CN112501969B - 一种防冻害与抗振加固路基结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种防冻害与抗振加固路基结构，包括最底部的粗粒土垫层，并且在所述的粗粒土垫层上面从下至上依次还包括加筋铝基复合材料颗粒碎石垫层、铃桩石灰废旧混凝土填料垫层和加筋固化土填料垫层；所述的哑铃桩石灰废旧混凝土填料垫层的构筑方法如下：将石灰、废旧混凝土、填料按重量比4‑12：10‑18：100混合搅拌均匀后铺设，并且在该垫层内部按等间距水平埋设多个哑铃桩，本发明解决季节冻土区重载铁路路基冻害与振陷问题，提高线路平顺性，能够保持路基稳定、避免路基不均匀沉降，减少了路基损伤，保证了铁路列车行驶安全。

Description

一种防冻害与抗振加固路基结构

技术领域

本发明涉及路基结构加固技术领域，具体涉及一种防冻害与抗振加固路基结构。

背景技术

为了适应铁路货运量不断增加，重载铁路以运输能力大、工作效率高和成本低等诸多优势，受到各国铁路货运发展的普遍关注与重视，铁路的重载化已成为各国铁路货运发展的大方向。同时，重载铁路也具有其自身轴重大、牵引大及行车密度高的特点，在长期列车往复动荷载行驶作用下往往会引发路基振陷，出现路基不均匀沉降问题；并且，在冻土区铁路建设中，常常发生路基破坏现象，特别是季节冻土区路基病害问题更为突出，多为冻胀与融沉引发的路基冻害问题，同时伴随着路基强度与稳定性的显著下降，造成重载铁路路基病害频繁，威胁行车安全，因此，解决重载铁路路基病害防治技术是铁路货运系统快速发展的基础。

发明内容

基于以上不足之处，本发明提供一种防冻害与抗振加固路基结构，解决季节冻土区重载铁路路基冻害与振陷问题，提高线路平顺性，能够保持路基稳定、避免路基不均匀沉降，减少了路基损伤，保证了铁路列车行驶安全。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种防冻害与抗振加固路基结构，包括最底部的粗粒土垫层，在所述的粗粒土垫层上面从下至上依次还包括加筋铝基复合材料颗粒碎石垫层、铃桩石灰废旧混凝土填料垫层和加筋固化土填料垫层，

所述的加筋铝基复合材料颗粒碎石垫层的构筑方法如下：将铝基复合材料的颗粒与碎石按重量比2-3：1混合搅拌均匀后铺设，并且在该垫层内部水平铺设三角浪线形土工格栅，两侧设置边坡挡板，铝基复合材料颗粒粒径2-10mm，碎石粒径为10-40mm；本垫层具有较好的减隔振效果及抗冻性，其中，铝基复合材料颗粒强度高、质量轻、塑性好、模量高、耐磨性好、耐蚀性好、延展性好、韧性高、拉伸强度高，优良的减隔振材料；碎石不但有良好隔振效果，强度高，且具有良好的抗冻胀与融沉作用；两侧设置的挡板可有效阻挡列车荷载振动或地震作用下铝基复合材料颗粒、碎石颗粒向两侧摊开或运动，可有效降低影响减隔振和抗冻效果的因素；中间铺设的三角浪线土工格栅对铝基复合材料颗粒碎石具有很好的加筋作用，提升铝基复合材料颗粒碎石垫层的强度与整体性，有效抑制铝基复合材料颗粒和碎石颗粒发生水平位移，提升颗粒材料减隔振和抗冻效果的持久性。

所述的哑铃桩石灰废旧混凝土填料垫层的构筑方法如下：将石灰、废旧混凝土、填料按重量比4-12：10-18：100混合搅拌均匀后铺设，并且在该垫层内部按等间距水平埋设多个哑铃桩，废旧混凝土粉碎为颗粒状，粒径为5-10mm；本垫层有较高强度与稳定性，具备一定的减振作用。石灰可提升填料一定的强度，石灰土中的哑铃桩桩帽与桩之间铰接，可协调变形，有一定减振效果。废旧混凝土应用于铁路路基，为废旧材料再生利用，增强工程性能。

