CN115075281B - 可减缓冻土热扰动的cfg桩-筏板复合地基结构及施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了可减缓冻土热扰动的CFG桩‑筏板复合地基结构及施工方法，包括路面结构层、路堤、筏板、保温板、褥垫层、反压护坡道、活动层、CFG桩；路面结构层的一侧设置路堤，路堤的一侧设置筏板，筏板的一侧设置保温板，保温板的一侧设置褥垫层，CFG桩贯穿设置于路面结构层，反压护坡道的底部是活动层；本发明减少CFG桩混凝土的水化热对CFG桩体的损害以及对周围土体特别是多年冻土层的热扰动、有效利用了CFG桩体的水化热，避免活动层的冻胀，当暖季活动层温度较高时，空气层中的液态相变材料还能重复利用吸收周围土体的热量，防止热量的下渗，减少对多年冻土层的扰动。
Description
技术领域
本发明涉及多年冻土路基维护领域，尤其涉及可减缓冻土热扰动的CFG桩-筏板复合地基结构及施工方法。
背景技术
我国多年冻土主要分布在青藏高原地区和黑龙江省小兴安岭地区。在多年冻土地区修筑公路一直是工程技术人员面临的一个难题，但是随着科技的发展，科研人员及工程技术人员加深了对多年冻土的认识和了解，因此也研究出了多年冻土地区修建公路的新方法新技术。如今国内外在多年冻土区修筑公路主要采用的工程措施有修筑特殊形式的路基，如热棒路基、通风管路基等，还有就是采取复合地基的形式来加强地基，如碎石桩复合地基、CFG桩复合地基及CFG桩-筏复合地基等。
然而目前采用CFG桩对冻土地基进行加固，由于东北高纬高寒地区岛状冻土具有地温高、厚度小，且冻土自身热稳定性差，这就使得工程活动对其的扰动更加敏感。而CFG桩在施工过程中其产生水化热将对桩周冻土产生较大影响，而冻土融化后会影响到路基的稳定性，且会导致CFG桩侧向约束明显降低，对CFG桩承载力产生明显影响。
因此，为满足多年冻土区修筑高速公路的实际工程需要，研究一种可减缓冻土热扰动的CFG桩-筏板复合地基结构及施工方法显得尤为重要。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了可减缓冻土热扰动的CFG桩-筏板复合地基结构及施工方法。
具体的技术方案如下：
可减缓冻土热扰动的CFG桩-筏板复合地基结构，包括路面结构层、路堤、筏板、保温板、褥垫层、反压护坡道、活动层、CFG桩；路面结构层的一侧设置路堤，路堤的一侧设置筏板，筏板的一侧设置保温板，保温板的一侧设置褥垫层，CFG桩贯穿设置于路面结构层，反压护坡道的底部是活动层。
CFG桩包括储气层、温控阀门、连通口、温度传感器、空气层、真空层、相变材料层、CFG桩体、温度控制器、太阳能充电蓄电设备；
保温板的底部设置储气层，储气层的底部设置温控阀门，CFG桩体的外侧设置相变材料层，相变材料层的内部设置连通口，相变材料层外侧设置真空层，真空层外部有空气层，温度传感器设置在桩周土体之中，温度传感器、温控阀门均与温度控制器相连，空气层的顶部设置温控阀门，温控阀门连接所述温度控制器，温度控制器的外侧壁的一侧设置太阳能充电蓄电设备。
优选地，相变材料层、空气层、储气层模具均由不锈钢材质预制而成。
优选地，可减缓冻土热扰动的CFG桩-筏板复合地基结构的施工方法，包括以下步骤：
S1：场地找平；
S2：铺筑砂砾垫层；
S3：长螺旋钻孔及CFG桩的浇筑；
S4：破碎桩头；
S5：褥垫层铺设工作；
S6：筏板钢筋绑扎及模板支立；
S7：筏板砼浇筑及养护。
S1的具体步骤为：
对CFG桩-筏板复合地基修筑范围内进行场地平整，清除地表杂草、树叶、树根，不破坏岛状多年冻土地表覆盖层，避免对多年冻土热扰动而造成融化。
S2的具体步骤为：
采用顶推施工方法铺筑天然砂砾找平层，同时也作为筏板褥垫层，以便于钻孔、CFG桩浇筑以及筏板的施工，提供作业平台。
S3包括以下子步骤：
S31：用长螺旋钻机进行干法成孔，钻机采用与设计的桩径相匹配的破岩钻头，钻孔至设计桩底高程；
S32：先安装好相变材料层和真空层的模具；
S33：然后对桩孔进行回填，回填到活动层范围时，安装空气层的材料，空气层安装好之后将储气层的模具使用螺纹连接在一起；
