CN112376342B - 一种富水地层路基防冻胀结构 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种富水地层路基防冻胀结构，包括：憎水性防水层、土工排水层和排水沟；憎水性防水层在路基以下地基土范围内呈U形槽状结构；土工排水层铺设在路基下部，沿路基纵向均布铺设；排水沟设在地基土上方，用于排出路基本体内多余水分；其中，憎水性防水层的厚度根据当地地下水水位和承压情况进行设计，憎水性防水层在宽度方向上可容纳路基及位于路基两侧的排水沟，在竖直方向上延伸至设计高度。本发明实施例提供了一种富水地层路基防冻胀结构，可阻隔路基冻胀过程中的地下水补给通道，快速排出路基水分，且结构简单、施工方便、选材环保。

Description

一种富水地层路基防冻胀结构

技术领域

本发明涉及冻土地区路基工程技术领域，尤其涉及一种富水地层路基防冻胀结构。

背景技术

寒区路基冻胀变形是指路基土体中的液态水在负温作用下相变成冰，导致路基体积膨胀的现象。路基冻胀变形会危害上层线路的稳定性和平顺性，是寒区路基工程的主要难题。在冬季，路基填土中原有的液态水相变成冰，同时，其下部未冻区的水分则在毛细作用和水汽迁移作用下向冻结区域迁移，为路基冻胀提供水分补给。因此，控制路基冻胀的关键是控制路基内的水分含量。

现有研究表明，路基冻胀变形的主要贡献不是路基本身的水分，而是其下部地基土的水分补给。在富水地层，土壤水分含量高，地下水位埋深较浅，缩短了毛细作用和水汽迁移路径，为路基冻胀的发展提供充足的水分补给，加剧了路基的冻胀变形问题。因此，阻隔寒区富水地层地下水向路基的迁移路径、控制路基土体含水量，对于控制路基冻胀量、保证线路安全性和平顺性具有重要意义。

现有文献中，少许专利提出了寒区路基水分控制结构或方法，如：在路基内部铺设隔水层、排水层，在路基两侧修筑排水沟、排水管等。此外，也有一些文献提出了抑制路基下部地下水向上迁移的方法，如路基下部注浆、提高路基填筑高度等。

上述现有技术中的具有以下缺点：

(1)这些寒区路基水分控制技术大多是路基内部防排水措施，并未从源头限制地基地下水向路基迁移，因此，在富水地层，这些措施的水分控制效果有限；

(2)传统的路基隔水层只能起到一定的水分隔离效果，无法主动排出路基内水分，依然会有地下水通过水汽迁移等方式通过隔离层到达路基上部，引发冻胀；

(3)传统的路基隔水层难以应对地下水位上升的情况。当地下水位因降雨、渗流等作用上升时，对上部路基的水分补给将得到增强，原先有效的隔水层可能无法继续控制路基水分含量；

(4)传统的注浆法需要向路基下部灌注浆液，成本高昂、施工复杂且对环境扰动大。

综上，现有的路基水分控制技术难以在富水地层的高地下水位和较快的水分迁移速率条件下，控制路基水分，并不能有效防止该地区的路基冻胀变形病害，且难以应对地下水位上升情况。寒区富水地层公路路基、铁路路基、浅基础等工程构筑物的安全运营仍然受到威胁。

发明内容

本发明的实施例提供了一种富水地层路基防冻胀结构，以克服现有技术的缺陷。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种富水地层路基防冻胀结构，包括：憎水性防水层、土工排水层和排水沟，所述憎水性防水层的工作模式不受憎水性防水层外地下水位升降的影响；

所述憎水性防水层在路基以下地基土范围内呈U形槽状结构，将地基土分隔为两个区域：U型槽外部的渗流区和U型槽内部的非渗流区；

所述土工排水层铺设在路基下部，沿路基纵向均布铺设，沿路基横向分为2个部分：土工排水层吸水段和土工排水层蒸发段，所述土工排水层吸水段位于路基本体内部，用于吸收路基内部水分，所述土工排水层蒸发段位于路基两侧边坡，用于蒸发土工排水层内水分，所述土工排水层吸水段和土工排水层蒸发段彼此联通，路基内部水分经土工排水层吸水段吸收，流入土工排水层蒸发段，相变为气态水进入大气；

所述排水沟设在地基土上方，用于排出路基的多余水分；

其中，所述憎水性防水层的厚度根据当地地下水水位和承压情况进行设计，所述憎水性防水层在宽度方向上可容纳路基及位于路基两侧的排水沟，所述憎水性防水层在竖直方向上延伸至地面或所述憎水性防水层的顶部高于积水高度。