所述的加筋固化土填料垫层的构筑方法如下：将纤维、固化剂、土料按照0.05-5:3-10:100的重量配比混合均匀制成纤维固化土填料，该层外侧外部全包土工布，将纤维固化土填料填筑于土工布内，在该垫层内部中间水平铺设有一层土工格室。加筋固化土填料垫层具有较高的强度与承载能力，具有很好的防冻害作用。固化剂加固可显著提升填料强度，具有较好的防渗性；纤维具有较好的三维加筋作用，可全面改善土体多方向的变形能力，良好水稳定性，增强填料的抗拉、抗剪强度，解决固化土单一加固易出现开裂问题，中间土工格室具有很好的加筋作用与防开裂性，提升加筋固化土填料垫层整体强度与结构性；反向全包边土工布可防止填料侧向变形与挤出，加强整体稳定性与功能性。

本发明还具有如下技术特征：

1、所述的哑铃桩包括顶桩帽、短桩和底桩帽，短桩的上下两端分别与顶桩帽、底桩帽铰接。

2、所述的哑铃桩石灰废旧混凝土填料垫层与上层的加筋固化土填料垫层的底层土工布固定连接。

3、所述的铝基复合材料的颗粒为碳化硅颗粒增强铝基复合材料、氧化铝颗粒增强铝基复合材料、氮化铝颗粒增强铝基复合材料、富勒烯纳米相增强铝基复合材料、石墨烯纳米相增强铝基复合材料、碳纳米管纳米相增强铝基复合材料中的一种或几种任意比例混合。

4、所述三角浪线形土工格栅为塑料土工格栅、钢塑土工格栅、玻璃纤维土工格栅和聚酯经编涤纶土工格栅中一种，土工格栅搭接长度为15-20cm，搭接处进行绑扎。

5、所述土工布为聚酯长丝土工布、无纺土工布、一布一膜土工布中的一种，土工布搭接长度为18-25cm，每间隔2m需用U形钉固定在哑铃桩石灰废旧混凝土填料垫层上。

6、所述的边坡挡板为混凝土边坡挡板，厚度为20cm。

7、所述的哑铃桩石灰废旧混凝土填料垫层厚度为30-55cm。

8、所述加筋铝基复合材料颗粒碎石垫层厚度为25-40cm。

9、所述的加筋固化土填料垫层厚度为25-40cm。

本发明具有如下有益效果：本发明路基结构可避免季节冻土区重载铁路路基的病害问题，且路基结构简单，施工方便，节能环保，高效长久，保证铁路列车行驶安全与线路平顺，能够保持路基稳定、避免不均匀沉降，减少了路基损伤。

附图说明

图1为一种防冻害与抗振加固路基结构示意图；

图2为哑铃桩示意图；

图3为四种垫层材料的动剪应力与动剪应变的关系曲线对比；

图4为输入加速度峰值0.9g的Mexico地震波下三种垫层加速度反应时程曲线对比图，(a)：碎石垫层、铝基复合材料颗粒碎石垫层加速度反应时程曲线对比；(b)：铝基复合材料颗粒碎石垫层、加筋铝基复合材料颗粒碎石垫层加速度反应时程曲线对比；

图5为输入加速度峰值0.9g的Mexico地震波下三种垫层加速度峰值对比图。

其中，1、土工布；2土工格室；3、纤维固化土填料；4、哑铃桩；5、石灰废旧混凝土填料；6、边坡挡板；7、三角浪线形土工格栅；8、铝基复合材料的颗粒和碎石混合物；9、粗粒土，10、顶桩帽；11、短桩；12、底桩帽。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1-2所示，一种防冻害与抗振加固路基结构，包括最底部的粗粒土垫层，并且在所述的粗粒土垫层上面从下至上依次还包括加筋铝基复合材料颗粒碎石垫层、铃桩石灰废旧混凝土填料垫层和加筋固化土填料垫层。

所述的加筋铝基复合材料颗粒碎石垫层的构筑方法如下：将铝基复合材料的颗粒与碎石按重量比2-3：1混合搅拌均匀后铺设，并且在该垫层内部水平铺设三角浪线形土工格栅，两侧设置边坡挡板；

