CN212000424U - 一种应用于季节性冻土区盐渍土路基的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种应用于季节性冻土区盐渍土路基的装置，属于路基基础技术领域，以解决季节性冻土区盐渍土路基易受冻胀、盐胀、溶陷的问题和传统路基砂砾土用作透水性隔断层时垫层厚不易压实的问题。装置包括土方路基、稳热设施、隔断设施，隔断设施包括自下而上依次设置的中粗砂下保护层、改性荒漠砂隔断层、中粗砂上保护层；稳热设施包括底层路基稳定设施和上层保温设施，底层路基稳定设施包括自下而上依次设置的灰土挤密桩和石灰土垫层。本实用新型的应用能维持路基长期水、热、盐稳定；造价低，施工工序少，维护简单。

Description

一种应用于季节性冻土区盐渍土路基的装置

技术领域

本实用新型属于路基基础技术领域，具体涉及一种应用于季节性冻土区盐渍土路基的装置。

背景技术

(1)季节性冻土区盐渍土路基溶陷、盐胀冻胀的机理：

盐渍土的成因可归纳为：气候干旱、降水稀少、蒸发强烈、成土的母岩含有较多盐分，在我国西北省区的分布尤其广泛，而西北省区多地处于季节性冻土区，活动层厚度约为1.5m-2.0m；季节性冻土区盐渍土路基活动层范围内的土体，在冻融循环过程中，伴随着多种物理化学过程，如：水盐迁移、盐分相变、能量传输等；暖季结束进入冷季后，在整个活动层范围内，地表开始冻结，冻结面向下发展，水分向着冻结面从下往上迁移，同时伴随着盐分迁移，当地下水活跃时，对土体中氯化钠、硫酸钠等可溶性盐的溶解和搬移作用显著，易诱发溶陷病害；进入暖季后，地表开始融化，冻结面向下转移，水分向着冻结面从上往下迁移，同时伴随着盐分迁移，在季节性冻土区，当地温回升时，盐溶液溶解度逐渐提高，析出的晶体开始溶化；随着季节性冻土区气温的交替变化，路基土经历反复的盐胀、冻胀、溶陷过程，土体反复胀松，引起地表松胀、边坡失稳或公路路基、路面发生变形破坏；多年施工经验显示，硫酸盐等盐分含量愈多，松胀病害愈严重，且土体的盐胀、溶陷变形皆具有不可逆性。

为了缓解、防治季冻区盐渍土土方路基的冻胀、盐胀、溶陷病害，有效途径是控制土体中的水盐迁移、盐分相变、能量传输等过程。

(2)现有技术中控制水盐迁移的措施：

防治盐渍土路基盐胀、溶陷病害的传统方法是设置隔断层，隔断层分为不透水隔断层和透水隔断层。传统的不透水隔断层主要为防水土工布、防水板等土工织物，防水土工布等土工织物在施工碾压阶段或运营阶段外荷载、温度荷载等作用下易被粒类填料刺破，存在影响使用寿命等问题，一布一膜隔断层路基试验段现场水分监测数据显示，一布一膜上缘土体含水率偏高，周围土体含水率分布不均匀；透水隔断层一般用砾石、风积砂、河砂或荒漠砂等透水性良好的填料，隔断的基本原理为隔断层铺筑的厚度大于等于含盐毛细水上升的高度，从而起到隔断的效果。

但砾石或河砂作透水性隔断层，为起到隔断作用，铺筑厚度较大，砾类土、砂类的毛细水强烈上升高度在40-110cm之间，所需填料较多，适用于路基填土高度大于1.8m且填料取材方便的路段；而风积砂的毛细水强烈上升高度在80-90cm之间，风积砂作透水隔断层时，铺筑厚度至少为90cm，存在压实度难以控制且填料需量大等问题；当粉质土和黏质土用作透水性隔断层时，其毛细水强烈上升高度更是介于200-400cm之间，如果其含有较多的粉、黏粒，粉、黏粒间有薄膜水存在，会伴随发生盐分迁移，导致次生盐渍化，隔断层将逐渐失效；故在施工中要严格控制粉、黏粒的含量，施工难度较大。

