CN111441227A - 诱导缝切割装置及既有冻土路基公路防治冻胀融沉的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及道路修复技术领域，具体涉及一种诱导缝切割装置，包括钢管和空压机，钢管的一端开口，另一端封闭，钢管的开口端与空压机的出气管道连接，钢管的封闭端的侧壁上设有用于切割诱导缝的气孔。一种既有冻土路基公路防治冻胀融沉的方法，包括钻孔、切割诱导缝和注浆三个步骤，注浆步骤中首先通过封孔注浆管进行注浆，封堵钻孔，然后通过注浆管进行注浆，在注浆压力的作用下浆液沿着诱导缝扩散，之后在膨胀压力的作用下浆液将横向劈裂土体继续扩张，形成横向层状保护层，该高聚物层具有良好热阻性能。诱导缝切割装置能方便切割诱导缝，既有冻土路基公路防治冻胀融沉的方法解决了已运行公路冻土路基难以进行保温隔热处治的问题。
Description
技术领域
本发明涉及道路修复技术领域，具体涉及一种诱导缝切割装置及既有冻土路基公路防治冻胀融沉的方法。
背景技术
我国冻土区域面积约占国土面积的22.4％。而多年冻土具有热稳定性差，对外界温度变化十分敏感的缺点。因此，由温度变化引起的冻土路基融沉和冻胀进而使公路产生不均匀沉降乃至开裂是该地区高速公路所面临的主要工程病害，据统计青藏公路绝大部分的病害也是由此导致。由此可见，冻土路基的冻结融化作用严重影响公路的路用性能和长期使用寿命，给国民经济和生产生活造成了巨大损失，解决温度变化对冻土路基的影响，保证冻土区道路的长期稳定具有重大的社会和经济意义。
现有冻土路基公路融沉防治方法主要有两类：主动冷却措施和被动冷却措施。主动措施以采取积极改造冻土热状况为主，主要为了提高冻土的热惰性和降低冻土的热敏感性。如碎石路基、块石路基、通风管-块石复合路基和热棒路基等复合路基结构等，虽然这些方法可以有效降低路基温度，缓解路面融沉问题，但是这类方法施工成本高，工期长，且都只能应用于新修公路。被动措施以保持地温的初始状况或减缓冻土退化为主。如遮阳棚、遮阳板和保温路基等。遮阳板针对改善路基阴阳坡问题效果较为显著，保温路基原理是通过在路基内设置一层隔热保温材料如XPS板和EPS板等，利用其高热阻性能，从而减少大气和人为热源进入冻土层。同样，其缺点是需要在修建公路时将保温材料预置在回填路基下部，无法应用到已修建完成的公路。因此，迫切需要研发一种针对已运营公路冻土路基的融沉防治技术。
高聚物注浆技术是上世纪70年代发展起来的地基快速加固技术。该技术通过向地基中注射非水反应类双组份高聚物材料，利用两种材料混合后迅速反应膨胀并固化的特性，达到加固抬升地基、或填充脱空的目的。由于高聚物材料具有质量轻，反应快，耐久性好，隔热防渗性能优良等特点。目前，大量应用于道路、铁路等交通领域的防渗、加固和修复工程中。但是，对公路的填充和抬升等是在结构层的下部有间隙、脱空的基础上实现，在冻土区，土体冻胀、融沉过程机理主要涉及到土体中温度场的变化问题，直接采用注浆加固技术并不能解决冻土冻胀融沉的问题。
发明内容
本发明的目的是针对上述存在的问题和不足，提供一种诱导缝切割装置及既有冻土路基公路防治冻胀融沉的方法，诱导缝切割装置能方便切割诱导缝，既有冻土路基公路防治冻胀融沉的方法采用高压气体冲击成缝技术、高聚物注浆层状扩散技术，利用高聚物具有保温隔热及防渗的性能，实现在既有冻土路基等复杂地质条件下防止冻土路基融胀和沉陷，该方法施工方便、操作简便、经济实用，解决了已运行公路冻土路基难以进行保温隔热处治的问题。
为实现上述发明的目的，本发明的技术方案是：
