处理公路冻土地基的方法
【专利摘要】本发明公开了一种处理公路冻土地基的方法，包括如下步骤：在预处理的冻土地基上钻若干个孔；选定部分钻孔，布置温度探头；在部分钻孔内插入双层热水循环管，通入热水，待冻土地基融化后，取出双层热水循环管；采用钻机，钻进并喷送压缩空气；停止喷送压缩空气，喷送具有预设温度的水泥，待喷送一定量后，改喷压缩空气；复搅预定的次数，铺设碎石和土工布。实施本发明，粉喷桩与周围土体形成复合地基，不需预压即可获得较高的复合地基承载力及复合变形能力，其自身性质界于刚性与柔性桩之间。处理深度可达10～15m，施工工艺简单，振动小，噪声低，无污染，可操作性强，可明显加强多年冻土地基的稳定性。
【专利说明】处理公路冻土地基的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及改良地基或土壤的方法，尤其是一种冻土地基的处理方法。
【背景技术】
[0002]冻土由于其低温、易变、温度敏感等的特殊工程地质性质，修建其上的道路容易产生路基下沉、路面开裂、凹陷、冻胀翻浆等病害，严重影响着多年冻土区道路的稳定性和安全通行。
[0003]现有的方法包括设置隔热层、热棒或遮阳板:在路基的底部或路基表面以下某一深度铺设隔热层用来增加路堤热阻，减小路基的融化深度，调节路基人为上限的埋深和形态，这种路基称作隔热层路基。在暖季，路基外气温比路基内部及其基底下面的闻，隔热材料可以很好的防止热量从路基外流入路基内，防止冻土地基升温。但当进入冷季时，地温高于气温，多年冻土向大气散热以恢复多年冻土的热平衡，而路基中的保温材料仍保持着热阻效应，即阻止路基下伏多年冻土向大气的散热，在此期间保温材料起着不利于保护多年冻土的作用。因此，保温处理措施不可能改变因修筑路基而引起的地一气热交换的发展趋势。
[0004]碎、片石路基是利用一定级配的碎、片石因孔隙中的空气是否发生对流而具有可变的导热系数的特性来实现路基内部的降温。碎、片石路基为多孔介质结构，当气流流过碎石表面时，由于气体与碎、片石表面存在温度差而在二者之间产生热量交换，其在暖季具有热屏蔽作用，在冷季具有对流降温作用。但是该种路基对石料需求较大、要求较高。碎、片石的风化、孔隙堵塞都会影响对流的效果和路基稳定性。最佳孔径问题也是控制的难点。
[0005]热棒是一种利用液气转换对流和循环来实现热量传输的系统。热棒单向传热，反向不传热。在温暖季节，热棒会停止工作，其使用效果受到众多因素的影响，特别是冻结期长短问题，若冻结期短，融化期长，冻结核尚未在下一个冬季来临之前就全部融化，那么就失去了热棒的应用价值。热棒路基的造价较高，且部分采用热棒路基的地段往往产生在热棒周围一定范围内会产生一定的沉降，其主要机理值得进一步研究。
[0006]遮阳板能够阻止太阳对路基阳面边坡的直接辐射，明显减少了路基吸收的辐射热，显著降低了路基的温度，同时减少或阻隔带有融化潜热的雨水下渗路基，切断路基边坡的雨水补给。但遮阳板面板易变形、损坏，多年冻土地区温差大，遮阳板材料热胀冷缩量大，遮阳板在使用中因内应力导致结构变形、损坏，不利于工程措施持久使用。
[0007]据上所述，与被动降温措施相比，现有的主动降温措施能更好的保持冻土路基的稳定性。但这些措施的核心还是保护“多年冻土地基、尽量不扰动或少扰动冻土地基”。并且每一种措施在实际应用当中都有其针对性和局限性，冻土地基的相关问题没有得到彻底解决。
【发明内容】
[0008]发明目的:提供一种处理公路冻土地基的方法，以解决现有技术存在的上述问题。
[0009]技术方案:一种处理公路冻土地基的方法，包括如下步骤:
步骤1、在预处理的冻土地基上钻若干个孔；
步骤2、选定部分钻孔，布置温度探头；
步骤3、在部分钻孔内插入双层热水循环管，通入热水，待冻土地基融化后，取出双层热水循环管；
步骤4、采用钻机，钻进并喷送压缩空气；
步骤5、停止喷送压缩空气，喷送具有预设温度的水泥，待喷送一定量后，改喷压缩空气；
步骤6、复搅预定的次数，铺设碎石和土工布。
[0010]在进一步的实施例中，包括如下步骤:
51、在预处理的冻土地基处，根据路基施工规范要求，采用烘干法测定该区域冻土的含水率；
52、使用风动潜孔钻机进行钻孔，孔径约6?7cm，孔的位置按梅花形布置，孔的中心位于将要施工的粉喷桩中心，间距不超过2m ；
53、在该冻土处选定温度探测孔，探测孔的中线距S2中所钻孔的中线距离为25?30cm，观测孔由地表以下0.3?0.7m起沿深度每隔0.5?0.6 m布置温度探头，探头深度大于桩长；
54、在钻好的多个孔内插入双层热水循环管，管内用70?80°C的热水循环；
55、待预处治的冻土地基融化后，即探测孔所有温度探头检测到的温度大于0°C，取出双层热水循环管；
56、定位粉喷桩钻机,对正桩位,调平机身。启动钻机下钻，待搅拌钻头接近地面时，启动空压机。开启粉喷钻机，开始钻进，同时喷送高压气，钻至设计标高后停钻；
57、关闭送气闸门，喷送来自特制的具有保温功能的灰罐中的水泥；确认水泥到桩底时，反向提升钻头，边提升边喷送水泥；当钻头提升至距地面约50cm时，关闭粉体发送器，改喷压缩空气至地面；
58、第一次停粉后，立即换挡下沉，进行复搅直至完成设计复搅遍数。当搅拌钻头完成最后一遍复搅提升至桩顶时原地搅拌I?2min ;搅拌完成后在桩顶铺设级配碎石，碎石层中铺设土工布。
[0011 ] 上述方法还包括制作粉喷桩桩材料的方法，具体为:
K1、采用早强型水泥，以重量百分比计，包括:抗压强度等级为42.5MPa的硫铝酸盐水泥，83?86% ;普通硅酸盐水泥，0.7?1.2% ;天然硬石膏，9.0?9.8% ;天然二水石膏，2.2?2.7% ;生石灰，0.7?1% ;防冻剂一亚硝酸钠，1.5?2.5% ;水泥用量不少于成桩土重的 15% ；
K2、将所用原料进行粉磨，控制粉磨后物料比表面积为400 ±30 m2 / kg ;
K3、水灰比不大于0.4 ;
K4、在搅拌完成后的粉喷桩顶铺设一层聚氯乙烯薄膜保湿，再覆盖棉毡和草袋保温。
[0012]进一步地，在步骤S7中，若冻土含水量低于30%，从喷粉管同时注入水或采用浆喷。在步骤K3中，当冻土含水率小于30%时采用浆喷。在步骤S8中，若冻土含水量大于70%，需增加粉体掺入量和复搅遍数。所述灰罐包括: 罐体、内部中空，底部呈漏斗状且设置有灰罐进气口和灰罐出料口，顶部密封并设置有连通罐体内外的灰罐出气口和灰罐进灰口 ；加热气管,沿灰罐外壁，自下向上缠绕于灰罐上，加热进气口位于下方，加热出气口位于上方。所述加热气管的截面为半圆形，管径60?80mm,壁厚10?15mm,管距400?600mm,外侧米用保温材料封闭。
[0013]有益效果:实施本发明，粉喷桩与周围土体形成复合地基，不需预压即可获得较高的复合地基承载力及复合变形能力，其自身性质界于刚性与柔性桩之间。处理深度可达10?15m，施工工艺简单，振动小，噪声低，无污染，可操作性强，可明显加强多年冻土地基的稳定性。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1a是本发明的粉喷桩平面布置示意图；图中，I为温度探测孔。
[0015]图1b是图1a中A处放大图。
[0016]图1c是图1a中温度探测孔所在处横断面示意图，图中，2为温探测器。
[0017]图2是本发明的具有保温功能的水泥灰罐的结构示意图；图中，101-灰罐出气口 ；102-灰罐进灰口 ；103_加热气管；104-加热进气口 ；105_灰罐进气口 ；106_灰罐出料口 ；107-加热出气口。
[0018]图3是本发明实施示意图。图中，201-多年冻土地基；202-粉喷桩；203-级配碎石；204_ 土工布。
【具体实施方式】
[0019]如图1a至图3所示，本发明的实施过程如下:
如图1a和图1b所示，在欲用粉喷桩处治的冻土地基处，首先按照路基施工规范的要求，采用烘干法测定此区域冻土的含水率。测定完成后，定位风动潜孔钻机，启动钻机进行钻孔，孔径70_，温度探测孔I的位置按梅花形布置，孔的中心位于将要施工的粉喷桩中心(粉喷桩直径为50cm)，间距不超过2m。在该冻土处选定温度探测孔，探测孔中心距上一步钻机所钻孔中心的距离为25cm。