(3)现有技术中关于路基保温和稳定性的现状：

在多年冻土区或季节性冻土区公路工程中，保温法被普遍用于防冻胀路基之中，在路基中铺设保温层，可有效降低活动层范围内路基土温度场的变化幅度，对防治冻胀、渗水、融沉有积极的作用。

现有技术中用于路基保温的材料主要有聚氨酯(PU)板、聚苯乙烯泡沫(EPS)板和挤塑式聚苯乙烯泡沫塑料(XPS)板等，道路工程保温材料性能指标要求热阻、强度、刚度需达到一定标准，XPS板的阻热率和抗压强度优于PU板和EPS板，但XPS保温板材料的力学性能与路基填土差异较大，XPS保温板厚度与保温效果呈正相关关系，但保温板厚度过大会影响路基的整体刚度，可能出现弯沉值超标等问题，使得XPS等保温板难以推广应用。

边坡保温在多年冻土区公路工程中应用已经证明会起到反作用，在季节冻区施工中应用上述边坡保温材料时，发现块状保温材料容易向下滑移,出现隆起或错台并伴随局部变形；沥青膨胀珍珠岩、细颗粒土、活草皮土的导热系数偏大，用作边坡保温材料时，保温性能较差。

由于季节性冻土区盐渍土路基要同时解决冻胀和盐胀的双重原因引起的溶陷问题，在基底处理中考虑到路基基底稳定性的需求，现有技术中的浸水预溶法、换填法、强夯法、挤密桩法等明显受限。

浸水预溶法适用于厚度不大、渗透系数较大的土层；强夯法处理盐渍土地基的效果十分不理想；桩基础施工工艺的桩基础类型繁多，在盐渍土地区中，土体孔隙水富含盐溶液，比重高、粘滞度大，排出非常困难且缓慢，排水期长，施工工期长，碎石桩的挤密效果也很不理想；盐渍土中富含的氯离子与硫酸盐，对金属材料和混凝土具有一定的腐蚀作用，因此，打入式钢板桩、预制方桩、沉管灌注桩、CFG桩、钻孔灌注桩都不宜应用于盐渍土地区路基基底处理中。

基于以上背景技术中的问题，本领域技术人员在西北多地季节性冻土区活动层厚度约为1.5m-2.0m的公路工程施工中研发总结出了一种应用于季节性冻土区盐渍土路基的装置。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种应用于季节性冻土区盐渍土路基的装置，以解决季节性冻土区兼具盐渍土地区路基易受冻胀、盐胀、溶陷的问题。

为了解决以上问题，本实用新型技术方案为：

一种应用于季节性冻土区盐渍土路基的装置，包括土方路基、稳热设施、隔断设施，隔断设施包括自下而上依次设置的中粗砂下保护层、改性荒漠砂隔断层、中粗砂上保护层；稳热设施包括底层路基稳定设施和上层保温设施，底层路基稳定设施包括自下而上依次设置的灰土挤密桩和石灰土垫层，石灰土垫层位于中粗砂下保护层下方，中粗砂上保护层上方依次铺设土方路基和路面。

进一步的，还包括水热监测设施，水热监测设施每隔10Km-50Km公里布设一组，每组水热监测设施长度为1.5m-2.5m，且沿路基半幅铺设在土方路基和中粗砂上保护层中。

进一步的，水热探头水平布设间距为1m，水热探头竖向布设间距为0.5m，水热探头中的一组铺设深度超出灰土挤密桩底端0.5m，其余多组水热探头仅铺设在土方路基和中粗砂上保护层中。