一种诱导缝切割装置，包括钢管和空压机，所述钢管的一端开口，另一端封闭，所述钢管的开口端与所述空压机的出气管道连接，所述钢管的封闭端的侧壁上设有用于切割诱导缝的气孔。
进一步地，在上述的一种诱导缝切割装置中，所述钢管上设有一个气孔。
进一步地，在上述的一种诱导缝切割装置中，所述钢管的开口端通过旋转接头与所述空压机的出气管道连接。
进一步地，在上述的一种诱导缝切割装置中，所述钢管的上部支撑在支架上，所述支架上设有供所述钢管穿过的通孔，所述支架上活动放置有钢管夹紧组件，所述钢管夹紧组件能相对所述支架旋转。
进一步地，在上述的一种诱导缝切割装置中，所述支架上在所述通孔的外圈固定连接有连接套筒，所述连接套筒上连接有推力轴承，所述推力轴承的上部套接有涡轮盘，所述钢管夹紧组件连接在所述涡轮盘的上部，所述涡轮盘的侧边还设有与所述涡轮盘啮合的蜗杆，所述蜗杆铰接连接在所述支架上部，所述蜗杆与手柄或自动驱动装置连接。
进一步地，在上述的一种诱导缝切割装置中，所述钢管夹紧组件包括V形夹紧片一和V形夹紧片二，所述V形夹紧片一和V形夹紧片二的两端均连接有横向延长板，所述V形夹紧片一和V形夹紧片二的第一端部的横向延长板均螺接在螺杆上，所述螺杆的两端铰接连接在支撑柱上，所述螺杆的一端连接有手柄，所述支撑柱固定连接在所述涡轮盘上部；所述V形夹紧片一和V形夹紧片二的第二端部的横向延长板均滑动连接在导向杆上，所述导向杆的两端固定连接在支撑柱上，所述支撑柱固定连接在所述涡轮盘上部。
一种既有冻土路基公路防治冻胀融沉的方法，包括以下步骤：
(1)钻孔
利用无水钻机在需要处治路段进行布点钻孔；
(2)切割诱导缝
将上述任一条所述的诱导缝切割装置的钢管置于所述钻孔内，所述钢管的底部距钻孔底部一定距离，然后控制空压机打开高压气体，并旋转钢管，高压气体经气孔喷出并在旋转的作用下对土体进行冲击切割，进而形成诱导缝，待诱导缝切割完成后，拔出钢管；
(3)注浆
将注浆管与封孔注浆管分别放置到指定层位，所述注浆管的底部位于所述诱导缝的位置，所述封孔注浆管的底部高于所述注浆管的底部，所述封孔注浆管的底部绑扎有封孔布袋，首先通过封孔注浆管进行注浆，封堵钻孔，然后通过注浆管进行注浆，在注浆压力的作用下浆液沿着诱导缝扩散，之后在膨胀压力的作用下浆液将横向劈裂土体继续扩张，形成横向层状保护层，所述浆液为膨胀高聚物。
进一步地，在上述的一种既有冻土路基公路防治冻胀融沉的方法中，所述步骤(1)中钻孔的深度至冻土区上限位置，所述步骤(2)中在路面结构层下部和或冻土区上限位置处切割诱导缝。
进一步地，在上述的一种既有冻土路基公路防治冻胀融沉的方法中，所述步骤(1)中钻孔的深度至路面结构层下部。
进一步地，在上述的一种既有冻土路基公路防治冻胀融沉的方法中，所述步骤(1)中相邻钻孔的布孔间距使所述步骤(3)中相邻钻孔的诱导缝内形成的横向层状保护层相连接。
本发明的一种诱导缝切割装置及既有冻土路基公路防治冻胀融沉的方法的有益效果：
本发明的诱导缝切割装置在钢管侧部设置气孔，能方便在一定深度的冻土路基处利用高压气体冲击出诱导缝，为高聚物注浆提供条件，另外采用支架和夹紧组件配合可方便控制钢管伸入长度，方便对钢管进行支撑，通过连接套筒、推力轴承与涡轮盘连接，涡轮盘与蜗杆啮合，蜗杆与手柄或自动驱动装置连接，方便支撑和转动钢管；
本发明的既有冻土路基公路防治冻胀融沉的方法采用高压气体冲击成缝技术、高聚物注浆层状扩散技术，利用高聚物具有保温隔热及防渗的性能，实现在既有冻土路基等复杂地质条件下防止冻土路基融胀和沉陷，该方法施工方便、操作简便、经济实用，解决了已运行公路冻土路基难以进行保温隔热处治的问题，另外注浆时可以根据病害程度，通过改变注浆量来选择不同的高聚物密度来防止冻土路基融胀和沉陷的问题。