S34：在CFG桩附近活动层上部一定高度设置好温度传感器，灌注相变材料，CFG桩采用实心圆桩，按设计间距梅花形或正方形进行布设，施工宽度即为路基设计宽度；
S35：CFG桩浇筑施工时，桩顶标高要高于设计高程30厘米左右，CFG桩上部深入筏板内，其余部分破除混凝土将CFG桩主钢筋掰向外侧，呈倒伞形深入筏板内。
S4包括以下子步骤：
S41：桩头凿除工作可按常规凿桩头方法进行，凿桩头时需人工清除余土至设计标高；
S42：为了保证在凿桩头时CFG桩不断裂，需用3根钢钎呈现120度角在设计标高以上5cm处；
S43：同时用大锤敲打，切断桩头后，用锤和钎子剔平桩头至设计标高，将桩身钢筋裸露出来并弯向外侧，呈倒伞形深入筏板中。
S5包括以下子步骤：
S51：地基检测合格后，将进行褥垫层铺设工作，褥垫层材料采用0.5～2.0cm碎石，铺设厚度为20cm，铺设范围在基础垫层内，施工方法为一次性将碎石铺设至22.5cm；
S52：然后用平板振动器振密，振实后褥垫层厚度应力20cm。
S6的具体步骤为：
筏板采用双层玻璃纤维复合筋网或双层热扎带肋钢筋网，网眼尺寸按设计间距布设，支立模板；
所述S7具体步骤为：筏板采用现浇抗冻混凝土，分块施工，施工宽度为预制桩施工宽度加上向两侧外延伸宽度，浇筑完成后立即覆盖养护，待筏板混凝土达到设计强度后进行路基填筑。
本发明与现有技术相比，有益效果如下：
1.本发明采用低温相变材料进行蓄能，该相变材料的相变温度在10℃～20℃之间，可在CFG桩浇筑过后对CFG桩的水化热进行吸收，减少对CFG桩体的损害以及对周围土体特别是多年冻土层的热扰动。
2.本发明将CFG桩体的水化热储存在储气层之中，通过在桩周活动层范围设置温度传感器，可监测活动层土体温度的变化，当活动层温度降到0℃以下时，释放出储存的热量，有效利用了CFG桩体的水化热，避免活动层的冻胀，当暖季活动层温度较高时，空气层中的液态相变材料还能重复利用吸收周围土体的热量，防止热量的下渗，减少对多年冻土层的扰动。
附图说明
图1为本发明的路基剖面主视图；
图2为本发明的路基面俯视图；
图3为本发明的CFG桩结构图；
图4为本发明的CFG桩A-A剖面图。
附图标记：
1-路面结构层；2-路堤；3-筏板；4-保温板；5-褥垫层；6-反压护坡道；7-活动层；8-CFG桩；81-储气层；82-温控阀门；83-连通口；84-温度传感器；85-空气层；86-真空层；87-相变材料层；88-CFG桩体；89-温度控制器；810-太阳能充电、蓄电设备；9-多年冻土层；10-持力层。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1和图2所示，可减缓冻土热扰动的CFG桩-筏板复合地基结构，包括路面结构层1、路堤2、筏板3、保温板4、褥垫层5、反压护坡道6、活动层7、CFG桩8；路面结构层1的一侧设置路堤2，路堤2的一侧设置筏板3，筏板3的一侧设置保温板4，保温板4的一侧设置褥垫层5，CFG桩8贯穿设置于路面结构层1，反压护坡道6的底部是活动层7。
如图3和图4所示，本实施方案的CFG桩8包括储气层81、温控阀门82、连通口83、温度传感器84、空气层85、真空层86、相变材料层87、CFG桩体88、温度控制器89、太阳能充电蓄电设备810；
本实施方案的保温板4的底部设置储气层81，储气层81的底部设置温控阀门82，CFG桩体88的外侧设置相变材料层87，相变材料层87的内部设置连通口83，相变材料层87外侧设置真空层86，真空层86的外部设置空气层85，空气层85的顶部设置温控阀门82，温控阀门82连接温度控制器89，温度控制器89分别和温控阀门82，温度传感器89，太阳能充电蓄电设备通过导线相连。
温控阀门82是在空气层和储气层之间，当温度控制器89控制温控阀门82打开时，储气层中的气态相变材料就会进入空气层，将热量传给周围的土体液化。
温度控制器89的外侧壁的一侧设置太阳能充电蓄电设备810。
本实施方案的相变材料层87、空气层85、储气层81模具均由不锈钢材质预制而成。