所述的哑铃桩石灰废旧混凝土填料垫层的构筑方法如下：将石灰、废旧混凝土、填料按重量比4-12：10-18：100混合搅拌均匀后铺设，并且在该垫层内部按等间距水平埋设多个哑铃桩4，废旧混凝土粉碎为颗粒状，粒径为5-10mm；

所述的加筋固化土填料垫层的构筑方法如下：将纤维、固化剂、土料按照0.05-5:3-10:100的重量配比混合均匀制成纤维固化土填料，该层外侧外部全包土工布，将纤维固化土填料填筑于土工布内，在该垫层内部中间水平铺设有一层土工格室。

施工方法如下：

首先，在施工前，需提前做好所需的准备工作，及其平整好场地。

接着，摊铺粗粒土9，采用整平、碾压、分层填筑的方式，粗粒土垫层厚度为20-35cm，粗粒土压实系数≥0.95。

接着，把铝基复合材料制成颗粒状，粒径2-10mm，碎石粒径为10-40mm，铝基复合材料颗粒、碎石按重量比3-2：1混合均匀，在两侧边坡预埋两个混凝土挡板6，厚度为20cm，将铝基复合材料颗粒和碎石混合物倒入槽中，摊铺、整平、碾压，厚度达1/2，中间水平铺设一层三角浪线形土工格栅7，再倒入铝基复合材料颗粒和碎石混合物，摊铺、整平、碾压，铝基复合材料颗粒碎石垫层厚度25-40cm。

其中，铝基复合材料的颗粒为碳化硅颗粒增强铝基复合材料、氧化铝颗粒增强铝基复合材料、氮化铝颗粒增强铝基复合材料、富勒烯纳米相增强铝基复合材料、石墨烯纳米相增强铝基复合材料、碳纳米管纳米相增强铝基复合材料中一种或几种任意比例混合。

其中，三角浪线形土工格栅7为塑料土工格栅、钢塑土工格栅、玻璃纤维土工格栅和聚酯经编涤纶土工格栅中一种，土工格栅搭接长度为15-20cm，搭接处进行绑扎，绑扎材料为塑带。

接着，将废旧混凝土进行粉碎为直径5-10mm颗粒状；然后将石灰、废旧混凝土、填料按4-12：10-18：100的重量比配备材料，放入搅拌机中加入最佳含水率的水量拌和均匀，运送到施工现场，填筑一层石灰废旧混凝土填料5，摊铺、整平、碾压，中间等间距水平放置一排哑铃桩4，再填筑石灰废旧混凝土填料5，摊铺、整平、碾压，哑铃桩石灰废旧混凝土填料垫层厚度30-55cm，石灰废旧混凝土填料5压实系数≥0.95。

其中，哑铃桩包括顶桩帽、短桩和底桩帽，短桩的上下两端分别与顶桩帽、底桩帽铰接。

接着，固化剂按一定配合比混合均匀，将纤维、固化剂、土料按照0.05-5:3-10:100的重量比配备材料，纤维固化土填料3由纤维和固化剂联合加固填料而形成，加入最佳含水率的水量混合均匀，初凝前运送到施工现场；先在哑铃桩石灰废旧混凝土填料垫层顶面铺设土工布1，两边预留一定的长度，填筑纤维固化土填料3，摊铺、平整、碾压，厚度为设计值1/2，中间水平铺设一层水平土工格室2，再填筑纤维固化土填料3，摊铺、平整、碾压，最后将预留土工布1反向全包纤维固化土填料3，纤维固化土填料3压实系数≥0.95。

其中，纤维固化土填料采用的纤维为聚丙烯纤维、聚酯纤维、聚乙烯纤维、玻璃纤维中一种或几种任意混合，纤维长度为3-36cm；固化剂按以下重量份组成：水泥15-20份，矿渣粉10-15份，粉煤灰18-22份，纳米锆石粉15-18份，陶瓷粉6-10份，高吸水树脂0.5-2份，四苯基甲烷1.5-3.5份，磷酸铝1-3份，海藻酸钠1.5-3份，水溶性硅酸钠6-9份，缓凝剂0.6-1.2份，激发剂8-12份，胶粘剂10-15份，表面活性剂0.03-0.05份，减水剂0.5-2份。其中，缓凝剂为酒石酸、柠檬酸种一种或二种；激发剂为聚羧酸盐类、醇胺类、萘磺酸类、氢氧化钠、水玻璃、氯化钙中一种或几种；胶粘剂为环氧树脂胶粘剂、聚氨酯胶黏剂、丙烯酸系树脂胶粘剂中一种或几种；表面活性剂为三乙醇胺；减水剂为聚羧酸类减水剂、萘系减水剂、胺基类减水剂、脂肪族类减水剂中一种或几种；