优选地，所述憎水性防水层是由天然土料混合憎水材料制作而成的改良土层。

优选地，所述憎水材料成分为Zycosoil型纳米技术材料，将所述Zycosoil型纳米技术材料与土体混合后，土体由原来的亲水性材料改良为疏水性材料。

优选地，所述憎水性防水层的厚度为20-40cm。

优选地，所述憎水性防水层外部的渗流区的地下水位不会流入路基本体，即路基土体不会从所述渗流区获得水分补给。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的一种富水地层路基防冻胀结构，具有以下有益效果：(1)通过在路基以下地基土范围内铺设U形槽状的憎水性防水层，将地基土分隔为渗流区和非渗流区，可主动阻隔富水地层地基地下水迁移路径，从源头上控制了路基冻胀过程的水分补给，相比其他被动的路基内部隔水措施，更适用于水位高、水分迁移量大的富水地层；(2)通过土工排水层的吸水段和蒸发段可迅速排干路基中由U型槽内地基土迁移而来的水分，相比其他排水方案，排水速度更快；(3)憎水性防水层采用原位改良土掺憎水材料制作，相对其他防渗措施，取材方便、施工简单、过程环保；(4)憎水性防水层和土工排水层的工作模式不受地下水位波动的影响，即使在地下水位上升，或地面积水时，也能有效地阻隔地下水向上迁移。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种富水地层路基防冻胀结构示意图；

图2为常规路基水分迁移过程示意图；

图3为采用本发明实施例的结构后路基水分迁移过程示意图。

附图标记：

1、路基；2、憎水性防水层；3、土工排水层吸水段；4、土工排水层蒸发段；5、排水沟；6、地基土。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本发明实施例提供了一种富水地层路基防冻胀结构，如图1所示，包括：憎水性防水层2、土工排水层和排水沟5，憎水性防水层2的工作模式不受憎水性防水层外地下水位升降的影响。具体地：

1)憎水性防水层

憎水性防水层2是由天然土料混合憎水改良材料制作而成的改良土层。憎水材料成分为Zycosoil型纳米技术材料，通过将其与土体混合，可将土体由原来的亲水性材料改良为疏水性材料，大幅降低其持水能力和渗透性。

憎水性防水层2在路基以下地基土6范围内呈U形布置，厚度值根据当地地下水水位和承压情况进行设计，建议厚度T在20-40cm；埋置深度取当地历史最大地下水位深度，当缺乏资料时，应大于当地地下水埋深；憎水性防水层2在宽度方向上需能容纳路基1及两侧排水沟5，在竖直方向上延伸至地面，在路基下方地基土范围内形成U型槽状结构，如考虑地面积水，憎水性防水层的顶部高于积水高度。

憎水性防水层2的工作模式如下：憎水性防水层2可将地基土分隔为两个区域：U型槽外部的渗流区和U型槽内部的非渗流区。在憎水性防水层以外的渗流区，土体地下水正常渗流，地下水位随季节和环境变化而上下浮动；在憎水性防水层以内的非渗流区，当非渗流区土体水分向上迁移时，该区域内土体具有从周边土体吸水的趋势，而憎水性防水层的低持水性和低渗透性使渗流区水分难以渗入非渗流区，非渗流区内土体无法从周边渗流区获得水分补给，总含水量相对稳定。随着非渗流区土体水分向上迁移，路基土6中水的总势能和非渗流区土中水的总势能达到平衡，路基1下部水分不再具有向上迁移的驱动力，水分迁移停止，路基土体的含水量得到控制。并且，憎水性防水层的工作模式不受防水层外地下水位升降的影响。

憎水性防水层的施工方法如下：1.开挖地基土至防水层设计埋深；2.配置憎水改良液，配比为憎水材料：水＝1:100；3.取开挖得来的天然地基土，掺入憎水改良液，配合比为土：改良液＝1:0.2，制成憎水改良土；4.将制作完成的憎水改良土均匀铺设在基坑坑底，并压实至憎水性防水层的设计厚度T；5.沿基坑侧壁分层铺设憎水改良土，同时回填地基土，二者交替进行，分层压实，以保证憎水性防水层与地基土紧密联结，且为一连续、均匀的U形结构；6.将憎水改良土铺设至设计高度后，对地基表面进行平整处理，憎水性防水层制作完成。

2)土工排水层

土工排水层铺设在路基1下部，沿路基1纵向均布铺设，沿路基1横向分为2个部分：土工排水层吸水段3和土工排水层蒸发段4。土工排水层吸水段3位于路基本体内部，用于吸收路基内部水分；土工排水层蒸发段4位于路基两侧边坡，用于蒸发土工排水层内水分，蒸发段长度L建议在0.5m-1.0m。土工排水层吸水段3和土工排水层蒸发段4彼此联通，路基1内部水分经土工排水层吸水段3吸收，流入土工排水层蒸发段4，最后相变为气态水进入大气。土工排水层采用H2RI新型土工织物，具有较高的吸水性和吸湿性，最大吸力可达到140MPa。该型土工织物采用多纤维、多通道制作工艺，具有高比表面积和高渗透性，因而具有较大的毛细吸力和良好的输水性能，可吸收路基1内由地基土6迁移而来的水分，并通过护坡上的土工排水层蒸发段4将水分排出路基1。土工排水层与憎水性防水层协同工作，主动隔水、排水，共同将路基含水量控制在不冻胀或微冻胀水平。

