CN104358198B - 一种纤维加筋固化土改良重载铁路路基的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种纤维加筋固化土改良重载铁路路基的方法，如下：将单丝束状的纤维和土壤固化剂掺入重载铁路路基土中，其中所述单丝束状的纤维掺量为0.05‑0.5％干土重，纤维长度3‑54mm；土壤固化剂掺量为3‑7％干土重；土壤固化剂配方按重量配比如下：铝硅酸盐30‑42％、铁铝酸盐18‑24％、硫酸盐10‑16％、亚硫酸盐10‑16％、硫铝酸盐16‑20％、氯化物4‑8％和氧化物3‑6％；经喷射加工成型、喷洒、堆填、碾压成型、养护。本发明具有良好的三维工程特性、水稳定性、抗变形、抗剪、抗拉、抗裂、改善局部变形等工程特性，可用于铁路和公路等路基工程中。
Description
技术领域
本发明涉及一种纤维加筋固化土改良重载铁路路基的方法。
背景技术
目前，对路基填料改良方法主要有化学加固和物理加固两种方法。化学加固方法主要有水泥、石灰、粉煤灰和土壤固化剂等加固方法。物理加固方法主要以加筋为主，分为层状或条状加筋(如土工布、土工膜、土工格栅等)方法和空间加筋(如纤维等)方法。
作为一种廉价且高效的土壤固化剂，可使土颗粒间表面黏结并与颗粒中的矿物发生化学反应生成胶凝物质，与传统的石灰土和水泥土相比，能更好地增强路基土的结构强度与密实性，增强抵抗重载铁路列车行驶对路基产生的振动反应，提高路基的稳定性与抗渗性，也可用于路基土实施有效的固化抗振加固与防渗处理中；此外，针对地下水路堑路基防渗处理，也可采用土壤固化结构剂技术。土壤固化剂将路基土固化后，具有显著的抗振性、抗渗性、抗冻性、耐久性等技术性能，从而被大量应用于水利、交通、环境、港口、机场、地基、堤坝、边坡、路基等基础设施的建设中。尽管土壤固化剂能使土的工程性质得到有效地改善，但同时也存在一些缺陷，主要有固化土自身活性差、塑性收缩大，不能形成具有浸水稳定性的网络结构，使得路基强度低、容易发生龟裂，如何提高固化土的强度、防止发生收缩裂缝，已经成为固化土研究应用中急需解决的主要问题之一。
近年来，随着化纤工业的发展，一些物美价廉的化纤产品越来越多地供土木工程界选用，纤维以其高强度和与土体具有良好的结合性在岩土工程领域得到了广泛的应用，因此，纤维土有着诱人的发展前景。纤维加筋方法是在土中掺入一定比例土工纤维，将土工纤维同粒状材料紧密的掺合在一起成为具有较好的力学特性和水力学特性的三维混合料。它是广义上的加筋土，其作用机理与一般加筋土有类似之处，纤维材料与土颗粒之间的摩阻力或咬合力来限制土体的变位；虽然纤维土是加筋土的一个重要分支，但这种新型的土体补强技术，也有与一般层状或条状加筋土不同之处，纤维与土颗粒之间会形成空间骨架结构，产生空间约束力，构成三维复合体，整体共同受力、协调变形，近似视为各向同性材料，可控制土体各方向可能出现的变形。与一般的加筋土和稳定土相比，具有以下特性：(1)一般加筋土使用的材料是层状或条状筋条，筋条在土中大都是定向排列(水平向布置)，因而只能控制土体的侧向变位；而纤维土所用的材料是具有较高抗拉强度的单丝束状纤维，纤维近似均匀地、弯曲地、交织地散布于土中表现出多方向性、全方位性，因此，纤维土 不仅可以限制土体的侧向变形，也可以控制土体的竖向变形，它具有一般加筋土所没有近似各向同性的力学性质以及良好的工程性质。因此，可应用于三维工程结构中，可控制土体各方向上可能出现的变形，适宜于解决土木工程中经常出现的变形问题。(2)纤维这种材料，在荷载作用下，能改善应力传播和应变分布，避免土体形变过程中的不连续性，改善土体的受力性能。