本实施方案在实施时，CFG桩穿过活动层和多年冻土层，位于持力层之上，相变材料层87上设有连通口，当液相的相变材料吸收CFG桩体水化热汽化之后向上运动，进入储气层保存起来，当外部温度传感器84感应到活动层温度低于0℃时，将温度数据传回温度控制器89，温度控制器89控制空气层的温控阀门82打开，储气层81的气相相变材料进入空气层，吸收周围土体的冷量，液化储存在空气层中，利用了CFG桩体88的水化热，同时又防止了活动层的冻胀，当夏季温度较高时，储存在空气层中的液态相变材料还可以重复利用，吸收周围土体的热量汽化，防止热量的下渗，保持多年冻土层的稳定。
保温板4选用高性能的XPS保温板，它是挤塑式聚苯乙烯隔热保温板，是以聚苯乙烯树脂为原料加上其他的原辅料与聚合物，通过加热混合同时注入催化剂，然后挤塑压出成型而制造的硬质泡沫塑料板，具有极低的吸水性、低热导系数、高抗压性、抗老化性。在筏板上下两部分增加XPS保温板可以有效的隔绝来自外界的温度传导，大大降低了因为外界温差变化对方桩桩间冻土的影响，大大提高了整体结构的稳定性。
在反压坡护道处安装太阳能充电、蓄电设备，吸收太阳能进行储存，为下部的温度控制器、温控阀门和温度传感器进行供能，所述温度传感器在进行钻孔时提前埋设在活动层中，并将传感器导线提前引出，温度控制器、温控阀门和温度传感器的导线外加设塑料保护套。
施工时：
(1)场地找平；
对CFG桩-筏板复合地基修筑范围内进行场地平整，清除地表杂草、树叶、树根等，不破坏岛状多年冻土地表覆盖层，避免对多年冻土热扰动而造成融化；
(2)铺筑砂砾垫层；
采用顶推施工方法铺筑天然砂砾找平层，同时也作为筏板褥垫层，以便于钻孔、CFG桩浇筑以及筏板的施工，提供作业平台；
(3)长螺旋钻孔及CFG桩的浇筑；
用长螺旋钻机进行干法成孔，钻机采用与设计的桩径(包含外部相变层、真空层、空气层)相匹配的破岩钻头，钻孔至设计桩底高程(即桩基持力层)，先安装好相变材料层和真空层的模具，然后对桩孔进行回填，回填到活动层范围时，安装空气层的材料，空气层安装好之后将储气层的模具使用螺纹连接在一起，在CFG桩附近活动层上部一定高度设置好温度传感器，灌注相变材料，CFG桩采用实心圆桩，按设计间距梅花形或正方形进行布设，施工宽度即为路基设计宽度，CFG桩浇筑施工时，桩顶标高要高于设计高程30厘米左右，CFG桩上部深入筏板内，其余部分破除混凝土将CFG桩主钢筋掰向外侧，呈倒伞形深入筏板内；
(4)破碎桩头；
桩头凿除工作可按常规凿桩头方法进行，凿桩头时需人工清除余土至设计标高，为了保证在凿桩头时CFG桩不断裂，需用3根钢钎呈现120度角在设计标高以上5cm处，同时用大锤敲打，切断桩头后，用锤和钎子剔平桩头至设计标高，将桩身钢筋裸露出来并弯向外侧，呈倒伞形深入筏板中；
(5)褥垫层铺设工作；
地基检测合格后，将进行褥垫层铺设工作，褥垫层材料采用0.5～2.0cm碎石，铺设厚度为20cm，铺设范围在基础垫层内，施工方法为一次性将碎石铺设至22.5cm，然后用平板振动器振密，振实后褥垫层厚度应力20cm；
(6)筏板钢筋绑扎及模板支立；
筏板采用双层玻璃纤维复合筋网或双层热扎带肋钢筋网，网眼尺寸按设计间距布设，支立模板；
(7)筏板砼浇筑及养护；
筏板采用现浇抗冻混凝土，分块施工，施工宽度为预制桩施工宽度+向两侧外延伸宽度，浇筑完成后立即覆盖养护，待筏板混凝土达到设计强度后进行路基填筑。
本发明的工作原理：
这种设有相变材料层、真空层、空气层、储气层的CFG桩路基从相变材料的吸热和放热两方面对多年冻土层的稳定进行综合调控，其工作过程为：
冬季低温环境下，将CFG桩进行浇筑过后，相变材料层中特定的液态相变材料会慢慢吸收混凝土释放的水化热变为气态，升入上方的储气层中储存起来，以免水化热对CFG桩体产生破坏，还可以有效减少对周围土体特别是多年冻土层的热扰动，当周围活动层土体的温度传感器感应到活动层土体温度在0℃以下时，将数据传回温度控制器，温度控制器控制温控阀门打开，储气层的气体进入外部空气层，吸收周围的冷量液化，防止活动层冻胀。当夏季活动层土体温度较高时，外部液化的相变材料可以重复利用吸收活动层土体的热量汽化，从而减少热量的下渗，减少对下部多年冻土层的热扰动。
Claims (1)