3)排水沟

排水沟5设在地基土上方，用于当降雨、降雪或土工排水层排出的路基水分过多时，汇集水分，避免其流入下部地基土6。排水沟5内表面采用C20素混凝土衬砌，该衬砌层具有隔水性，使汇入其中的水分不会渗入下部地基。

本发明提供的一种富水地层路基防冻胀结构控制富水地层路基冻胀的原理如下：

通过憎水性防水层，切段U型槽内土体与槽外土体的渗流路径，使得槽外水分难以渗流至U型槽内土体。这样，在路基冻胀过程中，其水分补给来源只有槽内土体的少部分水分，消除了路基冻胀过程中的大部分水分补给；针对U型槽内土体的水分补给，在路基下部设置土工排水层，利用土工排水层的高吸力主动吸收路基水分，并通过土工排水层蒸发段将水分排入大气。憎水性防水层与土工排水层相互配合，控制地基土向路基的水分补给，并排出路基内水分，使路基保持干燥状态，且该工作模式不受地基土中地下水位波动的影响，从而控制路基冻胀问题。

越干的土体，越密孔隙的材料，具有越强的吸水性。如图2所示，常规路基水分吸收路径为：路基吸收下部地基水分，下部地基吸收两侧富水地层水分。

如图3所示，本发明提供的一种富水地层路基防冻胀结构，水分吸收路径为：在路基-地基交界面，路基先吸收U形槽内土体水分，U形槽内土体难以吸收槽外水分，则路基吸收的水量大幅减小；在路基内部，土工排水层吸水段吸收路基水分，被吸收的水分通过土工排水层蒸发段排入大气。水分被吸收的顺序为：大气-土工排水层蒸发段-土工排水层吸水段-路基-U型槽内地基土，路基吸收的水量减小而被吸收的水量增大，故可保持在干燥状态。

综上所述，本发明实施例提供的一种富水地层路基防冻胀结构，可阻隔路基冻胀过程中的地下水补给通道，快速排出路基水分，以将路基土体含水量控制在不冻胀或微冻胀水平，并在地下水位上升时仍能起到水分阻隔效果，可在富水地层的高地下水位和较快的水分迁移速率条件下控制路基冻胀变形，而且结构简单、施工方便、选材环保。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种富水地层路基防冻胀结构，其特征在于，包括：憎水性防水层、土工排水层和排水沟；

所述憎水性防水层的工作模式不受憎水性防水层外地下水位升降的影响，具体包括：所述憎水性防水层与土工排水层相互配合，控制地基土向路基的水分补给，并排出路基内水分，使路基保持干燥状态，且该工作模式不受地基土中地下水位波动的影响；

所述憎水性防水层在路基以下地基土范围内呈U形槽状结构，将地基土分隔为两个区域：U型槽外部的渗流区和U型槽内部的非渗流区；

所述土工排水层铺设在路基下部，沿路基纵向均布铺设，沿路基横向分为2个部分：土工排水层吸水段和土工排水层蒸发段，所述土工排水层吸水段位于路基本体内，用于吸收路基内部水分，所述土工排水层蒸发段位于路基两侧边坡，用于蒸发土工排水层内水分，所述土工排水层吸水段和土工排水层蒸发段彼此联通，路基内部水分经土工排水层吸水段吸收，流入土工排水层蒸发段，相变为气态水进入大气；

所述排水沟设在地基土上方，用于排出路基的多余水分；

其中，所述憎水性防水层的厚度根据当地地下水水位和承压情况进行设计，所述憎水性防水层在宽度方向上可容纳路基及位于路基两侧的排水沟，所述憎水性防水层在竖直方向上延伸至地面或所述憎水性防水层的顶部高于地面积水高度；

所述憎水性防水层是由天然土料混合憎水材料制作而成的改良土层；所述憎水性防水层中天然土料与憎水改良液的配比为1:0.2，所述憎水改良液的配比为憎水材料:水＝1:100；

所述憎水材料成分为Zycosoil型纳米技术材料，将所述Zycosoil型纳米技术材料与土体混合后，土体由原来的亲水性材料改良为疏水性材料。

2.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述憎水性防水层的厚度为20-40cm。

3.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述憎水性防水层外部的渗流区的地下水位不会流入路基本体，即路基土体不会从所述渗流区获得水分补给。

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