CN115418903B - 一种设置垃圾炭墙的路堤湿度控制结构及施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种设置垃圾炭墙的路堤湿度控制结构及施工方法，路堤湿度控制结构包括路基、坡面覆土层、炭墙、植被、排水层，路基按照设计要求进行填筑，坡面覆土层设于路基的边坡坡面，炭墙沿道路纵向设于路基内部，在竖直方向上呈折线形布置，炭墙从下至上先向坡面倾斜，再向坡内倾斜；每层炭墙由多个组合式的炭箱组成，炭箱内填充有垃圾炭，植被种植于坡面覆土层内。本发明路堤湿度控制结构的隔水性能好，提高了路基稳定性，能处理大量垃圾炭，低碳环保。
Description
技术领域
本发明属于道路施工技术领域，涉及一种设置垃圾炭墙的路堤湿度控制结构及施工方法。
背景技术
由于降雨、地下水上升等因素的影响，路基湿度会出现增加，引起路基刚度和整体稳定性变差，出现路面开裂、下沉等病害。因此保持路基湿度稳定显得尤为重要。目前，已有研究提出了一系列的路基湿度控制结构，主要有：
（1）在路基坡面一定埋深处设置砂层，利用砂的毛细阻滞作用隔绝大气降水的入渗，但该方法：①当覆盖层土体水分含量到达一定高度时，水分仍会深入砂层，由于砂层储水能力弱，水分很快就会到达砂-路基土界面，水分仍会大量深入路基内部；②在砂-土界面的上部聚集大量水体，容易出现边坡沿界面处滑移；③现在我国优质的砂资源紧缺，往往无法提供充足的砂。
（2）设置渗透系数极小隔水层，主要有：①设置压实黏土层用于隔绝大气降雨深入土体内部，该方法仅可控制水分渗入路基的速度，无法保证水分的完全隔绝；②设置防渗土工布隔绝外界和土体内部的水气交换，该类措施由于路基会发生变形、植被根系、施工等原因，会导致土工布出现破损，从而无法起到防水效果。
目前的湿度控制技术存在防渗效果不佳、材料紧缺等问题。
此外，随着我国城镇化发展和人们物质水平的显著提升，产生了大量的生活垃圾，采用常规的卫生填埋、焚烧等方法，具有占地广、污染环境等问题。近些年，随着我国大力推广生活垃圾资源化综合利用，其中餐厨、落叶、树枝、秸秆等有机物采用热解技术进行处理由于具有污染小、固碳等优势具有很大的市场应用前景，但其所产生的垃圾炭如何进行绿色环保的处理仍然是这一技术推广应用的巨大问题。同时现有研究发现，这一类垃圾炭具有多孔、疏水、促进植物生长等特点。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种设置垃圾炭墙的路堤湿度控制结构，隔水性能好，提高了路基稳定性，可大量处理垃圾炭，低碳环保，解决了现有技术中存在的问题。
本发明的另一目的是，提供一种设置垃圾炭墙的路堤湿度控制结构的施工方法。
本发明所采用的技术方案是，一种设置垃圾炭墙的路堤湿度控制结构，包括
路基，所述路基按照设计要求进行填筑；
坡面覆土层，所述坡面覆土层设于路基的边坡坡面；
炭墙，所述炭墙沿道路纵向设于路基内部，在竖直方向上呈折线形布置，炭墙从下至上先向坡面倾斜，再向坡内倾斜；每层炭墙由多个组合式的炭箱组成，炭箱内填充有垃圾炭；
植被，所述植被种植于坡面覆土层内；
排水层，所述排水层设于路基的底部，与边坡坡脚的排水沟连通。
进一步的，所述炭墙的上折段的坡角大于或者等于边坡坡角，且小于或者等于90°。
进一步的，所述炭墙靠近坡面的一端在水平方向上不超过路肩。
进一步的，每层所述炭箱按照阶梯形式布置，缩进或凸出的距离为炭箱的高度与边坡坡比的乘积。
进一步的，所述炭箱包括
箱壁，所述箱壁围合形成空腔，空腔内填充垃圾炭；
顶层，所述顶层包括顶面，顶面与箱壁固定连接，每个顶面沿路基横向对称设有两个可动翼网，可动翼网通过转动轴与顶面连接，可动翼网的宽度为炭箱的高度与边坡坡比的乘积；
底层，所述底层包括底面，底面与箱壁固定连接，每个底面沿路基横向对称设有两个固定翼网，固定翼网与底面固定连接。
进一步的，所述垃圾炭的压实度为85%-96%。