1.可减缓冻土热扰动的CFG桩-筏板复合地基结构的施工方法，其特征在于，包括可减缓冻土热扰动的CFG桩-筏板复合地基结构；
所述可减缓冻土热扰动的CFG桩-筏板复合地基结构，包括路面结构层（1）、路堤（2）、筏板（3）、保温板（4）、褥垫层（5）、反压护坡道（6）、活动层（7）、CFG桩（8）；所述路面结构层（1）的一侧设置路堤（2），所述路堤（2）的一侧设置筏板（3），所述筏板（3）的一侧设置保温板（4），所述保温板（4）的一侧设置褥垫层（5），所述CFG桩（8）贯穿设置于路面结构层（1），所述反压护坡道（6）的底部是活动层（7）；
所述CFG桩（8）包括储气层（81）、温控阀门（82）、连通口（83）、温度传感器（84）、空气层（85）、真空层（86）、相变材料层（87）、CFG桩体（88）、温度控制器（89）、太阳能充电蓄电设备（810）；
所述保温板（4）的底部设置储气层（81），所述储气层（81）的底部设置温控阀门（82），所述CFG桩体（88）的外侧设置相变材料层（87），所述相变材料层（87）的内部设置连通口（83），当液相的相变材料吸收CFG桩体水化热汽化之后向上运动，进入储气层保存起来，所述相变材料层（87）外侧设置真空层（86），所述真空层（86）外部设置空气层（85），所述温度传感器（84）设置在桩周土体之中，所述温度传感器（84）、温控阀门（82）均与温度控制器（89）相连，所述空气层（85）的顶部设置温控阀门（82），所述温控阀门（82）连接所述温度控制器（89），所述温度控制器（89）的外侧壁的一侧设置太阳能充电蓄电设备（810）；
所述相变材料层（87）、空气层（85）、储气层（81）模具均由不锈钢材质预制而成；
可减缓冻土热扰动的CFG桩-筏板复合地基结构的施工方法，包括以下步骤：
S1：场地找平；
S2：铺筑砂砾垫层；
S3：长螺旋钻孔及CFG桩的浇筑；
S4：破碎桩头；
S5：褥垫层铺设工作；
S6：筏板钢筋绑扎及模板支立；
S7：筏板砼浇筑及养护；
所述S1的具体步骤为：
对CFG桩-筏板复合地基修筑范围内进行场地平整，清除地表杂草、树叶、树根，不破坏岛状多年冻土地表覆盖层，避免对多年冻土热扰动而造成融化；
所述S2的具体步骤为：
采用顶推施工方法铺筑天然砂砾找平层，同时也作为筏板褥垫层，以便于钻孔、CFG桩浇筑以及筏板的施工，提供作业平台；
所述S3包括以下子步骤：
S31：用长螺旋钻机进行干法成孔，钻机采用与设计的桩径相匹配的破岩钻头，钻孔至设计桩底高程；
S32：先安装好相变材料层和真空层的模具；
S33：然后对桩孔进行回填，回填到活动层范围时，安装空气层的材料，空气层安装好之后将储气层的模具使用螺纹连接在一起；
S34：在CFG桩附近活动层上部一定高度设置好温度传感器，灌注相变材料，CFG桩采用实心圆桩，按设计间距梅花形或正方形进行布设，施工宽度即为路基设计宽度；
S35：CFG桩浇筑施工时，桩顶标高要高于设计高程30厘米左右，CFG桩上部深入筏板内，其余部分破除混凝土将CFG桩主钢筋掰向外侧，呈倒伞形深入筏板内；
所述S4包括以下子步骤：
S41：桩头凿除工作可按常规凿桩头方法进行，凿桩头时需人工清除余土至设计标高；
S42：为了保证在凿桩头时CFG桩不断裂，需用3根钢钎呈现120度角在设计标高以上5cm处；
S43：同时用大锤敲打，切断桩头后，用锤和钎子剔平桩头至设计标高，将桩身钢筋裸露出来并弯向外侧，呈倒伞形深入筏板中；
所述S5包括以下子步骤：
S51：地基检测合格后，将进行褥垫层铺设工作，褥垫层材料采用0.5～2.0cm碎石，铺设厚度为20cm，铺设范围在基础垫层内，施工方法为一次性将碎石铺设至22.5cm；
S52：然后用平板振动器振密，振实后褥垫层厚度应力20cm；
所述S6的具体步骤为：
筏板采用双层玻璃纤维复合筋网或双层热扎带肋钢筋网，网眼尺寸按设计间距布设，支立模板；
所述S7具体步骤为：筏板采用现浇抗冻混凝土，分块施工，施工宽度为预制桩施工宽度加上向两侧外延伸宽度，浇筑完成后立即覆盖养护，待筏板混凝土达到设计强度后进行路基填筑。
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