CN110158390A - 一种隔热排水土工材料及其在防冻胀灾害中的应用 - Google Patents

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刘锋
张书建
白梅
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张云龙
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    • E01C3/00—Foundations for pavings
    • E01C3/06—Methods or arrangements for protecting foundations from destructive influences of moisture, frost or vibration
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Abstract

本发明公开了一种隔热排水土工材料及其在防冻胀灾害中的应用。该隔热排水土工材料是以聚苯乙烯泡沫板作为底料，将具有毛细吸水特性的导水纤维束采用缝合线缝合的方式固定于聚苯乙烯泡沫上形成二维复合材料。将该隔热排水土工材料应用于季节性冻土区路基冻害防治中，不仅能吸收土体的水分排到土体外，还能隔绝冬季强冷空气造成的低温影响，广泛适用于寒冷、恶劣环境下公路路基排水及保温隔热，从根本上解决路基冻害问题。

Description

一种隔热排水土工材料及其在防冻胀灾害中的应用
技术领域
本发明属于交通运输工程技术领域，具体涉及一种隔热排水土工材料及其在季节性冻土区路基冻害防治中的应用。
背景技术
调查表明，我国中深度季节冻土（>1m）分布面积约占国土面积的1/3，路基冻害长期以来是困扰我国北方和西部道路建设的一个重要问题，其中路基中水分迁移是引起路基冻胀的的最关键因素。所以在我国北方地区的公路工程中，会采用一系列方法和措施以减少路基冻胀。
现有的传统的冻害防治是针对导致冻害产生的因素进行，主要包括换填法、化学改良法、保温法、改进路基路面结构、安装铺设防排水材料等。对于传统的防治路基冻害的方法，都存在下列缺点：1、运输、施工成本很高，受工艺限制明显，耐久性较低；2、限制交通流通性，稳定性差；3、现有的排水设计方法只能处理自由水（在重力影响下流动的水），无法在非饱和条件下能将土体中的水分从路基中排出，所以传统的防排水材料难以有效防治冻胀。
综上，设法减少非饱和土路基中的水分、同时在冬季维持路基温度稳定是解决路基冻害问题的最有效方法。
发明内容
解决的技术问题：本发明的目的是提供一种隔热排水土工材料及其在季节性冻土区路基冻害防治中的应用。该隔热排水土工材料不仅能吸收土体的水分排到土体外，还能隔绝冬季强冷空气造成的低温影响，广泛适用于寒冷、恶劣环境下公路路基排水及保温隔热，从根本上解决路基冻害问题。
技术方案：一种隔热排水土工材料，包括聚苯乙烯泡沫层和导水纤维束层，导水纤维束层固定在聚苯乙烯泡沫层上；每两根导水纤维束之间的间隔为2mm，每根导水纤维束由200根导水纤维构成。
进一步地，所述隔热排水土工材料的厚度为3-5mm。
进一步地，所述导水纤维为异形截面导水纤维，异形截面为珊瑚型，异形截面的沟槽直径在5~60μm。
进一步地，所述聚苯乙烯泡沫层所采用的聚苯乙烯泡沫板密度为10~45kg/m3。
上述隔热排水土工材料在季节性冻土区路基冻害防治中的应用。
进一步地，上述应用具体是将隔热排水土工材料埋设于路面结构层下方1-2m处，并向路基土体外侧延伸暴露出0.3~0.5 m。
进一步地，暴露出路基土体外的隔热排水土工材料固定于路基边坡之上。
有益效果：1、本发明的隔热排水土工材料强度较高，在上部荷载、施工碾压条件下依然能够正常工作，广泛适用于寒冷、恶劣环境下公路路基排水以及隔热；2、本发明的隔热排水土工材料能够隔绝冬季强冷空气造成的低温影响，并使路基土体在冬季也能维持稳定的温度，从而减少路基冻深；3、本发明的隔热排水土工材料中的导水纤维能够利用毛细作用通过纤维吸收土体中的水分，并由导水通道排到土体外，施工简单，成本低效果好，能够从根源上解决路基冻胀问题。
附图说明
图1为本发明的隔热排水土工材料单层示意图；
图2为导水纤维的截面示意图；
图3为本发明的隔热排水土工材料多层示意图；
图4为实施1中奖隔热排水土工材料应用于季节性冻土区冻害防治的示意图；
其中，1为导水纤维束、2为聚苯乙烯泡沫板、3为缝合线、4为深槽通道、5为隔热排水土工材料、6为路面结构层、7为地下水。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
路基冻害长期以来是困扰我国北方和西部道路建设的一个重要问题，其中路基土由于降雨或毛细水上升引起的水分积累是引起路基冻胀的最关键因素。现有的冻害防治措施不能将毛细水水从路面结构中排出，无法从根本上解决水分迁移造成的路基冻害问题。因此，设法减少非饱和土路基中的水分、同时在冬季维持路基温度稳定才是解决问题的最佳方法。如图1所示，本发明提供了一种隔热排水土工材料，以聚苯乙烯泡沫板2作为底料，将具有毛细吸水特性的导水纤维束1采用缝合线3缝合的方式固定于聚苯乙烯泡沫上形成二维复合材料。
所述导水纤维是具有异形截面的纤维，如图2所示，异形截面为珊瑚型，由于异形截面使得纤维横向具有众多沟槽，比表面积极大，这些纤维中沟槽的直径在5~60μm之间。该导水纤维能够产生极大的毛细吸力，通过纤维通道吸收土体中的水分，并由导水通道排到土体外，当土体饱和和土内聚集的水量较大时可以直接通过材料排水通道溢出土体外；当土体处于非饱和状态时，则可利用材料与大气的湿度差通过蒸发作用排到大气中，从而减少土体中的水分。对于本领域技术人员，所述导水纤维可以根据实际需要和产品要求进行选择，在本发明的实施例中采用的是美国纤科公司（TENCATE GEOSYNTHETICS Americas）的Mirafi® H2Ri 土工合成材料。
聚苯乙烯泡沫是一种轻型高分子聚合物。它是采用聚苯乙烯树脂加入发泡剂，同时加热进行软化，产生气体，形成一种硬质闭孔结构的泡沫塑料。聚苯乙烯泡沫的密度在10~45kg/m3之间，强度较高，在上部荷载及施工碾压条件下依然能正常工作。聚苯乙烯泡沫板具有良好的隔热性，其热传导率极低，热传导率为0.024 ~0.041W/(m·K)。
该隔热排水土工材料中的导水纤维能够利用毛细作用通过纤维通道吸收土体中的水分，并由导水通道排到土体外；同时还能够隔绝冬季强冷空气造成的低温影响，并使路基土体在冬季也能维持稳定的温度，从而减少路基冻深。此外，隔热排水土工材料隔热排水土工材料强度较高，在上部荷载作用和施工碾压条件下依然能够正常工作，广泛适用于寒冷、恶劣环境下公路路基基床的排水以及隔热，从根本上解决路基冻害问题。
将上述隔热排水土工材料应用于季节性冻土区冻害防治，具体是将所述隔热排水土工材料埋设于路面结构层下方1.5 m处，并向路基土体外侧延伸暴露出0.3~0.5 m，暴露出路基土体外的隔热排水土工材料采用15 cm长的长钉固定于路基边坡之上。在实际运用时，可以采用单层隔热排水土工材料，也可以采用多层隔热排水土工材料，如图3所示。一方面，隔热排水土工材料能将上部降雨入渗及毛细上升的地下水吸进导水纤维，由纤维中的导水通道排出土体外，并通过蒸发作用转移到空气中。另一方面，隔热排水土工材料能够起到隔热作用，减少路基土体热量的散失、防止冷空气进入路基，从而减小路基的冻深。
实施例1
如图4所示，吉林省辽源市某高速公路工程，其填方材料为现场所挖碎石土，为了预防公路冻胀，将上述隔热排水土工材料5埋设于路面结构层6下方1.5 m处，并向路基土体外侧延伸暴露出0.3~0.5 m。在路基中埋设了水分传感器监测路基中其水分变化，并设计了未铺设隔热排水土工材料的对比路段，通过两个路段水分和温度传感器记录的数据进行对比来验证隔热排水土工材料的防冻胀效果。结果发现隔热排水土工材料能够有效地防治冻胀。