进一步的，所述炭箱的高度是路基填筑单层厚度的倍数，且高度小于等于40cm；炭箱的水平宽度为50cm-150cm，水平长度为50cm-150cm。
进一步的，所述箱壁为网孔结构，网孔为三角形、菱形或正方形，网孔的单边尺寸5cm-15cm；顶面、可动翼网、底面、固定翼网均为网孔结构，网孔为三角形、菱形或者正方形，单边尺寸1cm-5cm。
进一步的，从下至上向坡面倾斜的所述炭墙的每层炭箱的顶部、碾压后的路基和坡面覆土层顶部水平铺设土工格栅。
一种设置垃圾炭墙的路堤湿度控制结构的施工方法，具体包括以下步骤：
S1，预制炭箱，在炭箱内按照压实度85%-96%逐层填筑垃圾炭；
S2，将预制好的炭箱运送至施工现场，清理基础；
S3，按照第一层炭墙的设计位置逐一放置炭箱，通过U型钉将炭箱的底层分别与路基和排水层固定；在炭箱的两侧按照设计要求填筑土质的路基，在路基的边坡坡面填筑坡面覆土层，碾压路基和坡面覆土层达到设计要求；
S4，按照第二层炭墙的设计位置逐一放置炭箱，通过U型钉将炭箱的底层与路基固定，在炭箱的两侧按照设计要求填筑土质的路基，在路基的边坡坡面填筑坡面覆土层，碾压路基和坡面覆土层达到设计要求；
重复步骤S4逐层施工，直至路基顶面；其中，从下至上向坡面倾斜的炭墙的每层炭箱的顶部、碾压后的路基和坡面覆土层顶部水平铺设土工格栅。
本发明的有益效果是：
（1）本发明实施例以垃圾炭作为隔水材料，有以下益处：有利于解决水热解有机生活垃圾产生的大量垃圾炭无法处理的问题；垃圾炭含有大量的有机物，可以促进植物的生长，同时也有很好的固炭作用，低碳环保；垃圾炭的疏水性可以对水起到很好的隔绝作用，满足路基湿度稳定的要求。
（2）本发明实施例中炭墙通过单个组合式炭箱构成，一方面，在工厂预制可以带来现场施工的便利性；另一方面，炭箱结构采用高分子土工合成材料制作翼网、炭箱等，可以固定垃圾炭同时可以起到很好的加筋作用，确保炭墙结构变形小、稳定性好。
（3）本发明实施例植被采用根茎深度在1.5m-2m范围内的多年生植物，对于炭墙上折段范围内：植物根系将穿透覆盖层达到炭层内部，一方面可以让植物吸收炭层内部的营养物质；另一方面，可以穿透水分交换剧烈的坡面覆土层达到湿度相对稳定的炭层，即可加固土-炭层界面的强度，避免土体沿隔水界面出现滑移。对于下折段：植物根系和土工格栅相互缠连，形成复杂的加筋结构，保证路基稳定。
（4）本发明实施例采用折线形炭墙布置的优势在于：对于上层路基水分迁移相对较少，在炭墙的隔绝作用下，可以保证水分难以进入路基内部；内凹的下层炭墙结构使得上层沿炭墙-坡面覆土界面迁移的水分难以大量在下层炭墙-坡面覆土界面聚集而破坏炭墙隔水作用，水分到达下层路基范围内部会在重力作用下大部分竖直向下迁移至排水层内排出，部分水平扩散的水分可以由下层炭墙阻隔。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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是本发明实施例的结构示意图。
图2是本发明实施例中炭墙的坡角示意图。
图3是本发明实施例中炭箱的结构示意图。
图4是本发明实施例的施工图。
图5是本发明实施例中秸秆炭和黏土的土水特征曲线。
图6是本发明实施例中黏土和秸秆炭的渗透系数曲线。
其中，1.路基，2.炭墙，3.排水层，4.土工格栅，5.U型钉，6.坡面覆土层，7.植被，8.排水沟，9.路面，10.炭箱，11.顶面，12.可动翼网，13.转动轴，14.底面，15.固定翼网，16.空腔，17.竖向网，18.竖向主杆，19.碾压机械。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1，
一种设置垃圾炭墙的路堤湿度控制结构，如图1所示，包括路基1、炭墙2、坡面覆土层6、植被7、排水层3和排水沟8；
路基1按照设计要求进行填筑；
