利用生石灰的水化反应热融解冻土并对其采取保温措施，有效降低了能源的消耗，且造价低、工期短、质量高、施工方法简单易行、安全性高、绿色环保。

Claims (2)

1.一种用于地基回填的冻结土融冻处理方法，其特征在于，该方法按照以下步骤实施：

步骤1、按照地基填筑标准的要求选用冻结土，将冻结土粉碎成不大于100mm的粒径；

步骤2、按照地基填筑标准的要求选用生石灰，将生石灰粉碎成不大于10mm的粒径； 

步骤3、将步骤1、2处理得到的生石灰和冻结土按照1：10-1：15的体积比拌合均匀得到拌合土，至少翻拌两次； 

步骤4、将步骤3拌合好的拌合土集中堆放，尽量减小堆土表面积，覆盖一层土质保温层，该保温层的厚度为表面翻松耙平层和冻结层深度H之和，表面翻松耙平层厚度为24-26cm，该耙平层以下土的冻结层深度H按公式                                                

计算确定，其中，H为表面翻松土层耙平层以下土的冻结层深度，单位为厘米； A为计算系数，取值范围为0.63-1.25，根据与F的指数对应关系选取；F为冻结指数，单位为℃·d，取正号，F=∑z·t；z为土层冻结天数；t为土层冻结期间每天平均气温，取正号；

步骤5、将覆盖有保温层的拌合土静置2-3天后，人工钻孔取样检查冻结土是否满足填筑要求，若满足填筑要求，即完成。

2.根据权利要求1所述的冻结土融冻处理方法，其特征在于，所述的A-F值对应关系为：

F 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1500 2000 A 0.63 0.68 0.70 0.75 0.83 0.92 1.00 1.08 1.17 1.25 1.25 1.25

。 

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