附图说明
图1是根据本发明实施例的一种诱导缝切割装置的结构示意图之一。
图2是根据本发明实施例的一种诱导缝切割装置的结构示意图之二。
图3是根据本发明实施例的推力轴承与连接套筒和涡轮盘连接的结构示意图。
图4是根据本发明实施例的钢管夹紧组件在涡轮盘上的连接结构示意图。
图5是根据本发明实施例的诱导缝切割装置切割诱导缝的结构示意图。
图6是根据本发明实施例的既有冻土路基高聚物注浆防治方法中注浆结构示意图。
图7是根据本发明实施例的既有冻土路基高聚物注浆防治方法中的注浆效果平面结构示意图。
图中：101是空压机，102是旋转接头，103是夹紧组件，1031是V形夹紧片一，1032是V形夹紧片二，1033是支撑柱，1034是螺杆，1035是手柄，1036是导向杆，1037是支撑柱，104是支架，105是手动旋转手柄，106是钢管，107是气孔，108是蜗杆，109是手柄，110是推力轴承，111是涡轮盘，112是连接套筒，200是钻孔，300是诱导缝，400是封孔布袋，500是封孔注浆管，600是注浆管，700是浆液。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体的实施方式对本发明的一种诱导缝切割装置及既有冻土路基公路防治冻胀融沉的方法做更加详细的描述。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
参见图1-图7，本实施例公开了一种诱导缝切割装置，包括钢管和空压机，钢管的一端开口，另一端封闭，钢管的开口端与空压机的出气管道连接，钢管的封闭端的侧壁上设有用于切割诱导缝的气孔。通过在钢管的侧部设置气孔，能方便在一定深度的冻土路基处利用高压气体冲击出诱导缝，为高聚物注浆提供条件。
本实施例中，优选地，钢管上设有一个气孔，这样可以使气孔中喷出的气压足够大，利于切割诱导缝；当然在其他实施例中，钢管上也可以设有偶数个气孔，且两两对应，两个对应的气孔的轴线相重合且与钢管的轴线相交，两个气孔相互对应，能够使气孔喷出高压气体时，对钢管的反作用力抵消。
本实施例中，优选地，钢管的开口端通过旋转接头与空压机的出气管道连接。能够使钢管旋转时，保证空压机的出气管不旋转。
本实施例中，优选地，钢管的上部支撑在支架上，支架上设有供钢管穿过的通孔，支架上活动放置有钢管夹紧组件，钢管夹紧组件能相对支架旋转，使用时，可以在夹紧组件上直接连接手动旋转手柄，然后手动旋转钢管。采用支架和夹紧组件配合可方便控制钢管伸入长度，方便对钢管进行支撑。
在上述方案的基础上，更优选地，支架上在通孔的外圈固定连接有连接套筒，连接套筒上连接有推力轴承，推力轴承的上部套接有涡轮盘，钢管夹紧组件连接在涡轮盘的上部，涡轮盘的侧边还设有与涡轮盘啮合的蜗杆，蜗杆铰接连接在支架上部，蜗杆与手柄或自动驱动装置连接。通过连接套筒、推力轴承与涡轮盘连接，涡轮盘与蜗杆啮合，蜗杆与手柄或自动驱动装置连接，方便支撑和转动钢管。
本实施例中，优选地，钢管夹紧组件包括V形夹紧片一和V形夹紧片二，V形夹紧片一和V形夹紧片二的两端均连接有横向延长板，V形夹紧片一和V形夹紧片二的第一端部的横向延长板均螺接在螺杆上，螺杆的两端铰接连接在支撑柱上，螺杆的一端连接有手柄，支撑柱固定连接在涡轮盘上部；V形夹紧片一和V形夹紧片二的第二端部的横向延长板均滑动连接在导向杆上，导向杆的两端固定连接在支撑柱上，支撑柱固定连接在涡轮盘上部。通过转动与螺杆连接的手柄，能够使V形夹紧片一和V形夹紧片二逐渐靠近从而夹紧钢管，通过导向杆限制V形夹紧片一和V形夹紧片二的移动方向，能够使钢管的轴线和涡轮盘的轴心基本重合，通过涡轮盘的旋转，能够保证钢管旋转是基本以其轴线为中心旋转。