[0020]如图1c所示，观测孔由地表以下0.5 m起沿深度每隔0.5 m布置温度探头，探头深度略大于桩长。在钻好的孔内插入直径为60mm的双层循环热水管，热水管与换热器或移动式烧水锅炉相连，管内水温为70?80°C。至粉喷桩桩径范围内冻土融化后，即探测孔所有温度探头检测到温度大于0°C，取出双层循环热水管。
[0021]定位粉喷桩机，放置好液压步履式底架。调整液压系统将立架竖起。粉喷桩机的钻机对准融化后的冻土，调平机身。启动钻机，通过导向加减压机构提供压力。粉喷桩机由传动系统提供动力。待搅拌钻头接近地面时，启动空压机。钻头边旋转边钻进，同时喷送高压气，直至钻到设计标高后停钻。关闭送气闸门，喷送水泥。
[0022]如图2所示，水泥用量通过电子计量系统进行控制，来自灰罐中的水泥(温度40?50°C)通过进料口进入喷粉管。若冻土含水量低于30%，喷粉管需注水或采用浆喷。确认水泥到桩底时，反向提升钻头，边提升边向被搅拌的土体中喷送水泥，使土体和水泥进行充分拌和。当钻头提升至距地面50cm时，关闭粉体发送器，改喷压缩空气至地面，成桩结束。
[0023]第一次停止喷送水泥后，立即换挡下沉，在地面下一定深度范围内进行复搅，此时停止喷粉，钻头边旋转边钻进至设计要求复拌的深度，再反向边旋转边提升，使土体和粉体充分拌和，直至完成设计复搅遍数。若冻土含水量大于70%，需增加粉体掺入量和复搅遍数。采用低应变法对桩身质量进行检测，检测数量为总桩数的25%。在粉喷桩顶端铺设约50cm厚的级配碎石，再在级配碎石中放入土工布。
[0024]图2所示的具有保温功能的水泥灰罐，101和105分别为灰罐出气口和灰罐进气口，102、106分别为灰罐进灰口和灰罐出料口。103为设计在灰罐外侧环绕的低碳钢加热气管，截面为半圆形，管径80mm,壁厚1mm,管距600mm。加热气管外采用岩棉作为保温材料封闭，移动式锅炉烧开水的热汽通过加热进气口 104连接到环绕在灰罐的热汽管，进行热汽保温，通过加热出气口 107再与锅炉相连使热气循环，保证热气管内温度。出料口 6通过橡胶管与粉喷桩机的进料口相连，橡胶管的内径为30mm。
[0025]如图3所示，201为多年冻土地基，在粉喷桩202顶端铺设约50cm的级配碎石，再在碎石层203中铺设土工布204，形成复合地基褥垫层。
[0026]粉喷桩材料设计:
采用早强型水泥:抗压强度等级为42.5MPa的硫铝酸盐水泥，84% ;普通硅酸盐水泥，
0.9% ;天然硬石膏，9.1% ;天然二水石膏，2.3% ;生石灰，0.8% ;防冻剂-亚硝酸钠，2%。严禁使用受潮、结块、变质的劣质水泥。水泥用量不少于成桩土重的15% (当冻土含水率在30%-70%时采用，大于70%需增加用量)；水灰比不大于0.4 (浆喷，冻土含水率低于30%时米用)。
[0027]将所用原料进行粉磨，控制粉磨后物料比表面积为400±30 m2 / kg。
[0028]将粉磨后物料导入灰罐中贮存。
[0029]水泥粉料被喷入搅拌的土体中与土体充分拌合，至完成复搅遍数后在其上铺设一层聚氯乙烯薄膜保湿，再覆盖棉毡和草袋保温。
[0030]本发明的原理可广泛适用于多种多年冻土地基的处理。
[0031]本发明的思路是改变原有的单纯保护冻土的措施，采取在多年冻土地基中粉喷水泥以形成刚性桩的处治方法，以期解决多年冻土地基存在的热融沉陷问题。
[0032]本发明的优点和效果在于粉喷桩以粉体作加固料，当冻土含水量在30%?70%之间时，不需向地基注入附加水分，可以充分吸取土中的水分。若冻土含水量低于30%，需通过喷粉管注入水或采用浆喷；若冻土含水量高于70%，则需增加粉体掺入量和复搅遍数。
[0033]以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。
[0034]另外需要说明的是，在上述【具体实施方式】中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