纤维还能有效地改善土体的微结构，提高土体抗剪强度、抗拉应力、抗裂能力，明显提高其后期强度，弥补土体多孔性、散体性、易裂性、易损伤的缺陷，为土工结构的变形提供极好的韧性和柔软性，有助于降低河堤和回填土的侧面压力。(3)从力学观点看，纤维土是一种均质的、非刚性的、不脆裂能适应地基和路基变形的新材料，可抑制因沉降差引起局部变形的情况。因此，纤维土在公路、铁路的基础层、软弱地基的改善及抗震建筑中可大显身手。(4)从水力学观点看，纤维非常细小，与土颗粒均匀混合，形成的纤维土具有很好的三维渗流网，可改善土体内部抗侵蚀能力。因此，用纤维来加固有水渗流的边坡工程是十分合理的。这一优点也使纤维土在土坝、挡土墙、土坝的排(渗)水工程中有效地改善土体内部的水稳性。(5)纤维土不会像一般加筋土因为加筋方向和加筋间距在土体中形成一些潜在的薄弱面或薄弱方向。纤维的弯曲交织效果使得纤维土在承受外力时，表现出更大的整体性、受力范围和比较均匀的应力状态。因此，纤维土技术的应用范围要比一般土工加筋技术广泛。(6)纤维土与其他方式加筋土相比，施工过程简单；与石灰土、水泥土相比，拌合时也不会对人体产生危害；压实方法及标准与一般土相同。不仅适合于一般类土，而且也适用于竖向变形较大的冻融土、湿陷性黄土、砂性土、软土等领域，不仅适用于这些土的房屋地基加固，而且也适合于铁路、公路等路堤填方工程中。可就地取材，节省材料运费，因此，研究经济合理、安全可靠的纤维土工程设计理论和方法具有重要意义，在岩土工程领域中有着非常广阔的发展前景。尽管纤维加筋土存在很多优点，但仍存在一些不足：(1)纤维在固化土中分布的均匀性问题难以得到控制，及混合时纤维轻质会存在飘逸现象。(2)纤维的加筋作用主要体现在粘聚力的增加，而内摩擦角增加并不明显。
发明内容
基于以上不足之处，本发明的目的是：提供一种纤维加筋固化土改良重载铁路路基的方法，能够进一步显著提高路基土的结构强度、抗渗性、抗振性、抗风蚀性、稳定性、耐久性(即具有很好的三维力学特性、水力学特性)，并有效限制路基的侧向变形、控制路基的沉降变形。同时，也能解决单一固化剂加固存在的固化土强度低、易开裂的问题，因 而，提出了纤维和固化剂共同加固重载铁路路基土的复合加固的技术。
本发明所采用的技术如下：一种纤维加筋固化土改良重载铁路路基的方法，如下：将单丝束状的纤维和土壤固化剂掺入重载铁路路基土中，其中所述纤维掺量为0.05-0.5％干土重，纤维长度3-54mm；土壤固化剂掺量为3-7％干土重，固化剂配方按重量配比如下：铝硅酸盐30-42％、铁铝酸盐18-24％、硫酸盐10-16％、亚硫酸盐10-16％、硫铝酸盐16-20％、氯化物4-8％和氧化物3-6％。
对于加固面积比较小，采用喷射混合法，先将土壤固化剂和土在搅拌机中均匀拌合得到固化土，再将纤维、固化土分别放入喷射设备的喷射桶内，喷射、堆填、碾压成型、养护；对于施工现场需要大规模路基处理工程或边坡处理工程，采用如下施工方法：
(1)层层铺设型：依次为地基上或路基上铺松填土，摊铺土壤固化剂，然后翻拌填土与土壤固化剂，再沿路基横向定向层状铺洒一层纤维；根据实际需要设计方案，继续重复以上步骤，然后表面整平、机械碾压成型、养护；
(2)拌合均匀型：首先在施工现场将固化剂和填土均匀拌合得到固化土，然后在施工现场将纤维喷射施工作业，再将纤维与固化土拌合，之后整平、碾压、养护；
所述的养护时间7-14天，以达到重载铁路路基强度的要求；
所述的铝硅酸盐是铝硅酸钠与铝硅酸钙的混合物，重量比为3∶4～5；
所述的铁铝酸盐是铁铝酸钙与铁铝酸四钙的混合物，重量比为4∶3～4；
所述的硫酸盐是硫酸钠、硫酸钙与硫酸铝的混合物，重量比为3∶3～4∶5；
所述的亚硫酸盐是亚硫酸盐铝、亚硫酸盐钠与亚硫酸盐钙的混合物，重量比为3～4∶4∶5；