进一步的，水热监测设施包括互相连接的热敏电阻电缆和水热探头，热敏电阻电缆连接有监测装置，监测装置包括互相连接的信息采集器和供电装置，供电装置与热敏电阻电缆连接。

进一步的，灰土挤密桩外侧均设有改性荒漠砂隔水墙。

进一步的，上层保温设施包括气泡混合轻质土基层和保温护道，泡混合轻质土基层位于土方路基上方和路面下方，保温护道位于土方路基两侧。

进一步的，隔断设施两侧设有截面为梯形的砂粒土包边区，砂粒土包边区将中粗砂下保护层、改性荒漠砂隔断层、中粗砂上保护层的外围封包在其中。

进一步的，灰土挤密桩采用梅花桩。

进一步的，供电装置包括互相连接的太阳能蓄电池与太阳能板，太阳能蓄电池与太阳能板之间通过逆变器连接。

本实用新型的有益效果如下：

（1）本实用新型在土方路基下方设置隔断设施，利用改性荒漠砂作为不透水隔断层，其铺筑厚度小，易压实，施工方便；其自身具有柔性自修复的特点，属于柔性自修复不透水层，代替传统的风积砂大厚度透水隔断层，在试验段铺设现场监测的数据显示：改性荒漠砂隔断层可以直接隔断毛细水、溶解在毛细水中的易溶盐同时被隔断，隔水隔盐效果显著，从根源上解决溶陷和次生盐渍化问题。

（2）本实用新型的稳热设施从包括底层路基稳定设施和上层保温设施，在土方路基上方以及周边设置上层保温设施，在季节性冻土区，活动层厚度约为1.5m-2.0m的大西北，良好的保温设施可以保证在严冬来临时，土方路基以下不会被冻透，从根源上解决下方路基冻胀和盐胀后湿陷的问题；选用气泡混合轻质土作为铺设在土方路基上方的保温层，其特点是密度比一般混凝土小，而强度和刚度甚至超过能良好的土体，且其导热系数、强度和密度可以调整，在满足强度和耐久性的条件下，可通过调整密度降低导热系数，提升隔热性能；气泡混合轻质土孔隙率大，具有导热系数小，耐震、隔热及抗冻融性能良好；气泡混合轻质土按一定配合比拌和后，流动性、保水性、和易性良好，便于施工，固化后养护7天的初期强度高；气泡混合轻质土属于水泥稳定粒料类，可用于基层底基层的施工，其耐震、隔热及抗冻融性能良好，强度刚度满足要求。

在季节性冻土区，修筑保温护道，边坡保温护道厚度大于活动层厚度时，加宽段以外的路基地温将始终为正温，可减小加宽区以外的活动层范围，控制路基冻胀、盐胀、融沉病害的发生与发展，避免盐分相变导致的土体松胀问题。

作为季节性冻土区的上层保温设施，气泡混合轻质土和保温护道的组合，在试验段铺设现场监测的数据显示：可以起到良好的稳热效果；在施工中确认了试验段现场检测的数据。

在中粗砂下保护层下方铺设底层路基稳定设施，底层路基稳定设施选择灰土挤密桩和石灰土垫层的组合，是专门针对季节性冻土区盐渍土的特性，考虑挤密效果、耗水、热供应等多方面的因素，灰土挤密桩在施工中可反应消耗水分放热且体积会膨胀，梅花形的桩群与下部地基土发生反应，吸水、膨胀、挤密，可显著提升基底承载能力，且放出的大量反应热，对上方路基热稳定性兼具积极作用；组合石灰土垫层在后期使用中可以确保吸收下方多余毛细水，应用效果良好。

（3）本实用新型的水热监测设施中的水热探头及时探明土方路基及其下方对应位置的水热现状，并将数据采集，便于监控，整体采用太阳能供电，更适用于西北季节性冻土区盐渍土路段的现状；铺设方式采用半幅路宽，考虑到结冻深度，一般布设在阴坡的一端，每隔10Km-50Km公里布设一组，根据施工现场路段的地质情况灵活调整，当施工现场路段地质结构相似度较高时，布设间距拉宽，当施工现场路段地质结构相似度低，路面上方情况复杂时，布设间距拉缩短；水热监测设施能实时监测路基内部的水热状况，及时监测异常，保证季冻区盐渍土地区公路长期健康运营；且可根据需求加装具有水热异常状况预报功能的模块，实现智能化监测。

（4）本实用新型方法突出将中粗砂下保护层、改性荒漠砂隔断层、中粗砂上保护层用分层填筑砂粒土进行包边，同时分层施工铺设压实，确保其稳定性；同时一体化铺设土方路基和保温护道，确保保温护道的稳定性，且一体化的施工工序少，成本低；最后修筑改性荒漠砂隔水墙，进一步防止路基两侧水分盐分的迁移，全方位保证路基的稳定性。