本实施例还公开了一种既有冻土路基公路防治冻胀融沉的方法，包括以下步骤：
(1)钻孔
利用无水钻机在需要处治路段进行布点钻孔，孔径为0.05m，布孔间距0.5m，原则上注浆孔的直径越小对路面的影响越少；
(2)切割诱导缝
将上述任一条的诱导缝切割装置的钢管置于钻孔内，选取直径0.04m的钢管，气孔在距钢管底部0.1m的位置，气孔的直径0.001m，钢管的底部距钻孔底部0.30m，使钢管的底部与钻孔的底部之间留有一定距离是为了使切割过程中产生的土体落入到钻孔底部，然后控制空压机打开高压气体，并旋转钢管，高压气体经气孔喷出并在旋转的作用下对土体进行冲击切割，进而形成诱导缝，待诱导缝切割完成后，拔出钢管；
(3)注浆
将注浆管与封孔注浆管分别放置到指定层位，注浆管的底部位于诱导缝的位置，封孔注浆管的底部高于注浆管的底部，封孔注浆管的底部绑扎有封孔布袋，首先通过封孔注浆管进行注浆，封堵钻孔，然后通过注浆管进行注浆，在注浆压力的作用下浆液沿着诱导缝扩散，之后在膨胀压力的作用下浆液将横向劈裂土体继续扩张，形成横向层状保护层，浆液为膨胀高聚物，利用高聚物具有保温隔热及防渗的性能，实现对冻土路基冻胀和融沉的防护。
浆液采用膨胀高聚物，因为膨胀高聚物一方面能够劈裂扩散，一方面导热系数低，热阻大，是一种低放热高聚物，可以很好的起到保温隔热的作用，能够有效实现对冻土路基冻胀和融沉的防护。另外本申请人针对膨胀高聚物进行的导热测试试验的资料如下：
试件材料：膨胀高聚物
试件规格：90mm*90mm*30mm
测试标准：ASTM C518
测试仪器：HFM 436导热测试仪
检测结果：
从试验结果来看密度越大导热系数越高，理论上，注浆时体积一样的情况下，注浆量越多，密度越大，所以可以通过控制注浆量来控制膨胀高聚物的密封，使其保温隔热的效果更好，因此注浆时可以根据病害程度，通过改变注浆量来选择不同的高聚物密度。
另外结合其他试验数据和查阅相关文件，得到的不同材料的导热系数对比数据如下表：
从上表的对比数据可以看出，膨胀高聚物的导热系数明显小于其他材料，其具有良好热阻性能，能够实现对冻土路基冻胀和融沉的防护。
本实施例中，一种可选的实施方式为：步骤(1)中钻孔的深度至冻土区上限位置，步骤(2)中在路面结构层下部和或冻土区上限位置处切割诱导缝，然后在路面结构层的下部位置和或冻土区上限位置均形成横向层状保护层，在路面结构层下部位置形成的横向层状保护层，此处的横向层状保护层上部为温度变化敏感区，此处的横向层状保护层能起到很好的保温隔热的效果，在冻土上限位置的横向层状保护层因为位于冻土层上部，能够实现对冻土路基冻胀和融沉的防护，当在冻土上限位置和路面结构层下部位置均形成横向层状保护层时，保温隔热的防护效果更好。
本实施例中，另一种可选的实施方式为：步骤(1)中钻孔的深度至路面结构层下部，可以减少钻孔工作量。
本实施例中，优选地，步骤(1)中相邻钻孔的布孔间距使步骤(3)中相邻钻孔的诱导缝内形成的横向层状保护层相连接，这样能够对冻土路基实现连续大面积的防护。
除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请说明书以及权利要求书中如使用“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，如使用“一个”或者“一”等类似词语也不必然表示数量限制。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