如图1、2所示，炭墙2在竖直方向上呈折线形布置，炭墙2从下至上先向坡面倾斜，再向坡内倾斜，炭墙2的上折段与下折段对称设置，如图2所示，炭墙坡角α（炭墙2的上折段与水平面的夹角）与炭墙坡角β相等，炭墙坡角α等于或者大于边坡坡角，水分在炭-覆土界面聚集时方便其沿着界面处在重力作用下迅速排入下部结构。炭墙坡角α上限为90°（≤90°），由于炭的强度相对路基土小，一旦炭墙2替代了部分路基本体结构就会导致路基结构整体强度变差。
每层炭墙2由多个组合式的炭箱10组成，炭箱10内填充有垃圾炭，炭箱10均采用高分子土工材料在工厂预制。
如图3所示，炭箱10分为顶层、箱壁和底层。顶层由两侧可动翼网12、转动轴13和顶面11组成，顶面11位于箱壁围成的空腔16顶部，在空腔16内填充垃圾炭，按照压实度85%-96%进行填充，保证垃圾炭成型与强度，小于85%成型和强度均差。沿路基1横向的箱壁两侧通过转动轴13连接有可动翼网12；可动翼网12的宽度为炭箱10的高度与边坡坡比（路基最外层的坡面坡比）的乘积。
箱壁包括竖向主杆18、竖向网17，竖向主杆18用于固定形状，竖向网17的网孔为三角形、菱形或正方形等，网孔的单边尺寸5cm-15cm。炭箱10的高度是路基1填筑单层厚度的倍数，总高度不大于40cm；水平宽度为50cm-150cm，水平长度为50cm-150cm（道路的行驶方向）。顶面11、可动翼网12的网孔形式为三角形、菱形或者正方形等，单边尺寸0cm-5cm。可动翼网12的目的是方便施工，因为施工时先安装炭层，可动翼网12折叠起来，然后填筑两侧的土基，填好后再展开可动翼网12固定在土基顶面。
底层由两侧的固定翼网15和底面14组成，二者材料、尺寸参数与顶面11一致。
坡面覆土层6设于路基1的边坡坡面，坡面覆土层6采用耕植土按照80%-90%的压实度进行碾压填筑，对于下层路基坡面覆土范围为所选植被根系可达最深深度。
植被7种植于坡面覆土层6内，植被7根据当地自然条件，选择根系长度在1.5m-2m范围内的多年生植物，采用喷播方式进行种植。植物根系可以穿透水分交换剧烈的覆盖层达到湿度相对稳定的炭层，即可加固土-炭层界面的强度。
排水层3为反滤层，排水层3为碎石，主要有两个作用：1.隔绝地下水在毛细作用下上升至路基内部；2.排出聚集在炭层和坡面之间土体内部多余的水分。排水层3采用透水土工布包裹碎石即可，设置在路基底部与排水沟8连接处，用于排出路基内部和坡面覆土中的积水、阻止毛细水上升。
上层路基渗入坡面的水分主要来源于降雨，在炭墙2的隔绝作用下，可以保证水分难以进入路基内部；下层路基内部水分来源则是由降雨和上层路基内部水分在重力作用下渗组成，本发明实施例中炭墙2的下折段向路基内部倾斜，使得炭墙2的下折段-坡面覆土界面迁移的部分水分在重力作用下竖直向下迁移至排水层3，最终被排出；另一部分水分由下层的炭墙2阻隔，使得上层的沿炭墙-坡面覆土界面迁移的水分难以在下层炭墙-坡面覆土界面大量聚集而破坏炭墙2的隔水作用。
炭墙2的上下折段可以不是对称的，可以通过数值模拟软件进行不同位置下的路基湿度场演变规律，进而确定炭墙2上下折段的准确位置。整个炭墙2的最左端在水平方向上不超过路肩的最左端；超过这一范围炭墙2结构就会影响路基本体结构，由于炭的强度相对路基土小，一旦炭墙结构替代了部分路基本体结构就会导致路基结构整体强度变差。
实施例2，
一种设置垃圾炭墙的路堤湿度控制结构的施工方法，包括以下步骤：
S1，预制炭箱10；在工厂利用高分子土工合成材料分别预制单个组合式炭箱10中的底层、箱壁和顶层；底层和箱壁进行一体成型；在制作好的炭箱10四周和底面用可拆卸钢板模具进行固定，在炭箱10内按照压实度85%-96%逐层填筑垃圾炭；成型后拆除模具，将炭箱10和顶层结构进行绑扎固定。
S2，将预制好的炭箱10运送至施工现场，清理基础。
S3，如图4所示，按照第一层炭墙2的设计位置逐一放置炭箱10，通过U型钉5将炭箱10的底层分别与路基1和排水层3固定；具体地，底层的固定翼网15左侧与路基1固定，右侧与排水层3固定。将顶层的可动翼网12进行折叠旋转与炭箱10的顶面绑扎，在炭箱10的两侧按照设计要求填筑土质的路基1，在路基1的边坡坡面填筑坡面覆土层6，碾压路基1和坡面覆土层6达到设计要求，旋转可动翼网12展开，平铺在路基1上。