（5）本实用新型针对季节性冻土区盐渍土路基中的水盐迁移、盐分相变、能量传输等过程诱发的盐胀、冻胀、溶陷等病害，能够有效的隔断地下毛细水与易溶盐向上迁移，有效地控制盐分相变、能量传输等过程；对下部基底达到吸水、热补充、膨胀挤密的效果，维持路基土长期水、热、盐稳定性；且对路基水、热状况及时监测；所涉及到的部件材料均为普通土工材料，造价低，且施工工序少，后期维护简单；整个设施施工与路基施工同时进行，施工后的公路长期健康运营效果显著。

附图说明

图1为一种应用于季节性冻土区盐渍土路基的装置的结构示意图；

图2为图1的俯视图。

附图标记如下：1、气泡混合轻质土基层；2、保温护道；3、石灰土垫层；4、灰土挤密桩；5、改性荒漠砂隔断层；6、中粗砂上保护层；7、中粗砂下保护层；8、改性荒漠砂隔水墙；9、砂粒土包边区；10、热敏电阻电缆；11、水热探头；12、监测装置；13、信息采集器；14、供电装置；15、路面；16、土方路基。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式，对本实用新型作进一步的详细说明。

如图1-2所示，一种应用于季节性冻土区盐渍土路基的装置，包括土方路基16、稳热设施、隔断设施、水热监测设施。

具体的：隔断设施包括自下而上依次设置的中粗砂下保护层7、改性荒漠砂隔断层5、中粗砂上保护层6；隔断设施两侧设有截面为梯形的砂粒土包边区9，砂粒土包边区9将中粗砂下保护层7、改性荒漠砂隔断层5、中粗砂上保护层6的外围封包在其中。

稳热设施包括底层路基稳定设施和上层保温设施：

底层路基稳定设施包括自下而上依次设置的灰土挤密桩4和石灰土垫层3，石灰土垫层3位于中粗砂下保护层7下方，中粗砂上保护层6上方依次铺设土方路基16和路面15；灰土挤密桩4采用梅花桩；灰土挤密桩4外侧均设有改性荒漠砂隔水墙8。

上层保温设施包括气泡混合轻质土基层1和保温护道2，泡混合轻质土基层1位于土方路基16上方和路面15下方，保温护道2位于土方路基16两侧。

水热监测设施包括互相连接的热敏电阻电缆10和水热探头11，热敏电阻电缆10连接有监测装置12，监测装置12包括互相连接的信息采集器13和供电装置14，供电装置14与热敏电阻电缆10连接；供电装置14包括互相连接的太阳能蓄电池与太阳能板，太阳能蓄电池与太阳能板之间通过逆变器连接。

水热监测设施每隔10Km-50Km公里布设一组，每组水热监测设施长度为1.5m-2.5m，且沿路基半幅铺设在土方路基16和中粗砂上保护层6中；水热探头11水平布设间距为1m，水热探头11竖向布设间距为0.5m，水热探头11中的一组铺设深度超出灰土挤密桩4底端0.5m，其余多组水热探头11仅铺设在土方路基16和中粗砂上保护层6中。

以上应用于季节性冻土区盐渍土路基的装置的施工方法见下述步骤：

步骤A、底层路基稳定设施施工：

用挖掘机首先进行清表处理，处理深度根据施工工地地质条件来定，确保挖除腐殖土，施工中处理深度不小于0.3m；

采用沉管法成型灰土挤密桩4，灰土挤密桩4布设成梅花桩，其成桩流程为：桩机就位-将钢管打至设计要求-加料-拔管-成桩-桩顶压密-重锤夯击封口，成桩后用压路机及平地机对基底充分压实整平，使平整度符合规范要求；