Claims (8)

1.一种隔热排水土工材料，其特征在于：包括聚苯乙烯泡沫层和导水纤维束层，导水纤维束层固定在聚苯乙烯泡沫层上，相邻的导水纤维束之间的间隔为2mm，每组导水纤维束由200根导水纤维构成。
2.根据权利要求1所述的隔热排水土工材料，其特征在于：所述隔热排水土工材料的厚度为3-5mm。
3.根据权利要求1所述的隔热排水土工材料，其特征在于：所述导水纤维为异形截面导水纤维，异形截面为珊瑚型。
4.根据权利要求3所述的隔热排水土工材料，其特征在于：所述异形截面的沟槽直径在5~60μm。
5.根据权利要求1所述的隔热排水土工材料，其特征在于：所述聚苯乙烯泡沫层所采用的聚苯乙烯泡沫板密度为10~45kg/m3。
6.权利要求1所述的隔热排水土工材料在季节性冻土区路基冻害防治中的应用。
7.根据权利要求7所述的应用，其特征在于：具体方法将隔热排水土工材料埋设于路面结构层下方1-2m处，并向路基土体外侧延伸暴露出0.3~0.5 m。
8.根据权利要求8所述的应用，其特征在于：暴露出路基土体外的隔热排水土工材料固定于路基边坡之上。
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