S4，按照第二层炭墙2的设计位置逐一放置炭箱10，按照阶梯形式布置，与第一层的炭箱10向边坡凸出一定距离，该距离与可动翼网12宽度一致；通过U型钉5将炭箱10的底层、下一层炭箱10的顶层一起与路基1固定；具体的，将第一层的炭箱10的可动翼网12末端与第二层炭箱10底部的固定翼网15一起与路基1固定，并将左侧底部固定翼网15末端固定在路基1上。在第二层炭箱10的两侧按照设计要求填筑土质的路基1，在路基1的边坡坡面填筑坡面覆土层6，碾压路基1和坡面覆土层6达到设计要求。
重复步骤S4逐层施工，直至路基1顶面；其中，从下至上向坡面倾斜的炭墙2的每层炭箱10的顶部、碾压后的路基1和坡面覆土层6顶部水平铺设土工格栅4，土工格栅4与翼网15通过U型钉相连，用于连接炭墙2、路基土和坡面覆土层6，保证结构整体性。
本发明实施例采用垃圾炭作为隔水材料的原理如下：
垃圾炭具有疏水、多孔的特性，使得其非饱和水力特性呈现以下规律：在基质吸力大于进水值即处于较高值时，水分含量极其低，且随基质吸力的变化含水率变化小，当基质吸力小于进水值后，垃圾炭的含水率会迅速增加直至饱和，且垃圾炭的饱和含水率高，能储存的水分多；对于其渗透系数，同理在基质吸力较大时，渗透系数很小，水分在垃圾炭中流动缓慢，在超过进水值后，渗透系数会快速增加，远大于一般的坡面覆土。
本发明结构修筑后，坡面覆土层和炭层含水率均较低，即内部基质吸力大，当发生降雨时，水分会先到达表面的坡面覆土层，随降雨持续，水分入渗至坡面覆土层与炭层的界面处，此时由于垃圾炭在高基质吸力时含水率变化小、渗透系数小，水分难以顺利、快速渗入炭层，从而持续滞留在坡面覆土层内，当坡面覆土层含水率对应的基质吸力达到了垃圾炭的进水值后，在坡面覆土层-炭界面处，水分就会下渗入炭层，并逐步扩散，直至炭-路基土界面，出现这一现象的几率很小；同时由于炭墙采用折线形式，仅在上折段路基结构存在这种可能，出现这一现象后，由于路基土的渗透性相对小，而高含水率的炭渗透性极大，水分会直接在炭层内下渗至下折段炭墙与坡面之间的土体直至进入排水层排走。
本发明实施例中垃圾炭的土水特征曲线的突变段处的基质吸力值小于坡面覆土的基质吸力值即可，且小的程度越多越好。下面以垃圾炭为秸秆炭，坡面覆土为普通黏土为例对本发明炭墙隔水机理进行说明，秸秆炭的获取为本领域已知。如图5所示，为秸秆炭和黏土的土水特征曲线。本发明结构修筑后，覆土层和秸秆炭层含水率均会较低，即内部基质吸力大且大于进水值25kPa，进水值的确定方式为：秸秆炭曲线变陡段切线与高基质吸力段切线的交点。当发生降雨时，水分会先到达表面的坡面覆土层，随降雨持续，水分入渗至坡面覆土与炭层的界面处，此时由于秸秆炭在高基质吸力时含水率变化小、渗透系数小（如图6所示），水分无法顺利快速渗入炭层，会持续滞留在坡面覆土层内，滞留水量为图中进水值处对应的坡面覆土层含水率与其初始含水率之差与坡面覆土层厚度的乘积。
当坡面覆土层含水率对应的基质吸力达到了秸秆炭的进水值后，在覆土层-炭界面处，水分就会下渗入炭层，并逐步扩散，直至炭-路基土界面，此时降雨的水分一部分变成径流沿坡面已经留走，一部分滞留在覆土层和炭层内；由于路基土经过了碾压，渗透性极小，多余的水分在重力作用下会沿炭-路基土界面下排至排水层最终进入排水沟。
垃圾炭具有疏水、多孔的特性，使得其非饱和水力特性呈现以下规律：在基质吸力大于进水值即处于较高值时，水分含量极其低，且随基质吸力的变化含水率变化小，当基质吸力小于进水值后，垃圾炭的含水率会迅速增加直至饱和，且垃圾炭的饱和含水率高，能储存的水分多；对于其渗透系数，同理在基质吸力较大时，渗透系数很小，水分在垃圾炭中流动缓慢，在超过进水值后，渗透系数会快速增加，远大于一般的坡面覆土。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种设置垃圾炭墙的路堤湿度控制结构，其特征在于，包括