采用标杆法控制摊铺厚度，铺筑5%石灰土垫层3，分层压实，铺筑厚度根据施工工地地质条件来定，铺筑厚度一般为30cm-50cm；

成桩后钻孔埋设一组水热监测设施，确保最低位的水热探头位于灰土挤密桩4底端0.5m处，之后充分压实整平；

步骤B、隔断设施施工：

分层填筑砂粒土包边区6；

依次铺设5cm厚的中粗砂下保护层7；

3cm-5cm厚的改性荒漠砂隔断层5；

5cm厚的中粗砂上保护层6，该层填筑时埋设对应深度的水热监测设施；

改性荒漠砂隔断层5的厚度根据施工工地地质条件来定，当地下毛细水和盐分含量较高时，改性荒漠砂隔断层5的铺筑厚度适当增加，反之，铺筑厚度达到3cm即可，既能实现隔断，施工工价更低；

分层初压，调平复压，最后表层碾压；

步骤C、土方路基及上层保温设施施工：

分层填筑隔断设施上层土方路基16及保温护道2，满幅施工，且确保松浦厚度不超过0.3m；每层填筑后确保压实度满足施工规范要求，且每层填筑时埋设对应深度的水热监测设施；

铺筑气泡混合轻质土基层1，并按规范标准养护7天；

步骤D、外围隔水墙施工：

修筑改性荒漠砂隔水墙8，采用夯机充分压实；

步骤E、路面施工：

标准要求修筑路面15。

Claims (9)

1.一种应用于季节性冻土区盐渍土路基的装置，包括土方路基（16），其特征在于：还包括稳热设施、隔断设施，所述隔断设施包括自下而上依次设置的中粗砂下保护层（7）、改性荒漠砂隔断层（5）、中粗砂上保护层（6）；所述稳热设施包括底层路基稳定设施和上层保温设施，所述底层路基稳定设施包括自下而上依次设置的灰土挤密桩（4）和石灰土垫层（3），所述石灰土垫层（3）位于中粗砂下保护层（7）下方，所述中粗砂上保护层（6）上方依次铺设土方路基（16）和路面（15）。

2.如权利要求1所述的一种应用于季节性冻土区盐渍土路基的装置，其特征在于：还包括水热监测设施，所述水热监测设施每隔10Km-50Km公里布设一组，每组水热监测设施长度为1.5m-2.5m，且沿路基半幅铺设在土方路基（16）和中粗砂上保护层（6）中。

3.如权利要求2所述的一种应用于季节性冻土区盐渍土路基的装置，其特征在于：所述水热探头（11）水平布设间距为1m，所述水热探头（11）竖向布设间距为0.5m，所述水热探头（11）中的一组铺设深度超出灰土挤密桩（4）底端0.5m，其余多组水热探头（11）仅铺设在土方路基（16）和中粗砂上保护层（6）中。

4.如权利要求2或3所述的一种应用于季节性冻土区盐渍土路基的装置，其特征在于：所述水热监测设施包括互相连接的热敏电阻电缆（10）和水热探头（11），所述热敏电阻电缆（10）连接有监测装置（12），所述监测装置（12）包括互相连接的信息采集器（13）和供电装置（14），所述供电装置（14）与热敏电阻电缆（10）连接。

5.如权利要求1所述的一种应用于季节性冻土区盐渍土路基的装置，其特征在于：所述灰土挤密桩（4）外侧均设有改性荒漠砂隔水墙（8）。

6.如权利要求1所述的一种应用于季节性冻土区盐渍土路基的装置，其特征在于：所述上层保温设施包括气泡混合轻质土基层（1）和保温护道（2），所述泡混合轻质土基层（1）位于土方路基（16）上方和路面（15）下方，所述保温护道（2）位于土方路基（16）两侧。

7.如权利要求1所述的一种应用于季节性冻土区盐渍土路基的装置，其特征在于：所述隔断设施两侧设有截面为梯形的砂粒土包边区（9），所述砂粒土包边区（9）将中粗砂下保护层（7）、改性荒漠砂隔断层（5）、中粗砂上保护层（6）的外围封包在其中。

8.如权利要求1所述的一种应用于季节性冻土区盐渍土路基的装置，其特征在于：所述灰土挤密桩（4）采用梅花桩。

9.如权利要求4所述的一种应用于季节性冻土区盐渍土路基的装置，其特征在于：所述供电装置（14）包括互相连接的太阳能蓄电池与太阳能板，所述太阳能蓄电池与太阳能板之间通过逆变器连接。

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