所述的硫铝酸盐是硫铝酸钙、硫铝酸四钙与硫铝酸钡钙的混合物，重量比为3∶3～5∶4；
所述的氯化物是氯化钠、氯化镁与三氯化铝的混合物，重量比为2∶4∶3～5；
所述的氧化物是氧化镁与氧化铝的混合物，重量比为3∶4～5。
本发明还具有如下技术特征：
所述的纤维采用聚丙烯纤维、聚乙烯纤维、聚酯纤维、聚丙烯腈纤维其中的一种、或几种任意长度与比例混合；纤维长度3-36mm，纤维掺量0.05％-0.3％干土重。
本发明采用纤维加筋和土壤固化剂相结合的方法，将纤维和土壤固化剂掺入工程土中，纤维表面具有粗糙凹槽，可与固化体形成嵌入接触。当固化体受到拉应力作用时，在纤维表面形成摩擦力、黏结力和互锁力，从而阻止固化体发生裂隙扩展和变形破坏，提高了固化体的抗拉强度。实际上，由于在固化体内部单丝分散分布着大量纤维，这些纤维相互交 错形成空间网络，类似于一张土体加筋网，将固化颗粒物包裹联结在一起，提高了固化体的均质性和整体性，力学强度明显增强。纤维结构网为适应固化体的胀缩会发生相应的变形，从而可吸收和消耗固化体胀缩产生的能量，因而减小固化体的应力集中，阻止微裂缝的扩展，提高了固化体的断裂韧性，也提高了固化体的抗拉强度。由于纤维交错组成的结构网具有吸收和消耗固化体变形能特性，因而固化体表现出明显的黏塑性特征，且固化体在发生损伤破坏后具有一定的自修复功能，可有效控制其内部裂隙的扩展。另外，纤维均匀分布在固化体中，彼此相黏连的大量纤维起到承托骨料的作用，提高了固化体的密实度和黏聚性，并使固化体孔隙大大减小，从而提高了固化体抗渗能力。掺入适量聚丙烯纤维后，原本为脆性显著的材料，将其改变为增强增韧的弹塑性体材料，其弹性模量、抗压强度、抗拉强度和弯折强度、弯折韧度、抗渗与抗冻性、耐疲劳与耐久性等一系列主要性能，均比不掺入纤维固化土类材料的性能有显著提高。本发明可广泛用于整治边坡、修建挡墙、加固路基、处理软基、抵抗冲击、降低噪声等工程中。本发明具有很高的实用性，不仅可用于铁路和公路交通工程的路基稳定性与病害控制，还可用于地基、边坡、堤坝、隧道、地铁等防渗加固与稳定控制、病害处理中。
附图说明
图1为混合喷射施工方法施工顺序示意图的第一步：固化剂和填土颗粒搅拌加工成固化土；
图2为混合喷射施工方法施工顺序示意图的第二步：喷射、加工成纤维固化土成品；
图3为混合喷射施工方法施工顺序示意图的第三步：摊铺纤维固化土；
图4为混合喷射施工方法施工顺序示意图的第四步：碾压成型；
图5为混合喷射施工方法施工顺序示意图的第五步：包边；
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具体实施方式
实施例1
一种纤维加筋固化土改良重载铁路路基的方法，如下：将单丝束状的纤维和土壤固化剂掺入重载铁路路基土中，其中所述单丝束状的纤维掺量为0.05-0.5％干土重，纤维长度3-54mm；土壤固化剂掺量为3-7％干土重，土壤固化剂配方按重量配比如下：铝硅酸盐30-42％、铁铝酸盐18-24％、硫酸盐10-16％、亚硫酸盐10-16％、硫铝酸盐16-20％、氯化物4-8％和氧化物3-6％。
所述的铝硅酸盐是铝硅酸钠与铝硅酸钙的混合物，重量比为3∶4；
所述的铁铝酸盐是铁铝酸钙与铁铝酸四钙的混合物，重量比为4∶3；
所述的硫酸盐是硫酸钠、硫酸钙与硫酸铝的混合物，重量比为3∶3∶5；
所述的亚硫酸盐是亚硫酸盐铝、亚硫酸盐钠与亚硫酸盐钙的混合物，重量比为3∶4∶5；
所述的硫铝酸盐是硫铝酸钙、硫铝酸四钙与硫铝酸钡钙的混合物，重量比为3∶3∶4；
所述的氯化物是氯化钠、氯化镁与三氯化铝的混合物，重量比为2∶4∶3；
所述的氧化物是氧化镁与氧化铝的混合物，重量比为3∶5。