上文中参照优选的实施例详细描述了本发明的示范性实施方式，然而本领域技术人员可理解的是，在不背离本发明理念的前提下，可以对上述具体实施例做出多种变型和改型，且可以对本发明提出的各技术特征、结构进行多种组合，而不超出本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种诱导缝切割装置，其特征在于，包括钢管和空压机，所述钢管的一端开口，另一端封闭，所述钢管的开口端与所述空压机的出气管道连接，所述钢管的封闭端的侧壁上设有用于切割诱导缝的气孔。
2.根据权利要求1所述的一种诱导缝切割装置，其特征在于，所述钢管上设有一个气孔。
3.根据权利要求1所述的一种诱导缝切割装置，其特征在于，所述钢管的开口端通过旋转接头与所述空压机的出气管道连接。
4.根据权利要求1所述的一种诱导缝切割装置，其特征在于，所述钢管的上部支撑在支架上，所述支架上设有供所述钢管穿过的通孔，所述支架上活动放置有钢管夹紧组件，所述钢管夹紧组件能相对所述支架旋转。
5.根据权利要求4所述的一种诱导缝切割装置，其特征在于，所述支架上在所述通孔的外圈固定连接有连接套筒，所述连接套筒上连接有推力轴承，所述推力轴承的上部套接有涡轮盘，所述钢管夹紧组件连接在所述涡轮盘的上部，所述涡轮盘的侧边还设有与所述涡轮盘啮合的蜗杆，所述蜗杆铰接连接在所述支架上部，所述蜗杆与手柄或自动驱动装置连接。
6.根据权利要求5所述的一种诱导缝切割装置，其特征在于，所述钢管夹紧组件包括V形夹紧片一和V形夹紧片二，所述V形夹紧片一和V形夹紧片二的两端均连接有横向延长板，所述V形夹紧片一和V形夹紧片二的第一端部的横向延长板均螺接在螺杆上，所述螺杆的两端铰接连接在支撑柱上，所述螺杆的一端连接有手柄，所述支撑柱固定连接在所述涡轮盘上部；所述V形夹紧片一和V形夹紧片二的第二端部的横向延长板均滑动连接在导向杆上，所述导向杆的两端固定连接在支撑柱上，所述支撑柱固定连接在所述涡轮盘上部。
7.一种既有冻土路基公路防治冻胀融沉的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）钻孔
利用无水钻机在需要处治路段进行布点钻孔；
（2）切割诱导缝
将权利要求1-6任一条所述的诱导缝切割装置的钢管置于所述钻孔内，所述钢管的底部距钻孔底部一定距离，然后控制空压机打开高压气体，并旋转钢管，高压气体经气孔喷出并在旋转的作用下对土体进行冲击切割，进而形成诱导缝，待诱导缝切割完成后，拔出钢管；
（3）注浆
将注浆管与封孔注浆管分别放置到指定层位，所述注浆管的底部位于所述诱导缝的位置，所述封孔注浆管的底部高于所述注浆管的底部，所述封孔注浆管的底部绑扎有封孔布袋，首先通过封孔注浆管进行注浆，封堵钻孔，然后通过注浆管进行注浆，在注浆压力的作用下浆液沿着诱导缝扩散，之后在膨胀压力的作用下浆液将横向劈裂土体继续扩张，形成横向层状保护层，所述浆液为膨胀高聚物。
8.根据权利要求7所述的一种既有冻土路基公路防治冻胀融沉的方法，其特征在于，所述步骤（1）中钻孔的深度至冻土区上限位置，所述步骤（2）中在路面结构层下部和或冻土区上限位置处切割诱导缝。
9.根据权利要求7所述的一种既有冻土路基公路防治冻胀融沉的方法，其特征在于，所述步骤（1）中钻孔的深度至路面结构层下部。
10.根据权利要求7所述的一种既有冻土路基公路防治冻胀融沉的方法，其特征在于，所述步骤（1）中相邻钻孔的布孔间距使所述步骤（3）中相邻钻孔的诱导缝内形成的横向层状保护层相连接。
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