[0035]此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
【权利要求】
1.一种处理公路冻土地基的方法，其特征在于，包括如下步骤: 步骤1、在预处理的冻土地基上钻若干个孔； 步骤2、选定部分钻孔，布置温度探头； 步骤3、在部分钻孔内插入双层热水循环管，通入热水，待冻土地基融化后，取出双层热水循环管； 步骤4、采用钻机，钻进并喷送压缩空气； 步骤5、停止喷送压缩空气，喷送具有预设温度的水泥，待喷送一定量后，改喷压缩空气； 步骤6、复搅预定的次数，铺设碎石和土工布。
2.如权利要求1所述的处理公路冻土地基的方法，其特征在于，进一步为: 51、在预处理的冻土地基处，根据路基施工规范要求，采用烘干法测定该区域冻土的含水率； 52、使用风动潜孔钻机进行钻孔，孔径约6?7cm，孔的位置按梅花形布置，孔的中心位于将要施工的粉喷桩中心，间距不超过2m ； 53、在该冻土处选定温度探测孔，S2中所钻孔的中线距离为25?30cm，观测孔由地表以下0.3?0.7m起沿深度每隔0.5?0.6 m布置温度探头，探头深度大于桩长； 54、在钻好的多个孔内插入双层热水循环管，管内用70?80°C的热水循环； 55、待预处治的冻土地基融化后，即探测孔所有温度探头检测到的温度大于0°C，取出双层热水循环管； 56、定位粉喷桩钻机，对正桩位，调平机身； 启动钻机下钻，待搅拌钻头接近地面时，启动空压机； 开启粉喷钻机，开始钻进，同时喷送闻压气，钻至设计标闻后停钻； 57、关闭送气闸门，喷送来自特制的具有保温功能的灰罐中的水泥；确认水泥到桩底时，反向提升钻头，边提升边喷送水泥；当钻头提升至距地面约50cm时，关闭粉体发送器，改喷压缩空气至地面； 58、第一次停粉后，立即换挡下沉，进行复搅直至完成设计复搅遍数； 当搅拌钻头完成最后一遍复搅提升至桩顶时原地搅拌1?2min ;搅拌完成后在桩顶铺设级配碎石，碎石层中铺设土工布。
3.如权利要求2所述的公路多年冻土地基粉喷桩复合地基处治方法，其特征在于还包括制作粉喷桩桩材料的方法，具体为: K1、采用早强型水泥，以重量百分比计，包括:抗压强度等级为42.5MPa的硫铝酸盐水泥，83?86% ;普通硅酸盐水泥，0.7?1.2% ;天然硬石膏，9.0?9.8% ;天然二水石膏，2.2?2.7% ;生石灰，0.7?1% ;防冻剂一亚硝酸钠，1.5?2.5% ;水泥用量不少于成桩土重的 15% ； K2、将所用原料进行粉磨，控制粉磨后物料比表面积为400 ±30 m2 / kg ; K3、水灰比不大于0.4 ; Κ4、在搅拌完成后的粉喷桩顶铺设一层聚氯乙烯薄膜保湿，再覆盖棉毡和草袋保温。
4.如权利要求2所述的处理公路冻土地基的方法，其特征在于，在步骤S7中，若冻土含水量低于30%，从喷粉管同时注入水或采用浆喷。
5.如权利要求3所述的处理公路冻土地基的方法，其特征在于，在步骤K3中，当冻土含水率小于30%时采用浆喷。
6.如权利要求2所述的处理公路冻土地基的方法，其特征在于，在步骤S8中，若冻土含水量大于70%，需增加粉体掺入量和复搅遍数。
7.如权利要求1至6任一项所述的处理公路冻土地基的方法，其特征在于，所述灰罐包括: 罐体、内部中空，底部呈漏斗状且设置有灰罐进气口(105)和灰罐出料口(106)，顶部密封并设置有连通罐体内外的灰罐出气口(101)和灰罐进灰口(102)； 加热气管(103)，沿灰罐外壁，自下向上缠绕于灰罐上，加热进气口( 104)位于下方，力口热出气口(107)位于上方。
8.如权利要求7所述的处理公路冻土地基的方法，其特征在于，所述加热气管的截面为半圆形，管径60?80mm,壁厚10?15mm,管距400?600mm,外侧米用保温材料封闭。
【文档编号】C04B28/06GK104264657SQ201410464932
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月12日 优先权日:2014年9月12日
【发明者】廖公云, 王乐宇, 黄晓明, 汪双杰, 王声乐, 陈建兵, 马涛 申请人:东南大学