本发明方法中结合料(纤维、土壤固化剂和路基土的)的混合方法，按施工规模分为两类：喷射混合法和现场拌合法。小规模路基处理工程，加固面积比较小，作业场地比较狭小的施工现场，可采用喷射混合法，先将土壤固化剂和填土在搅拌机中均匀拌合得到固化土，在将纤维、固化土分别放入丝土喷射设备的喷射桶内，纤维和固化土按所需的加固方案设计风压喷射一次成型，在将加工好的成品土直接运送到施工现场喷洒、堆填、碾压成型、养护。对施工现场需要大规模路基处理工程或边坡处理工程应采用现场拌合方法，有两种：(1)层层铺设型。采用先在施工现场进行土壤固化剂和填土均匀拌合得到固化土，再沿路基横向定向层状铺洒一层纤维；根据实际需要设计方案，继续重复以上步骤，然后表面整平、机械碾压成型、养护；分层碾压以需要加固厚度范围内中的一层为例，依次为地基上或路基上铺松填土(h/2层厚)、摊铺土壤固化剂、土壤固化剂翻拌、路基横向定向层状铺洒一层纤维、铺松填土(h/2层厚处)、摊铺土壤固化剂、土壤固化剂翻拌、表面整平、机械碾压成型、养护；
(2)拌合均匀型。采用先在施工现场进行土壤固化剂和填土均匀拌合得到固化土，直接在施工现场将纤维喷射施工作业，再将纤维与固化土拌合，之后整平、碾压、养护；依次 为铺松填土、摊铺土壤固化剂、土壤固化剂翻拌、喷射纤维、纤维拌合、表面整平、机械碾压成型、养护。
喷射混合是先将土壤固化剂和填土在搅拌机中均匀拌合得到固化土，然后采用一种专用的喷射设备丝土喷洒仪，此仪器由进料口、传输装置、喷料口、喷嘴组成，首先从进料口进料，利用传输装置输送原料(固化土)到施工高度的喷料口，纤维以纤维锭放在设有筒子架的密封箱内由直升机提升到施工高度，纤维与固化土各设定好一个指定的最佳压力，由气压喷射机喷射作业，一般喷射10-20个喷嘴喷射纤维，将纤维和固化土橡皮管左右来回喷射，使纤维均匀分布在固化土中成近似三维空间网状结构。现场拌合分为两种：(1)层层铺设型。先采用钉齿耙将土壤固化剂和填土进行2-4遍的翻拌，然后采用压力气压喷射机将纤维沿路基横向定向层状铺洒到固化土表面，再铺松填土。(2)拌合均匀型。先采用钉齿耙将土壤固化剂和填土进行2-4遍的翻拌，然后采用压力气压喷射机将纤维喷射到固化土表面，再采用钉齿耙将纤维单丝和固化土在进行2-4遍的翻松。
所述的纤维采用聚丙烯纤维、聚乙烯纤维、聚酯纤维、聚丙烯腈纤维其中的一种、或几种任意长度与比例混合；纤维长度3-36mm，纤维掺量0.05％-0.3％干土重。例如聚丙烯纤维3mm、纤维掺量0.1％+聚酯纤维9mm、纤维掺量0.2％+聚腈纤维18mm、纤维掺量0.3％的方案。
选用的纤维具有优异的抗拉特性和抗腐蚀特性，经特殊工艺制造，具有强度高、耐酸碱腐蚀和抗老化特性，化学性质稳定好，有很好的分散性，因此，纤维可采用高分子树脂纤维，可选取聚丙烯纤维、聚乙烯纤维、聚酯纤维、聚丙烯腈纤维等。
实施例2
本发明的实施方案是：先将土壤固化剂与路基土拌合均匀形成固化土，然后再将纤维掺入到固化土内近似形成三维纤维加筋固化土。由于土壤固化剂与路基土之间胶结或矿物反应水化结晶的程度与时间有关，因此，纤维固化土的结构强度、抗裂性、抗振性、抗渗性和稳定性等工程性质受养护龄期的影响，但其养护时间和养护条件与固化土是一样的。