土工布1为聚酯长丝土工布、无纺土工布、一布一膜土工布中一种，土工布1搭接长度为18-25cm，每间隔2m需用U形钉固定在哑铃桩石灰废旧混凝土填料垫层上，把纤维固化土填料填筑于土工布1内侧，在反向全包边，以防止土料外漏与变形溢出。

最后，在路基顶面铺设道砟与布设轨道。

四种不同垫层材料动荷载作用下动力性能有所差异。在列车行驶中，列车动荷载对路基影响是从上至下的传递过程，但在从上至下传递过程中对路基的动力响应不断衰减，沿深度的方向，工程中路基结构层从上至下垫层的临界动强度应呈下降趋势，因此，工程中采用路基结构层从上至下采用材料的性能表现为好、较好、一般的路基填料，在满足铁路路基要求前提下，为了安全起见，每一层路基填料还需确保一定的安全冗余量20％以上。

如图4-5所示，输入加速度峰值0.9g的Mexico地震波下三种垫层加速度反应存在差异。在输入相同的加速度时，三种垫层加速度反应时程曲线从高到低依次为：碎石垫层、铝基复合材料颗粒碎石垫层、加筋铝基复合材料颗粒碎石垫层。与输入加速度峰值0.9gMexico地震波相比，碎石垫层对地震波加速度反应减弱作用较小，铝基复合材料颗粒碎石垫层对地震波加速度反应减弱作用增加，加筋铝基复合材料颗粒碎石垫层对地震波加速度反应减弱作用最大。三种垫层的减隔振作用从好到坏依次为：加筋铝基复合材料颗粒碎石垫层、铝基复合材料颗粒碎石垫层、碎石垫层。

实施例2

一种防冻害与抗振加固路基结构，包括最底部的粗粒土垫层，并且在所述的粗粒土垫层上面从下至上依次还包括加筋铝基复合材料颗粒碎石垫层、铃桩石灰废旧混凝土填料垫层和加筋固化土填料垫层，所述的粗粒土垫层厚度为20cm。

所述的加筋铝基复合材料颗粒碎石垫层的构筑方法如下：将铝基复合材料的颗粒与碎石按重量比3：1混合搅拌均匀后铺设，并且在该垫层内部水平铺设三角浪线形土工格栅，两侧设置边坡挡板，厚度为20cm；所述加筋铝基复合材料颗粒碎石垫层厚度为25cm；

所述的哑铃桩石灰废旧混凝土填料垫层的构筑方法如下：将石灰、废旧混凝土、填料按重量比4：10：100混合搅拌均匀后铺设，并且在该垫层内部按等间距水平埋设多个哑铃桩，废旧混凝土粉碎为颗粒状，粒径为5mm；所述的哑铃桩石灰废旧混凝土填料垫层厚度为30cm；

所述的加筋固化土填料垫层的构筑方法如下：将纤维、固化剂、土料按照0.05:3:100的重量配比混合均匀制成纤维固化土填料，该层外侧外部全包土工布，将纤维固化土填料填筑于土工布内，在该垫层内部中间水平铺设有一层土工格室；所述的加筋固化土填料垫层厚度为25cm。

实施例3

一种防冻害与抗振加固路基结构，包括最底部的粗粒土垫层，并且在所述的粗粒土垫层上面从下至上依次还包括加筋铝基复合材料颗粒碎石垫层、铃桩石灰废旧混凝土填料垫层和加筋固化土填料垫层，所述的粗粒土垫层厚度为35cm。

所述的加筋铝基复合材料颗粒碎石垫层的构筑方法如下：将铝基复合材料的颗粒与碎石按重量比2：1混合搅拌均匀后铺设，并且在该垫层内部水平铺设三角浪线形土工格栅，两侧设置边坡挡板，厚度为20cm；所述加筋铝基复合材料颗粒碎石垫层厚度为25cm；