路基（1），所述路基（1）按照设计要求进行填筑；
坡面覆土层（6），所述坡面覆土层（6）设于路基（1）的边坡坡面；
炭墙（2），所述炭墙（2）沿道路纵向设于路基（1）内部，在竖直方向上呈折线形布置，炭墙（2）从下至上先向坡面倾斜，再向坡内倾斜；每层炭墙（2）由多个组合式的炭箱（10）组成，炭箱（10）内填充有垃圾炭；
植被（7），所述植被（7）种植于坡面覆土层（6）内；
排水层（3），所述排水层（3）设于路基（1）的底部，与边坡坡脚的排水沟（8）连通；
所述炭箱（10）包括
箱壁，所述箱壁围合形成空腔（16），空腔（16）内填充垃圾炭；
顶层，所述顶层包括顶面（11），顶面（11）与箱壁固定连接，每个顶面（11）沿路基（1）横向对称设有两个可动翼网（12），可动翼网（12）通过转动轴（13）与顶面（11）连接，可动翼网（12）的宽度为炭箱（10）的高度与边坡坡比的乘积；
底层，所述底层包括底面（14），底面（14）与箱壁固定连接，每个底面（14）沿路基（1）横向对称设有两个固定翼网（15），固定翼网（15）与底面（14）固定连接。
2.根据权利要求1所述一种设置垃圾炭墙的路堤湿度控制结构，其特征在于，所述炭墙（2）的上折段的坡角大于或等于边坡坡角，小于或等于90°。
3.根据权利要求1所述一种设置垃圾炭墙的路堤湿度控制结构，其特征在于，所述炭墙（2）靠近坡面的一端在水平方向上不超过路肩。
4.根据权利要求1所述一种设置垃圾炭墙的路堤湿度控制结构，其特征在于，每层所述炭箱（10）按照阶梯形式布置，缩进或凸出的距离为炭箱（10）的高度与边坡坡比的乘积。
5.根据权利要求1所述一种设置垃圾炭墙的路堤湿度控制结构，其特征在于，所述垃圾炭的压实度为85%-96%。
6.根据权利要求1所述一种设置垃圾炭墙的路堤湿度控制结构，其特征在于，所述炭箱（10）的高度是路基（1）填筑单层厚度的倍数，且高度小于等于40cm；炭箱（10）的水平宽度为50cm-150cm，水平长度为50cm-150cm。
7.根据权利要求1所述一种设置垃圾炭墙的路堤湿度控制结构，其特征在于，所述箱壁为网孔结构，网孔为三角形、菱形或正方形，网孔的单边尺寸5cm-15cm；顶面（11）、可动翼网（12）、底面（14）、固定翼网（15）均为网孔结构，网孔为三角形、菱形或者正方形，单边尺寸1cm-5cm。
8.根据权利要求1所述一种设置垃圾炭墙的路堤湿度控制结构，其特征在于，从下至上向坡面倾斜的所述炭墙（2）的每层炭箱（10）的顶部、碾压后的路基（1）和坡面覆土层（6）顶部水平铺设土工格栅（4）。
9.如权利要求1所述一种设置垃圾炭墙的路堤湿度控制结构的施工方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1，预制炭箱（10），在炭箱（10）内按照压实度85%-96%逐层填筑垃圾炭；
S2，将预制好的炭箱（10）运送至施工现场，清理基础；
S3，按照第一层炭墙（2）的设计位置逐一放置炭箱（10），通过U型钉（5）将炭箱（10）的底层分别与路基（1）和排水层（3）固定；在炭箱（10）的两侧按照设计要求填筑土质的路基（1），在路基（1）的边坡坡面填筑坡面覆土层（6），碾压路基（1）和坡面覆土层（6）达到设计要求；
S4，按照第二层炭墙（2）的设计位置逐一放置炭箱（10），通过U型钉（5）将炭箱（10）的底层与路基（1）固定，在炭箱（10）的两侧按照设计要求填筑土质的路基（1），在路基（1）的边坡坡面填筑坡面覆土层（6），碾压路基（1）和坡面覆土层（6）达到设计要求；
重复步骤S4逐层施工，直至路基（1）顶面；其中，从下至上向坡面倾斜的炭墙（2）的每层炭箱（10）的顶部、碾压后的路基（1）和坡面覆土层（6）顶部水平铺设土工格栅（4）。
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