纤维固化土补强机理包括两部分：(1)土壤固化剂对路基土的增强机理。一是，土壤固化剂与路基土中活性成分反应固化。土壤固化剂与路基土中矿物发生化学反应，形成高强度的化学键，及酸性物质对矿物的激发作用；二是，土壤固化剂本身水化产生的粘接作用。土壤固化剂中有机高聚物分子对矿物产生吸附和物理缠绕作用。矿物表面被侵蚀，粗糙的表面易于吸附其它异性成分，有助于有机高聚物分子对它的吸附和缠绕。土壤固化剂和路基土之间的化学过程和物理化学过程，产生的固化剂本身的凝结硬化、固化剂与路基 土之间的离子交换反应和固化剂本身含有微膨胀成分对路基土的填充效应，能使土体的力学性能、抗渗性能、耐久性能等工程性能得以改善。(2)纤维对路基土的增强作用机制。纤维由于表面具有粗糙凹槽，可与固化体形成嵌入接触。当固化体受到拉应力作用时，在纤维表面形成摩擦力、黏结力和互锁力，从而阻止固化体裂隙的扩展和土体的变形破坏，提高了固化体的抗拉强度、断裂韧度和抗冲击性。纤维在固化体内部单丝分散分布，其相互交错形成一个空间网络，类似于土体加筋网，将固化颗粒物包裹联结在一起，提高了固化体的均质性和整体性，力学强度明显增强。
纤维加筋固化土的特点主要是：(1)纤维加筋固化土具有很高的强度、韧性、抗变形能力、抗剪性、抗拉性、抗冲击性、抗裂性、改善局部变形等工程特性，其破坏从固化体的脆性破坏转变为塑性破坏且有很高的残余强度；(2)加筋后的固化土具有很好的三维工程特性，良好的水稳定性、动稳定性和低胀缩性；(3)在满足强度要求的情况下，纤维的掺入可以适当的减少固化剂的用量；(4)可就地取材，减少砂石用量，节省成本，施工工艺比较简单，也可缩短工期，无环境污染，节能环保，延长道路使用寿命，降低后期养护成本，可用于铁路和公路等路基、整治边坡、修建挡墙、加固路堤、处理软基、抵抗冲击、抗震建筑、河堤、土坝、降低噪声等工程中。
实施例3
(一)纤维选取
目前用于固化土增强的纤维种类很多。考虑工程实践情况，需满足以下要求：(1)化学特性要求。要求纤维有耐酸碱腐蚀和抗老化特性，具有良好的化学稳定性，可保证纤维在固化体中长期发挥功效，保持固化体优良性能。(2)物理力学要求。纤维具有很好的分散性，良好的握裹力和相容性，很高的强度，特别是优异的抗拉特性。
(二)施工工艺
在本发明的施工工艺上，最关键施工工艺是纤维与固化土的混合均匀性问题。按施工规模对纤维固化土的需求上将混合工艺分为：喷射混合和现场拌合。
对于施工规模比较小和作业场地比较狭小的工程，可采用喷射混合法。如丝土喷射仪，一次喷射成型的加工工艺，不需搅拌。纤维表面可用耦联剂对其进行处理。
由于我们选取的土料为粘聚力比较低的松散颗粒，多为砂土。喷射时，先将固化剂和土颗粒在搅拌机混合均匀，再将纤维和固化土按所需的量利用风压机施加风压，分别喷射一次成型的成品加工工艺。喷射混合好的成品土料，即可运输现场使用。
对于施工规模比较大的项目，纤维和固化土的拌合可采用现场拌合的方法，其施工工艺分以下几步：
(1)平整填土，松铺厚度25-35cm，压实度达最大干密度的0.95。
(2)根据我们所选取的固化剂掺量，把固化剂均匀的摊铺在填土层上表面，然后将表面整平，保持整个层面上厚度的均匀。
(3)使用钉齿耙将固化剂摊铺层向土内翻拌2-4遍。当固化剂和填土拌合达到基本均匀，整平路基土表面。
(4)利用气压按所需的纤维掺量将纤维均匀地喷射到固化土表面。拌合均匀型不限定纤维排列方向，但对层层铺设型纤维是沿路基横向方向定向排列。
(5)使用钉齿耙将纤维与固化剂摊铺层向土内翻拌2-4遍。当纤维和固化土拌合达到基本均匀，整平表面。(层层铺设型忽略)。
(6)采用振动碾压机对纤维固化土路基碾压2-4遍。
Claims (2)
1.一种纤维加筋固化土改良重载铁路路基的方法，其特征是，方法如下：将单丝束状的纤维和土壤固化剂掺入重载铁路路基土中，其中所述单丝束状的纤维掺量为0.05-0.5％干土重，纤维长度3-54mm；土壤固化剂掺量为3-7％干土重，土壤固化剂配方按重量配比如下：铝硅酸盐30-42％、铁铝酸盐18-24％、硫酸盐10-16％、亚硫酸盐10-16％、硫铝酸盐16-20％、氯化物4-8％和氧化物3-6％；