所述的哑铃桩石灰废旧混凝土填料垫层的构筑方法如下：将石灰、废旧混凝土、填料按重量比12：18：100混合搅拌均匀后铺设，并且在该垫层内部按等间距水平埋设多个哑铃桩4，废旧混凝土粉碎为颗粒状，粒径为10mm；所述的哑铃桩石灰废旧混凝土填料垫层厚度为55cm；

所述的加筋固化土填料垫层的构筑方法如下：将纤维、固化剂、土料按照5：10：100的重量配比混合均匀制成纤维固化土填料，该层外侧外部全包土工布，将纤维固化土填料填筑于土工布内，在该垫层内部中间水平铺设有一层土工格室；所述的加筋固化土填料垫层厚度为40cm。

Claims (10)

1.一种防冻害与抗振加固路基结构，包括最底部的粗粒土垫层，其特征在于，在所述的粗粒土垫层上面从下至上依次还包括加筋铝基复合材料颗粒碎石垫层、哑铃桩石灰废旧混凝土填料垫层和加筋固化土填料垫层；

所述的加筋铝基复合材料颗粒碎石垫层的构筑方法如下：将铝基复合材料的颗粒与碎石按重量比2-3：1混合搅拌均匀后铺设，并且在该垫层内部水平铺设三角浪线形土工格栅，两侧设置边坡挡板，铝基复合材料的颗粒粒径2-10mm，碎石粒径为10-40mm；

所述的哑铃桩石灰废旧混凝土填料垫层的构筑方法如下：将石灰、废旧混凝土、填料按重量比4-12：10-18：100混合搅拌均匀后铺设，并且在该垫层内部按等间距水平埋设多个哑铃桩，所述的废旧混凝土粉碎为颗粒状，粒径为5-10mm；

所述的加筋固化土填料垫层的构筑方法如下：将纤维、固化剂、土料按照0.05-5:3-10:100的重量配比混合均匀制成纤维固化土填料，该层外侧外部全包土工布，将纤维固化土填料填筑于土工布内，在该垫层内部中间水平铺设有一层土工格室。

2.根据权利要求1所述的一种防冻害与抗振加固路基结构，其特征在于，所述的哑铃桩包括顶桩帽、短桩和底桩帽，短桩的上下两端分别与顶桩帽、底桩帽铰接。

3.根据权利要求1所述的一种防冻害与抗振加固路基结构，其特征在于，所述的哑铃桩石灰废旧混凝土填料垫层与上层的加筋固化土填料垫层的底层土工布固定连接。

4.根据权利要求1所述的一种防冻害与抗振加固路基结构，其特征在于，所述的铝基复合材料的颗粒为碳化硅颗粒增强铝基复合材料、氧化铝颗粒增强铝基复合材料、氮化铝颗粒增强铝基复合材料、富勒烯纳米相增强铝基复合材料、石墨烯纳米相增强铝基复合材料、碳纳米管纳米相增强铝基复合材料中的一种或几种任意比例混合。

5.根据权利要求1所述的一种防冻害与抗振加固路基结构，其特征在于，所述三角浪线形土工格栅为塑料土工格栅、钢塑土工格栅、玻璃纤维土工格栅和聚酯经编涤纶土工格栅中一种，土工格栅搭接长度为15-20cm，搭接处进行绑扎。

6.根据权利要求1所述的一种防冻害与抗振加固路基结构，其特征在于，所述土工布为聚酯长丝土工布、无纺土工布、一布一膜土工布中的一种，土工布搭接长度为18-25cm，每间隔2m需用U形钉固定在哑铃桩石灰废旧混凝土填料垫层上。

7.根据权利要求1所述的一种防冻害与抗振加固路基结构，其特征在于，所述的边坡挡板为混凝土边坡挡板，厚度为20cm。

8.根据权利要求1所述的一种防冻害与抗振加固路基结构，其特征在于，所述的哑铃桩石灰废旧混凝土填料垫层厚度为30-55cm。

9.根据权利要求1所述的一种防冻害与抗振加固路基结构，其特征在于，所述加筋铝基复合材料颗粒碎石垫层厚度为25-40cm。

10.根据权利要求1所述的一种防冻害与抗振加固路基结构，其特征在于，所述的加筋固化土填料垫层厚度为25-40cm。

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