对于加固面积比较小，采用喷射混合法，先将土壤固化剂和土在搅拌机中均匀拌合得到固化土，再将纤维、固化土分别放入喷射设备的喷射桶内，喷射、堆填、碾压成型、养护；
对于施工现场需要大规模路基处理工程或边坡处理工程，采用如下施工方法：
(1)层层铺设型：依次为地基上或路基上铺松填土，摊铺土壤固化剂，然后翻拌填土与土壤固化剂，再沿路基横向定向层状铺洒一层纤维；根据实际需要设计方案，继续重复以上步骤，然后表面整平、机械碾压成型、养护；
(2)拌合均匀型：首先在施工现场将固化剂和填土均匀拌合得到固化土，然后在施工现场将纤维喷射施工作业，再将纤维与固化土拌合，之后整平、碾压、养护；
养护时间7-14天，以达到重载铁路路基强度的要求；
所述的铝硅酸盐是铝硅酸钠与铝硅酸钙的混合物，重量比为3∶4～5；
所述的铁铝酸盐是铁铝酸钙与铁铝酸四钙的混合物，重量比为4∶3～4；
所述的硫酸盐是硫酸钠、硫酸钙与硫酸铝的混合物，重量比为3∶3～4∶5；
所述的亚硫酸盐是亚硫酸盐铝、亚硫酸盐钠与亚硫酸盐钙的混合物，重量比为3～4∶4∶5；
所述的硫铝酸盐是硫铝酸钙、硫铝酸四钙与硫铝酸钡钙的混合物，重量比为3∶3～5∶4；
所述的氯化物是氯化钠、氯化镁与三氯化铝的混合物，重量比为2∶4∶3～5；
所述的氧化物是氧化镁与氧化铝的混合物，重量比为3∶4～5。
2.根据权利要求1所述的一种纤维加筋固化土改良重载铁路路基的方法，其特征在于：所述的纤维采用聚丙烯纤维、聚乙烯纤维、聚酯纤维、聚丙烯腈纤维其中的一种、或几种任意比例混合；纤维长度3-36mm，纤维掺量0.05％-0.3％干土重。
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Legal Events
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Zhao Yingying Inventor after: Ling Xianchang Inventor after: Zhang Guozhong Inventor before: Zhao Yingying Inventor before: Ling Xianchang |
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| COR | Change of bibliographic data | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20190410 Address after: 611930 5th Floor, 81 Jinpeng East Road, Pengzhou City, Chengdu City, Sichuan Province Patentee after: Sichuan Tianyi Petrochemical Engineering Co., Ltd. Address before: Room 204, College of Civil Engineering, Harbin University of Technology, No. 73 Huanghe Road, Harbin, Heilongjiang Province, 150090 Co-patentee before: Ling Xianchang Patentee before: Zhao Yingying |
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| TR01 | Transfer of patent right |